輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)的研究

張瑞永，林致添

(江蘇省電力設計院，南京 211102)

自“十一五”以來，國內(nèi)各級網(wǎng)省公司和電力設計院全面加大了航拍數(shù)據(jù)技術在輸變電工程中的應用，積極推進三維設計、施工、運行和管理系統(tǒng)的開發(fā)，節(jié)省了土地資源、提高了輸變電工程的基建管理水平和設計質(zhì)量。

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，現(xiàn)有的輸電線路三維GIS系統(tǒng)的選線、展示、檔案管理和生產(chǎn)運行管理等功能已較為成熟，但針對于輸電線路勘測設計仍缺乏集成、高效的作業(yè)平臺，各類專業(yè)和項目數(shù)據(jù)分布于大量獨立的計算機中，導致歷史項目數(shù)據(jù)的復用、管理困難，不能形成數(shù)據(jù)的有效循環(huán)利用，造成盲目重復性外出搜資。為提高輸電線路勘測設計服務質(zhì)量、提升設計企業(yè)競爭力，迫切的需要線路勘測設計人員從重復勞動中解放出來，將更多的精力投入到線路路徑優(yōu)化、設計創(chuàng)新及對業(yè)主服務質(zhì)量的投入上。

從相關的研究來看，國內(nèi)的部分系統(tǒng)僅初步具備輸電線路可研選線、初步設計的功能，還無法真正實現(xiàn)線路三維施工圖設計的功能，實現(xiàn)真正意義上的線路三維施工圖設計也是各大設計院和相關軟件公司的努力方向。從目前的計算機硬件配置、三維地理信息發(fā)展水平的角度來看，已基本具備開展此項工作的條件。

為進一步拓展輸電線路三維設計的開發(fā)與應用，加快線路設計的自動化、一體化進程，提高線路勘測設計的進度、質(zhì)量和服務水平，本文以輸電線路設計為主要出發(fā)點，提出了構(gòu)建輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)的技術方案。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 開發(fā)模式

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)的軟件開發(fā)模式采用三級構(gòu)架模式：支撐采用開放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采用工業(yè)標準的基礎GIS軟件；在此基礎上，采用組件式二次開發(fā)專業(yè)作業(yè)平臺；在專業(yè)作業(yè)平臺之上，再開發(fā)各種高級應用。

圖1 系統(tǒng)的開發(fā)模式

采用這種可很好的隔離了高級和底層基礎平臺，減少了開發(fā)的難度，提高系統(tǒng)對公用數(shù)據(jù)庫和基礎地理數(shù)據(jù)的利用率。但對于專業(yè)作業(yè)平臺來說，卻提出了很高的要求，它不僅和GIS專業(yè)知識有關，還需要輸電線路勘測設計的相關專業(yè)知識和技術，對輸電線路有個整體全面的了解。

1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)推薦采用自下而上的4層次型軟件體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)綜合考慮了現(xiàn)有的軟硬件技術水平和系統(tǒng)需求的因素，充分體現(xiàn)了軟件體系結(jié)構(gòu)設計的系統(tǒng)性和可擴充性，是一套面向可視化輸電線路設計的、具有高重用度的軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)各層功能和設計考慮如下：

(1)專業(yè)應用層。專業(yè)應用層構(gòu)成了輔助設計系統(tǒng)與用戶交互的界面，包括各種可視化的輸電線路顯示、查詢、設計、數(shù)據(jù)管理、圖表輸出等功能。

(2)模型對象層。主要功能是把多數(shù)據(jù)源的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單一的、綜合的、基于數(shù)據(jù)模型的對象，從而有效地解決了GIS中多數(shù)據(jù)源多數(shù)據(jù)類型的問題。在模型對象層中，設置了代表三維場景中的地形、覆蓋在地形上的矢量對象(如公路、地區(qū)邊界、河流等)、立體建模的地物對象(如主要的居民地、重要的河流、輸電線路上主要的跨越和標注等)和輸電線路上的電力器件對象(如輸電線、避雷線、桿塔和絕緣子等)。

(3)數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)層中，采用文件系統(tǒng)加關系數(shù)據(jù)庫來構(gòu)成系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)庫，由關系數(shù)據(jù)庫來管理系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)，由文件系統(tǒng)來管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)?？紤]到三維GIS中對空間數(shù)據(jù)查詢、顯示以及分析的特殊要求，需要對管理空間數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)采用多種形式的優(yōu)化。

(4)轉(zhuǎn)換通信層。轉(zhuǎn)換通信層包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和連接通信兩個子層，通信子層的設立屏蔽了各種物理通信介質(zhì)和網(wǎng)絡通信協(xié)議的差別，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子層提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子層負責將不同分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分類、轉(zhuǎn)換、融合后上傳到數(shù)據(jù)層；通信層實現(xiàn)了與電力行業(yè)其它數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)建原則

構(gòu)架輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)所應遵循的原則如下：

(1)系統(tǒng)架構(gòu)設計

C/S(Client/Server)和B/S(Browser/Server)是開發(fā)模式架構(gòu)的兩大主流技術。C/S結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷；B/S結(jié)構(gòu)用戶工作界面通過WWW瀏覽器實現(xiàn)，極少部分事務邏輯在瀏覽器實現(xiàn)，但是主要事務邏輯在服務器端實現(xiàn)。本系統(tǒng)的架構(gòu)設計應遵循 B/S和 C/S相結(jié)合原則，以便充分發(fā)揮兩類架構(gòu)的優(yōu)勢。

(2)穩(wěn)定可靠

穩(wěn)定性、可靠性是對系統(tǒng)運行的最基本的要求。作為大型的信息系統(tǒng)，輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)通信復雜，一旦發(fā)生丟失或者系統(tǒng)崩潰將會造成嚴重的損失、浪費大量的人力物力，甚至會影響正常的生產(chǎn)活動，所以要充分考慮系統(tǒng)的各個方面，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)可擴展性原則

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)投資巨大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，較短的開發(fā)周期內(nèi)難以達到預想的功能要求，如何保證這些人力物力的可持續(xù)性利用，保證系統(tǒng)能夠適應組織機構(gòu)調(diào)整、適應新增的功能需求、適應因流程重組而帶來的需求變化也是系統(tǒng)設計和開發(fā)中的一個指導思想。

(4)運行高效

如果運行效率低下，即使系統(tǒng)功能建設非常完善，最終也無法實現(xiàn)實用化。由于輸電線路可視化輔助設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，要確保所選擇的三維GIS平臺有良好的性能和數(shù)據(jù)加載手段；除上述手段外，還需要進行良好的需求控制，避免系統(tǒng)功能的冗余。

(5)開放性

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)要實現(xiàn)與其它專業(yè)軟件的平穩(wěn)“對接”，設計時就必需確保其有足夠的開放性，具有良好的應用編程接口和對業(yè)界標準的遵循，保證各模塊間相互協(xié)調(diào)處理、數(shù)據(jù)共享。

(6)開發(fā)期的系統(tǒng)投資重點

本系統(tǒng)總體投資較大，但GIS軟件平臺和二次開發(fā)所占的費用相對較少，但作為影響系統(tǒng)性能較為關鍵因素，決定著系統(tǒng)的可用性和實用性，系統(tǒng)一旦建成后便難以更換平臺或重新進行整體開發(fā)。因此在構(gòu)建系統(tǒng)前應進行大量的調(diào)研工作，并加大對軟件平臺和二次開發(fā)的預期投入。

各種專題信息及地理數(shù)據(jù)所占的投資較高，但在系統(tǒng)開發(fā)或調(diào)試期間利用率較低，其有效性又極容易失時，因此建議分步展開地理數(shù)據(jù)的采購和各種專題信息制作。

(7)GIS系統(tǒng)的選用

建設輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)是一個投入大、時間長的過程，這要求平臺供應商對用戶的應用系統(tǒng)提供長期的支持和維護。另外，由于系統(tǒng)所包含的內(nèi)容非常龐雜，技術涉及面廣，應該采用具有廣大用戶群的GIS產(chǎn)品，從而在技術支持、產(chǎn)品的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的升級換代等方面得到保證。

2 GIS數(shù)據(jù)

2.1 基礎地理數(shù)據(jù)

地球表面的自然地物和人文地物形狀各異、錯綜復雜、關系密切，經(jīng)過抽象簡化，地球表面的地物可以用下面四大類數(shù)據(jù)來表達：

(1)數(shù)字線劃數(shù)據(jù)(DLG)：DLG作為大多數(shù)的GIS最為常見的核心數(shù)據(jù)形式，用抽象的圖形表達地理空間的實體，非常適合于計算機的表達。

(2)影像數(shù)據(jù)：影像數(shù)據(jù)包括遙感影像和航空影像。由于影像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源豐富，生產(chǎn)效率高，并且直觀而詳細地記錄了地表的自然現(xiàn)象，因此影像數(shù)據(jù)在現(xiàn)代GIS中起越來越重要的作用。

(3)數(shù)字高程模型(DEM)：DEM在GIS中已經(jīng)作為專門空間數(shù)據(jù)來采集，DEM的精度已經(jīng)逐步成為衡量一個地理信息系統(tǒng)的標準。

(4)屬性數(shù)據(jù)：GIS的空間查詢、空間分析都離不開屬性數(shù)據(jù)的支持。正是因為GIS存儲了圖形和屬性數(shù)據(jù)，才使GIS內(nèi)容豐富、應用廣泛。

GIS數(shù)據(jù)可以由野外數(shù)據(jù)采集、地圖數(shù)字化、攝影測量、遙感圖像處理等多種方式獲取，在構(gòu)建本系統(tǒng)時應綜合利用以上獲取手段，依據(jù)所要解決問題的選擇數(shù)據(jù)獲取手段。對于輸電線路核心區(qū)域可利航空影像經(jīng)處理生成DEM及DOM等基礎地理數(shù)據(jù)，對于規(guī)劃走廊可購買相關區(qū)域高分辨遙感衛(wèi)星影像經(jīng)遙感軟件處理獲取三維GIS系統(tǒng)所需的基礎地理數(shù)據(jù)。

2.2 基礎地理數(shù)據(jù)

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)不僅要有輸變電設備的坐標、高程信息，還應具有各設備的空間形狀和各種屬性信息。輸變電數(shù)據(jù)包括電廠升壓站、變電、輸電設備的數(shù)據(jù)等。

電廠升壓站：電廠的名稱、類型、用途、所在地，升壓站構(gòu)架的三維模型、經(jīng)緯度坐標和高程；

變電數(shù)據(jù)：變電站和開關站的名稱、電壓等級、性質(zhì)、所在地及全景三維模型，構(gòu)架經(jīng)緯度坐標、高程、間隔名稱和相序；

輸電設備：輸電線路名稱、編號、回路數(shù)、設計氣象條件、污區(qū)等線路屬性，所有輸電桿塔的三維實體模型、具體塔位定位坐標、高程，絕緣子金具串三維實體和各種屬性信息，導、地線類型、結(jié)構(gòu)、安全系數(shù)和控制導、地線架線的各種屬性信息。

對于已有竣工圖資料的線路，可結(jié)合桿塔明細表中的桿塔、呼高、轉(zhuǎn)角度數(shù)、檔距、絕緣串型等信息，并通設定線路起止端的塔位坐標將線路一次性導入系統(tǒng)。

對于竣工圖資料不全的線路，可通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集，用手持GPS采集構(gòu)架、桿塔等坐標，由于此方法耗時耗力，又無法直接獲取桿塔高度和導線等屬性信息，故不建議在設計院大面積推廣。

3 系統(tǒng)功能用例

3.1 基本功能模塊

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)的總體功能模塊包括三維基本功能、歸檔信息查詢、輔助設計功能、數(shù)據(jù)更新維護和權(quán)限安全管理等，其功能模塊結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 三維高級功能

(1)智能規(guī)劃、選線

通過建立矢量地理信息、設置障礙物緩沖半徑，系統(tǒng)可自動優(yōu)選出若干條線路路徑，分析輸電線路對耕地、村鎮(zhèn)和廠礦影響，且在交互設計過程中對控制線路走向的不良地質(zhì)、特殊地質(zhì)等災害性地質(zhì)或重點設施等必須繞避的控制點發(fā)出警告信息等。

(2)二、三維聯(lián)動智能排塔定位

系統(tǒng)保留原有“SLCAD架空送電線路平斷面圖處理及定位CAD系統(tǒng)”的接口，同時開發(fā)獨立的排塔定位模塊，要求系統(tǒng)可以在三維場景、二維平面和排塔定位模塊等3個窗口上聯(lián)動操作；在給定導、地線型號及安全系數(shù)、電壓等級后，通過一定的人工干預(如設定經(jīng)濟檔距范圍、增加跨越點、特殊地形強制立塔等)，系統(tǒng)可根據(jù)桿塔使用條件、地形特征進行智能排塔定位。

(3)走廊范圍內(nèi)三維場景快速建模

排塔定位模塊的平斷面地物與三維場景相關聯(lián)，即通過現(xiàn)場調(diào)繪和終勘定位后，線路走廊范圍內(nèi)的房屋、橋梁等可以作為矢量立方體直接讀取到三維場景，以便進行空間測量。

(4)相關電氣計算及校驗

電氣計算及校驗包括：“交叉跨越距離驗算”、“桿塔中心位移”、“雙聯(lián)懸垂串長調(diào)整計算”、“雙回路塔調(diào)整板計算”、“導線風偏對障礙物距離驗算”、“耐張塔跳線計算”、“直線塔導線風偏計算”等。

(5)三維金具組裝設計與制圖

在三維實體中對各種金具串進行組裝、拆分等逼真模擬，可進行絕緣子串材料的耗量統(tǒng)計及金具零件查看、編輯功能，能完成材料統(tǒng)計、重量計算、尺寸計算、三維標注及任意角度顯示及三維打印出圖等項工作，同時也可以輸出二維金具組裝施工圖；允許對金具組裝數(shù)據(jù)庫和圖形文件的內(nèi)容隨時進行修改和補充，對金具部件的部分信息編輯等項工作。

4 系統(tǒng)運行的作業(yè)流程

4.1 可研、初步設計流程

圖4為可研、初步設計階段線路設計人員的主作業(yè)流程，新建工程由項目經(jīng)理創(chuàng)建，未按流程建立的工程數(shù)據(jù)存放于本地計算機，補充手續(xù)后方可上傳。

圖4 可研、初步設計流程

4.2 施工圖設計流程

圖5為施工圖設計階段線路設計人員的主操作流程，設計人員由項目經(jīng)理指任，主作業(yè)流程的所有數(shù)據(jù)均存放于系統(tǒng)服務器中，同時系統(tǒng)允許將數(shù)據(jù)由服務器下載到本地計算機，以用于脫機工作或本地備份。

4.3 竣工圖設計流程

圖6為竣工圖設計階段線路設計人員的主操作流程，主作業(yè)流程的所有數(shù)據(jù)均存放于系統(tǒng)服務器中。

5 結(jié)語

輸電線路三維可視化輔助設計系統(tǒng)的研究方向和適用范圍包括輸電線路項目的設計資料檢索、前期路徑初選、可行性研究、初步設計，積極探索線路三維施工圖設計和數(shù)字化移交的深度應用。

圖5 施工圖設計流程

圖6 竣工圖設計流程

實現(xiàn)真正意義上的線路三維施工圖設計無成功先例和經(jīng)驗可循，具體實施時難度較大，存在一定的風險，本方案可分階段實施，但在系統(tǒng)必須留有擴展能力，為后期實現(xiàn)全部功能創(chuàng)造條件；由于本系統(tǒng)的信息量大，而大部分基礎測繪成果屬于國家秘密，高精度的基礎地理數(shù)據(jù)會不同程度地增加失、泄密風險，因此建議盡量避免集成平臺中涉及涉密的基礎地理數(shù)據(jù)，并加強基礎地理數(shù)據(jù)的保密管理。

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