三維建模技術在電網工程中的應用研究

王庭松

( 廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

電網對象三維模型的構建與組織是決定電網三維GIS系統建立的根本，其對系統效率、數據庫管理及可視化調度都起著基礎性決定作用。本文結合相關工程經驗，力圖從電網三維建模技術方法入手，提出一整套滿足行業應用需要的建模約束條件和構建方法，從而服務基于三維地理空間的電網信息化建設與管理。

1 電網三維模型的粒度劃分

電網三維模型的應用需求因使用階段或專業不同，存在較大的深度差異性。汲取傳統數碼城市建設的相關技術方法，即為了控制場景的復雜程度并加速三維復雜場景的實時可視化描繪，采用多細節層次(Levels of Details，LOD)的建模方法，結合電網三維模型從大場景展示、輔助設計施工到運行維護等不同階段的應用深度差別，基于電網三維對象的設備組織關系，本文提出了將電網設備三維模型的粒度分為三個層級：即工程級模型、重點部件級模型、全設備級模型。以數據內容、幾何精度、貼圖精細度、視覺效果等幾個因素作為模型分級的主要依據和標準。

具體而言，將電網三維模型的粒度從完整性及精細度兩方面進行描述。模型完整性是指該級別的應用場景中包含的電網設備的范圍，模型完整性越高，模型所表達的設備種類就越多；模型精細度是指每個模型本身的精度程度，主要從模型幾何精度、模型面數、貼圖精度等方面來表現，模型精細度越高，單個模型越接近設備真實的外形和顏色。下面分別從這兩方面描述模型粒度劃分的各級別詳細要求。

1.1 模型完整性

模型完整性描述了電網設備在不同層級應包含的所有相互依存、構成及展示的要素。是從必要性組成的角度對電網模型進行建模約束。它能客觀真實的反應各級別模型的組成情況，并清晰的體現各子對象的類別、數量等信息。如針對重點部件級模型，一般需求為管理、展示電網整體中的關鍵性、決定性設備，如架空送電線路的絕緣子片等。因此，設計重點部件模型的完整性基本特點表現為：重點部件結構準確、貼圖清晰，滿足運行應用中的對應模型可視化要求。

圖1 重點部件級桿塔絕緣子模型效果圖

如圖1所示，重點部件級的桿塔模型，對絕緣子進行單片(單節)建模，以達到可視化、管理的需求。而對角鋼等部件則采用程序建模，無需區分子對象，從而滿足該級別模型的快速、準確構建要求。

1.2 模型精細度

電網模型的精細度從幾何、紋理、屬性、拓撲關系等多方面的細節程度來描述和約束構建過程。幾何方面，通過約束計量基本單位、模型整體比例、模型面數等來控制電網模型的不同級別要求；在紋理方面則利用貼圖質量、光影效果來描述；屬性與拓撲關系方面，建立不同深度的屬性描述信息集和拓撲關系表，表達模型的非空間信息精細情況。如針對要求最高的全設備級模型，模型精細度上要求其制作的系統單位使用“毫米”。模型尺寸、模型各部分比例、設備的傾斜角度、倒角厚度等嚴格按照設計圖的要求進行制作。模型面數多，能準確表現設備結構，貼圖清晰，采用512×512、1024×1024等級的貼圖，清晰表現設備細節。

2 模型數據組織與編碼方法設計

三維電網模型具有數據量龐大、結構復雜、屬性信息豐富、設計參數各異等特點，因而必須建立高效、靈活的模型數據組織及編碼。結合廣東省電網相關系統研發及規范編制等經驗，立足華南多條輸電干線網三維建模實踐，本文設計并實現了一套完備的組織編碼方式。

2.1 模型組織

結合電網建設及運行維護需要，電網設備三維模型制作的成果采用對象文件方式進行組織存儲，每個設備對應一個模型文件，即將設備模型按照“公司及子控制區對象類屬電壓等級工程名稱設備類別設備模型文件”的方式進行組織。組織結構見圖2。

圖2 模型數據組織結構示意圖

上述數據組織等級中的前5級的等級劃分，分別描述了電網工程類別、電壓等級、工程項目以及設備類別：

一級文件夾以公司名稱+子控制區(供電局)名稱命名，并區分為輸電工程、變電工程等分類。

設備類別級文件夾以電網公司的設備類別編碼表中的“功能位置類型”字段命名。

模型制作單位以工程為單位提交模型數據，工程中的模型文件以模型對象編碼命名，每個模型與場景中的對象一一對應。對于有多種狀態的設備，如刀閘，它的開啟、閉合等不同狀態會對應多個不同的模型，此時多個模型命名規則為：“模型對象編碼_設備狀態編碼”，設備狀態編碼由具體的應用增加相關細則。

模型制作單位在實際操作過程中，對于可重用的模型，建議使用模型庫的管理方式，參考本規范中三維模型編碼規范的方法進行編碼，方便模型的管理與應用。

2.2 模型編碼設計

考慮到三維模型與既有電網運行管理系統的無縫接口等關鍵問題，電網模型編碼設計必須遵從統一的電網設備編碼規范。設計電網模型是由多級碼段組成。每一級碼都有自己固定的格式，互不相同，但都是由分類編碼元素和編號編碼元素組成。編碼同時包含對象類屬、設備類別、模型精度、物理設備序列碼、三維模型序列號的碼值。本文根據上述思想，設計提供了三維模型對象編碼，用以唯一標識場景中的三維模型對象。其編碼方法見圖3。

圖3 模型編碼結構圖

圖3中，第一段：1位字符代碼。代表對象類屬，如“Z”為資產。

第二段：4位代碼，第一位字符碼表示為設備大類，第二、三、四位數字碼為設備類別序列碼。該編碼與電網公司設備臺賬設備類別編碼一致。

第三段：10位數字代碼，代表物理設備序列碼，與該設備在現有電網設備臺賬管理系統中的物理設備序列碼相同。

第四段：1位字符代碼。代表三維模型精度。

第五段：8位數字代碼，代表三維模型序列碼。

根據上述組織及編碼方法，即可高效、合理的對電網三維模型進行精確管理及靈活應用。

3 電網三維模型制作方法

分析總結通用三維模型的構建方法，結合電網設備的特殊性，根據電網三維信息化管理系統的相關研發經驗，本為歸納出電網三維模型制作流程主要可分為工作大綱編審、數據資料準備、模型制作及成果的檢查與驗收等關鍵步驟。

3.1 模型制作流程分析

首先，根據規劃設計導出的對象清單以及資產管理系統的臺帳信息生成設備清單，制作人員依照設備清單進行數據的采集與處理，三維制作人員依據處理后的數據進行相應模型、貼圖、燈光的制作。待渲染效果確認后方可進行烘焙工作。之后再針對不同的可視化平臺的要求，進行模型貼圖通道的調整。依據設備清單進行模型數據的整理。最后由專家組檢查與驗收，依照評分標準不合格的模型需返工，合格的模型最后進行數據的提交與備份。其流程方法與相關數據內容見圖4。

圖4 模型制作流程圖

3.2 三維建模技術方法分析

具體而言，電網三維模型的制作方法，可根據搜集資料與操作方法不同，大致分為如下兩類：

3.2.1 基于二維設計成果的逆向三維建模

基于二維設計成果的三維建模方式是目前電網三維信息化較為常見的技術手段。其設計成果是在二維CAD等平臺中設計完成后，利用3D MAX等三維圖形學建模軟件構建三維電網設備及其場景。該方法可以讓后續的運營維護者直觀認識設計思想和電網設計成果的三維顯示效果，但其可視化成果的組織與管理的對應之間存在明顯缺陷。

3.2.2 三維信息化協同設計

伴隨著數字化電力建設相關技術的飛速發展，三維信息化協同設計逐漸進入了鐵路、電力、石油等高端設計領域。

以往的三維設計成果管理停留在桿塔、變電站一級，設備管理粒度較粗。通過對三維設計成果的數據組織和管理方案設計，將模型拆分成獨立的物理設備和部件存儲在數據庫對以的設備對象表中，各設備之間的上下級連接關系存儲在組裝關系表中。通過讀取組裝關系表可以將物理設備、部件組裝成一個完整的設備，通過組裝關系還可以實現設備相關資料的連接，設備相關資料存儲在數據庫的資料表中。

4 基于地理空間的電網三維模型應用

4.1 電網環境三維高效可視化展示

利用本文所述的電網設備三維建模理論與方法，可批量生產出地理空間的電網對象三維模型，從而構建電網全生命周期的真三維環境，對三維可視化表達提供基礎數據支撐。

利用電網三維模型，可還原設計成果的地理空間狀況，逼真表現電網設備對象的現實情況，從而輔助實現高效、直觀的三維可視化表達。

4.2 電網設備精細化管理

隨著電網管理準確性的不斷提高，在三維空間中對電網設備進行精細化管理逐漸成為研究和應用的重點。電網三維建模緊密結合電網規劃、設計的各種數學計算與設備組成，充分體現了各設備對象的空間位置、尺寸和拓撲關系等內容，可與各設備的在線監測等管理應用無縫連接，從而輔助電網運行與維護，提高電網管理的技術水平。

5 總結

電網三維模型構建是一項復雜而專業性極強的工作。本文結合工程實際經驗，創造性的提出了電網對象模型構建所涉及的關鍵內容，包括模型粒度劃分、對象組織與編碼等，并結合實踐對其多角度應用進行了積極研究和討論。是對電網對象全生命周期管理的一次全新嘗試。盡管現有技術方法尚不能完全滿足電網三維信息化管理的需要，相信隨著計算機技術、測繪技術等關鍵技術的不斷提高，電網三維模型構建及其深入應用必將成為未來電網建設和管理的重要方向之一。

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