三維建模在線路施工圖設(shè)計中的應(yīng)用

崔艷軍，張瑞永，陶 剛

(1．北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100120 2. 中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

輸電工程三維設(shè)計能夠讓人們更加直觀、形象地認識、理解地理和輸電線路信息，可以向用戶展示出輸電線路和走廊的真實地形與地貌，便于設(shè)計人員在設(shè)計初期了解和掌握路徑現(xiàn)狀，科學合理地進行送電線路路徑選擇和優(yōu)化?；谌S地物，通過在三維場景中對桿塔進行排位優(yōu)化，可進行交跨物、線路走廊等三維電氣距離校驗，從而改善傳統(tǒng)作業(yè)方式，提高設(shè)計的精益化水平和工作效率，提高了設(shè)計速度、設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量。

國內(nèi)的電力設(shè)計院廣泛采用道亨SLW軟件并基于二維模式進行數(shù)據(jù)采集和處理，在輸電三維設(shè)計系統(tǒng)上無法有效使用這些外業(yè)勘測成果，基于現(xiàn)有的設(shè)計資料進行三維建模困難；同時桿塔排位成果無法有效轉(zhuǎn)換為道亨SLW軟件需要的數(shù)據(jù)格式，難以滿足數(shù)據(jù)提資和對外接口的需要。本文在輸電三維設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，找出一種兼容原有的勘測設(shè)計資料，技術(shù)先進、建模自動化程度高的施工圖設(shè)計和三維地物建模方法，并結(jié)合滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程的施工圖設(shè)計工作進行工程實踐。

1 設(shè)計流程及技術(shù)路線

1.1 設(shè)計流程

在傳統(tǒng)的工作模式的基礎(chǔ)上，基于輸電線路三維平臺，根據(jù)三維協(xié)同設(shè)計的需要，提出了一種基于SLW軟件接口的施工圖三維地物建模。由以下幾步組成：

(1)在初步設(shè)計線路路徑的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在線路三維平臺上進行線路路徑調(diào)整優(yōu)化。

(2)將航飛獲得高精度的影像和高程數(shù)據(jù)入庫，對線路路徑進行精確調(diào)整。

(3)對線路路徑進行多專業(yè)評審，明確線路路徑方案和主要的設(shè)計原則。

(4)根據(jù)影像高程數(shù)據(jù)和線路路徑，在三維平臺上自動提取出路徑中心、邊導線各點的高程信息，生成線路平斷面圖。

(5)進行桿塔初步排位，獲得終勘前的平斷面定位圖。

(6)現(xiàn)場終勘定位，確定直線塔、耐張塔塔位，對路徑中心、邊導線、風偏驗算各點的高程進行現(xiàn)場復核，并對現(xiàn)場地物進行實測。

(7)在三維場景中進行地物距離校驗，確認塔型呼高，進行桿塔基礎(chǔ)設(shè)計、電氣計算和附件配置等，完成設(shè)計成品的出版。

1.2 技術(shù)路線

基于實際工程的應(yīng)用，為有效利用道亨SLW軟件的數(shù)據(jù)成果，提出了在上述步驟(6)、(7)間增加可利用現(xiàn)場采集成果或現(xiàn)有資料，生成SLW軟件格式的勘測文件，并利用線路三維平臺對SLW軟件格式的勘測文件進行自動解析，生成線路三維平臺數(shù)據(jù)文件并聯(lián)動生成三維地物，形成一種新的施工圖作業(yè)模式，適合于施工圖設(shè)計階段工程的應(yīng)用，系統(tǒng)的流程見圖1。

圖1 適合施工圖設(shè)計階段的新模式流程圖

2 主要工作方法

2.1 三維地形建模

Skyline軟件是一款強大的三維展示平臺，它提供給開發(fā)者很多開發(fā)接口，可以很方便的為我們所調(diào)用，實現(xiàn)三維地物的建模。利用Skyline 的三維平臺，集成各種影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)，以及與電力線路設(shè)計有關(guān)的專題數(shù)據(jù)，建立一個真實的三維交互式現(xiàn)實環(huán)境，為電力線路選線提供三維地理信息平臺。

(1)獲取測量現(xiàn)場踏勘獲取的航飛影像和DEM數(shù)據(jù)并進行坐標糾正；(2)將影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)添加到Terra Builder中，并且利用其提供的數(shù)據(jù)處理工具對原始數(shù)據(jù)進行裁剪、調(diào)色等處理；(3)將影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進行融合；(4)生成三維地形文件，然后在三維中進行加載。

2.2 SLW文件解析

2.2.1 SLW文件說明

道亨SLW軟件處理導出為ORG、TA、IND等文件。ORG主要用來存儲平面地物，它基于累距、偏距來表達，使用測量方法如b、0、L等來表示測點，通過每行的連線編碼來代表地物類型；IND文件主要用戶存儲地物的標注信息，由一系列描述地物信息的列組成，每列表示一個地物標注，TA文件存儲排位的桿塔、串、導地線信息，每一行有定位樁名、桿塔塔型、金具型號、地線類型、絕緣子串等組成。

2.2.2 解析建模原理

SLW文件解析原理是將基于累距和偏距格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于地理坐標格式的數(shù)據(jù)，將解析后的數(shù)據(jù)加載到輸電三維設(shè)計系統(tǒng)的CAD排位模塊，進行桿塔排位并將排位結(jié)果同步到三維中，然后在三維中對數(shù)據(jù)通過不同模型或樣式來渲染，以達到模擬現(xiàn)實的真實地物場景。解析原理見圖3。

圖2 SLW文件解析建模原理

2.3 三維地物建模

2.3.1 平面地物建模

平面地物包括房屋、水系、獨立地物、交叉跨越、道路、植被、地類界等。需要逐類進行解析，根據(jù)ORG解析后獲取到各類地物文件，在三維中進行各個地物的建模。

(1)房屋解析

對于房屋，根據(jù)房屋的位置、房屋高度和房屋結(jié)構(gòu)進行三維建模，在三維中通過房屋的坐標繪制房屋的位置，通過房屋高度來將房屋立起來，并根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)和紋理文件對房屋樣式進行渲染。在ORG文件中，房屋分為一點測邊線房、2點房、3點房、5點斷面房等幾種類型。分別以測量方法t、l、L、x表示，以一點測邊線房t為例，解析步驟如下：①根據(jù)房角點號，在ORG文件獲取到該點的地理坐標；②根據(jù)房左邊長和房右邊長和房斜角計算剩余3個點的位置，由此構(gòu)建出房屋；③將房屋高度存儲到房屋的屬性字段中；④三維中獲取到該房屋的坐標和房屋高度，然后創(chuàng)建三維對象；⑤查找對應(yīng)的紋理文件進行貼圖。

(2)交叉跨越解析

交叉跨越主要包括各電壓等級電力線、通信線、地下電纜和地下光纜等。以220 kV電力線為例，解析步驟如下：①在ORG文件中，220 kV電力線通常有一系列的點組成，首先遍歷ORG文件獲取到220 kV電力線所有測點的集合；②將集合中的每個測點轉(zhuǎn)為地理坐標；③根據(jù)測點先后順序和編碼建立每條線電力線；④根據(jù)交叉跨越規(guī)范符號庫在三維中進行渲染展示。

2.3.2 輸電設(shè)備解析

輸電設(shè)備包括塔、懸垂串、導地線等，需要經(jīng)過立塔→掛串→繪制導線、地線。

(1)立塔

需要考慮桿塔位置、桿塔使用塔型、桿塔角度等三個方面：

①通過TA文件的累距和與定位樁名偏差距離獲取到每個桿塔的位置；②將桿塔的位置轉(zhuǎn)為地理坐標；③在三維中創(chuàng)建三維桿塔對象；④根據(jù)TA文件中的桿塔型式和呼稱高，從三維設(shè)計系統(tǒng)中模型庫查找到對應(yīng)的三維模型(.x格式)來表示桿塔；⑤通過TA文件中的轉(zhuǎn)角角度來調(diào)整桿塔的姿態(tài)。

(2)掛串

對于在桿塔上掛串，分為直線塔和耐張塔，直線塔掛串，是根據(jù)TA文件每個桿塔的對應(yīng)的串型和對應(yīng)的三維模型直接掛上即可。而對于耐張塔，通常是經(jīng)過跳線設(shè)計后串的姿態(tài)會根據(jù)不同工況發(fā)生變化，線路三維實現(xiàn)的時候，需要經(jīng)過一個中間文件來進行交互，這個中間文件會記錄每根跳線的K值、檔距、串相對于桿塔的掛點，使用的串型等，然后以下計算公式來實現(xiàn)：

其中：

式中：l為檔距；h為高差。

(3)繪制導線、地線

導線跟地線繪制原理一樣，從TA文件獲取到桿塔掛線點與地面距離和導線K值，根據(jù)拋物線公式來計算導線上每個點的位置，然后在三維中依次繪制導線。

其中導線位置的計算原理如下：

導線在x點處的高度：

其中：

式中：l為導、地線兩端水平投影距離；H1、H2分別為導、地線在1、2塔上的掛線點高度；x為計算點距1塔掛線點的水平投影距離；K為導線K值。

2.4 SLW成果導出

輸電三維設(shè)計系統(tǒng)支持將排位后的成果導出SLW軟件的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)排位成果，將每個桿塔的坐標逐步換算為累距和偏距的方式，輸出步驟如下：

(1) 根據(jù)上述TA文件的說明，以及桿塔和串的對應(yīng)關(guān)系輸出TA文件；

(2) 根據(jù)線路三維中不同地物類型，以及將地物位置轉(zhuǎn)換為累距偏距格式，輸出IND文件；

(3) 由于SLW軟件的ORG文件包括斷面和平面地物信息，對于斷面，根據(jù)線路三維顯示的線路上測點，依次轉(zhuǎn)換為累距和偏距格式，輸出以B開頭的測點即可，對于平面地物，根據(jù)每個地物類型，獲取到每個地物所有的點，轉(zhuǎn)為累距和偏距格式，并根據(jù)地物類型找到對應(yīng)的地物編碼，依次輸出形成ORG文件。

3 工程實踐應(yīng)用

在該作業(yè)模式的基礎(chǔ)上，以ArcGIS、Skyline以及AutoCAD為二次開發(fā)平臺，利用云端服務(wù)器數(shù)據(jù)，構(gòu)建多專業(yè)協(xié)同的輸電工程數(shù)字化設(shè)計軟件，創(chuàng)新實現(xiàn)了多窗口聯(lián)動的智能排塔定位、金具參數(shù)化建模和耐張塔三維跳線計算等功能，具備規(guī)劃選線、施工圖設(shè)計、三維展示、工程數(shù)據(jù)管理和數(shù)字化移交的功能，實現(xiàn)了線路設(shè)計由二維到三維的轉(zhuǎn)變，提升線路設(shè)計的質(zhì)量和效率，見圖3。

圖3 輸電三維設(shè)計系統(tǒng)界面圖

滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程充分利用了該平臺提出的工作模式，解析測量外業(yè)得到的道亨數(shù)據(jù)，然后在系統(tǒng)的桿塔排位模塊，顯示出斷面和平面地物信息，在此基礎(chǔ)上進行桿塔排位，然后在三維中進行地物建模，并在三維中進行地物校驗，解析對比分析如表1，經(jīng)過對比分析，解析準確率能夠滿足實際工程的應(yīng)用，并在院里其他特高壓線路工程中進行了推廣應(yīng)用。

表1 SLW地物解析成果

其中房屋和電力線解析對比圖如下：能將所有房屋和電力線準確解析出來，并實現(xiàn)三維地物建模。

圖4 道亨、CAD、三維中房屋對比圖

圖5 道亨、CAD、三維中電力線對比圖

4 結(jié)論

基于SLW軟件的三維地物建模實現(xiàn)的輸電三維設(shè)計平臺，平臺操作簡單、數(shù)據(jù)解析準確、三維地物建模性能可靠，實現(xiàn)了SLW設(shè)計資料與輸電三維設(shè)計平臺的數(shù)據(jù)互通，科學合理地進行線路設(shè)計和塔位優(yōu)化；通過工程的實際應(yīng)用，被證實為可行的方案，有效改善傳統(tǒng)作業(yè)方式，提高設(shè)計的精益化水平和工作效率。

參考文獻：

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