基于三維設(shè)計(jì)、傾斜攝影、VR三位一體輸電線路設(shè)計(jì)的研究

國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司 朱嵐康 王 法 姚 躍

隨著電網(wǎng)建設(shè)的難度越來(lái)越大，采用更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式的要求也越來(lái)越迫切。針對(duì)輸電線路初步設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的精度差、效率低等問(wèn)題，提出將三維設(shè)計(jì)、傾斜攝影、VR技術(shù)結(jié)合在同一個(gè)平臺(tái)、同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中形成一個(gè)最優(yōu)化、可落地的設(shè)計(jì)成果。本文依托嘉興地區(qū)汾湖變-伍子變220kV線路工程，詳細(xì)地闡述了三位一體設(shè)計(jì)模式在初步設(shè)計(jì)中方案選擇的指導(dǎo)作用。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)難度越來(lái)越大，輸電線路工程設(shè)計(jì)時(shí)間緊、任務(wù)重，目前的設(shè)計(jì)手段及深度往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著三維技術(shù)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越普及，傾斜攝影等新型地理測(cè)量方式及VR技術(shù)快速發(fā)展，如何將傾斜攝影、三維設(shè)計(jì)以及成果可視化展示的VR技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)新性的構(gòu)建輸電線路設(shè)計(jì)方法及流程的新模式，進(jìn)一步提高輸電線路的可控、在控、能控能力，已成為各網(wǎng)省公司研究的重點(diǎn)之一。

本文依托嘉興地區(qū)汾湖變-伍子變220kV線路工程，詳細(xì)介紹了三位一體的工作模式及其在初步設(shè)計(jì)方案選擇中的指導(dǎo)作用。

1 三位一體研究背景及內(nèi)容

在輸電線路設(shè)計(jì)中，將三維設(shè)計(jì)、傾斜攝影、VR技術(shù)結(jié)合在同一個(gè)平臺(tái)同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中形成一個(gè)最優(yōu)化、可落地、先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式，革新了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段。

1.1 三維設(shè)計(jì)

輸電線路三維設(shè)計(jì)是依托大量工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的平臺(tái)，在三維地形數(shù)據(jù)與矢量地圖結(jié)合的地形上進(jìn)行全方位、立體的工程設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)全過(guò)程直觀的展示線路設(shè)計(jì)方案，更好的體現(xiàn)了設(shè)計(jì)想法和創(chuàng)新亮點(diǎn)，以碰撞校驗(yàn)和電氣距離校驗(yàn)確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在初設(shè)階段達(dá)到施工圖深度，為施工圖設(shè)計(jì)做儲(chǔ)備。

1.2 傾斜攝影

傾斜攝影融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測(cè)量技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從左視、右視、前視、后視與垂直五個(gè)不同的角度采集影像，構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維空間場(chǎng)景，為線路設(shè)計(jì)的三維模型提供了數(shù)據(jù)支持。

1.3 VR技術(shù)

VR技術(shù)在雙目立體視覺(jué)技術(shù)當(dāng)中通過(guò)各種高逼真的模仿來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行再現(xiàn)，在設(shè)計(jì)評(píng)審中中全方位、多角度、深層次展示設(shè)計(jì)成果，便于校核、審核、評(píng)審人員更直觀把控工程。

1.4 三位一體工作模式

將三維設(shè)計(jì)、傾斜攝影的數(shù)據(jù)、VR展示的功能集成在一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中形成三維選線-傾斜攝影-三維設(shè)計(jì)-VR展示反饋的模式，在初步設(shè)計(jì)階段精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，避免了施工圖階段重大變更，提升了設(shè)計(jì)效率。

2 三位一體設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 三位一體設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)

構(gòu)建三位一體數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，以包含基礎(chǔ)模型和標(biāo)準(zhǔn)化方案的大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，借助三維手段和信息數(shù)據(jù)智能相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)平臺(tái)同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中傾斜攝影數(shù)據(jù)、三維設(shè)計(jì)、VR展示等多功能應(yīng)用。

輸電線路三位一體設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)主要包含傾斜攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入、谷歌衛(wèi)片與傾斜數(shù)據(jù)結(jié)合，并通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件接口，對(duì)接三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，工程設(shè)計(jì)成果展示軟件平臺(tái)，將傾斜攝影、衛(wèi)片、三維設(shè)計(jì)、VR展示交互在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中完成結(jié)合。

平臺(tái)系統(tǒng)邏輯如圖1所示。

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)邏輯圖

2.2 三位一體設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊

三位一體設(shè)計(jì)平臺(tái)以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形，達(dá)到可視化、數(shù)字化、信息化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)三位一體開(kāi)發(fā)平臺(tái)建設(shè)，按主要功能模塊對(duì)三位一體進(jìn)行應(yīng)用研究。

（1）傾斜攝影數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入模塊

通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件接口，將測(cè)量單位航測(cè)生成的傾斜攝影數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件直接生成地物的三維模型，三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)融合加載谷歌衛(wèi)片和傾斜攝影數(shù)據(jù)，通過(guò)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，避免了平面轉(zhuǎn)球面坐標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生誤差，實(shí)現(xiàn)地物精細(xì)化控制。

（2）三維設(shè)計(jì)模塊

三維設(shè)計(jì)軟件通過(guò)添加電力線路設(shè)計(jì)中的各種桿塔、金具、導(dǎo)地線等數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)放數(shù)據(jù)寫入功能，使得能夠在軟件平臺(tái)上進(jìn)行路徑選線、桿塔建模、金具建模等應(yīng)用，通過(guò)添加電力線路設(shè)計(jì)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)開(kāi)展全線碰撞校核，以可視化模型完成設(shè)計(jì)。

（3）VR展示模塊

通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件接口，將三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行建模，然后將模型轉(zhuǎn)化為面片模型，再導(dǎo)入虛擬裝配環(huán)境中，在虛擬裝配環(huán)境中以這個(gè)模型為基礎(chǔ)定義交互行為。VR展示交互模塊以信息集成方案為基數(shù)核心，利用虛擬裝配系統(tǒng)，并利用外設(shè)頭盔顯示器對(duì)模型進(jìn)行立體顯示。

系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

3 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例

本文三位一體實(shí)例依托嘉興地區(qū)汾湖變-伍子變220kV線路工程。此段工程交跨數(shù)量多，廊道緊張，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，三位一體設(shè)計(jì)模式很好的解決了設(shè)計(jì)難題。

3.1 應(yīng)用實(shí)例

（1）三維設(shè)計(jì)模塊的應(yīng)用

在三位一體系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)接口建立地理地圖信息，設(shè)置地表信息，分析輸電線路對(duì)房屋、耕地和村鎮(zhèn)的影響，選出本工程線路路徑。

圖3 三維設(shè)計(jì)模塊中排塔

在導(dǎo)入的地圖信息上，進(jìn)行桿塔建模，根據(jù)工程需要利用桿塔數(shù)據(jù)庫(kù)選擇鐵塔單線圖，在單線圖的基礎(chǔ)上添加角鋼鋼材，然在鐵塔上添加掛板和金具掛孔，以便連接金具。

利用已選的線路路徑，根據(jù)輸電線路規(guī)范，控制線路中心至沿線建筑物的距離、線路中心交叉跨越鐵路、高壓線、河流、公路等重要地物信息的安全距離，在三維實(shí)景立體模型中立塔排塔。如圖3所示。

（2）傾斜攝影數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入模塊

對(duì)于本工程敏感點(diǎn)（鉆越500kV線路、跨越高速等），在三位一體系統(tǒng)平臺(tái)上通過(guò)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理接口，將敏感點(diǎn)傾斜攝影原始數(shù)據(jù)與谷歌衛(wèi)片相結(jié)合，精細(xì)化模擬工程現(xiàn)場(chǎng)地物信息，且在交互設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)線路走向的敏感點(diǎn)進(jìn)行控制，準(zhǔn)確獲取線路中線、左右邊線、危險(xiǎn)點(diǎn)、風(fēng)偏點(diǎn)等所在位置的精確坐標(biāo)數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)。如圖4、圖5所示。

圖4 傾斜測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入

圖5 衛(wèi)片與傾斜攝影結(jié)合顯示

（3）VR展示校驗(yàn)?zāi)K

在完成線路初步設(shè)計(jì)后，對(duì)線路的難點(diǎn)敏感點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，以確保線路走廊的可行性和合理性，為設(shè)計(jì)評(píng)審階段提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)三位一體平臺(tái)軟件接口，讀取三維設(shè)計(jì)成果輸出的多邊形面片模型，再進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)與分析，再利用提供的VR設(shè)備接收設(shè)計(jì)成果。如圖6、圖7所示。

圖6 校驗(yàn)高速交跨距離

圖7 校驗(yàn)鉆越500kV線路電氣距離

3.2 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性比較

本工程應(yīng)用三位一體的設(shè)計(jì)模式后，設(shè)計(jì)方案與可研方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

由表1得知，應(yīng)用三位一體設(shè)計(jì)模式后，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，節(jié)省了投資，控制了工程的造價(jià)，提高了工程的整體收益。

結(jié)論：本文通過(guò)對(duì)三維設(shè)計(jì)、傾斜攝影、VR技術(shù)三位一體設(shè)計(jì)模式展開(kāi)了分析研究，搭建了輸電線路三位一體設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在220kV線路工程上進(jìn)行了應(yīng)用。三位一體設(shè)計(jì)模式具有可視化、數(shù)字化、智能化等多種優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段不能比擬的。隨著一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，必將為輸電線路設(shè)計(jì)新模式的建設(shè)作重要推動(dòng)。