基于三維模型的輸變電運(yùn)維業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)及實(shí)踐

摘" 要：三維模型可拓展信息記錄與展示的維度，極具應(yīng)用潛力，已在電力規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維等多個(gè)環(huán)節(jié)初步發(fā)揮作用。如何更好地應(yīng)用三維模型，成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。該文首先梳理總結(jié)三維模型在輸變電運(yùn)維場(chǎng)景的傳統(tǒng)典型應(yīng)用，然后從時(shí)、空2個(gè)維度剖析當(dāng)下三維模型應(yīng)用開發(fā)不足及與數(shù)字孿生技術(shù)融合的價(jià)值潛力，提出數(shù)字孿生三維模型應(yīng)用路徑，最后結(jié)合場(chǎng)景給出若干新應(yīng)用開發(fā)建議。研究成果可為明晰三維模型的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：輸變電場(chǎng)景;三維模型;業(yè)務(wù)應(yīng)用;應(yīng)用開發(fā);數(shù)字孿生技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM76" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）09-0093-04

Abstract： The three-dimensional （3D） model expands the dimension of information recording and display， has great application potential， and has played a preliminary role in power planning， construction， operation and maintenance and other links. How to better apply 3D model has become a hot and difficult point in the industry. Firstly， this paper analyzes and summarizes the traditional typical application of 3D model in the scene of operation and maintenance of power transmission/transformation. Then， it analyzes the deficiency of current 3D model application development and the value potential of integration with digital twin technology from the two dimensions of time and space， and puts forward the application path of digital twin 3D model. Finally， some new application development suggestions are given. The research results can provide reference for the application and development of clear 3D models.

Keywords： power transmission/transformation scene; 3D model; business application; application development; digital twin technology

隨著三維技術(shù)的發(fā)展，輸變電設(shè)備三維模型早期多被應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[1-2]。近年來，輸變電設(shè)備三維模型發(fā)揮出更多作用，不僅為電氣設(shè)備的運(yùn)維檢修培訓(xùn)提供了一種高效、安全的方法，而且在數(shù)字孿生的應(yīng)用等新技術(shù)的加成下發(fā)揮出更大的作用。三維模型對(duì)保障輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行的作用已得到證實(shí)[3-5]。

伴隨數(shù)字化設(shè)計(jì)移交與智能電網(wǎng)管控平臺(tái)建設(shè)的推進(jìn)，公司已形成了大量輸變電設(shè)備三維模型，并被賦予了數(shù)字資產(chǎn)的屬性[6]。三維模型作為一種數(shù)字資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字三維模型資產(chǎn)的保值與增值的需求日益突出。受限于技術(shù)發(fā)展應(yīng)用歷程短，三維模型的工程應(yīng)用技術(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三維模型產(chǎn)生的進(jìn)度，挖掘?qū)哟尾粔蛏睢⒐δ荛_發(fā)不夠廣等問題突出，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性亟需提升，某種意義上已成為電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程制約因素。鑒于此，本文在梳理總結(jié)三維模型在輸變電設(shè)備運(yùn)維場(chǎng)景的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，討論分析了三維模型在輸變電場(chǎng)景業(yè)務(wù)的應(yīng)用價(jià)值，提出了應(yīng)用功能開發(fā)路徑，并給出了若干新功能應(yīng)用建議。

1" 三維模型在輸變電場(chǎng)景中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1" 實(shí)物三維模型的應(yīng)用

模型的定義為通過主觀意識(shí)借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)，構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件。三維模型最重要的特征就是能夠反映、還原對(duì)應(yīng)實(shí)物的外觀形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有立體、直觀、可透視和可360°查看等特點(diǎn)。利用三維模型，可以將宏觀的物體縮小，以查看整體結(jié)構(gòu);也可將微觀的、密集的物體放大，使人肉眼可見。因此，早在數(shù)字三維模型產(chǎn)生之前，各類紙質(zhì)、塑料制三維模型已在電力行業(yè)得到應(yīng)用。比如利用實(shí)物三維模型展示數(shù)萬平方公里內(nèi)的電網(wǎng)架及某特高壓變電站整體結(jié)構(gòu)，或利用實(shí)物三維模型透視展示了設(shè)備內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)及負(fù)荷流向。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，各類三維引擎對(duì)數(shù)字三維模型外觀的渲染能力、還原真實(shí)紋理的能力、模型容量和模型細(xì)節(jié)的承載能力都得到了大幅度的提升，從而使得數(shù)字化的三維模型更加逼真、好用。相較于實(shí)物模型，數(shù)字化三維模型的進(jìn)步使得人們?cè)趹?yīng)用的過程中，空間自由度大大增加。例如同一個(gè)模型，實(shí)物模型的大小是固定的，而數(shù)字化的三維模型可以任意方法縮小。實(shí)物模型只有通過塑料等材質(zhì)才可以觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而數(shù)字化的三維模型可任意剖切、隱藏、孤立現(xiàn)實(shí)。還原度方面，現(xiàn)在的三維引擎更是可以實(shí)現(xiàn)照片級(jí)還原，使得數(shù)字空間中的三維模型能夠高度還原。

1.2" 數(shù)字三維模型的典型應(yīng)用

數(shù)字三維模型拓展了信息應(yīng)用的空間自由度，利用該特點(diǎn)，近年來在輸變電設(shè)備運(yùn)維環(huán)節(jié)，開展了諸多應(yīng)用，以以下4類為代表。

1）輸變電場(chǎng)景三維可視化展示。一直以來，三維建模技術(shù)都在向逼真的模擬現(xiàn)實(shí)方向發(fā)展，在游戲或影視領(lǐng)域已能夠構(gòu)造足以以假亂真的三維場(chǎng)景。變電站三維模型在注重精確、實(shí)用的前提下，也在不斷向?qū)嵕澳Ｐ头较蜻M(jìn)化[7]。目前已部署的輸變電場(chǎng)景模型中已有相當(dāng)一部分達(dá)到了較高的相似程度，特別是重構(gòu)模型。通過觀察三維模型可以了解輸變電場(chǎng)景環(huán)境特征、設(shè)備布局、設(shè)備型號(hào)等，開展了設(shè)備認(rèn)知、虛擬巡視、內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)展示等應(yīng)用[8]。

2）基于三維模型的數(shù)據(jù)展示。三維模型的一大優(yōu)勢(shì)就是在保留了直觀、逼真的三維視覺效果的同時(shí)，可以在數(shù)字空間中同步現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)信息。在三維模型的設(shè)計(jì)過程中，就已經(jīng)開始了信息的整合工作，例如設(shè)備型號(hào)、參數(shù)等，在后期還可將紛亂繁雜的運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)維管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合至三維數(shù)字空間，以無處不在的小微智能傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以智能電氣設(shè)備為載體，并充分結(jié)合“云大物移智邊”等數(shù)字技術(shù)，最終使得輸變電設(shè)備處處可見、可知、可控，實(shí)現(xiàn)信息的集中展示[9]。這將極大地提高輸變電運(yùn)維數(shù)字化、智能化程度。

3）空間距離三維測(cè)量。電力設(shè)備三維測(cè)量受到帶電設(shè)備安全距離的影響，往往難以開展，安全措施的布置依賴于正確地掌握安全距離。在尺寸、定位精確還原的輸變電設(shè)備三維模型中，可以無風(fēng)險(xiǎn)地開展各類三維測(cè)量，包括設(shè)備尺寸、相對(duì)距離等基本空間距離的三維測(cè)量，電氣設(shè)備與梁、柱、墻、樓板、門窗和水工暖通管道之間的硬性碰撞測(cè)量及帶電安全距離的測(cè)量等。對(duì)于偏遠(yuǎn)變電站、輸電設(shè)備，在制定檢修方案時(shí)也能夠省去實(shí)地勘測(cè)的時(shí)間，提高檢修效率。

4）設(shè)備實(shí)景展示。利用數(shù)字化三維模型觀察電力設(shè)備，不僅可以將大場(chǎng)景縮小觀察，也可以將微小、精密、復(fù)雜的設(shè)備放大觀察，以了解設(shè)備結(jié)構(gòu)、熟悉設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造。通過構(gòu)建完整的設(shè)備內(nèi)外部三維模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)景還原，可以在計(jì)算機(jī)中以任意角度觀察、學(xué)習(xí)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過局部隱藏、孤立顯示等功能，更是可以直觀地觀察到運(yùn)維過程中難以看到的設(shè)備結(jié)構(gòu)，充分理解設(shè)備運(yùn)行原理。這樣的觀察與學(xué)習(xí)是沒有任何安全風(fēng)險(xiǎn)的，在運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)是難以實(shí)現(xiàn)的。

2" 基于三維模型的高級(jí)功能開發(fā)潛力分析

上述案例是目前三維模型在輸變電運(yùn)維領(lǐng)域的主流應(yīng)用，隨著應(yīng)用的增多，電網(wǎng)公司也開始提出了數(shù)字孿生系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化功能要求。例如，在國(guó)網(wǎng)上海市電力公司牽頭制定的T/CES 190—2023《變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》中定義了變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)，要求“構(gòu)建數(shù)據(jù)、模型深度融合的變電站虛擬現(xiàn)實(shí)三維空間運(yùn)行場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、直觀地反映變電站全生命周期運(yùn)行過程，服務(wù)于變電站綜合數(shù)字化管理”。其中提出的具體功能要求主要包括以下幾方面。

2.1" 變電站三維模型展示

可瀏覽整站的三維模型，允許變電站模型透明查看，具備模型的移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)和選擇功能，可切換到二維主接線圖，告警發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的三維構(gòu)件通過顏色變化、閃爍等形式進(jìn)行告警提醒，具備查看變電站工程屬性信息。

2.2" 關(guān)鍵運(yùn)行信息展示

展示變電站主要的運(yùn)行信息，關(guān)鍵運(yùn)行信息支持人工自定義配置。

2.3" 告警信息統(tǒng)計(jì)

支持統(tǒng)計(jì)近7 d告警條目數(shù)，不同告警等級(jí)的比例、告警信息來源比例。

可見，上述規(guī)范充分利用了數(shù)字孿生三維模型所能提供的空間自由度，設(shè)計(jì)了以三維查看與信息綜合展示為代表的應(yīng)用。

通過觀察電力行業(yè)從實(shí)物模型到數(shù)字三維模型的應(yīng)用發(fā)展過程可以看出，當(dāng)前運(yùn)維階段應(yīng)用類型主要基于三維模型自身的幾何特性、優(yōu)勢(shì)而設(shè)計(jì)，這也是在應(yīng)用初期必然經(jīng)歷的階段。當(dāng)前較為成熟廣泛應(yīng)用的主要是場(chǎng)景與設(shè)備的三維展示、基于三維模型的綜合信息展示、空間距離三維量測(cè)等。設(shè)備、環(huán)境的三維可視化使得設(shè)備結(jié)構(gòu)、空間的三維展示成為可能，設(shè)計(jì)階段信息一體化為綜合信息展示打下基礎(chǔ)，各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)在三維空間的綜合展示是設(shè)備屬性信息一體化的一種延伸與深化應(yīng)用。

然而僅僅從三維模型的空間幾何優(yōu)勢(shì)出發(fā)去設(shè)計(jì)應(yīng)用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，是無法發(fā)揮三維模型巨大潛力的。通過觀察其他行業(yè)應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，三維模型的應(yīng)用類型多種多樣，基于各個(gè)行業(yè)的需求，結(jié)合數(shù)字孿生優(yōu)勢(shì)，已開發(fā)出了大量高價(jià)值應(yīng)用。例如數(shù)字孿生船舶全生命周期管控、數(shù)字孿生飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生復(fù)雜機(jī)電裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理，以及能夠最直觀體現(xiàn)數(shù)字孿生特點(diǎn)的模擬飛行。通過應(yīng)用大氣模型、環(huán)境模型、飛機(jī)機(jī)械模型和操控模型等智能算法，使機(jī)場(chǎng)、飛機(jī)、環(huán)境等三維模型“活”起來，實(shí)現(xiàn)極其逼真的飛行模擬。

3" 基于數(shù)字孿生模型的輸變電場(chǎng)景應(yīng)用功能開發(fā)

3.1" 數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電運(yùn)維中的應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字孿生的一種定義為一種充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程。作為一種對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的忠實(shí)還原，數(shù)字孿生三維模型不僅能夠還原物體的樣貌，更能在各類物理模型的驅(qū)動(dòng)下還原行為，即開展仿真、模擬。

前述應(yīng)用案例的多樣性是數(shù)字孿生技術(shù)天然決定的。對(duì)于數(shù)字孿生，無論是經(jīng)典的三要素定義，還是陶飛等提出的五要素定義，都離不開“虛擬實(shí)體”這一核心內(nèi)容。其不僅包含了三維模型這一虛擬實(shí)體的“肉體”，還包括了物理模型、行為模型、規(guī)則模型等從多時(shí)間尺度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行描述的模型。這些模型是虛擬實(shí)體的靈魂，能夠讓數(shù)字孿生三維模型活起來，能夠在三維空間中賦予三維模型時(shí)間的維度，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的快速演化仿真、歷史回溯模擬等，使得人們?cè)跀?shù)字空間可以提取任意時(shí)間切片，觀察對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)，獲得“時(shí)間自由”，從而能夠拓展出更加豐富有價(jià)值的應(yīng)用。

因此，數(shù)字化的三維模型之所以能夠產(chǎn)生價(jià)值，是因?yàn)槠湓跀?shù)字空間中從多個(gè)維度還原了現(xiàn)實(shí)，而在數(shù)字空間中人類是擁有遠(yuǎn)比現(xiàn)實(shí)中強(qiáng)大的能力的。通過前述分析可以將這樣的能力總結(jié)為“空間自由”與“時(shí)間自由”，這也是數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電運(yùn)維環(huán)節(jié)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)所在。基于數(shù)字孿生模型的輸變電場(chǎng)景潛在應(yīng)用價(jià)值如圖1所示。

利用“空間自由”，開發(fā)了輸變電三維可視化展示、綜合數(shù)據(jù)展示、空間距離三維測(cè)量等應(yīng)用;利用“時(shí)間自由”，在其他行業(yè)實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科、多物理量、多尺度和多概率的仿真，可在數(shù)字孿生空間中逼真地將現(xiàn)實(shí)中的過程回溯、快進(jìn)、演化，并將得到的結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

3.2" 基于數(shù)字孿生模型的輸變電場(chǎng)景應(yīng)用功能開發(fā)路徑

數(shù)字孿生三維模型應(yīng)用是隨著技術(shù)發(fā)展而自然產(chǎn)生的，現(xiàn)階段的應(yīng)用仍主要是各類“展示”功能，僅僅利用了三維模型所提供的空間自由度。可預(yù)見的是隨著數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)，空間自由度被進(jìn)一步提升，“展示”的功能更加強(qiáng)大了。在輸變電運(yùn)維應(yīng)用領(lǐng)域之所以還未出現(xiàn)能夠更加充分利用數(shù)字孿生三維模型優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，其原因在于缺乏兼具電力專業(yè)知識(shí)與數(shù)字孿生三維意識(shí)的專業(yè)人員，造成對(duì)數(shù)字孿生三維模型與運(yùn)維業(yè)務(wù)結(jié)合度不夠、融合度不深，僅能從三維模型本身的立體、直觀這一自然特點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用的現(xiàn)狀。整體技術(shù)路線如圖2所示。

數(shù)字孿生的內(nèi)涵是極為豐富的，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到，數(shù)字孿生是一項(xiàng)通用技術(shù)，不僅僅是指可在多個(gè)行業(yè)開展應(yīng)用，也指在電力行業(yè)的各個(gè)階段、各個(gè)業(yè)務(wù)部門均可開展應(yīng)用。通過分析其他行業(yè)的應(yīng)用可以看到，在設(shè)計(jì)更多更高價(jià)值應(yīng)用的過程中，不僅需要從數(shù)字孿生三維模型本身的幾何特點(diǎn)出發(fā)，正向地去設(shè)計(jì)應(yīng)用，更需要在充分了解數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)輸變電運(yùn)維的價(jià)值基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)難點(diǎn)、痛點(diǎn)，從業(yè)務(wù)出發(fā)去設(shè)計(jì)更多應(yīng)用。

3.3" 基于數(shù)字孿生模型的輸變電場(chǎng)景若干新應(yīng)用功能建議

基于上述技術(shù)路線，從業(yè)務(wù)需求出發(fā)，利用數(shù)字孿生三維模型的優(yōu)勢(shì)，可設(shè)計(jì)、挖掘出未來可推廣的應(yīng)用見表1。表1中的應(yīng)用是在技術(shù)路線指導(dǎo)下，將業(yè)務(wù)需求與數(shù)字孿生三維模型的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行組合而得來的，其中部分應(yīng)用已開發(fā)完成，處于試應(yīng)用階段，例如基于三維場(chǎng)景的作業(yè)安全培訓(xùn)，包括安全措施布置、危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別、可試錯(cuò)的培訓(xùn)和安全技能考核等功能;場(chǎng)站直流系統(tǒng)圖紙的智能三維查看、直流電纜空間分布的三維檢索、直流電流流向的三維可視化仿真等。

實(shí)際工程中變電站運(yùn)維的業(yè)務(wù)類型、需求是非常復(fù)雜的，包括一次設(shè)備、二次設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)等多業(yè)務(wù)、多部門。因此未來應(yīng)在技術(shù)路線指導(dǎo)下，充分理解數(shù)字孿生三維模型的優(yōu)勢(shì)，從業(yè)務(wù)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出更多、更有價(jià)值的應(yīng)用。數(shù)字孿生的出現(xiàn)不是概念的炒作，是信息化發(fā)展到一定程度的必然性結(jié)果。數(shù)字孿生是一種支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的綜合技術(shù)體系，技術(shù)在發(fā)展、認(rèn)識(shí)在清晰、應(yīng)用在深化和體系在演進(jìn)。落地應(yīng)用，發(fā)揮效益需要經(jīng)歷量變到質(zhì)變的過程，需要一定時(shí)間才能完成。數(shù)字孿生依賴于信息感知、模型構(gòu)建、軟件開發(fā)等技術(shù)水平，要實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用仍有諸多關(guān)鍵技術(shù)或“卡脖子”問題亟待攻關(guān)解決。

4" 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化三維模型為各類應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)提供了極為廣泛的空間自由度與時(shí)間自由度。三維模型應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)，不僅需要利用三維模型的三維幾何特征去設(shè)計(jì)應(yīng)用，更需要充分結(jié)合業(yè)務(wù)難點(diǎn)、痛點(diǎn)，發(fā)揮數(shù)字化三維模型的優(yōu)勢(shì)，從業(yè)務(wù)出發(fā)去設(shè)計(jì)開發(fā)高級(jí)應(yīng)用。當(dāng)前輸變電三維模型應(yīng)用主要是場(chǎng)景的三維展示、基于三維模型的綜合信息展示、空間距離三維測(cè)量等，三維模型應(yīng)用功能挖掘?qū)哟尾簧睢⒐δ荛_發(fā)不廣等問題亟需解決。文中給出的若干新應(yīng)用功能，依賴于信息感知、模型構(gòu)建、軟件工具的針對(duì)性、有效性開發(fā)，三維模型的應(yīng)用功能開發(fā)是開放性的，需要持續(xù)不斷的努力。

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第一作者簡(jiǎn)介：王媚（1970-），女，正高級(jí)工程師，高級(jí)專家。研究方向?yàn)槌馗邏狠斪冸娭悄苓\(yùn)維、數(shù)字化技術(shù)研究及科技創(chuàng)新管理。