城市配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)探討及研究

深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 宋光華

目前主流的配電網(wǎng)勘察設(shè)計(jì)采用CAD 二維設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)CAD 二維設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)階段普遍存在諸如圖紙冗繁、錯(cuò)誤率高、變更頻繁、協(xié)作溝通困難等缺點(diǎn)，二維設(shè)計(jì)暴露的弊端越來(lái)越多。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用平面、立面、剖面等二維視圖展現(xiàn)成果，各個(gè)構(gòu)件的信息在圖紙上采用線條繪制表達(dá)，構(gòu)造型式需設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、業(yè)主等使用人員自行想象，識(shí)圖相對(duì)困難，容易帶來(lái)理解偏差。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)不斷深化，地下管線繁多，布置縱橫交錯(cuò)，沿路徑建設(shè)10kV 電纜線路影響因素多，設(shè)計(jì)人員無(wú)法充分利用地下管線勘測(cè)成果，導(dǎo)致新建電纜通道與周邊管線安全距離不足，或者現(xiàn)有管線埋深較深，新建電纜通道可以在其上方實(shí)施，二維設(shè)計(jì)會(huì)因有管線而放棄該路徑方案。

非開挖水平定向鉆大量應(yīng)用于配電網(wǎng)工程建設(shè)，由于復(fù)雜環(huán)境，埋于地下的管線未進(jìn)行系統(tǒng)化管理。水平定向鉆走向平面圖及剖面圖難于反映與地下管線的相對(duì)關(guān)系，近年發(fā)生多起碰撞燃?xì)夤艿赖氖┕な鹿剩蕉ㄏ蜚@作業(yè)如同一顆“定時(shí)炸彈”，成為設(shè)計(jì)和施工的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)讓配電網(wǎng)設(shè)計(jì)從二維真正走向三維，對(duì)于配電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法是一次重大變革。通過(guò)配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的使用，設(shè)計(jì)人員不在困惑于如何用傳統(tǒng)的二維圖紙表達(dá)復(fù)雜的三維形態(tài)這一難題，深刻的對(duì)復(fù)雜三維形態(tài)的可實(shí)施性進(jìn)行了拓展。而配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要特性之一可視化，使得設(shè)計(jì)人員對(duì)于自己的設(shè)計(jì)思想既能夠做到“所見即所得”，而且能夠讓客戶捅破技術(shù)壁壘的“窗戶紙”，隨時(shí)了解到自己的投資可以收獲什么樣的成果。

1 配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在不同專業(yè)上的應(yīng)用

1.1 配電線路設(shè)計(jì)

1.1.1 電力線路三維設(shè)計(jì)

集成傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等技術(shù)，整合1：50000的航空遙感影像數(shù)據(jù)、1：2000的無(wú)人機(jī)航飛數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)20kV 及以下配電架空線路工程路徑三維設(shè)計(jì)（圖1）。以工程項(xiàng)目為單位進(jìn)行工程信息錄入、工程資料整理，通過(guò)多方案路徑比選進(jìn)行選線，結(jié)合數(shù)字化定位進(jìn)行架空三維排桿；通過(guò)各項(xiàng)電氣約束條件進(jìn)行電氣安全距離校驗(yàn)，根據(jù)各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算及出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)展示路徑出圖、最合理基礎(chǔ)配置統(tǒng)計(jì)及計(jì)算等功能。

圖1 架空線路三維設(shè)計(jì)成果

1.1.2 電纜線路三維設(shè)計(jì)

將地下管線物探成果提供的管線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和管線埋深數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為WGS84坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)，按管線節(jié)點(diǎn)屬性自動(dòng)將相應(yīng)的三維模型族庫(kù)圖形導(dǎo)入平臺(tái)，在平臺(tái)中按管線直徑、輪廓自動(dòng)形成三維線路連接相關(guān)節(jié)點(diǎn)，生成地下管線三維圖形，并對(duì)不同專業(yè)管線進(jìn)行碰撞檢查和提醒。在三維場(chǎng)景中，通過(guò)人工指定或APP 移動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入確定線路路徑起點(diǎn)、終點(diǎn)和轉(zhuǎn)角點(diǎn)，并將相關(guān)定點(diǎn)自動(dòng)連線，并實(shí)時(shí)顯示線路與地表建筑物間水平距離。

在同一場(chǎng)景中繪制、保存多條線路路徑方案。平臺(tái)自動(dòng)判據(jù)線路路徑的終端和轉(zhuǎn)角位置，自動(dòng)匹配工作井至三維設(shè)計(jì)場(chǎng)景中；依據(jù)給定工作井間距(范圍值)以及工作井模塊類型，沿線路路徑進(jìn)行自動(dòng)工作井排位。通過(guò)節(jié)點(diǎn)選取、路徑比選完成電纜自動(dòng)布線（圖2）；通過(guò)地下管線安全距離約束條件進(jìn)行管線碰撞檢查，完成地下管線的可視化設(shè)計(jì)；根據(jù)各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算及出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)展示路徑出圖、修復(fù)、損耗計(jì)算等功能。

圖2 電纜線路三維設(shè)計(jì)成果

1.2 配電站設(shè)計(jì)

將“配電系統(tǒng)二維數(shù)字化設(shè)計(jì)”成果自動(dòng)導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，將Revit 三維設(shè)計(jì)軟件搭建的建筑類配電站（開關(guān)站）整體（含電房結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備等）模型族庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，完成各類型標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)配電站、開關(guān)站的搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備、土建基礎(chǔ)、安健環(huán)、照明、排水、通風(fēng)、消防、避雷及接地等相關(guān)設(shè)備的布置及優(yōu)化，以及與外線專業(yè)的對(duì)接，并實(shí)現(xiàn)電氣距離約束條件下的安全校驗(yàn)；結(jié)合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理及運(yùn)用，高效準(zhǔn)確還原現(xiàn)狀配電站空間結(jié)構(gòu)；跟據(jù)各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算及出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)展示及節(jié)點(diǎn)大樣安裝、二三維布置平面出圖等功能。

1.3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)用二維族元，實(shí)現(xiàn)工程系統(tǒng)圖、接線圖的二維設(shè)計(jì)工作。基于典型設(shè)計(jì)模板，結(jié)合智能選擇、數(shù)字化優(yōu)化等手段實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，將標(biāo)準(zhǔn)二維圖元中各類型變壓器、高低壓開關(guān)、柜體按標(biāo)準(zhǔn)接線參數(shù)化設(shè)計(jì)、模塊化管理，滿足配電系統(tǒng)的電氣繪制和智能統(tǒng)計(jì)工作。

2 配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在工程建設(shè)全生命周期中的應(yīng)用

配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以對(duì)工程項(xiàng)目管理、工程數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)地理信息管理、線路設(shè)計(jì)、配電站設(shè)計(jì)、配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、族庫(kù)管理等業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，適用于前期規(guī)劃、施工圖設(shè)計(jì)、施工建造及運(yùn)行維護(hù)等不同階段。

2.1 在配電網(wǎng)項(xiàng)目前期規(guī)劃階段的應(yīng)用

圖3 配網(wǎng)工程數(shù)字化應(yīng)用流程

在前期規(guī)劃階段，配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于建設(shè)項(xiàng)目在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行性論證提供幫助，提高論證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。規(guī)劃階段，主要用于現(xiàn)狀建模、成本預(yù)算、階段規(guī)劃、場(chǎng)地分析、空間規(guī)劃等，配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)可以為業(yè)主提供概要模型，針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目方案通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)生成不同線路路徑方案，并對(duì)線路路徑方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出推薦方案，從而為整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)降低成本、縮短工期并提高質(zhì)量。

2.2 在配電網(wǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是以高精度影像、DEM、基礎(chǔ)地理等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以三維精細(xì)化模型為依托，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、三維可視化技術(shù)和信息集成技術(shù)，結(jié)合地理信息和工程信息，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，以三維數(shù)字化的形式，整合地形地貌信息構(gòu)建真實(shí)的三維現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。配網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)還原、路徑自動(dòng)布置、平斷面聯(lián)動(dòng)、管線碰撞校驗(yàn)、安全距離校驗(yàn)等功能的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一鍵還原地物管線信息及準(zhǔn)確、快速生成設(shè)計(jì)成果，提升設(shè)計(jì)工作的效率及準(zhǔn)確度。

平臺(tái)可以自動(dòng)輸出線路路徑圖、平斷面圖、工程量統(tǒng)計(jì)表等設(shè)計(jì)成果，并自動(dòng)生成三維數(shù)字化模型，便于設(shè)計(jì)成果的展示及查閱，同時(shí)支持將三維線路路徑設(shè)計(jì)成果按指定圖例轉(zhuǎn)化為二維圖（包括中壓系統(tǒng)圖、接線圖、總路徑平面圖、分路徑平面圖、路徑斷面圖、電房平立面圖、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)大樣圖等），自動(dòng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成品，標(biāo)準(zhǔn)化出圖布局、圖框及字體高度，保持圖紙完整、圖面整齊美觀。最終達(dá)到設(shè)計(jì)工作可視化、流程化、智能化、數(shù)字化的效果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。

圖4 新建電纜通道與原有地下管線碰撞檢測(cè)

2.3 在配電網(wǎng)項(xiàng)目施工建造階段的應(yīng)用

圖5 施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)交底

在項(xiàng)目的施工階段，依托三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)圖紙、文檔、工程量信息等內(nèi)容的集成，以虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景展現(xiàn)工程面貌，實(shí)現(xiàn)施工可視化交底。通過(guò)將三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型納入項(xiàng)目主要交付物，為建設(shè)階段的數(shù)字化管理奠定基礎(chǔ)：實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工交底及施工工序可視化，有效指導(dǎo)施工。將平時(shí)二維圖紙表示的大樣圖以三維的形式直觀表現(xiàn)出來(lái)，使施工復(fù)雜節(jié)點(diǎn)直觀化，降低現(xiàn)場(chǎng)施工交底難度。推演施工工序及自動(dòng)檢驗(yàn)施工方案合理性，便于及時(shí)調(diào)整施工方案不合理環(huán)節(jié)；提高設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性，有效處理各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容之間的交叉、碰撞問題，在設(shè)計(jì)變更階段有效對(duì)更動(dòng)內(nèi)容引起的專業(yè)碰撞問題進(jìn)行協(xié)調(diào)及控制，實(shí)現(xiàn)可視化協(xié)同設(shè)計(jì)變更及各專業(yè)、各參建單位的實(shí)時(shí)信息交流。

2.4 在配電網(wǎng)項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)階段的應(yīng)用

三維數(shù)字化成果依據(jù)移交標(biāo)準(zhǔn)一鍵生成GIM 標(biāo)準(zhǔn)文件，統(tǒng)一提取數(shù)字化移交所需填寫的屬性進(jìn)行數(shù)字化移交。數(shù)字化移交成果有助于客戶利用三維數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)可視化管理及參數(shù)化管理。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，運(yùn)維人員可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)維階段設(shè)施維修和安全培訓(xùn)等數(shù)字化仿真應(yīng)用，協(xié)助客戶在虛擬環(huán)境中自主定制操作手則、操作流程及安全規(guī)程，并通過(guò)預(yù)先設(shè)定任務(wù)和操作步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)新員工的入崗培訓(xùn)和事故處理演練。

3 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)還原、路徑自動(dòng)布置、平斷面聯(lián)動(dòng)、碰撞檢測(cè)、安全距離校驗(yàn)、一鍵出工程量、管線碰撞校驗(yàn)、安全距離校驗(yàn)、APP 移動(dòng)端等功能的應(yīng)用以及業(yè)務(wù)流程管理，最終實(shí)現(xiàn)配電工程全生命周期管理應(yīng)用，達(dá)到設(shè)計(jì)工作可視化、流程化、智能化、數(shù)字化的效果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率的目標(biāo)。不過(guò)，配電網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)還在起步階段，智能化水平有待提升，大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)功能尚未開展，運(yùn)維階段功能尚需拓展，未來(lái)需進(jìn)一步擴(kuò)展相應(yīng)的功能，做到真正的全生命周期管理。