基于需求驅(qū)動的輸變電工程多尺度場景建模

施曉勇，藍貴文*，陳看，端木星慧，張樂坦

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，桂林 541004； 2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林 541004)

輸變電工程是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，具有運輸電能和升降電壓的重要作用，是輸電線路建設(shè)和變電工程的統(tǒng)稱[1]，其主要包括架空電力線路和變電站兩大實體對象。隨著數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的推進，三維數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在輸變電工程建設(shè)中，且對于提高工程的設(shè)計質(zhì)量效果顯著[2]。當(dāng)前對于輸變電工程三維建模的研究主要集中在輸電線路三維場景模型構(gòu)建[3-4]、變電站虛擬現(xiàn)實仿真[5-6]、廠站三維展示[7]以及輸電桿塔精細化建模[8]等方面，目前的研究中更多關(guān)注的是模型的精細化構(gòu)建和場景的沉浸感，較少考慮因?qū)嶋H應(yīng)用管理的維度不同造成所需的模型尺度級別不同這一客觀條件。在輸變電工程中，所處的工程生命周期不同，其對應(yīng)的管理維度也就不同，所需要用到的數(shù)據(jù)尺度也不同。如，在工程周期的規(guī)劃設(shè)計階段只需使用當(dāng)?shù)氐娜S地形數(shù)據(jù)或簡易的模型數(shù)據(jù)，而不需過多關(guān)注電力設(shè)備的模型精度，而在工程運維階段則需使用到精細化的三維模型數(shù)據(jù)。此外，變電站數(shù)據(jù)通?？蛇_幾十千兆字節(jié)[9]，往往會給計算資源造成較大的壓力，在不同管理維度采用適合的尺度模型能大大提高計算機的運行效率，有效減少計算資源的浪費。因此采取尺度相關(guān)的數(shù)據(jù)建模方法在輸變電工程三維模型數(shù)據(jù)管理中是非常有必要的。

目前已有許多三維空間數(shù)據(jù)多尺度表達方面的研究。文獻[10]參照城市地理標記語言(city geography markup language，CityGML)標準規(guī)范進行了城市三維模型的多尺度不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)構(gòu)建；文獻[11]采用符號化建模及建筑信息模型(building information modeling，BIM)等建模方式構(gòu)建了不同細節(jié)層次的排水管網(wǎng)要素，并構(gòu)建了層次細節(jié)(levels of details，LOD)為LOD0～LOD4層次的排水管網(wǎng)場景；文獻[12]參照CityGML多細節(jié)層次分級標準構(gòu)建了4個尺度級別的城市綜合管廊空間數(shù)據(jù)模型，并研究各尺度工業(yè)基礎(chǔ)類標準(industry foundation classes, IFC)模型與CityGML模型之間的映射規(guī)則。在電力領(lǐng)域，文獻[13]設(shè)計并構(gòu)建了輸電網(wǎng)絡(luò)的多尺度空間數(shù)據(jù)模型，研究了傳統(tǒng)三維模型到地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)三維模型的集成可視化應(yīng)用；文獻[14]把輸電設(shè)備模型劃分成4個LOD等級，提出各級模型的塌陷方法，提高了模型的加載效率；文獻[15]總結(jié)歸納了國家電網(wǎng)輸變電工程設(shè)計規(guī)范中電網(wǎng)三維模型3種不同尺度模型的定義及應(yīng)用階段。上述文獻研究了空間數(shù)據(jù)的多種多尺度表達方法，但是較少具體從各尺度應(yīng)用需求出發(fā)來構(gòu)建空間數(shù)據(jù)模型?，F(xiàn)將輸電線路和變電站作為一個整體進行考慮，從工程應(yīng)用需求的角度出發(fā)，提出輸變電工程的多尺度分級方法，并運用建模軟件和GIS軟件實現(xiàn)輸變電工程LOD0～LOD3多尺度場景的構(gòu)建，以期滿足輸變電工程的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，為輸變電工程的各個建設(shè)階段提供借鑒。

1 輸變電工程組成要素分析與多細節(jié)層次模型

1.1 輸變電工程組成要素分析

輸變電工程包括輸電線路和變電站兩部分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及要素繁多。構(gòu)建輸變電工程的多細節(jié)層次模型，需要全面梳理輸變電工程涉及的眾多要素并梳理各要素的語義信息以及要素之間的關(guān)系[16]。如圖1所示，輸變電工程主要包含架空電力線路和變電站兩大空間實體對象。

圖1 輸變電工程組成要素UML圖Fig.1 UML diagram of components of power transmission and transformation engineering

架空電力線路是運送和分配電能的重要工具和通道，其利用桿塔支撐導(dǎo)線使之距地面有一定的高度。架空電力線路主要由桿塔、架空導(dǎo)線、桿塔基礎(chǔ)、金具、絕緣子、拉線等設(shè)備聚合而成。輸電桿塔按照其在線路上的作用可分為耐張桿塔、轉(zhuǎn)角桿塔、直線桿塔等。金具是起連接作用的金屬附件，分為支持金具、保護金具、拉線金具、連接金具等。拉線按其形式可分為普通拉線、弓形拉線、水平拉線、共同拉線等。

變電站接受輸電線路輸送過來的電能并對電壓和電流進行變換，其組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由電氣一次設(shè)備、二次設(shè)備、變電站建筑物和機電設(shè)施組成。電氣一次設(shè)備是直接用于生產(chǎn)、輸送、分配電能的高壓電氣設(shè)備，包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、斷路器、組合電器(gas insulated switchgear，GIS/hybrid insulated switchgear，HGIS)、電抗器、避雷器、母線等，其中組合電器(GIS/HGIS)由斷路器、開關(guān)設(shè)備、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線等聚合而成。一次設(shè)備之間通過母線來連接。火災(zāi)報警系統(tǒng)、屏柜及裝置、安防系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、蓄電池組等對一次設(shè)備進行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)、保護的低壓電氣設(shè)備組成變電站中的電氣二次設(shè)備。電氣一次設(shè)備和電氣二次設(shè)備之間為關(guān)聯(lián)關(guān)系。此外，除了變電站主接線涉及的各種電氣設(shè)備之外，變電站建筑物和機電設(shè)施也是變電站的重要組成部分。建筑物包括建筑構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及輔助構(gòu)件等，機電設(shè)施主要含給排水系統(tǒng)、強弱電系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)等。

1.2 輸變電工程多細節(jié)層次模型

在地理信息領(lǐng)域，尺度可以理解為空間細節(jié)層次，多尺度建模的關(guān)鍵問題在于如何對空間對象進行尺度劃分[10]?？臻g數(shù)據(jù)的多尺度性與對空間數(shù)據(jù)的認知層次有關(guān)，輸變電工程的不同階段即對應(yīng)了對輸變電工程空間數(shù)據(jù)模型的不同認知層次。從輸變電工程在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營4個階段的應(yīng)用管理需求出發(fā)，依次構(gòu)建輸變電工程LOD0～LOD3共4個層級的空間數(shù)據(jù)模型。但在實際建模過程中往往會因為在一個工程階段用到多種尺度數(shù)據(jù)從而導(dǎo)致模型信息交叉，因此為避免數(shù)據(jù)模型冗余以及尺度分級模糊，在對輸變電工程空間對象進行尺度劃分時，幾何細度和屬性細度均應(yīng)遵循由粗到細的原則。具體的尺度劃分方法如下。

LOD0級別主要應(yīng)用于輸變電工程的規(guī)劃階段，用以輔助規(guī)劃輸變電工程。在規(guī)劃階段主要關(guān)注工程的整體分布情況，具體內(nèi)容主要有桿塔位置確定、輸電線路走向、變電站選址等。此外輸變電工程的實際規(guī)劃要基于該區(qū)域?qū)?yīng)的真實地形，傳統(tǒng)的電力選線采用二維的小比例地形圖，但二維地形圖不夠直觀且圖中信息不具現(xiàn)勢性，影響了電力選線工作的效率。隨著三維技術(shù)的發(fā)展，三維地形可給予有效的輔助作用，如坡度坡向分析、通視分析、等值線分析等三維分析操作，可有效地提高輸電線路選線效率以及便于變電站選址。在LOD0層次，將輸電桿塔、輸電線路和變電站分別抽象為點、線、面要素，根據(jù)初步規(guī)劃結(jié)果構(gòu)建相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)，將三維地形疊加矢量數(shù)據(jù)集，以此作為輸變電工程三維模型的最粗尺度。

LOD1級別主要應(yīng)用于輸變電工程的初步設(shè)計階段。在對輸變電工程完成整體規(guī)劃之后，變電站、桿塔等空間位置已經(jīng)初步確定，接下來考慮的是變電站內(nèi)建筑物和大型電氣設(shè)備的初步設(shè)計。如何優(yōu)化電力設(shè)備之間的聯(lián)系及布局，使變電站的整體性更強，空間利用率更高是設(shè)計階段的重點內(nèi)容[17]。因此在LOD1級別主要表達一次電氣設(shè)備和變電站內(nèi)的主要建筑物。由于是處于初步設(shè)計階段，只需設(shè)計好電氣設(shè)備和建筑物的最大占位分布，因此在該尺度級別下參考CityGML定義下LOD1層次的表達方式，用較粗尺度的塊狀體或參數(shù)化的圖形符號對各類電力設(shè)備和變電站建筑物的三維輪廓進行描述，以滿足初步設(shè)計的應(yīng)用需求。此外，在該層級下根據(jù)線路選線規(guī)劃的結(jié)果可初步確定線路走向從而確定桿塔朝向。

LOD2級別主要應(yīng)用于輸變電工程的施工建造階段或者施工圖設(shè)計階段。多尺度建模方法圍繞工程周期應(yīng)用需求，是面向流程設(shè)計的正向建模，施工圖設(shè)計階段構(gòu)建的模型即用于輔助指導(dǎo)施工建造。在完成初步設(shè)計之后，接下來要對一次設(shè)備和變電站建筑物進行精化設(shè)計以達到輔助施工的要求，在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上體現(xiàn)具體的安裝、接口等信息，構(gòu)建重要的室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)，該級別中表達的空間對象應(yīng)具有清晰的外部細節(jié)。

LOD3級別主要應(yīng)用于輸變電工程的運營維護階段。該級別在LOD2的基礎(chǔ)上添加二次設(shè)備，如室內(nèi)屏柜及裝置、蓄電池組等；對大型電氣設(shè)備的建模達到部件級，如變壓器的重要部件套管、油枕、繞組、接線端子板等應(yīng)達到精細建模的標準；同時完善各設(shè)備及部件的屬性信息為運維階段提供數(shù)據(jù)支撐。此外，一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的連接關(guān)系以及它們與建筑物的穿越關(guān)系本應(yīng)在LOD2層級進行表達以便更好地輔助施工建造，為避免數(shù)據(jù)冗余和使尺度分級邏輯更加清晰，將其置于LOD3層級表達。

輸變電工程三維模型尺度分級的基本準則如表1所示，實際工程應(yīng)用中可進一步根據(jù)實際需求進行迭代分析，獲得最終的數(shù)據(jù)對象分級組織和可視化方案。

表1 需求驅(qū)動的輸變電工程數(shù)據(jù)模型尺度劃分Table 1 Demand-driven power transmission and transformation engineering data model scale division

2 輸變電工程多尺度場景建模

為驗證上述輸變電工程的多尺度分級方法，對輸變電工程場景進行多尺度建模，實現(xiàn)多尺度輸變電工程場景的可視化表達。分別采用符號化建模和基于面向?qū)ο笏枷氲臄?shù)字化建模方式完成輸電桿塔和變電站模型的構(gòu)建，進而將電力設(shè)備三維模型和三維虛擬地理環(huán)境在SuperMap中無縫集成，實現(xiàn)完整的輸變電工程場景的構(gòu)建。

2.1 輸電桿塔多尺度符號化建模

為實現(xiàn)多尺度場景的可視化表達，將SketchUp中構(gòu)建好的模型導(dǎo)出為.FBX格式的模型文件，并在3DS Max中構(gòu)建LOD1～LOD3三個層次的桿塔模型。按照以下方法構(gòu)建不同層次的桿塔模型：根據(jù)桿塔的計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)圖紙構(gòu)建最細層次的輸電桿塔模型，并賦予真實的紋理材質(zhì)，以此作為LOD3級別的桿塔模型；LOD2級別的模型具有詳細的幾何表達，且該層次模型不賦予紋理貼圖；在3DS Max中使用Multires命令降低LOD2模型的頂點百分比以此作為LOD1級別的模型，設(shè)置頂點百分比的原則是模型降精度處理后能保持基本的形狀結(jié)構(gòu)。LOD1～LOD3層次的桿塔效果如圖2所示。

圖2 LOD1～LOD3層次桿塔Fig.2 LOD1～LOD3 level tower

桿塔模型構(gòu)建完成之后需導(dǎo)入SuperMap中構(gòu)建桿塔三維模型符號庫。首先采用插件將在3DS Max中構(gòu)建的模型導(dǎo)出為.SGM格式的模型；然后在SuperMap點資源符號庫中導(dǎo)入.SGM格式的模型并依次構(gòu)建LOD1～LOD3級別的桿塔模型符號庫；最后將不同LOD層次的桿塔模型符號導(dǎo)出為.SYM格式的桿塔模型專用符號總庫，后期可快速加載和重復(fù)使用。如圖3所示為構(gòu)建的220KV輸電線路三維桿塔模型符號庫。

圖3 輸電桿塔模型符號庫Fig.3 Model symbol library of transmission tower

2.2 基于面向?qū)ο蟮淖冸娬径喑叨冉?/h3>

變電站模型不僅有房屋建筑而且包括復(fù)雜的電力設(shè)施，導(dǎo)致其建模難度更高。為處理GIS中復(fù)雜的三維對象，Shi等[18]提出了面向?qū)ο蟮娜S數(shù)據(jù)模型，證明了該模型在提高可視化速度方面的有效性，且郭磊等[19]已將其應(yīng)用在電力設(shè)施三維建模領(lǐng)域。因此，基于面向?qū)ο蟮乃枷雭碓O(shè)計構(gòu)建某地220 kV變電站LOD1～LOD3層級的三維模型。

因任意復(fù)雜的三維體對象都可以由若干的簡單幾何體對象聚合而成，由此將復(fù)雜的電力設(shè)備拆分成若干部件，而部件又是由若干基本體元通過幾何變換和布爾運算等操作構(gòu)建而成。以變壓器設(shè)備為例，其可細分為本體、套管、油枕、安裝底座、繞組、郵箱、接線端子板等部件，不同的部件可進一步細化為不同的基本幾何體，如長方體、球體、圓柱體、錐體等，且在建模過程中一個部件往往對應(yīng)著多個基本幾何體。如圖4為基于面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)備建模層級結(jié)構(gòu)。

圖4 基于面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)備建模層級Fig.4 Object-oriented equipment model hierarchy

根據(jù)電力設(shè)備及變電站建筑設(shè)計圖紙在3DS Max中構(gòu)建變電站三維模型，構(gòu)建電力設(shè)備常用的建模方法有擠出建模、布爾建模、車削建模、放樣建模等。完成各個部件模型的構(gòu)建之后，通過旋轉(zhuǎn)、平移命令根據(jù)設(shè)備圖紙進行拼接，將各個部件構(gòu)成組，構(gòu)建完整的電力設(shè)備單體模型，并將各單體模型匯集整理成模型庫以便于在其他變電站數(shù)字化建模工程中直接調(diào)用。構(gòu)建完成的變電站模型采用SuperMap提供的插件導(dǎo)出為GIS數(shù)據(jù)模型，以便導(dǎo)入GIS軟件中進行集成分析。

2.3 輸變電工程模型多尺度集成可視化

為構(gòu)建完整的輸變電工程多尺度場景，在SuperMap軟件中對輸電桿塔和變電站模型與三維地形環(huán)境進行集成可視化。輸變電工程多尺度場景建模流程如圖5所示，主要有3個部分：將工程區(qū)域的數(shù)字高程模型和對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)通過紋理映射生成真實的三維地形環(huán)境；將變電站GIS數(shù)據(jù)集導(dǎo)入SuperMap中，將相應(yīng)尺度的輸電桿塔模型通過符號匹配快速加載；通過調(diào)整輸電桿塔和變電站模型的空間坐標實現(xiàn)與三維地形的無縫集成，構(gòu)建完整的多尺度輸變電工程場景。

圖5 輸變電工程多尺度場景建模流程Fig.5 Multi-scale scene modeling process of power transmission and transformation engineering

采用的高程數(shù)據(jù)是中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云發(fā)布的30 m數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)。將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入SuperMap中，建立影像金字塔以便于地形場景的快速渲染，同時導(dǎo)入對應(yīng)工程區(qū)域的影像圖完成三維虛擬地形環(huán)境的構(gòu)建。在實際應(yīng)用中可根據(jù)工程需求采用更高精度的數(shù)字高程模型和高分辨率影像圖，以保證工程規(guī)劃設(shè)計具有高精度的地形數(shù)據(jù)支撐。

在LOD0層級，輸電桿塔、輸電線路和變電站分別抽象為點、線、面要素，設(shè)計制作二維點、線、面矢量數(shù)據(jù)集來表示桿塔分布、輸電線路走向以及變電站的規(guī)劃地址，將數(shù)據(jù)集的坐標系均設(shè)置為球體坐標系，并將數(shù)據(jù)集疊加至三維地形表面[圖6(a)]，以此來輔助輸變電工程的規(guī)劃設(shè)計工作。在LOD1～LOD3層次，對輸電桿塔采用符號化建模的方式，在不同的層次中分別匹配桿塔模型符號庫中對應(yīng)尺度的桿塔符號，并且通過擴充桿塔矢量數(shù)據(jù)的屬性字段，包括模型符號ID、模型沿X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)角度、縮放比例，來匹配不同LOD層次的桿塔模型符號以及控制桿塔的朝向和縮放比例。

此外，在LOD1～LOD3場景中分別導(dǎo)入對應(yīng)尺度的變電站模型數(shù)據(jù)集以構(gòu)建完整的輸變電工程場景。在LOD1層次，構(gòu)建塊狀模型來表達變電站一次設(shè)備和建筑物的最大占位分布[圖6(b)]，同時給各塊狀物體賦予屬性信息；在LOD2層次，主要對電氣一次設(shè)備和建筑物精細建模，并給模型賦予紋理貼圖[圖6(c)]，變電站設(shè)備的大小、安裝信息可直接從模型中測量；在LOD3層次，該層次在LOD2的基礎(chǔ)上添加二次設(shè)備，電氣設(shè)備之間以及設(shè)備與建筑物之間通過母線連接[圖6(d)]，并在該層次中完善各設(shè)備構(gòu)件的屬性信息，以滿足運維階段的應(yīng)用需求。最后，通過坐標定位將變電站模型與輸電桿塔匹配連接，并通過調(diào)整變電站和桿塔模型的高程坐標實現(xiàn)與三維地形的無縫集成，至此完成整個輸變電工程的多尺度場景構(gòu)建。

圖6 LOD0～LOD3層次輸變電工程場景Fig.6 LOD0～LOD3 level power transmission and transformation project scene

3 結(jié)論

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對電網(wǎng)的建設(shè)要求越來越高，輸變電工程已成為中國重要的基礎(chǔ)設(shè)施項目。針對輸變電工程不同階段所面臨的多維管理問題，提出了基于需求驅(qū)動的輸變電工程三維模型多尺度分級方法，并得出以下結(jié)論。

(1)通過對輸變電工程進行語義特性分析，梳理得到輸變電工程組成要素的UML圖，并基于建模軟件和GIS軟件對輸變電工程進行多尺度場景構(gòu)建，實現(xiàn)了輸變電工程的多尺度可視化表達。

(2)通過模擬構(gòu)建某一區(qū)域的多尺度輸變電工程場景，驗證了該尺度分級方法在實際工程應(yīng)用中的可行性和有效性，在對應(yīng)的工程階段采用適合的尺度模型可有效減少計算資源的浪費。

(3)提出的方法為輸變電工程空間數(shù)據(jù)模型的多尺度管理提供了解決方案，也為實際三維數(shù)字化建模工程的尺度分級提供了參考。