輸電塔架參數(shù)化三維建模方法研究與實(shí)現(xiàn)

李 林，張曉偉，高青風(fēng)

（華北電力大學(xué)能源電力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

輸電塔架是電網(wǎng)的重要組成。隨著電網(wǎng)的安全運(yùn)行技術(shù)發(fā)展及電網(wǎng)信息管理的精細(xì)化，開(kāi)展輸電線(xiàn)路三維可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有重要的意義，塔架三維模型的建立與應(yīng)用勢(shì)在必行。目前三維建模中三維信息獲取的常用方法是“近景攝影技術(shù)”和“激光掃描技術(shù)”[1]，雖然可以獲得塔架上大量點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，但是塔架建模需要的是塔架各個(gè)構(gòu)件的端點(diǎn)坐標(biāo)和連接點(diǎn)，造成資源大量浪費(fèi)。現(xiàn)有輸電線(xiàn)路塔架的結(jié)構(gòu)模型大多是單線(xiàn)模型[2]，與塔架的實(shí)際情況有較大區(qū)別。而且輸電塔架的種類(lèi)豐富，規(guī)格各不相同，在進(jìn)行同一系列塔架的結(jié)構(gòu)建模時(shí)，如果逐個(gè)進(jìn)行建模，需要花費(fèi)大量的人力和物力，工作周期長(zhǎng)。因此，將模塊化思想與參數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入塔架三維建模過(guò)程中，可以極大地減少輸電鐵塔建模的工作量，縮短周期，提高工作效率。

1 輸電塔架的類(lèi)型和特征

根據(jù)結(jié)構(gòu)型式和受力特點(diǎn)，輸電塔架可分為自立式和拉線(xiàn)式兩種[3-4]。拉線(xiàn)式輸電塔架一般常用于電壓等級(jí)不是很高的輸電線(xiàn)路，自立式輸電塔架特別適用于高電壓輸電線(xiàn)路且應(yīng)用較廣。本文主要研究自立式塔架。

輸電塔架根據(jù)電壓等級(jí)和地形等條件的不同而有不同的塔型。塔架結(jié)構(gòu)主要以角鋼通過(guò)節(jié)點(diǎn)處的螺栓連接而成，不同輸電塔架的結(jié)構(gòu)具有相似性和繼承性，這為進(jìn)行塔架的參數(shù)化建模提供了必要的基礎(chǔ)條件。

輸電塔的結(jié)構(gòu)主要分為塔頭、塔身、塔腿3個(gè)部分。塔身部分一般為臺(tái)形四棱錐，塔腿為4個(gè)四棱錐，塔頭部分結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，種類(lèi)最多，包括酒杯型、干字型、克里木型、貓頭型等，是不同塔型的輸電塔架在外觀上最大的區(qū)別之處。

觀察輸電線(xiàn)路中各個(gè)塔架實(shí)際結(jié)構(gòu)并分析其結(jié)構(gòu)圖，塔架各部分都具有對(duì)稱(chēng)和重復(fù)的結(jié)構(gòu)，同一型號(hào)塔架的塔頭部分相同，按照呼高的不同來(lái)組合不同的塔身和塔腿。由圖1可知，不同型號(hào)的塔架雖然塔頭部分結(jié)構(gòu)不同，但是塔腿和塔身部分的結(jié)構(gòu)相近或相同。各個(gè)塔架中結(jié)構(gòu)相近及相同的部分可以用同一個(gè)型式的原始模型來(lái)表示，建立塔架模塊的模型時(shí)，使用參數(shù)化的模型來(lái)描述結(jié)構(gòu)相同的部分，實(shí)現(xiàn)塔架建模的模塊化和參數(shù)化。

圖1 酒杯塔（左）與貓頭塔（右）的塔架結(jié)構(gòu)

塔架劃分模塊時(shí)，主要依據(jù)是結(jié)構(gòu)的相似性和重復(fù)性。以圖1中兩座塔架為例，塔頭部分和塔腿部分各自為一個(gè)模塊，酒杯型塔架的塔身部分以橫隔為界分為兩段結(jié)構(gòu)，兩段結(jié)構(gòu)相似但是具體尺寸不同，因此分為2個(gè)模塊；貓頭型塔架的塔身部分以橫隔為界分為三段結(jié)構(gòu)，中間的一段結(jié)構(gòu)雖然沒(méi)有橫隔將其分開(kāi)，但是其上下兩部分結(jié)構(gòu)不同，因此將該塔身部分劃分為4個(gè)模塊。

2 基于三維建模的參數(shù)提取

輸電塔架結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)和重復(fù)的特點(diǎn)，規(guī)則性較強(qiáng)，因此將塔架分解為基本的結(jié)構(gòu)模塊，并提取其特征參數(shù)建立模型[5-6]。提取各模塊特征參數(shù)時(shí)采用結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、寬度、高度3個(gè)方向的外形尺寸，斜材及輔助材結(jié)構(gòu)的布置方式及重復(fù)次數(shù)作為特征參數(shù)，用較少的參數(shù)描述模塊的結(jié)構(gòu)特征。外形尺寸決定模塊的尺寸，斜材和輔助材的布置方式及重復(fù)次數(shù)決定模塊的結(jié)構(gòu)型式。

塔架各部分參數(shù)化建模的主要過(guò)程：

（1）將輸電塔架劃分為塔頭、塔身、塔腿3個(gè)部分。

（2）分析比較各種輸電塔架各個(gè)部分的相似以及相同結(jié)構(gòu)，總結(jié)每個(gè)部分的典型結(jié)構(gòu)型式。

（3）以塔架每部分的典型結(jié)構(gòu)型式為基礎(chǔ)，提取其特征參數(shù)，建立相應(yīng)模塊的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)塔架各部分結(jié)構(gòu)的模塊化和參數(shù)化。

2.1 塔頭結(jié)構(gòu)參數(shù)化

整個(gè)輸電塔架中塔頭部分的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，包括懸掛輸電線(xiàn)和地線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。以酒杯型直線(xiàn)塔為例，塔頭部分由自下向上由逐漸變寬變薄的塔頸部（上曲臂和下曲臂）、用來(lái)懸掛輸電線(xiàn)的橫擔(dān)部分、以及用來(lái)懸掛地線(xiàn)的地線(xiàn)支架3部分組成。不同尺寸但是結(jié)構(gòu)相同的塔頭模型可以用同一個(gè)模塊賦不同的值表示。如圖2所示，酒杯型塔頭的特征參數(shù)有高度方向的參數(shù)(H1、H2、H3)，寬度方向的參數(shù)(L1、L6、L7)，長(zhǎng)度方向的參數(shù)(L1、L2、L3、L4、L5)。

貓頭型塔頭也有類(lèi)似的特征參數(shù)，如圖3所示，包括高度方向的參數(shù)(H1、H2、H3、L7)，寬度方向的參數(shù)(L1、L5、L6)，長(zhǎng)度方向的參數(shù)(L1、L2、L3、L4)。對(duì)這些參數(shù)賦不同的值即可得到不同尺寸的酒杯型塔頭模型和貓頭型塔頭模型。這兩種型式的塔頭模塊代表了兩種塔頭結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要也可建立更多的塔頭模塊來(lái)表現(xiàn)不同的塔頭結(jié)構(gòu)型式。在建立塔頭模型時(shí)，只需選擇相應(yīng)的模塊并對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行賦值即可。

圖2 酒杯型塔頭的結(jié)構(gòu)圖及其特征參數(shù)

2.2 塔身結(jié)構(gòu)參數(shù)化

塔身部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般為臺(tái)形四棱錐，水平截面為正方形或矩形。塔身的主材與斜材的布置方式基本相同，輔助材有不同的布置方式。如圖4所示，塔身模塊的特征參數(shù)主要是長(zhǎng)度方面的參數(shù)(L1、L2)、高度方面的參數(shù)(H1、H2)、決定輔助材布置方式的參數(shù)(typebody、N1、N2)。其中塔身型式(typebody)決定了塔身模塊的結(jié)構(gòu)以及建模使用的參數(shù)。

圖3 貓頭型塔頭的結(jié)構(gòu)圖及其特征參數(shù)

圖4 塔身部分結(jié)構(gòu)圖及其特征參數(shù)

2.3 塔腿結(jié)構(gòu)參數(shù)化

塔腿部分結(jié)構(gòu)一般為4個(gè)四棱錐。塔腿的斜材與輔助材也有不同的布置方式。如圖5所示，塔腿模塊的特征參數(shù)主要是長(zhǎng)度方面的參數(shù)(L1、L2)、高度方面的參數(shù)(H1、H2)、決定輔助材布置方式的參數(shù)(typeleg、N1、N2)。其中塔腿型式(typeleg)決定了塔腿模塊的結(jié)構(gòu)以及建模使用的參數(shù)。

圖5 塔腿部分的結(jié)構(gòu)圖及特征參數(shù)

2.4 角鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化

為了實(shí)現(xiàn)輸電塔架的三維建模，要完成角鋼的建模，根據(jù)塔架結(jié)構(gòu)圖上給出的各個(gè)角鋼的端點(diǎn)位置、規(guī)格等參數(shù)繪制角鋼，構(gòu)成整個(gè)塔架的模型。

輸電塔架的角鋼構(gòu)件包括處于塔架四邊的主材，處在塔架表面的斜材和輔助材，處于塔架內(nèi)部橫隔位置和其他水平放置的水平材。不同位置的角鋼，在起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)的處理方式以及角鋼朝向等方面有所不同。故將角鋼按位置分為主材角鋼、斜材輔助材角鋼和水平材角鋼[4]3類(lèi)來(lái)繪制。3類(lèi)角鋼選擇適合的參數(shù)，能在很大程度上還原塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中的位置。角鋼的特征參數(shù)包括端點(diǎn)的位置坐標(biāo)、角鋼的規(guī)格（寬度和厚度）和角鋼的朝向（指向塔內(nèi)或塔外等）。

3 塔架快速三維建模的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方法

塔架的塔型和呼高、模塊組合方式、模塊結(jié)構(gòu)型式和特征參數(shù)，各部分的參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系為某塔架的塔型和呼高確定該塔架各部分模塊型式的選擇和組合方式，再對(duì)相應(yīng)模塊的參數(shù)化模型的特征參數(shù)進(jìn)行賦值，按組合順序建立塔架各模塊的模型，完成塔架的建模。

基于對(duì)模型數(shù)據(jù)的操作，參數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)以塔架各部分模塊的結(jié)構(gòu)型式與特征參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)其參數(shù)化模型的特征參數(shù)賦值，建立各部分模塊的模型；根據(jù)塔型與呼高及各模塊組合方式的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)塔架結(jié)構(gòu)各部分模塊的選擇與組合，建立相應(yīng)的輸電塔架三維模型。

3.1 型號(hào)與呼高參數(shù)驅(qū)動(dòng)

同一塔型的輸電塔架塔頭部分結(jié)構(gòu)相同，不同呼高的同塔型輸電塔架是由相同的塔頭部分與不同的塔身部分和塔腿部分組成的。

建立某塔型輸電塔架的三維模型時(shí)，首先根據(jù)該塔型各個(gè)呼高的塔架的結(jié)構(gòu)，將塔架分解為各個(gè)模塊，再選擇相應(yīng)的塔頭、塔身、塔腿模塊的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)各個(gè)模塊的特征參數(shù)賦以具體的數(shù)值。建立該塔型某呼高的塔架模型時(shí)，選取該呼高對(duì)應(yīng)的塔架模塊，利用設(shè)置好的各部分模塊的結(jié)構(gòu)型式與特征參數(shù)，快速地建立相應(yīng)的三維模型。如圖6所示，呼高1和呼高2的輸電塔架塔頭部分結(jié)構(gòu)相同，塔身1和塔腿1為呼高1塔架的塔身部分和塔腿部分，分別對(duì)應(yīng)呼高1的塔身模塊和塔腿模塊的結(jié)構(gòu)型式及特征參數(shù)。選擇呼高1的輸電塔架的同時(shí)，該塔架各部分模塊的結(jié)構(gòu)型式與特征參數(shù)也確定下來(lái)。

圖6 輸電塔架呼高驅(qū)動(dòng)示意圖

3.2 各模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)驅(qū)動(dòng)

建立輸電塔架某模塊的三維模型時(shí)，讀取模塊的結(jié)構(gòu)型式和特征參數(shù)，計(jì)算獲得模塊全部角鋼構(gòu)件的端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)該段塔架結(jié)構(gòu)中角鋼構(gòu)件的三維建模，組合角鋼構(gòu)件構(gòu)成模塊的三維模型，如圖7所示。

圖7 塔架某模塊的參數(shù)驅(qū)動(dòng)

3.3 角鋼參數(shù)驅(qū)動(dòng)

塔架模塊的參數(shù)化模型中，每根角鋼的位置類(lèi)型、規(guī)格和朝向根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)模塊的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、斜材輔助材結(jié)構(gòu)重復(fù)次數(shù)，計(jì)算某根角鋼的端點(diǎn)坐標(biāo)，建立該角鋼的三維模型，如圖8所示。

圖8 角鋼的參數(shù)驅(qū)動(dòng)

3.4 塔架三維可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述研究及分析，以VC為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于MFC和OpenGL編寫(xiě)輸電塔架可視化三維建模程序。建模的過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：

（1）將塔架分為3個(gè)部分，按照塔架各部分的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分類(lèi)，分別建立各模塊的參數(shù)化模型。建模過(guò)程中利用塔架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，建立對(duì)稱(chēng)部分的模型，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后重復(fù)命令，減少程序量。

（2）根據(jù)進(jìn)行建模的塔架的結(jié)構(gòu)，按照其特征將塔架分為各個(gè)模塊。確定塔型及呼高與各模塊組合方式的參數(shù)驅(qū)動(dòng)程式，建立各模塊之間的關(guān)聯(lián)。

（3）選擇各模塊的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)各模塊的特征參數(shù)賦以具體數(shù)值，依照塔型呼高與模塊的關(guān)聯(lián)進(jìn)行組合，得到輸電塔架的三維模型。

以某酒杯型直線(xiàn)塔為對(duì)象，劃分模塊后選擇各模塊的結(jié)構(gòu)型式并對(duì)其賦值，組合不同模塊建立4種不同呼高的塔架三維模型。參考酒杯型直線(xiàn)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，將塔架劃分為8個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，其中地線(xiàn)支架①、橫擔(dān)②、塔頸部③構(gòu)成塔頭部分模塊，塔身部④、塔身部⑤、塔身部⑥3個(gè)塔身模塊構(gòu)成塔身部分，塔腿部⑦、塔腿部⑧、塔腿部⑨、塔腿部⑩ 4個(gè)塔腿模塊構(gòu)成塔腿部分。各模塊特征參數(shù)，如表1所示。各呼高塔架的模塊組合方式，如表2所示。呼高16米塔架的三維模型，如圖9所示。全部呼高塔架的三維模型，如圖10所示。

表1 酒杯型塔架各模塊參數(shù)(mm)

表2 酒杯型不同呼高的塔架的模塊組合方式

圖9 呼高16米塔架的三維模型

圖10 4種不同呼高塔架的三維模型

應(yīng)用同樣的方法，其他塔型的輸電塔架也可以快速地建立三維模型，如圖11所示。

圖11 其他塔型不同呼高塔架的三維模型

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)輸電塔架快速三維建模方法進(jìn)行研究，提出塔架分模塊后進(jìn)行參數(shù)化建模的建模方法，對(duì)塔架各部分模塊的型式進(jìn)行研究和分類(lèi)，建立各模塊的參數(shù)化模型。在建模過(guò)程中應(yīng)用模塊化、參數(shù)化的思路，輸入塔架各模塊的特征參數(shù)，對(duì)模塊進(jìn)行選擇組合，生成輸電塔架的三維模型。完成基于VC和OpenGL的塔架三維建模程序，實(shí)現(xiàn)塔架快速的可視化三維建模。對(duì)某型號(hào)酒杯塔進(jìn)行三維仿真建模，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)輸電塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)輸電線(xiàn)路塔架結(jié)構(gòu)模塊化分析和參數(shù)化建模方法的正確性和可行性。

（2）采用參數(shù)化方法，減少建模的工作量，提高效率，通用性好。

（3）只需要輸入塔架型號(hào)和呼高，即可建立其可視化三維模型，自動(dòng)化程度高。

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