基于全息數(shù)據(jù)的輸電智慧設(shè)計方法研究與應(yīng)用

袁敬中，謝景海，郭 嘉，盧詩華，蘇東禹，孫 密，呂 科

(國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100038)

0 引言

電網(wǎng)設(shè)計技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展和演變，從傳統(tǒng)的手工繪制、計算機兩維輔助設(shè)計，到目前已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)字化三維設(shè)計。隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、海拉瓦全數(shù)字化攝影系統(tǒng)(Helava)、建筑信息模型(building information model，BIM)以及電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)等三維設(shè)計技術(shù)手段成功地應(yīng)用到電網(wǎng)設(shè)計中，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的空間位置信息、高清衛(wèi)星攝影圖片以及無人機拍攝的圖片等均成為了電網(wǎng)設(shè)計的重要數(shù)據(jù)資源，為電網(wǎng)進一步數(shù)字化、電力物聯(lián)網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)[1-2]。但是，目前電網(wǎng)設(shè)計中的設(shè)計方案獲取、比選、校核、決策、判斷和評估等大量復(fù)雜工作仍然需要依靠設(shè)計人員完成，這不僅需要大量的高級人力資源，而且設(shè)計質(zhì)量仍然主要取決于設(shè)計人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗。

另一方面，我國電網(wǎng)建設(shè)從超高壓時代邁入了特高壓、交直流互聯(lián)等新時代，遠(yuǎn)距離送電與城鎮(zhèn)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興，電力電子裝備廣泛應(yīng)用，對電網(wǎng)設(shè)計也提出了更高的要求。比如，變電站(包括換流站和開關(guān)站)的站址選擇和輸電線路路徑選擇在電網(wǎng)設(shè)計中極為重要；但是面對更為復(fù)雜的電網(wǎng)建設(shè)環(huán)境，兩者都日趨困難。再者，近年來又提出了“三通一標(biāo)”“兩型一化三新”“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、模塊化建設(shè)”“機械化施工、流水線作業(yè)”等全新理念，無疑又給電網(wǎng)設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。

同時，面對新形勢、新發(fā)展、新要求，國家電網(wǎng)有限公司加速能源互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)、新型電力系統(tǒng)建設(shè)，大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生和人工智能等技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了廣泛應(yīng)用的歷史階段，而電網(wǎng)設(shè)計是一個適合大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和人工智能等新技術(shù)廣泛應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域。目前，正是將大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和人工智能等新技術(shù)引入電網(wǎng)設(shè)計的恰當(dāng)時機。換句話說，提出電網(wǎng)智慧設(shè)計的新理念和新方法已經(jīng)具備基礎(chǔ)技術(shù)條件。

因此，如何結(jié)合目前電網(wǎng)數(shù)字化三維設(shè)計的成功經(jīng)驗，采用大數(shù)據(jù)、強人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、5G、VR、3DS、云霧邊(端)緣計算、萬物智聯(lián)、鏡像、圖像識別、虛擬成像等先進新技術(shù)大幅度提升電網(wǎng)設(shè)計工作效率和設(shè)計質(zhì)量，是一個具有重要價值且亟待研究的課題?；谏鲜霰尘?，本文綜合利用多種先進新技術(shù)手段，提出基于全息數(shù)字孿生技術(shù)，適用于數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的輸電智慧設(shè)計理念，并開展輸電智慧設(shè)計方法研究與應(yīng)用。

1 輸電智慧設(shè)計理念

1.1 智慧設(shè)計基本概念

智慧設(shè)計，是指根據(jù)應(yīng)用場景靈活采用大數(shù)據(jù)、強人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、5G、VR、3DS、云霧邊(端)緣計算、萬物智聯(lián)、鏡像、圖像識別、虛擬成像等新技術(shù)手段，具有設(shè)計、比對、評估、迭代的質(zhì)量控制過程和較高自動化程度，能夠滿足技術(shù)經(jīng)濟一體化的全方位數(shù)字化設(shè)計方法。

智慧設(shè)計是基于設(shè)計技術(shù)新發(fā)展和設(shè)計結(jié)果新要求的理念創(chuàng)新，具有高度的獨立設(shè)計和整體設(shè)計的靈活性，能夠滿足各種復(fù)雜條件下的設(shè)計要求。智慧設(shè)計技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)線路工程中，就形成輸電智慧設(shè)計。輸電智慧設(shè)計的功能如圖1所示。

圖1 輸電智慧設(shè)計功能

1.2 智慧設(shè)計目的

智慧設(shè)計目的旨在對工程項目開展精準(zhǔn)化、精細(xì)化、數(shù)字化、立體化、空間化設(shè)計，進一步大幅度提升設(shè)計質(zhì)量和效率，減少人為影響因素，實現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計、精細(xì)算價，具有高度自動化的思考、推理、自檢、糾錯、評估等智慧功能。

1.3 智慧設(shè)計模式

智慧設(shè)計模式將充分利用傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)計的可靠經(jīng)驗和多種先進新技術(shù)手段的優(yōu)勢，構(gòu)建具有良好適應(yīng)性、靈活性和學(xué)習(xí)性的電網(wǎng)設(shè)計高度自動化、數(shù)字化智慧平臺，實現(xiàn)設(shè)計階段一體化、技術(shù)與經(jīng)濟一體化、設(shè)計和評估(評審)一體化。

1.4 智慧設(shè)計方法

在工程項目各個設(shè)計階段，基于強人工智能等最新技術(shù)融合的智慧設(shè)計系統(tǒng)，在各個階段采用設(shè)計、比對、評估、優(yōu)化多步多次迭代，獲得整體最優(yōu)化設(shè)計方案，形成高質(zhì)量、高水平設(shè)計產(chǎn)品。

2 輸電智慧設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

輸電智慧設(shè)計作為一種多維度嶄新設(shè)計理念，融合了各領(lǐng)域多方面的智能化關(guān)鍵技術(shù)。多種技術(shù)的有效融合促使電網(wǎng)智慧設(shè)計從理論走向現(xiàn)實。下面綜合討論電網(wǎng)輸電智慧設(shè)計在全息數(shù)據(jù)、強人工智能、區(qū)塊鏈、云霧邊(端)等技術(shù)應(yīng)用方面內(nèi)容。

2.1 全息數(shù)據(jù)技術(shù)

數(shù)據(jù)是開展一切設(shè)計工作的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)是全息數(shù)字孿生平臺的核心，是電網(wǎng)智慧設(shè)計的基礎(chǔ)。利用數(shù)字孿生和克隆技術(shù)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一屬性、統(tǒng)一賦能，融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于智慧設(shè)計的全息數(shù)字孿生平臺。

基于大數(shù)據(jù)、圖像識別、虛擬成像、數(shù)字孿生等技術(shù)，還原現(xiàn)場真實環(huán)境，構(gòu)建全息數(shù)字孿生平臺，形成虛擬全息空間環(huán)境，重現(xiàn)空間孿生體或克隆體，能夠完成三維虛擬全息環(huán)境的構(gòu)建。

2.2 強人工智能技術(shù)

目前，普遍廣泛采用的人工智能技術(shù)是弱人工智能(weak artificial intelligence)，只能解決特定的領(lǐng)域限定問題，完成有限事務(wù)，是機械地實現(xiàn)設(shè)定的行為，是一種技術(shù)工具。強人工智能技術(shù)(strong artificial intelligence)，能夠?qū)崿F(xiàn)類人意識，通過深度學(xué)習(xí)，具備工程項目設(shè)計推理和解決問題的功能。結(jié)合強人工智能技術(shù)和虛擬三維成像技術(shù)，可將衛(wèi)星遙感、航飛、激光點云、海拉瓦、攝像、照相等影像，通過算法還原成真實立體物體，并賦能屬性。在站址選擇、路徑選擇、方案選擇及比選、設(shè)備選擇、造價分析等方面，通過模型建立，算法訓(xùn)練，具備學(xué)習(xí)、推理、解決問題的能力，實現(xiàn)智慧設(shè)計功能。

2.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、透明性、開放性、可追溯性、不可篡改、隱私匿名、多點共識等這些特征，非常適合應(yīng)用在電網(wǎng)設(shè)計技術(shù)和造價中。在電網(wǎng)輸電設(shè)計中線路電氣、線路結(jié)構(gòu)、勘測、造價等專業(yè)協(xié)同同步開展設(shè)計，有效地保證設(shè)計方案的正確性，以及工程項目造價編制和算價的精準(zhǔn)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可同步實現(xiàn)設(shè)計中各個階段設(shè)計、對比、評估、評審等功能。

2.4 云霧邊(端)技術(shù)

在電網(wǎng)輸電工程項目設(shè)計中，將電氣、絕緣配合、架構(gòu)承載、土建結(jié)構(gòu)、桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)地線選擇等計算融入到設(shè)計過程中，隨著設(shè)計進程，應(yīng)用邊緣計算技術(shù)，及時開展計算，選擇合適方案、導(dǎo)線、配置、塔型等。評審和審核功能也隨時通過邊緣計算、分析和評估及時完成，實現(xiàn)分步評審和審核功能。

開展電網(wǎng)設(shè)計工作的相關(guān)數(shù)據(jù)涉及網(wǎng)架、敏感地理位置等敏感保密信息，一般設(shè)置在內(nèi)網(wǎng)，導(dǎo)致設(shè)計人員在外現(xiàn)場工作時無法登陸內(nèi)網(wǎng)，不能開展相關(guān)業(yè)務(wù)。為了及時有效開展工作，采用鏡像技術(shù)，在需要時經(jīng)授權(quán)，把內(nèi)網(wǎng)相關(guān)需要的數(shù)據(jù)鏡像到外網(wǎng)服務(wù)器，以加密方式，通過5G或4G技術(shù)，在遠(yuǎn)端使用終端開展設(shè)計工作，實現(xiàn)邊(端)、霧、云設(shè)計和計算功能。當(dāng)設(shè)計工作完成之后，及時收回授權(quán)，并把最新成果鏡像到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，保持系統(tǒng)內(nèi)容及時更新。

冀北經(jīng)研體系已經(jīng)建成了“1+7”三維設(shè)計平臺，在經(jīng)研院設(shè)置了3臺主服務(wù)器，在7家經(jīng)研所和設(shè)計單位設(shè)置了7臺輔助服務(wù)器。各單位各自完成的設(shè)計成果在各自服務(wù)器上儲存。主服務(wù)器實現(xiàn)云計算功能，輔助服務(wù)器實現(xiàn)霧計算功能，操作終端實現(xiàn)邊(端)計算功能。

2.5 虛擬VR技術(shù)

虛擬VR技術(shù)應(yīng)用到電網(wǎng)設(shè)計將是一項全新的實用技術(shù)，包括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。采用AI+3D+虛擬VR技術(shù)，可以實現(xiàn)身臨其境，處于物體空間內(nèi)開展立體設(shè)計狀態(tài)，更加直觀、精準(zhǔn)、真實地開展設(shè)計。與無人機結(jié)合，實時成像，坐在辦公室也可以開展現(xiàn)場設(shè)計工作，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程同步設(shè)計功能。

2.6 智慧知識庫構(gòu)建

結(jié)合國家、行業(yè)、國網(wǎng)公司、冀北公司等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在“三通一標(biāo)”“兩型三新一化”、專家設(shè)計經(jīng)驗等基礎(chǔ)上建立具有自學(xué)習(xí)、自推理、自豐富、自診斷、自積累等功能的智慧專家?guī)臁Ｖ腔蹖＜規(guī)鞈?yīng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、規(guī)范統(tǒng)一、賦能統(tǒng)一、使用統(tǒng)一、維護統(tǒng)一，做到從規(guī)劃設(shè)計、采購制造、建設(shè)運維全生命周期貫通統(tǒng)一，虛體和實體一致。智慧專家?guī)彀ǔＳ猛ㄓ迷O(shè)計庫、主接線庫、設(shè)備庫、導(dǎo)線材料庫、建筑物庫、構(gòu)筑物庫、線路基礎(chǔ)庫，以及策略庫、規(guī)則庫、經(jīng)驗庫等，這些庫用于智慧選擇、判斷、比對及優(yōu)化等應(yīng)用。

2.7 萬物智聯(lián)技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)思維，全生命周期理念，建立電網(wǎng)統(tǒng)一識別碼體系。將電網(wǎng)設(shè)備、材料、建筑物、構(gòu)筑物、鐵塔、導(dǎo)線、金具等等，任何一個可獨立元件或單元，從規(guī)劃設(shè)計開始統(tǒng)一編碼(GID碼)，并進一步賦能，將相關(guān)特性和屬性等標(biāo)注，成為一個智慧單元或元件，全部單元或元件全感知、智能、智慧，實現(xiàn)萬物智聯(lián)。工程建設(shè)時也同樣，每個環(huán)節(jié)每個部件也能全感知，實時跟蹤，狀態(tài)感知。建成后，便形成了一個設(shè)計產(chǎn)品的孿生體，可以用于運行、維護、全生命周期有效健康管理。

3 輸電智慧設(shè)計總體方案

輸電線路智慧設(shè)計，是在傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)上，以全息平臺提供的地理信息數(shù)據(jù)為支撐，結(jié)合三維技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，從路徑選擇、電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、造價分析等各個環(huán)節(jié)開展研究，實現(xiàn)輸電設(shè)計流程的全面智能化、設(shè)計與技術(shù)技經(jīng)一體化，并形成相應(yīng)的系統(tǒng)成果。總體方案流程如圖2所示。

圖2 輸電智慧設(shè)計總體方案流程圖

3.1 智慧設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建

3.1.1 全息環(huán)境構(gòu)建

在工程項目中，可以使用三維場景構(gòu)建技術(shù)，在全息平臺上合成三維環(huán)境影像，構(gòu)建三維虛擬環(huán)境，用于智慧輸電線路設(shè)計與建設(shè)。三維虛擬環(huán)境場景構(gòu)建的重點包括：

1)通過調(diào)查和研究，了解目前國內(nèi)外電網(wǎng)、地質(zhì)、航天、交通等行業(yè)衛(wèi)星圖片、航空圖片等內(nèi)容，獲取相關(guān)有效數(shù)據(jù)信息，為構(gòu)建三維虛擬場景提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2)研究國內(nèi)外各主流GIS平臺及所支持的地理信息數(shù)據(jù)格式，通過對不同數(shù)據(jù)格式的分析及對比建立符合項目要求的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和算法。

3)研究矢量地形圖數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)融合方法，將不同比例尺地形圖疊加到三維數(shù)字化路徑選擇場景并實現(xiàn)快速切換。

4)研究河道、路網(wǎng)、礦區(qū)等專題圖數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)融合方法。數(shù)據(jù)融合成果將為路徑選擇提供優(yōu)化依據(jù),方便設(shè)計人員對設(shè)計施工過程中運輸費用進行綜合考慮，得出最優(yōu)路徑結(jié)果。

3.1.2 數(shù)據(jù)種植和處理

通過數(shù)字孿生和克隆技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)種植到平臺上，經(jīng)過處理和清洗，形成立體全息可使用的熟數(shù)據(jù)(cooked data)。

需要種植電網(wǎng)工程設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)主要分四類：地理信息、地上物、地下物以及數(shù)據(jù)虛物體(孿體)；其中地理信息包括地形、地貌、高程信息、公路鐵路等基本信息；地上物包含電力桿塔、樹木、構(gòu)筑物等物體；地下物包含礦產(chǎn)、地層結(jié)構(gòu)、地下管道等；數(shù)據(jù)虛物體主要包括設(shè)計所需的規(guī)程、規(guī)范、模型及政府文件，在此基礎(chǔ)上，判別該區(qū)域的屬性所劃分的區(qū)域，即規(guī)劃區(qū)、文物保護區(qū)、自然保護區(qū)等，即為屬性判別區(qū)域。

考慮有效使用，將數(shù)據(jù)屬性定義分成紅區(qū)、黃區(qū)、綠區(qū)、灰區(qū)四類區(qū)。紅區(qū)：工程設(shè)計選址選線過程中必須避讓的區(qū)域；黃區(qū)：工程設(shè)計選址選線過程中需要付出直接或間接代價的區(qū)域；綠區(qū)：工程設(shè)計選址選線過程中可無代價經(jīng)過的區(qū)域；灰區(qū)：工程設(shè)計選址選線過程中存在潛在風(fēng)險的區(qū)域，可隨實際情況轉(zhuǎn)化成為其他類型區(qū)域。

利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過數(shù)據(jù)種植、清洗、煎熟，形成獲得立體全方位空間熟數(shù)據(jù)，適用于強人工智能算法使用。

3.1.3 多元數(shù)據(jù)融合

在設(shè)計平臺的構(gòu)建中，需要融合包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)源。利用大數(shù)據(jù)、圖像識別、虛擬成像等技術(shù)進行處理分析。通過分析國內(nèi)外主流GIS平臺及三維設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用情況，研究、融合并管理各類新型測繪數(shù)據(jù)和工測數(shù)據(jù)。

構(gòu)建的全息數(shù)字孿生平臺是實物空間的孿生體。在全息數(shù)字孿生平臺上，結(jié)合模塊化設(shè)計，通過數(shù)字孿生、克隆技術(shù)生成實際物體孿生體；同時也可以開展全過程設(shè)計、模擬施工、運維等。每個獨立模件是一個感知體，具有電網(wǎng)識別碼(grid ID，簡稱GID)，全生命周期有效。

現(xiàn)場空間孿生體，經(jīng)過設(shè)計、加載、加工變成設(shè)計產(chǎn)品(可研、初設(shè)、施工圖、竣工圖)，就是設(shè)計孿生體；再經(jīng)過建造變成實物孿生體(電網(wǎng))，設(shè)計孿生體和實物孿生體是一對一模一樣的孿生體。

采用這個孿生體可以建設(shè)孿生變電站、孿生輸電線路，形成數(shù)字孿生電網(wǎng)。在數(shù)字孿生電網(wǎng)上可以開展實物電網(wǎng)上所有的一切工作，可以提前分析、預(yù)判、診斷等，用于指導(dǎo)實物電網(wǎng)運行、控制、維護、仿真等健康管理。

3.2 輸電線路路徑智慧選擇

輸電線路路徑選擇的傳統(tǒng)方法是：首先在紙質(zhì)或掃描地形圖上進行路徑方案初步確定，然后進行現(xiàn)場踏勘測量，發(fā)現(xiàn)問題再對路徑初選方案進行修改。這種工作方式存在以下缺點：敏感數(shù)據(jù)的獲取、管理、保密等工作耗時費力；地形圖的精度低，導(dǎo)致現(xiàn)場勘測的次數(shù)增加；傳統(tǒng)地形圖直觀性差，不利于線路路徑方案的合理性判斷；已完成工程資料數(shù)據(jù)電子化轉(zhuǎn)換困難，數(shù)據(jù)復(fù)用性差。且時間長，效率低，不精準(zhǔn)。

因此，提出融合海拉瓦技術(shù)、GIS技術(shù)和人工智能等先進技術(shù)的“智慧路徑選擇”方法?！爸腔勐窂竭x擇”的優(yōu)點主要體現(xiàn)在三個方面：其一，“智慧路徑選擇”由計算機完全替代人工，可以根據(jù)相應(yīng)的約束條件及多種高級綜合算法進行自動尋優(yōu)，選擇最優(yōu)線路路徑，使設(shè)計效率大為提高。其二，“智慧路徑選擇”可針對不同地域的地形特點和地形細(xì)節(jié)，結(jié)合豐富的經(jīng)驗自動做出最佳的選擇，提高輸電線路路徑選擇的技術(shù)水準(zhǔn)、成果質(zhì)量和方案的可實施性。其三，“智慧路徑選擇”能有效利用海拉瓦和航空影像等先進測繪技術(shù)所獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，提高設(shè)計準(zhǔn)確性。

為了突破輸電線路路徑選擇及優(yōu)化的難點，需要用地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場景。同時，應(yīng)充分考慮地形圖數(shù)據(jù)在輸電線路路徑選擇工作中的意義和作用，通過融合多種數(shù)據(jù)源以確保三維場景的真實性和準(zhǔn)確性。構(gòu)建適用于輸電線路路徑選擇的三維化仿真場景，應(yīng)將各種比例尺的地形圖數(shù)據(jù)與地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，并支持多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)格式，包括測量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖片、航拍圖片、激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)等。圖3給出的是融合多種數(shù)據(jù)的輸電線路設(shè)計的三維展示界面?；谳旊娭腔墼O(shè)計的輸電線路路徑選擇過程中采用先進的大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)融合，為后續(xù)構(gòu)建適用于輸電線路路徑選擇的三維化仿真場景提供真實準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖3 輸電線路設(shè)計三維展示界面

在輸電線路路徑方案的選擇中，同時需要綜合考慮拆遷量、砍伐量和施工運輸?shù)雀鞣N影響工程造價和線路路徑質(zhì)量的因素。因此，輸電線路路徑選擇平臺應(yīng)能夠支持矢量地理信息圖層數(shù)據(jù)的疊加，并能夠結(jié)合影像、地形圖、專題圖以優(yōu)化線路走廊。為了最大程度地優(yōu)化線路走廊，往往需要進行桿塔預(yù)排位和計算預(yù)排位方案的工程造價，為線路路徑方案優(yōu)化提供依據(jù)。圖4給出了考慮拆遷量的設(shè)計界面，而圖5給出了考慮砍伐量和施工條件的設(shè)計界面。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能技術(shù)，在桿塔預(yù)排位、計算預(yù)排位方案工程造價、計算綜合考慮各種影響因素后的工程造價等過程中，可實現(xiàn)平臺自主智能計算輸出工程造價等相關(guān)計算量結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高效且優(yōu)質(zhì)地獲得線路路徑優(yōu)化方案的依據(jù)，為后續(xù)獲取線路最優(yōu)路徑創(chuàng)造有利的基礎(chǔ)條件。

圖4 考慮拆遷量的設(shè)計界面

圖5 考慮砍伐量和施工條件的設(shè)計界面

在最優(yōu)路徑算法方面，首先要建立適合于輸電線路的路徑選擇算法，采用逐次逼近法，空間投資價值最優(yōu)原則[3-4]，分別按照粗選、細(xì)選、精選三步驟，逐次推進可研、初設(shè)、施設(shè)各個階段的路徑選取。粗選路徑需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略是線路長度、曲折系數(shù)、轉(zhuǎn)角度數(shù)、避讓紅區(qū)、居民區(qū)、經(jīng)濟林、礦區(qū)等；細(xì)選路徑需要增加考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略有地形坡度、冰風(fēng)舞雷區(qū)、采空區(qū)、跨越、河流、道路、邊坡、臨近線路、農(nóng)田、轉(zhuǎn)角個數(shù)等；精選路徑需要再增加考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略是塔位、斷面、交通、低地等。智慧路徑選擇界面如圖6所示。

圖6 智慧路徑選擇界面

通過采用大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能等先進技術(shù)對現(xiàn)有地理數(shù)據(jù)進行收集和處理，建立一個統(tǒng)一高效的仿真地理環(huán)境，在此環(huán)境中實現(xiàn)自主智慧路徑規(guī)劃，數(shù)據(jù)管理，資料提取等工作，其中數(shù)據(jù)由統(tǒng)一服務(wù)器進行管理?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)的數(shù)字化、智能化線路路徑選擇及優(yōu)化方案，能便捷高效地改進線路路徑設(shè)計質(zhì)量，提高輸電線路規(guī)劃設(shè)計的智能化水平，減少工程費用。

此外，還需進行路徑輔助設(shè)計及優(yōu)化，通過采用人工智能等先進技術(shù)突破快速材料統(tǒng)計及造價分析、智能交互路徑選擇等相關(guān)技術(shù)難點，也可通過人工干預(yù)與計算機設(shè)計相結(jié)合進一步提高路徑設(shè)計質(zhì)量。

3.3 輸電線路本體智慧設(shè)計

輸電線路設(shè)計模型，需要考慮多種氣象條件下的模型形態(tài)及空間距離，在矢量模型建立時應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)，采用參數(shù)化方式進行建模，確保建模工作不增加設(shè)計人員工作負(fù)擔(dān)，同時又能夠針對模型進行各種電氣計算，實現(xiàn)矢量模型的自主智能建立與矢量化電氣量自主智能計算過程。

輸電線路本體智慧設(shè)計，主要包含以下內(nèi)容：根據(jù)系統(tǒng)條件及要求合理選擇導(dǎo)線，設(shè)置絕緣配合(圖7)，完成桿塔規(guī)劃及排列(圖8)，優(yōu)化基礎(chǔ)選擇(圖9)，形成三維設(shè)計成果，一鍵輸出成品。

圖7 智慧絕緣配合設(shè)計

圖8 智慧桿塔規(guī)劃設(shè)計

圖9 智慧基礎(chǔ)設(shè)計

3.4 技術(shù)與經(jīng)濟一體化及造價分析

在工程項目本體設(shè)計完成之后，包括方案、可研、初設(shè)、施設(shè)、竣工等階段，系統(tǒng)自動獲取設(shè)備、材料等價格信息，自動套取定額，編制完成估算、概算、預(yù)算、工程量清單等；同時，同步完成造價分析，實現(xiàn)設(shè)計技經(jīng)與分析一體化貫通。電網(wǎng)設(shè)計方案關(guān)系著電網(wǎng)的建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)全過程和投資效益，起著非常關(guān)鍵的作用。智慧設(shè)計相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及研究，大大提高了電網(wǎng)設(shè)計質(zhì)量和水平，使建設(shè)未來數(shù)字電網(wǎng)、智慧電網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)成為了可能[5]。

4 輸電智慧設(shè)計平臺

隨著電網(wǎng)多維度智慧設(shè)計技術(shù)、人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，輸變電工程設(shè)計未來將更加廣泛的采用“人工智能”“專家系統(tǒng)”“智慧路徑選擇”“動態(tài)規(guī)劃”、GIS、GIM、BIM大數(shù)據(jù)、虛擬合成成像、圖像識別處理等新技術(shù)。構(gòu)建實用化電網(wǎng)設(shè)計平臺，將“電網(wǎng)智慧設(shè)計”理念落地化，能夠推動電網(wǎng)設(shè)計理念的發(fā)展，全面提升工程項目設(shè)計質(zhì)量和水平。

基于新技術(shù)融合的全息數(shù)字孿生電網(wǎng)智慧設(shè)計平臺，具有構(gòu)建真實虛擬空間的功能，可以完成可研、初設(shè)、施設(shè)等各個階段的智慧設(shè)計任務(wù)，能夠貫穿于整個電網(wǎng)設(shè)計過程。智慧設(shè)計成果可以實現(xiàn)全電子化移交，使數(shù)據(jù)服務(wù)與數(shù)字化智慧電網(wǎng)建設(shè)和運行。基于強人工智能等新技術(shù)的電網(wǎng)智慧設(shè)計平臺的構(gòu)建流程如下：

1)構(gòu)建完整地理信息

利用現(xiàn)有衛(wèi)星、照相、移動測量、地下探測等綜合技術(shù)，采集工程區(qū)域內(nèi)相關(guān)變電站站址、線路路徑等高清晰度立體地理信息。同時，可通過移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取站址、路徑附近詳細(xì)地理信息，彌補宏觀信息不足的缺點，從而建立出區(qū)域內(nèi)完整全面的地理信息庫。

2)構(gòu)建全息數(shù)字孿生平臺

通過結(jié)合地理信息處理技術(shù)和三維仿真技術(shù)等先進技術(shù)，在地理信息庫上附加地上物、地下物、礦藏、鐵路、公路、電力線等全部關(guān)鍵信息，進行數(shù)據(jù)賦能，形成全息空間數(shù)據(jù)，從而建立完整立體的多維度全息數(shù)據(jù)平臺，用以適應(yīng)智慧規(guī)劃設(shè)計的需要。

3)構(gòu)建基于強人工智能的專家系統(tǒng)

結(jié)合建立的智慧知識庫，構(gòu)建可視化的輸變電智慧選線平臺。輸變電智慧選線平臺是人工智能專家系統(tǒng)的支撐核心，利用該平臺進行線路智能化路徑選擇，能夠更好地解決現(xiàn)有專家系統(tǒng)存在的問題。該平臺具有以下優(yōu)點：一是采用獨立的地理信息構(gòu)建系統(tǒng)，可以高效真實地還原現(xiàn)場地形、地貌場景，減少路徑選擇過程中不確定的因素，從而減少設(shè)計人員現(xiàn)場勘查的次數(shù)；二是可以對路徑的選擇進行智能規(guī)劃，輸入限定的邊界條件后該平臺將給出數(shù)條智能路徑選擇結(jié)果，并實時顯示設(shè)計路徑的平斷面等重要數(shù)據(jù)，為設(shè)計人員提供多種路徑選擇方案建議，有助于提高路徑選擇的質(zhì)量和效率；三是支持衛(wèi)片、航片、電子地形圖、掃描地形圖、激光點云、傾斜攝影測量、虛擬成像等測繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入，有助于提高路徑選擇初期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的便利性。平臺對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并對敏感數(shù)據(jù)進行加密存儲，以滿足設(shè)計人員對不同數(shù)據(jù)的管理需求；四是對已經(jīng)設(shè)計完成的工程進行顯示存檔，提供對相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的自助提取服務(wù)。系統(tǒng)與目前市場上的主流設(shè)計軟件應(yīng)有效兼容。

通過人工智能專家系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對線路路徑的智能化、智慧化、合理化選取，從而實現(xiàn)對工程線路路徑規(guī)劃設(shè)計過程的進一步優(yōu)化。

4)構(gòu)建多維度智慧設(shè)計系統(tǒng)及設(shè)計平臺

未來的設(shè)計概念，就是在同一平臺上進行云霧邊(端)設(shè)計。從設(shè)計開始，對電網(wǎng)每個元件進行編碼，形成電網(wǎng)中統(tǒng)一、編號唯一的代碼，用于電力物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)建。多維度智慧設(shè)計是指在上下左右前后的多維度空間上[5]，實現(xiàn)立體旋轉(zhuǎn)設(shè)計，通過引入時間變量以實現(xiàn)多維度設(shè)計的理念。線路工程在確定起止點，以及邊界條件后，系統(tǒng)自動完成輸電線路路徑選擇、桿塔選擇、導(dǎo)線選擇等，智慧自動設(shè)計并生成出滿足要求的推薦方案，便于設(shè)計人員選擇；同時，與工程設(shè)計相關(guān)圖紙、數(shù)據(jù)、工程量、估算、概算、預(yù)算等全部信息量也自動生成，以供設(shè)計人員自動調(diào)取；實現(xiàn)立體多維度設(shè)計工作，進而形成設(shè)計所需的全部信息。如果某一外部條件變化，系統(tǒng)可以隨時修改調(diào)整，并重新生成相關(guān)信息及方案。

5)設(shè)計產(chǎn)品無紙化輸出和移交

智慧設(shè)計實現(xiàn)了全過程多維度智慧完整設(shè)計，并生成了完整的數(shù)字化成果；同時實現(xiàn)了全設(shè)計過程、全信息的無紙化輸出與無紙化提交，這樣可以做到真正意義上的技術(shù)、造價(技經(jīng))一體化貫通設(shè)計。圖10給出了造價部分流程圖。

圖10 造價部分流程圖

未來，結(jié)合3D打印技術(shù)，可以在工廠或現(xiàn)場自動打印建構(gòu)筑物，實現(xiàn)全鏈條自動化設(shè)計與制造。

6)設(shè)計輸出產(chǎn)品合規(guī)性自動檢查

智慧設(shè)計平臺集成了電網(wǎng)所有的嚴(yán)格策略、規(guī)則、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等，設(shè)計輸出的產(chǎn)品應(yīng)該是滿足要求、符合規(guī)則的合格產(chǎn)品，也就自動分步隨時完成了各個階段評審工作，實現(xiàn)自動檢查與評審功能。

5 結(jié)語

智慧設(shè)計可以實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)計的全壽命、全過程融合，從而達(dá)到真正意義上的數(shù)字化設(shè)計。通過將規(guī)劃、設(shè)計、評估、評審、建設(shè)、調(diào)控、運維等更多功能融入其中，可以把設(shè)計平臺打造成一個集電網(wǎng)設(shè)計、評審、運維等業(yè)務(wù)于一體的綜合服務(wù)平臺。隨著先進的測量、強人工智能等技術(shù)深度應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，將大大提升設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)計手段革命性改進和創(chuàng)新性發(fā)展，更好地適應(yīng)對大規(guī)模、高電壓、高水平新型電網(wǎng)建設(shè)的需要。電網(wǎng)智慧設(shè)計的實現(xiàn)，將有效助力高質(zhì)量數(shù)字電網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)建設(shè)。