輸電線路場景三維建模與還原

羅龍，趙云龍

（國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810021）

0 引言

輸電線路在整個電力系統(tǒng)中主要負責電能傳輸，這個角色對于電網(wǎng)可靠運行極為重要。部分輸電線路位于環(huán)境惡劣與地形復雜的地區(qū)，易受到自然災(zāi)害與環(huán)境影響，這就給輸電線路安全運行造成隱患。VR技術(shù)作為一種信息處理與人機交互等技術(shù)不斷發(fā)展而來的產(chǎn)物，其可以讓人與環(huán)境進行信息的交互，對于輸電線路與相關(guān)的設(shè)備實現(xiàn)可視化有重要意義。虛擬的三維場景建模方法主要有三種：圖形建模、圖像模型建模以及兩者的有機結(jié)合方法。將VR技術(shù)引入于輸電線路的管理系統(tǒng)中，其就能將輸電線路實際的運行狀況真實的反映出來，并及時對具有隱患的運行線路進行報警，如此不僅利于電網(wǎng)的運行人員對線路與設(shè)備信息進行管理，還能進一步提高巡線與檢修的效率[1]。因此，為了輸電線路可以實現(xiàn)可視化的管理系統(tǒng)，本文將研究并分析具有可操作性的輸電線路場景三維建模的相關(guān)方式。

1 實現(xiàn)過程

對于輸電線路場景而言，其三維建模多應(yīng)用在輸電線路的信息管理與狀態(tài)查詢上，所以，本次鑒于圖像虛擬建模對輸電線路外圍環(huán)境進行構(gòu)建，并應(yīng)用圖形虛擬建模的方法來對輸電線路的桿塔進行建模，在輸電線路場景三維建模上采取的建模方法是VRML和3DS max相結(jié)合的方法。

1.1 建立模型

1.1.1 模型設(shè)計的參數(shù)選取

在輸電線路的桿塔選取上以220 kv的雙回路鼓型SJ2耐張塔為例，對于輸電導線各項的設(shè)計參數(shù)而言，應(yīng)用懸掛式絕緣子串中的最小間隙垂直距離，輸電導線對地面間最小的垂直距離相關(guān)方面參數(shù)。設(shè)計環(huán)境將選取人口比較少的地區(qū)即非居民區(qū)，在氣候條件方面上的參數(shù)按照典型的氣象區(qū)氣象條件來選取。且輸電線路的等級是220 kV。

1.1.2 建模的過程

三維和實體模型將采用1：100的縮放比例。在進行桿塔實體建模時，主要采用3DS Inax來完成。在3DS max中，二維圖形朝三維模型發(fā)生轉(zhuǎn)換的方式各式各樣，比如，放樣、車削等。由于桿塔是鋼架類結(jié)構(gòu)，借助放樣對AutoCAD型線性桿塔相應(yīng)的模型進行選擇，把其當作放樣路徑。放樣圖形為二維截面，但二維截面需要具備一定厚度。在進行放樣期間，需要先對路徑加以選取，再對圖形加以選取，不然，會使得所生成的模型借助二維截面進行放樣，并與各項具體的要求間彼此相反。絕緣子是借助3DS max中所具有的擴展基本體的各個軟管造型。而獲得懸掛導線與桿塔模型間相一致，一條直線也就是放樣路徑，圓形截面也就是放樣圖形。對桿塔的底座而言，可以借助兩個圓柱體來進行模擬，需注意圓柱體的直徑要不同。

1.1.3 材質(zhì)渲染

由于輸電線路中的三維場景大多都是被應(yīng)用到管理輸電線路，所以，在材質(zhì)渲染上的要求并不高，只要能將模型大致特征反映出來既可[2]。以下各個部分中的各項材質(zhì)渲染參數(shù)：桿塔顏色依次是RGB128、RGB128、RGB126，漫反射即為40、反射即為35、鏡面即為50、凹凸即為20%；絕緣子漫反射相應(yīng)的顏色：白色、RGB40、光澤度40、高光109與凹凸為30%；另外，懸掛導線的顏色為：RGB30、RGB30、RGB30，鏡面30、反射0、漫反射30與凹凸為50%；桿塔的底座則是采用水泥的材質(zhì)。以此用3DS max將桿塔模型創(chuàng)建好，并將模型的各部分加以成組、重命名，讓程序具有更高的可讀性，方便應(yīng)用VRML語言對其進行優(yōu)化。最后，將3DS max型文件借助后綴格式是.Wrl的VRML類文件加以導出、優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化模型

優(yōu)化VRML主要是為了縮小文件，及提高渲染的速度。只有文件整體大小小于lMB的時候，才能確保下載文件時長不影響用戶使用。優(yōu)化可通過VrmlPad 2.0，首先在VrmlPad 2.0之中將文件打開，其次對代碼進行優(yōu)化既可。本文將基于輸電線路的材質(zhì)單一、高度對稱等特征，將利用坐標變換、節(jié)點定義等方法來優(yōu)化模型，以此減小模型數(shù)據(jù)的規(guī)模。

1.2.1 定義節(jié)點

節(jié)點作為VRML文件之中的最基本單位，其分為子節(jié)點與父節(jié)點[3]。VRML能夠借助節(jié)點定義、引用對相一致的素材重復進行調(diào)用，僅需應(yīng)用DEF語句為節(jié)點實施節(jié)點名定義，并處于調(diào)用位置再一次借助USE語句來就節(jié)點名進行引用既可。桿塔中的三個塔角一側(cè)可以借助另外一側(cè)適量進行旋轉(zhuǎn)后所得到，對懸掛式絕緣子串來說，可先定義其12個之中的其中一個，然后在經(jīng)過坐標變換來獲得剩下11個，優(yōu)化桿塔底座的模型也可以使用該方法。在本文的建模過程之中，對于上中下3個桿塔的塔角，以及1個懸掛式絕緣子串與1個底座進行了節(jié)點名定義，其余相同類型的模型需要借助節(jié)點、適量進行旋轉(zhuǎn)后所獲得。對于材質(zhì)渲染來說，桿塔模型的主要材質(zhì)是水泥、南鋼、橡膠以及陶瓷的材質(zhì)，對于這四大類材質(zhì)也給予了節(jié)點名定義，其余相一致的材質(zhì)也應(yīng)用了節(jié)點引用進行調(diào)用。

1.2.2 模型變換

處于三維型坐標系下，VRML中的X、Y、Z坐標軸與3DS max所具有的指向間不盡相同。模型變換的主要應(yīng)用場所是Transform組節(jié)點之中的Rotation和Translation子節(jié)點，對于Translation，其主要用在設(shè)定好轉(zhuǎn)換后新坐標原點、原有坐標系的原點與X、Y、Z方向間的間距，并默認原來的坐標系和新的坐標系是重合的[4]。而Rotation能夠設(shè)定轉(zhuǎn)換后新的坐標原點、原有坐標系間所具有的旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)軸，把z軸默認成旋轉(zhuǎn)軸，但是，不對其進行旋轉(zhuǎn)。另外，因為在VRML所具有的立體空間中應(yīng)用的角度單位即為弧度，因此在旋轉(zhuǎn)變換之時，需要把角度單位給換算為弧度的單位。在對模型與材質(zhì)進行節(jié)點定義及優(yōu)化后，模型數(shù)據(jù)量也得以減少。

1.2.3 場景合成

在對輸電線路中的外圍環(huán)境實施建模期間，可以借助圖像建模，本文將通過透明貼圖的方式來對外圍環(huán)境實現(xiàn)快速建模，并通過虛擬模型基于設(shè)計參數(shù)及借助坐標轉(zhuǎn)換、組合，以對輸電線路場景進行三維建模。這一系統(tǒng)中的主界面共包括了用戶管理及三維場景的顯示等模塊，三維場景可實時以動態(tài)效果的方式展示出來，輸電線路某部分發(fā)生故障之時，系統(tǒng)就會立刻進行預(yù)警，而后相關(guān)工作人員就能及時發(fā)現(xiàn)故障并對故障進行了解，以及及時處理故障。

2 結(jié)論

綜上所述，輸電線路安全運行對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行意義重大，本文基于輸電線路的場景特點，采用VR技術(shù)來探討輸電線路場景的三維建模方法與優(yōu)化的方法，通過輸電線路的三維場景建立，場景更顯真實與逼真，數(shù)據(jù)規(guī)模也有了極大減少。