變電站不同三維建模方法的比較

(北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化電網(wǎng)、智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念先后提出，電力行業(yè)借鑒建筑行業(yè)的建筑信息模 型 (building information modeling，BIM)逐步形成了電力工程信息模型(engineering information modeling，EIM)和電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)，“數(shù)字化工程”逐漸替代“工程數(shù)字化”成為大勢(shì)所趨[1-3]。變電站作為電力系統(tǒng)的主要組成部分，其日常檢測(cè)與維護(hù)的有效性和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行密切相關(guān)。變電站三維模型能夠直觀生動(dòng)地表達(dá)站內(nèi)設(shè)備設(shè)施三維空間位置和設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此在變電站三維設(shè)計(jì)、變電站智能運(yùn)檢管控、變電站仿真培訓(xùn)等方面得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。本文將結(jié)合實(shí)際工程的開(kāi)展情況，從技術(shù)路線、經(jīng)濟(jì)性、適用性方面對(duì)變電站三維建模方式進(jìn)行比較。

1 三維建模方式

2010年國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的寧東—山東±660 kV 直流輸電示范工程是世界上首個(gè)±660 kV電壓等級(jí)的直流輸電工程，工程中堅(jiān)持科技創(chuàng)新與管理創(chuàng)新并舉，在電網(wǎng)工程中首次提出了“三維數(shù)字化移交”的新思路[4],工程采用了幾何實(shí)體建模方法對(duì)線路和換流站進(jìn)行三維建模。2012年國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院提出“構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計(jì)體系，引領(lǐng)電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展方向”[5]，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，電網(wǎng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)逐步成熟，2019年初國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《輸變電工程三維設(shè)計(jì)建模規(guī)范》《輸變電工程三維設(shè)計(jì)模型交互規(guī)范》等一系列的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從三維建模、模型交互、軟件平臺(tái)、三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化移交等方面規(guī)范了數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)，電網(wǎng)信息模型進(jìn)入了應(yīng)用階段。目前變電工程中應(yīng)用的三維建模手段主要有幾何實(shí)體建模、參數(shù)化建模、地面激光掃描建模。

1.1 幾何實(shí)體建模

變電站幾何實(shí)體建模是以工程竣工圖設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備照片為依據(jù)，按照?qǐng)D紙尺寸及型號(hào)等信息1:1構(gòu)建變電站三維模型。數(shù)字化建模主要利用商業(yè)化三維軟件MicroStation、3DMax、AutoCAD以及SolidWorks等。幾何建模主要有四個(gè)步驟：①資料收集與整理，收集三維建模所需要的各類設(shè)計(jì)資料，包括總平面圖布置圖、透視圖、設(shè)備尺寸、設(shè)備外觀圖片等，并進(jìn)行整理；②單個(gè)模型構(gòu)建，按照設(shè)計(jì)圖紙尺寸，利用三維建模軟件的各類幾何體、放樣算法以及復(fù)雜的布爾運(yùn)算生成幾何實(shí)體模型；③模型紋理貼圖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝相片或者類似的圖片，經(jīng)處理后進(jìn)行貼圖；④模型空間布置，按照變電站總平面圖確定變電站各設(shè)備空間布置，體現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系。

變電站數(shù)字化移交建模的范圍通常包括電氣一次設(shè)備三維建模、架構(gòu)、土建設(shè)施三維建模以及站內(nèi)設(shè)備導(dǎo)線連接建模，如圖1所示。變電站三維模型主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)交底、施工組織設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度模擬以及物資管理。三維可視化場(chǎng)景接入現(xiàn)場(chǎng)的視頻信號(hào)、人員定位傳感器以及其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息后，能快速構(gòu)建智慧工地指揮大廳。

圖1 數(shù)字化移交建模過(guò)程示意圖

1.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是用一組幾何約束和一組參數(shù)來(lái)約束圖形的幾何元素之間的關(guān)系和尺寸，不同的參數(shù)值驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不同大小的、拓?fù)潢P(guān)系不變的幾何圖形，通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改和控制圖形幾何形狀的一種建模方法。自2017 年起，國(guó)家電網(wǎng)公司以試點(diǎn)工程的形式開(kāi)始推廣應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)。常用的變電站三維設(shè)計(jì)軟件有Substation、STD(R) 軟件平臺(tái) ( 以 AutoCAD 或Revit 為核心)等，三維設(shè)計(jì)需按照參數(shù)化建模方法建立如圖2所示各種類型設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)三維模型庫(kù)，覆蓋各電壓等級(jí)變電站內(nèi)大部分主流設(shè)備制造商的三維模型。三維設(shè)計(jì)參數(shù)化建模遵循以下原則：一是提高運(yùn)行速度，方便協(xié)同設(shè)計(jì)，在滿足電氣距離校驗(yàn)、土建等各類接口、運(yùn)檢階段功能應(yīng)用等需求的前提下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；二是模型包含參數(shù)屬性等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息，方便工程量統(tǒng)計(jì)、分析計(jì)算以及后期運(yùn)檢錄入智能管控系統(tǒng)；三是模型以實(shí)物為參照，表達(dá)滿足要求的空間占位及關(guān)鍵尺寸[6-7]。

圖2 變電站設(shè)備三維模型庫(kù)

參數(shù)化建模適用于變電站架構(gòu)、部分設(shè)備或線路元件等外形規(guī)則的實(shí)體，用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組結(jié)構(gòu)尺寸序列，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有顯式對(duì)應(yīng)，當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列值時(shí)，就可驅(qū)動(dòng)達(dá)到新的目標(biāo)幾何圖形，建立起的模型實(shí)體包含所有設(shè)計(jì)信息。參數(shù)化建模方式為模型的可變性、可重用性提供了手段，使用戶可以利用標(biāo)準(zhǔn)的程序快速方便地建立起精細(xì)化模型。某750kV變電站三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)工程均采用三維設(shè)計(jì)參數(shù)化建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維模型空間布置、碰撞檢查、電氣計(jì)算，生成主接線圖、完成材料清冊(cè)、工程量等統(tǒng)計(jì)工作。如圖3所示。

圖3 某750 kV變電站全景和局部GIM模型示意圖

1.3 地面激光掃描建模

地面激光掃描三維建模利用移動(dòng)三維激光掃描儀等設(shè)備對(duì)變電站設(shè)備設(shè)施建構(gòu)筑物進(jìn)行激光掃描，采集物體表面的三維空間位置信息和紋理信息，然后利用Cyclone、Kubit 以及PointCloud等專業(yè)軟件構(gòu)建三維模型。主要有五個(gè)步驟：①現(xiàn)場(chǎng)勘探與方案布設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及設(shè)計(jì)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)采集方案布設(shè)；②外業(yè)數(shù)據(jù)采集。利用激光掃描儀器開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作；③點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。包括多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接、去噪、重采樣等處理；④點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模。根據(jù)不同的點(diǎn)云特征，建立設(shè)備三維空間數(shù)據(jù)模型；⑤紋理映射。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的紋理映射到三維模型上，形成模型的真實(shí)紋理[8-12]。

激光點(diǎn)云建模的方法有兩種：一是點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面模型制作, 通過(guò)構(gòu)造三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面來(lái)構(gòu)建實(shí)體的三維模型；二是幾何模型制作, 通過(guò)分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)提取實(shí)體的幾何輪廓從而進(jìn)行模型重建。第一種方法常用于復(fù)雜曲面的精細(xì)化表達(dá)，如地形模擬、佛像重建、古建筑保護(hù)等方面。變電站三維建模主要是通過(guò)第二種方法，即根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取實(shí)體幾何輪廓逆向建模，技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 激光點(diǎn)云建模流程圖

國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園項(xiàng)目中采用移動(dòng)激光掃描技術(shù)對(duì)某校區(qū)220kV變電站進(jìn)行了三維建模。使用的硬件設(shè)備有IMS 3D移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)、佳能EOS 5DMarkII相機(jī)、大疆精靈4無(wú)人機(jī)。由于三維移動(dòng)激光掃描設(shè)備無(wú)法獲取到桿塔頂部的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用空中旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備和地面移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)結(jié)合的方法，項(xiàng)目從空中到地面，從整體到局部各個(gè)方向、角度全方位獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)用從空中和地面分別進(jìn)行紋理采集。利用激光掃描數(shù)據(jù)處理的軟件平臺(tái)，通過(guò)分類算法對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，將植被、建筑物、管道設(shè)施等地物數(shù)據(jù)進(jìn)行分離、提取。再經(jīng)過(guò)大量人工干預(yù)對(duì)點(diǎn)云精細(xì)分類，彌補(bǔ)自動(dòng)分類算法在數(shù)據(jù)判別精準(zhǔn)度上的不足。變電站采用3DMax軟件來(lái)進(jìn)行建模效果如圖6所示，保證三維模型成果的清晰度和逼真度。通過(guò)三維可視化的手段實(shí)現(xiàn)了變電站及學(xué)院建筑設(shè)施的可視化瀏覽、漫游導(dǎo)航以及交互式查詢[13]。

圖5 國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院220 kV變電站激光點(diǎn)云

圖6 國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院220 kV變電站局部模型

2 對(duì)比分析

技術(shù)路線方面。幾何實(shí)體建模利用設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)備圖片對(duì)已建或擬建變電站進(jìn)行建模，模型的材質(zhì)和紋理可以現(xiàn)場(chǎng)采集或近似模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)大場(chǎng)景、復(fù)雜模型的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)三維仿真模擬，建模過(guò)程方便靈活，技術(shù)難度低。參數(shù)化建模采用參數(shù)控制的基本圖元進(jìn)行建模，模型的關(guān)鍵尺寸，專業(yè)接口和技術(shù)參數(shù)要求全面準(zhǔn)確、完整、準(zhǔn)確，建模過(guò)程規(guī)則性強(qiáng)，建模人員需具備電力專業(yè)背景，不僅能夠構(gòu)建物理模型還能構(gòu)建邏輯模型。移動(dòng)激光掃描三維建模利用移動(dòng)激光掃描技術(shù)對(duì)已建實(shí)體設(shè)備、建(構(gòu))筑物進(jìn)行表面測(cè)量，獲取表面點(diǎn)空間坐標(biāo)，受激光掃描設(shè)備在變電站中移動(dòng)的空間位置限制，被遮擋區(qū)域、電纜溝內(nèi)、地下管線、超高地面部分、超細(xì)部分均不能完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大。

模型效果方面。幾何實(shí)體建模范圍既包括表面可見(jiàn)部分也包括內(nèi)部或地下不可見(jiàn)部分，三維模型內(nèi)部和外部的精細(xì)化程度可以根據(jù)需求靈活把握；參數(shù)化建模受限于標(biāo)準(zhǔn)圖元的限制，以及三維設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)運(yùn)算速度的要求，模型在外觀細(xì)節(jié)的表現(xiàn)方面沒(méi)有復(fù)雜的曲面、材質(zhì)、紋理貼圖及渲染效果等信息，三維模型的展現(xiàn)效果較差。激光掃描三維建模采集現(xiàn)場(chǎng)彩色激光點(diǎn)云，模型的精細(xì)程度取決于激光掃描的點(diǎn)云密度和反向建模過(guò)程對(duì)細(xì)節(jié)的把控，在掃描密度夠大時(shí)可以真實(shí)再現(xiàn)設(shè)備幾何外觀和細(xì)節(jié)紋理。

建模成本方面。幾何實(shí)體建模使用通用的建模軟件，自由度高，過(guò)程靈活，建模人員較易獲取，對(duì)變電站類的工業(yè)模型而言建模成本較低；三維設(shè)計(jì)參數(shù)化建模規(guī)則性強(qiáng)，建模人員需要有電力專業(yè)背景，人員成本較高，變電站模型庫(kù)建設(shè)完成，后續(xù)使用成本較低。激光掃描三維建模采用現(xiàn)場(chǎng)采集方式，需要有專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件，建模效率較低，技術(shù)難度較大，成本較高[14-15]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著輸變電工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)的推廣應(yīng)用，更多新建變電站工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中完成三維設(shè)計(jì)參數(shù)化建模，能夠在工程驗(yàn)收時(shí)完成三維設(shè)計(jì)成果的交付，并逐漸的替代幾何實(shí)體建模的方式。但對(duì)于未采用三維設(shè)計(jì)的工程，以及對(duì)于展示效果和細(xì)節(jié)要求更高的場(chǎng)合，幾何實(shí)體建模方式依然是行之有效的建模方法。設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)不可能都完全吻合，生產(chǎn)運(yùn)行的環(huán)節(jié)中要掌握精確的真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)情況，地面激光掃描三維建模是最佳選擇。