輸電線路數字化設計現狀分析及改進方向探討

譚浩文，薛永峰，江 岳

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

輸電線路的傳統設計主要是基于二維圖紙的專業配合作業。二維圖紙的數據是非結構化的，圖紙里所涵蓋的信息很難被計算機直接識別。勘測專業、電氣和結構設計專業的配合，主要依靠資料互提和確認來解決，缺少相應的設計平臺或結構化信息傳遞手段。各專業間的數據信息相互孤立，無法實現方便快捷的互通傳遞。在設計過程中，不同專業之間以及專業內部的不同設計階段，由于沒有信息載體和一體化設計平臺，很多信息需要以人工的方式多次錄入和檢查；在利用已有設計成果時，因為相關成果信息為非結構化、非參數化的圖紙，僅能通過人工查閱的方式，手工提取相關成果信息，在后續設計中使用。以上的這種傳統作業方式效率低而且差錯率高，不能實現數據的一次錄入、多次采用[1]。

隨著計算機技術和勘測技術的發展，數字化技術廣泛地融入電網設計行業，交互協同設計、三維設計推動電網勘測設計信息化技術不斷發展。三維數字化技術應用于輸電線路設計，使設計人員能夠在三維視場環境中進行相關設計數據的多維度分析、多視角空間校驗，提高工作效率和設計質量[2]。

國內電力設計單位開展輸電線路三維設計的嘗試開始于2009年前后。最近五年，三維數字化設計成為輸電線路設計行業的熱點。電網建設單位制訂了相關管理、應用標準以及設計導則，建立了數據中心，各電力設計單位或采購、或聯合軟件公司，積極進行數字化設計平臺的建設和應用。然而，總體來看，經過前些年的摸索醞釀和近幾年的高速發展，國內輸電線路的三維數字化設計依然停留在將傳統設計做完以后再進行三維轉化及展示的初階，真正意義上的正向全過程設計應用尚未有較大突破。目前大部分輸電線路數字化設計平臺，在數據管理、業務協同、模型建立和應用領域等各方面都還有改進提升的空間。

本文通過對輸電線路數字化設計的現狀進行分析，結合輸電線路設計的特點，探討輸電線路數字化設計的改進方向。

1 輸電線路數字化設計現狀

輸電線路三維數字化技術最早的目的相對簡單，主要是通過三維展示增加設計成果的可視性，當時稱為三維數字化移交，通常是設計單位以外的公司來完成。在這個階段，設計過程的三維數字化要求相對較低，成果三維數字化和工藝設計往往是脫節的。隨著建筑信息建模 (building information modeling，BIM)設計的流行，輸電線路行業也提出了在設計過程中貫穿三維數字化的理念，通過構造設備三維模型、選取材料、設置參數等，開展空間距離校驗、設備材料自動統計等[1]。經過十幾年的發展，這一目標基本得以實現，但通過實際應用發現，并未跨越“二維設計、三維轉化”的初級階段。

1) 數字化建模是主要工作

目前，輸電線路三維數字化設計成果移交內容主要包括地理信息模型、數字化模型和設計文件電子文檔[3]。地理信息模型和設計文件電子文檔相對容易處理，因此目前的數字化設計軟件和實際設計過程均把重點放在數字化建模上，包括實體模型、參數模型。輸電線路涉及的主要數字化模型包括鐵塔、基礎、導線、絕緣子、金具、通道障礙物(實體及非實體)等。根據不同模型種類和需求，這些模型有的通過解析外部導入的數據文件生成，有的通過在軟件模型數據庫選擇配置得到，有的完全通過手動輸入數據建立，工作量較大。完成以上數字化模型的建立，再將其整合展示到地理信息模型上，就基本完成了數字化設計，可以滿足移交的要求。

2) 數字化建模與工藝設計關聯性不強

目前國內主要的幾個輸電線路三維數字化設計平臺，在整合輸電線路設計流程、優化設計數據流轉、集成已有成熟的電力設計軟件方面，還有很大提升空間。雖然目前大多數數字化設計平臺主要集成了三維地理信息模型和選線系統，可以實現選線、生成斷面及立塔，可以基本代替之前的海拉瓦選線，但是在實際設計中，線路的核心設計如桿塔設計、基礎設計、排位校驗、各種計算等還要依賴平臺之外的其它設計軟件。多數情況下，數字化設計是采用傳統手段完成設計后，再將設計成果輸入或導入數字化平臺建模，記錄為結構化數據。在這種情況下，數字化建模與工藝設計基本是脫節的。

3) 協同設計尚未實現

數字化設計的目標之一是解決傳統設計方式專業之間不能協作，信息不能互通，數據不能一次錄入多次使用的問題。由于目前多數數字化設計平臺主要是建立地理信息和設備數字化模型，自身并未開發或集成成熟的電力計算軟件，輸入平臺的數據很少用來計算，因此，在專業內，設計數據需要重復輸入的問題并未徹底解決，專業間的全面協同設計更未能實現。

4)標準還不夠完善

國家電網有限公司大力推動電網三維數字化設計，建設工程數據中心，制訂了一系列有關三維數字化設計深度、模型交互、成果移交等方面的標準，但目前這些標準有一部分還在不斷的修訂完善中。

5)工程實際應用積極性不高

目前業內應用的輸電線路三維數字化設計平臺大部分基于地理信息系統(geographic information systems，GIS)技術開發，其開發者有傳統電力軟件供應商，也有從未做過電力軟件的GIS技術應用開發商。有的是軟件供應商獨立開發，有的是軟件供應商根據設計單位需求定制開發。由于軟件開發企業不了解輸電線路設計流程和設計單位的設計習慣，在軟件或平臺的操作使用方面，與設計單位的習慣相去甚遠，造成設計院很難熟練使用平臺。同時，由于平臺功能有限，對實際的設計工作起不到多少協助作用，一定程度上還增加了設計工程量。因此在實際工程中，三維數字化設計往往是根據業主要求被動進行。

2 當前輸電線路數字化設計的誤區

1)重三維建模，輕數字化集成

當前國內輸電線路數字化設計，流行一種三維模型統籌論，即以三維模型為中心，以三維模型來統籌設計，其實這一理念存在較大的誤區。

輸電線路設計中需要進行大量的計算，如桿塔荷載、絕緣配置、電磁環境校驗、各種距離校驗等。這些計算都需要很多的輸入數據。在傳統的設計方法中，這些計算往往相互獨立，不少數據需要重復輸入。數字化設計的一大初衷是要解決這一問題，實現數據一次輸入，多次利用，即實現各類計算軟件或程序的數字化集成。然而實際情況是，目前大部分所謂三維數字化設計平臺，往往忽視了這種集成，而把主要功能放在三維建模和展示上。它們的三維模型雖然附帶了很多參數屬性，但這些屬性卻很少能被直接調用計算。雖然在三維場景里，空間距離的計算可以通過三維解析的方法來求解，但是對于輸電線路設計中常用的理論計算，比如要模擬導線的懸鏈線，計算張力差，還得通過數值計算來實現。因此，出于正向設計流程考慮，三維數字化設計平臺必須重點考慮各類計算軟件和程序的數字化集成。

2)宏觀場景中對三維模型的真實度要求過高

當前流行的輸電線路數字化設計，有一種所見即所得的傾向，對輸電線路各設備元件在宏觀環境中的三維模型真實度要求很高，比如要求把鐵塔的角鋼、節點板、甚至螺栓、銷釘都要正確展示出來。各軟件平臺也把大量精力花費在了三維場景、設備元件的三維建模功能上。這一高要求，不僅給軟件平臺的運行環境提出了更高的要求，也給設計人員增加了大量額外工作。

理論上講，提高三維模型的真實度，能夠最大程度避免各種設備、建(構)筑物之間的沖突，并且增強成果的可視化體驗。而對輸電線路來講，其特點是地域跨度大，設備少，呈分散狀態。輸電線路的鐵塔、基礎、導地線、絕緣子金具串等主要設備或構筑以鐵塔為集中布置點，兩點之間一般相距數百米，宏觀上較為分散。因此，線路的兩基鐵塔之間是不可能碰撞的，在宏觀上追求三維模型的高準確性其實沒有必要。在排塔定位這樣的宏觀三維場景中，三維模型只需要單線模型或輪廓模型即可滿足設計要求。

3 輸電線路數字化設計改進方向探討

3.1 科學合理定位

輸電線路的三維數字化設計，應當科學合理定位，弄清設計方和成果需求各方(施工、建設管理、運營維護)的需求，才能進入互相促進、互相協調的生態發展軌道。三維數字化設計的全過程應用，不能僅僅停留在直觀好看的膚淺的“高大上”的層面，而要以提高工作效率，提升成品質量，擴展成果應用為原則。從成果需求方來講，應從成果的后續應用出發，對三維數字化設計成果深度提出有針對性的科學合理要求，并建設相應的應用平臺。對設計方來講，三維數字化設計只是一種手段，不是一項任務，必須以提高工作效率和提升設計質量為原則，為需求方提供符合后續應用要求的成果。

3.2 重視數字化集成和協同

輸電線路三維數字化設計的重點應該放在“數字化”而不是“三維”上面，“三維”可視只是表層，核心是數字化集成和協同。集成方面，著重解決各類設計軟件之間的數據集成互通，實現數據一次輸入，多次調用。協同方面，應以實現各專業的協同為目標，特別是需要反復配合的專業之間。勘測應主要負責地理信息系統的處理、原始資料輸入，線路電氣、結構的設計要能實現協同，互相查看和檢驗。

3.3 三維模型合理分層管理應用

宏觀上，輸電線路設備是較為分散的，在大場景中，具有主要輪廓尺寸的簡化三維模型即可滿足設計要求。只有在局部小場景中，才可能用到相對真實的三維模型。因此，輸電線路數字化設計中的三維模型，宜實行分層管理和應用。宏觀設計場景中，三維模型適宜采用參數和簡化的實體模型的結合，參數主要是指設備的各種參數、屬性，簡化的實體模型主要指設備的輪廓尺寸，兩者的組合既方便直觀展示也便于實現數值計算。局部小場景中，三維模型宜具備參數化建模功能[3]，方便設計人員根據需要通過改變主要參數來建立實體模型，校核細部碰撞。

高精度的三維模型查看宜采用小場景調用方式，隨著訪問深度的增加，逐級按需調用、顯示精度更高的三維模型。比如：在線路整體三維場景展示中，鐵塔只需要輪廓三維，只需表示出主要構件即可，不需要展示諸如角鋼、鋼管、連接板、螺栓等細部構造，如果需要查閱這些細部構造，可按需調用小場景進行展示，這樣可以實現設計階段三維模型和設備廠家產品模型的獨立，實現建模工作的合理分工，同時對計算機硬件的要求也有所降低。

3.4 聯合開發軟件平臺

目前，輸電線路三維數字化平臺的開發模式，無論是軟件供應商單獨開發還是服務合同框架下的定制開發模式，平臺開發單位與使用單位的溝通交流均不夠深入，因而造成開發出來的平臺功能不全或使用不便。從長遠發展來看，輸電線路三維數字化設計軟件平臺，不僅需要狹義地集成各種專業的設計軟件，也需要與成果需求方的諸多軟件系統例如項目管理、材料管理、施工管理、財務系統等多種特定環節或應用專長的軟件實現廣義的復合應用層面的“集成”，以服務于工程和項目。這樣的集成兼容了工作流程和復雜業務，代表了最高程度也是最復雜的集成。要實現這樣的復合集成，必須由工程設計企業和軟件供應商合作開發，但這不僅是軟件開發商協助工程設計企業進行軟件的定制開發，更是工程設計企業提煉自身業務精髓和優化業務流程的機會。設計單位或軟件需求單位與軟件開發商需要適當放棄短期經濟效益，深入合作，資源互補，以建設完備適用的優質平臺。

3.5 積極探索集成新技術

3.5.1 高精測量解析技術

輸電線路三維數字化設計的質量和效率受限于測量數據的精確程度。目前應用比較廣泛的海拉瓦技術[4]在掃描線路斷面時，對樹頂高度、地面高度無法區分，往往導致斷面失真，排塔定位還需要人工現場校測和修正，降低了勘測設計效率。結構專業方面，由于一般航測無法得到滿足精度要求的塔基地形圖，目前所有的塔基地形圖都通過現場實測來獲取，如果能通過高精測量解析技術得到滿足精度要求的塔基數字地形圖，對高低基礎長短腿配置設計的效率將大大提高。因此，將高精測量解析技術，如機載激光雷達測量技術[5]、傾斜攝影技術[6]等應用到輸電線路三維數字化設計，勢必大大提高設計效率和設計質量。

3.5.2 有限元分析方法

在目前的設計當中，導線風偏、絕緣子串偏角等計算一般是通過傳統簡單的荷載等效集中、靜力幾何分析得到的，與導線、絕緣子串實際受分布荷載的情況有一定出入，可能導致結果存在誤差。輸電線路在運行過程中常受到風、覆冰、甚至地震等隨機載荷的作用這些荷載組合往往較為復雜，一般的靜力等效集中分析已經不能滿足設計需要。有限元方法是研究這類問題的重要方法和手段[7]。借助于計算機強大的計算能力，輸電線路三維數字化設計引入有限元分析方法，可對導線風偏、絕緣子串姿態、導線不均勻覆冰姿態等進行仿真模擬，得到更為準確的結果。

3.5.3 塔線耦合分析方法

目前輸電線路的設計方法中，桿塔與導地線是分開考慮的，導地線荷載作為外力施加在桿塔上。對于剛度較小的桿塔，受載荷作用時桿塔上部容易產生較大位移，桿塔與導地線之間的耦合作用明顯，不能忽略。在這樣的場合，現有的計算手段不能準確反映桿塔、導地線、絕緣子金具串的耦合影響，計算結果不夠準確。塔線耦合分析方法提出導地線力—位移等效元的概念，可以考慮桿塔和導地線沿導地線方向的耦合作用，給出整個輸電線路系統的理論等效模型，進行非線性數值仿真和實驗比較，對輸電線路的整體設計、導地線舞動研究具有指導和應用價值[8]。

4 結語

輸電線路三維數字化設計技術以多元地理信息為基礎，多維信息模型為載體，實現設計的可視化、集成化、并行化、智能化，打破設計信息孤島，實現全專業、全過程信息共享，進而全面提升工程設計質量和效率，提交滿足電網企業信息化需求的數字化設計成果，是輸電線路設計行業發展的必然趨勢。

整體來看，當前輸電線路數字化設計從軟件平臺開發到工程應用實質仍停留在將傳統設計方式得到的設計成果三維模型化、數據化的淺層階段。

未來輸電線路數字化設計需要更加科學合理的定位，應將其視為一種設計手段，而不是設計任務來對待，應以提高設計效率，提升設計質量，提供符合后續應用需求的數字化設計成果為原則。需要改變重三維建模，輕數字化集成的方向，通過軟件供應商和需求單位的密切合作，走以三維模型為輔，數字化集成為主的道路，積極探索集成勘測設計新技術，建設多專業協同設計數字化平臺。