實景建模技術在電網數字孿生系統中的應用分析

王 朔，軒瑩瑩，張 驥，吳海亮，吳 鵬

(1. 國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，河北 石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司超高壓分公司，河北 石家莊， 050071)

0 引言

電網數字孿生系統通過超寫實建模將物理世界電網本體精準映射到數字世界虛擬電網，基于無人機、機器人和傳感器等多種監(jiān)測手段，匯聚設備運行監(jiān)測數據和輔控信息，利用“大、云、物、移、智、鏈”等科學技術開展智能診斷、預測性維護，具有全景可視化、智能診斷、深度分析和高效決策等優(yōu)勢。其中，完成對物理本體的全息復制和高保真建模是實現虛實迭代的基礎[1-3]。

目前，電網數字孿生系統的構建側重于設備的狀態(tài)感知和運行分析，隨著數據采集能力和維度的不斷提高，數據量急劇增大，但是其相應的深度建模展示技術卻沒有同步發(fā)展。數字孿生電網的展示層由電網3D模型、拓撲圖等可視化功能組建而成，負責將需要展示的數據直觀地展示給工作人員[4-5]。傳統的三維建模方法耗時長、精度低、難以實現電網的全息復制和數據交互，使得電網數字孿生系統的應用效果大打折扣。

實景建模技術是一種運用數碼相機對現有場景進行多角度環(huán)視拍攝后進行后期縫合來完成的一種三維虛擬展示技術[6]。通過實景建模技術在電網數字孿生系統中的研究與應用，對電網的規(guī)劃、建設和運維全過程進行可視化、一體化管理，將對數字化主動電網的發(fā)展具有重要支撐和促進作用。

1 實景建模技術概述

1.1 實景建模原理

實景建模技術以一組對靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數碼照片作為輸入數據源，輔以傳感器屬性、位置參數、照片姿態(tài)參數等額外數據，經過圖形算法處理后，在幾分鐘或數小時內，根據輸入數據的大小，輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網格模型[7-8]。實景建模技術路線如圖1所示。

圖1 實景建模技術路線

變電站設施幾何結構復雜，重復性紋理較多，如果需要得到亞厘米級別的高精度實景模型，真實反映設備形狀、表面缺陷和其他細節(jié)特征等，有時需要將激光點云加入到實景建模的過程中，最終模型既有激光點云的高精度幾何結構，又有高清照片中的高質量真實紋理，如圖2所示。

圖2 實景建模效果圖

1.2 實景建模技術的發(fā)展

實景建模技術起源于傾斜攝影和無人機航拍技術。2010年，劉先林院士團隊率先研發(fā)成功了第一款國產傾斜相機SWDC-5，并成功開展了長春市傾斜攝影工程項目。2012年，法國Renaud Keriven和Jean-Phillips Pons博士共同創(chuàng)建Smart 3D C apture可以全自動基于多角度影像生成三維實景模型。2014年前后，通過無人機依照既定航線，進行實時定位，快速獲取測區(qū)影像，被廣泛地應用于電力、勘察、交通、水利、應急等工程中。2019年，廟山 220 kV 變電站利用實景建模技術將變電站三維模型與實際情況密切結合，精準開展工程設計。

2 實景建模與傳統建模技術對比

2.1 傳統建模方法技術特征

傳統電網建模方法主要有虛擬現實建模語言 (virtual reality modeling language，VRML)、幾何造型建模法、地面激光雷達建模法3種，不同建模方法的建模原理、效率和精度區(qū)別較大。

VRML是一種描述3D場景中模型對象的虛擬現實建模語言，通常采用立方體、圓錐體、圓柱體、圓環(huán)體、球體等常用幾何對象來構造變壓器、斷路器、互感器、導線、電纜等電氣設備模型，然后通過模型拼接來完成整個系統三維場景建模。

幾何造型建模法是依據變電站數碼圖片、廠家圖紙和設計圖紙，同樣采用立方體、圓錐體等常用幾何對象建立各種電氣設備三維模型，包括線框模型、表面模型和實體模型，然后設置模型貼圖與材質，拼接完成三維場景建模。

地面激光雷達建模法是利用地面激光雷達掃描變電站和輸電線路，采用非接觸主動測量方式直接獲取密集的三維點云數據，然后通過探測器接收返回的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉換成能夠直接識別處理的數據信息。

2.2 實景建模方法技術特征

實景建模技術直接通過數字攝影生成真實的三維模型，基于現實條件下得到的三維表現可用于設計建模和施工建模。模型的精度不再取決于圓錐、圓柱、立方體等幾何對象的組裝深度，而是取決于項目的任務目標、相片質量、拍攝距離、拍攝方式。

由于模型通過數字攝影生成，生成的真實的三維模型有極其豐富的三維環(huán)境。并且能夠采集盡可能多的細節(jié)，不再只關注選定特征，還能夠在三維模型中進行地理定位，比如樓的高度信息和設備的空間距離等。

實景建模也可用于規(guī)劃建設項目、道路狀況建模以完成對道路狀況的檢測、地下管線建模以完成對地下管線的檢測和維修，還可以用于礦山的體積測量，可以測量山體表面積、體積、長度、經緯度高程等。

目前，主要采用2種方式對實景三維模型進行檢驗：①運用人工點與模型特征點進行比對，核算高程、平面中誤差值，以該值衡量模型精度；②運用地形圖成果與模型特征邊線或角點做比對，并計算高程、平面中誤差值。

2.3 實景建模技術優(yōu)點

VRML建模法和幾何造型建模法采用幾何對象構造設備模型，易造成變電站和輸電線路的模型失真，模型精度較差，不利于直觀展示，并且后續(xù)高級應用有限，難以實現人機交互、虛擬運行等功能。地面激光雷達建模法雖然在模型精度、細節(jié)還原性上有了提高，但由于需要現場架設激光發(fā)射、接收設備等，現場作業(yè)難度大、耗時較長、建模效率不高。

實景建模技術速度快、成本低、精度高，能夠真實反映設備細節(jié)和建筑特征，還可以對圖像進行放大、縮小、移動、多角度觀看等操作，實現場景中的熱點鏈接、多場景之間虛擬漫游、雷達方位導航等功能。

綜上，實景建模技術不論是在建模難易度還是與數字孿生電網數據交互均優(yōu)于傳統建模方法。

3 實景建模技術實例分析

本文以某在建變電站為研究對象，進行實景建模實例分析，驗證整個建模流程的可用性，然后推廣到復雜大場景中，并利用塊區(qū)組裝生產大范圍的自然地貌實景模型，通過增加像控點對位置對象進行約束，提高建模精度。

3.1 需求分析

針對電網模型從二維到三維的轉變，提出了以下4點需求：

1) 數字孿生電網展示層設備需要直觀體現電氣一、二次設備的細節(jié)特征，便于管理人員了解設備的具體結構。

2) 設備布局和凈距等反應實際情況，輔助工作人員進行電網設計、檢修、維護工作，確定工作實施方案。

3) 建模中應進行多維信息化整合，每一個子節(jié)點有自己的位置屬性、運動特性及電氣特性。工作人員能通過模型對應綜合瀏覽設備的物理實況、接線邏輯、運行狀態(tài)等。

4) 結合建筑信息模型(building information modeling， BIM)和實景模型，利用虛擬現實技術(virtual reality，VR)進行虛擬現場瀏覽，展示全景虛擬現實場景，高精度真三維空間數據，無需親臨現場，更貼近于實際應用。

3.2 技術參數設計

本文選用具有高精度全球導航衛(wèi)星系統(global navigation satellite system， GNSS)的RTK無人機飛行航拍。該無人機采用實時差分定位技術，能夠保證航線的精準，作業(yè)精度可達厘米級。本次拍攝區(qū)域實際面積為5 704 m2，總共設置5條航線，總航線長度達3 125 m，航拍參數見表1所列。

表1 航拍參數設計

航拍需要人員外出參與，航拍時長每次大約為27 min，后期數據處理和模型重構均在系統內完成。對航拍數據進行質量檢查，對未覆蓋的區(qū)域進行手動補充拍攝，共得到符合要求的照片659張。在滿足建模精度的要求下，可以適當降低照片分辨率到90%，以提高軟件處理速度。照片完成機載定位定向系統(position and orientation system，POS)信息設置后提交空中三角測量，經過運算得到163 975個自動連接點。

3.3 實景建模效果

變電站施工前需要對周邊環(huán)境進行觀察分析，運用實景建模技術建立變電站站址模型。為了減少模型重建運算時間，以及考慮到最終生成模型文件的大小，需要對拍攝場景進行必要的裁切，保留主要部位，去除周邊無用場景，提高模型生產效率。變電站站址模型如圖3所示。

圖3 變電站站址模型圖

工程施工期間，可通過航飛拍攝施工場地，對模型進行迭代更新，實時把握工程建設進度，通過實體建模技術實現工程建設的數字孿生，如圖4所示。

圖4 變電站施工現場及角度測量圖

電氣設備安裝后，通過實景建模技術建立設備三維模型，如圖5所示。模型基本上實現了對設備的全息復制，能夠很好展示設備端子箱、接頭等零部件細節(jié)。

圖5 電氣模型細節(jié)展示

本次工程應用實例說明實景建模技術在很大程度上降低了傳統建模作業(yè)的勞動強度和模型建設成本，更好地實現施工建設的數字孿生。

4 實景建模技術應用展望

目前實景建模技術雖然在測繪、城市規(guī)劃，市政等領域的應用技術比較成熟，但是在電氣領域，由于電網設計專業(yè)性高、行業(yè)標準成熟等原因，實景三維技術的應用并不多。

實景建模技術作為傳統測繪和建模技術的補充和替代，從數據采集、處理到成果格式都與傳統測繪技術成果有著比較大的差別。推動實景建模技術與三維BIM設計結合，服務于電網改造設計、運行管理等，可以為工作人員提供規(guī)劃設計、施工建設和運行維護各階段的數字存檔數據，從而實現真正的電網三維設計、三維施工、三維運行維護全生命周期的數字孿生。

未來，仍需進行實景建模技術標準化作業(yè)流程研究，包括無人機傾斜攝影數據獲取技術標準研究、實景三維模型成果標準研究和地形提取技術標準研究，完善激光點云與影像融合精細化建模技術在三維數字化設計和數字孿生電網建設中的應用。

5 結語

綜上所述，實景建模技術在電網設備全息復制和地理環(huán)境可視化方面具有顯著的優(yōu)點。實景3D模型能夠充實數字孿生電網的展示層，為各種傳感器設備，電力基礎設施等提供可放置、可展示、可量測的基礎圖層，有效提高數字孿生電網的建設和展示效果。