輸電線路數(shù)字化設計現(xiàn)狀分析及改進方向探討

譚浩文，薛永峰，江 岳

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

輸電線路的傳統(tǒng)設計主要是基于二維圖紙的專業(yè)配合作業(yè)。二維圖紙的數(shù)據(jù)是非結構化的，圖紙里所涵蓋的信息很難被計算機直接識別?？睖y專業(yè)、電氣和結構設計專業(yè)的配合，主要依靠資料互提和確認來解決，缺少相應的設計平臺或結構化信息傳遞手段。各專業(yè)間的數(shù)據(jù)信息相互孤立，無法實現(xiàn)方便快捷的互通傳遞。在設計過程中，不同專業(yè)之間以及專業(yè)內(nèi)部的不同設計階段，由于沒有信息載體和一體化設計平臺，很多信息需要以人工的方式多次錄入和檢查；在利用已有設計成果時，因為相關成果信息為非結構化、非參數(shù)化的圖紙，僅能通過人工查閱的方式，手工提取相關成果信息，在后續(xù)設計中使用。以上的這種傳統(tǒng)作業(yè)方式效率低而且差錯率高，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一次錄入、多次采用[1]。

隨著計算機技術和勘測技術的發(fā)展，數(shù)字化技術廣泛地融入電網(wǎng)設計行業(yè)，交互協(xié)同設計、三維設計推動電網(wǎng)勘測設計信息化技術不斷發(fā)展。三維數(shù)字化技術應用于輸電線路設計，使設計人員能夠在三維視場環(huán)境中進行相關設計數(shù)據(jù)的多維度分析、多視角空間校驗，提高工作效率和設計質(zhì)量[2]。

國內(nèi)電力設計單位開展輸電線路三維設計的嘗試開始于2009年前后。最近五年，三維數(shù)字化設計成為輸電線路設計行業(yè)的熱點。電網(wǎng)建設單位制訂了相關管理、應用標準以及設計導則，建立了數(shù)據(jù)中心，各電力設計單位或采購、或聯(lián)合軟件公司，積極進行數(shù)字化設計平臺的建設和應用。然而，總體來看，經(jīng)過前些年的摸索醞釀和近幾年的高速發(fā)展，國內(nèi)輸電線路的三維數(shù)字化設計依然停留在將傳統(tǒng)設計做完以后再進行三維轉化及展示的初階，真正意義上的正向全過程設計應用尚未有較大突破。目前大部分輸電線路數(shù)字化設計平臺，在數(shù)據(jù)管理、業(yè)務協(xié)同、模型建立和應用領域等各方面都還有改進提升的空間。

本文通過對輸電線路數(shù)字化設計的現(xiàn)狀進行分析，結合輸電線路設計的特點，探討輸電線路數(shù)字化設計的改進方向。

1 輸電線路數(shù)字化設計現(xiàn)狀

輸電線路三維數(shù)字化技術最早的目的相對簡單，主要是通過三維展示增加設計成果的可視性，當時稱為三維數(shù)字化移交，通常是設計單位以外的公司來完成。在這個階段，設計過程的三維數(shù)字化要求相對較低，成果三維數(shù)字化和工藝設計往往是脫節(jié)的。隨著建筑信息建模 (building information modeling，BIM)設計的流行，輸電線路行業(yè)也提出了在設計過程中貫穿三維數(shù)字化的理念，通過構造設備三維模型、選取材料、設置參數(shù)等，開展空間距離校驗、設備材料自動統(tǒng)計等[1]。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，這一目標基本得以實現(xiàn)，但通過實際應用發(fā)現(xiàn)，并未跨越“二維設計、三維轉化”的初級階段。

1) 數(shù)字化建模是主要工作

目前，輸電線路三維數(shù)字化設計成果移交內(nèi)容主要包括地理信息模型、數(shù)字化模型和設計文件電子文檔[3]。地理信息模型和設計文件電子文檔相對容易處理，因此目前的數(shù)字化設計軟件和實際設計過程均把重點放在數(shù)字化建模上，包括實體模型、參數(shù)模型。輸電線路涉及的主要數(shù)字化模型包括鐵塔、基礎、導線、絕緣子、金具、通道障礙物(實體及非實體)等。根據(jù)不同模型種類和需求，這些模型有的通過解析外部導入的數(shù)據(jù)文件生成，有的通過在軟件模型數(shù)據(jù)庫選擇配置得到，有的完全通過手動輸入數(shù)據(jù)建立，工作量較大。完成以上數(shù)字化模型的建立，再將其整合展示到地理信息模型上，就基本完成了數(shù)字化設計，可以滿足移交的要求。

2) 數(shù)字化建模與工藝設計關聯(lián)性不強

目前國內(nèi)主要的幾個輸電線路三維數(shù)字化設計平臺，在整合輸電線路設計流程、優(yōu)化設計數(shù)據(jù)流轉、集成已有成熟的電力設計軟件方面，還有很大提升空間。雖然目前大多數(shù)數(shù)字化設計平臺主要集成了三維地理信息模型和選線系統(tǒng)，可以實現(xiàn)選線、生成斷面及立塔，可以基本代替之前的海拉瓦選線，但是在實際設計中，線路的核心設計如桿塔設計、基礎設計、排位校驗、各種計算等還要依賴平臺之外的其它設計軟件。多數(shù)情況下，數(shù)字化設計是采用傳統(tǒng)手段完成設計后，再將設計成果輸入或?qū)霐?shù)字化平臺建模，記錄為結構化數(shù)據(jù)。在這種情況下，數(shù)字化建模與工藝設計基本是脫節(jié)的。

3) 協(xié)同設計尚未實現(xiàn)

數(shù)字化設計的目標之一是解決傳統(tǒng)設計方式專業(yè)之間不能協(xié)作，信息不能互通，數(shù)據(jù)不能一次錄入多次使用的問題。由于目前多數(shù)數(shù)字化設計平臺主要是建立地理信息和設備數(shù)字化模型，自身并未開發(fā)或集成成熟的電力計算軟件，輸入平臺的數(shù)據(jù)很少用來計算，因此，在專業(yè)內(nèi)，設計數(shù)據(jù)需要重復輸入的問題并未徹底解決，專業(yè)間的全面協(xié)同設計更未能實現(xiàn)。

4)標準還不夠完善

國家電網(wǎng)有限公司大力推動電網(wǎng)三維數(shù)字化設計，建設工程數(shù)據(jù)中心，制訂了一系列有關三維數(shù)字化設計深度、模型交互、成果移交等方面的標準，但目前這些標準有一部分還在不斷的修訂完善中。

5)工程實際應用積極性不高

目前業(yè)內(nèi)應用的輸電線路三維數(shù)字化設計平臺大部分基于地理信息系統(tǒng)(geographic information systems，GIS)技術開發(fā)，其開發(fā)者有傳統(tǒng)電力軟件供應商，也有從未做過電力軟件的GIS技術應用開發(fā)商。有的是軟件供應商獨立開發(fā)，有的是軟件供應商根據(jù)設計單位需求定制開發(fā)。由于軟件開發(fā)企業(yè)不了解輸電線路設計流程和設計單位的設計習慣，在軟件或平臺的操作使用方面，與設計單位的習慣相去甚遠，造成設計院很難熟練使用平臺。同時，由于平臺功能有限，對實際的設計工作起不到多少協(xié)助作用，一定程度上還增加了設計工程量。因此在實際工程中，三維數(shù)字化設計往往是根據(jù)業(yè)主要求被動進行。

2 當前輸電線路數(shù)字化設計的誤區(qū)

1)重三維建模，輕數(shù)字化集成

當前國內(nèi)輸電線路數(shù)字化設計，流行一種三維模型統(tǒng)籌論，即以三維模型為中心，以三維模型來統(tǒng)籌設計，其實這一理念存在較大的誤區(qū)。

輸電線路設計中需要進行大量的計算，如桿塔荷載、絕緣配置、電磁環(huán)境校驗、各種距離校驗等。這些計算都需要很多的輸入數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的設計方法中，這些計算往往相互獨立，不少數(shù)據(jù)需要重復輸入。數(shù)字化設計的一大初衷是要解決這一問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一次輸入，多次利用，即實現(xiàn)各類計算軟件或程序的數(shù)字化集成。然而實際情況是，目前大部分所謂三維數(shù)字化設計平臺，往往忽視了這種集成，而把主要功能放在三維建模和展示上。它們的三維模型雖然附帶了很多參數(shù)屬性，但這些屬性卻很少能被直接調(diào)用計算。雖然在三維場景里，空間距離的計算可以通過三維解析的方法來求解，但是對于輸電線路設計中常用的理論計算，比如要模擬導線的懸鏈線，計算張力差，還得通過數(shù)值計算來實現(xiàn)。因此，出于正向設計流程考慮，三維數(shù)字化設計平臺必須重點考慮各類計算軟件和程序的數(shù)字化集成。

2)宏觀場景中對三維模型的真實度要求過高

當前流行的輸電線路數(shù)字化設計，有一種所見即所得的傾向，對輸電線路各設備元件在宏觀環(huán)境中的三維模型真實度要求很高，比如要求把鐵塔的角鋼、節(jié)點板、甚至螺栓、銷釘都要正確展示出來。各軟件平臺也把大量精力花費在了三維場景、設備元件的三維建模功能上。這一高要求，不僅給軟件平臺的運行環(huán)境提出了更高的要求，也給設計人員增加了大量額外工作。

理論上講，提高三維模型的真實度，能夠最大程度避免各種設備、建(構)筑物之間的沖突，并且增強成果的可視化體驗。而對輸電線路來講，其特點是地域跨度大，設備少，呈分散狀態(tài)。輸電線路的鐵塔、基礎、導地線、絕緣子金具串等主要設備或構筑以鐵塔為集中布置點，兩點之間一般相距數(shù)百米，宏觀上較為分散。因此，線路的兩基鐵塔之間是不可能碰撞的，在宏觀上追求三維模型的高準確性其實沒有必要。在排塔定位這樣的宏觀三維場景中，三維模型只需要單線模型或輪廓模型即可滿足設計要求。

3 輸電線路數(shù)字化設計改進方向探討

3.1 科學合理定位

輸電線路的三維數(shù)字化設計，應當科學合理定位，弄清設計方和成果需求各方(施工、建設管理、運營維護)的需求，才能進入互相促進、互相協(xié)調(diào)的生態(tài)發(fā)展軌道。三維數(shù)字化設計的全過程應用，不能僅僅停留在直觀好看的膚淺的“高大上”的層面，而要以提高工作效率，提升成品質(zhì)量，擴展成果應用為原則。從成果需求方來講，應從成果的后續(xù)應用出發(fā)，對三維數(shù)字化設計成果深度提出有針對性的科學合理要求，并建設相應的應用平臺。對設計方來講，三維數(shù)字化設計只是一種手段，不是一項任務，必須以提高工作效率和提升設計質(zhì)量為原則，為需求方提供符合后續(xù)應用要求的成果。

3.2 重視數(shù)字化集成和協(xié)同

輸電線路三維數(shù)字化設計的重點應該放在“數(shù)字化”而不是“三維”上面，“三維”可視只是表層，核心是數(shù)字化集成和協(xié)同。集成方面，著重解決各類設計軟件之間的數(shù)據(jù)集成互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一次輸入，多次調(diào)用。協(xié)同方面，應以實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同為目標，特別是需要反復配合的專業(yè)之間。勘測應主要負責地理信息系統(tǒng)的處理、原始資料輸入，線路電氣、結構的設計要能實現(xiàn)協(xié)同，互相查看和檢驗。

3.3 三維模型合理分層管理應用

宏觀上，輸電線路設備是較為分散的，在大場景中，具有主要輪廓尺寸的簡化三維模型即可滿足設計要求。只有在局部小場景中，才可能用到相對真實的三維模型。因此，輸電線路數(shù)字化設計中的三維模型，宜實行分層管理和應用。宏觀設計場景中，三維模型適宜采用參數(shù)和簡化的實體模型的結合，參數(shù)主要是指設備的各種參數(shù)、屬性，簡化的實體模型主要指設備的輪廓尺寸，兩者的組合既方便直觀展示也便于實現(xiàn)數(shù)值計算。局部小場景中，三維模型宜具備參數(shù)化建模功能[3]，方便設計人員根據(jù)需要通過改變主要參數(shù)來建立實體模型，校核細部碰撞。

高精度的三維模型查看宜采用小場景調(diào)用方式，隨著訪問深度的增加，逐級按需調(diào)用、顯示精度更高的三維模型。比如：在線路整體三維場景展示中，鐵塔只需要輪廓三維，只需表示出主要構件即可，不需要展示諸如角鋼、鋼管、連接板、螺栓等細部構造，如果需要查閱這些細部構造，可按需調(diào)用小場景進行展示，這樣可以實現(xiàn)設計階段三維模型和設備廠家產(chǎn)品模型的獨立，實現(xiàn)建模工作的合理分工，同時對計算機硬件的要求也有所降低。

3.4 聯(lián)合開發(fā)軟件平臺

目前，輸電線路三維數(shù)字化平臺的開發(fā)模式，無論是軟件供應商單獨開發(fā)還是服務合同框架下的定制開發(fā)模式，平臺開發(fā)單位與使用單位的溝通交流均不夠深入，因而造成開發(fā)出來的平臺功能不全或使用不便。從長遠發(fā)展來看，輸電線路三維數(shù)字化設計軟件平臺，不僅需要狹義地集成各種專業(yè)的設計軟件，也需要與成果需求方的諸多軟件系統(tǒng)例如項目管理、材料管理、施工管理、財務系統(tǒng)等多種特定環(huán)節(jié)或應用專長的軟件實現(xiàn)廣義的復合應用層面的“集成”，以服務于工程和項目。這樣的集成兼容了工作流程和復雜業(yè)務，代表了最高程度也是最復雜的集成。要實現(xiàn)這樣的復合集成，必須由工程設計企業(yè)和軟件供應商合作開發(fā)，但這不僅是軟件開發(fā)商協(xié)助工程設計企業(yè)進行軟件的定制開發(fā)，更是工程設計企業(yè)提煉自身業(yè)務精髓和優(yōu)化業(yè)務流程的機會。設計單位或軟件需求單位與軟件開發(fā)商需要適當放棄短期經(jīng)濟效益，深入合作，資源互補，以建設完備適用的優(yōu)質(zhì)平臺。

3.5 積極探索集成新技術

3.5.1 高精測量解析技術

輸電線路三維數(shù)字化設計的質(zhì)量和效率受限于測量數(shù)據(jù)的精確程度。目前應用比較廣泛的海拉瓦技術[4]在掃描線路斷面時，對樹頂高度、地面高度無法區(qū)分，往往導致斷面失真，排塔定位還需要人工現(xiàn)場校測和修正，降低了勘測設計效率。結構專業(yè)方面，由于一般航測無法得到滿足精度要求的塔基地形圖，目前所有的塔基地形圖都通過現(xiàn)場實測來獲取，如果能通過高精測量解析技術得到滿足精度要求的塔基數(shù)字地形圖，對高低基礎長短腿配置設計的效率將大大提高。因此，將高精測量解析技術，如機載激光雷達測量技術[5]、傾斜攝影技術[6]等應用到輸電線路三維數(shù)字化設計，勢必大大提高設計效率和設計質(zhì)量。

3.5.2 有限元分析方法

在目前的設計當中，導線風偏、絕緣子串偏角等計算一般是通過傳統(tǒng)簡單的荷載等效集中、靜力幾何分析得到的，與導線、絕緣子串實際受分布荷載的情況有一定出入，可能導致結果存在誤差。輸電線路在運行過程中常受到風、覆冰、甚至地震等隨機載荷的作用這些荷載組合往往較為復雜，一般的靜力等效集中分析已經(jīng)不能滿足設計需要。有限元方法是研究這類問題的重要方法和手段[7]。借助于計算機強大的計算能力，輸電線路三維數(shù)字化設計引入有限元分析方法，可對導線風偏、絕緣子串姿態(tài)、導線不均勻覆冰姿態(tài)等進行仿真模擬，得到更為準確的結果。

3.5.3 塔線耦合分析方法

目前輸電線路的設計方法中，桿塔與導地線是分開考慮的，導地線荷載作為外力施加在桿塔上。對于剛度較小的桿塔，受載荷作用時桿塔上部容易產(chǎn)生較大位移，桿塔與導地線之間的耦合作用明顯，不能忽略。在這樣的場合，現(xiàn)有的計算手段不能準確反映桿塔、導地線、絕緣子金具串的耦合影響，計算結果不夠準確。塔線耦合分析方法提出導地線力—位移等效元的概念，可以考慮桿塔和導地線沿導地線方向的耦合作用，給出整個輸電線路系統(tǒng)的理論等效模型，進行非線性數(shù)值仿真和實驗比較，對輸電線路的整體設計、導地線舞動研究具有指導和應用價值[8]。

4 結語

輸電線路三維數(shù)字化設計技術以多元地理信息為基礎，多維信息模型為載體，實現(xiàn)設計的可視化、集成化、并行化、智能化，打破設計信息孤島，實現(xiàn)全專業(yè)、全過程信息共享，進而全面提升工程設計質(zhì)量和效率，提交滿足電網(wǎng)企業(yè)信息化需求的數(shù)字化設計成果，是輸電線路設計行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

整體來看，當前輸電線路數(shù)字化設計從軟件平臺開發(fā)到工程應用實質(zhì)仍停留在將傳統(tǒng)設計方式得到的設計成果三維模型化、數(shù)據(jù)化的淺層階段。

未來輸電線路數(shù)字化設計需要更加科學合理的定位，應將其視為一種設計手段，而不是設計任務來對待，應以提高設計效率，提升設計質(zhì)量，提供符合后續(xù)應用需求的數(shù)字化設計成果為原則。需要改變重三維建模，輕數(shù)字化集成的方向，通過軟件供應商和需求單位的密切合作，走以三維模型為輔，數(shù)字化集成為主的道路，積極探索集成勘測設計新技術，建設多專業(yè)協(xié)同設計數(shù)字化平臺。