淺析三維可視化在電纜運維管理中的應用

【摘 要】隨著我國經濟的不斷發(fā)展，地下電纜的使用量也飛速增長。地下電纜作為城市基礎設施的重要組成部分，與環(huán)境保護和人民的生活密切相關。科學準確的地下電纜資料是城市規(guī)劃建設和發(fā)展的基礎信息，對保證人民的正常生產、生活和社會發(fā)展具有重大意義。本文就三維可視化技術在地下電纜的運維與管理中的應用做了簡要的分析，目的是希望能夠建立和完善城市地下電纜的信息系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效管理、規(guī)劃和設計地下電纜。

【關鍵詞】地下電纜；運維管理；三維可視化系統(tǒng)

我國電力企業(yè)信息化進程起步較早且發(fā)展速度較快，電網運行管理領域已建立了電網能量管理系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、電網地理信息系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)等高層次應用系統(tǒng)，但在可視化方面較為普遍采用的是單線圖和二維地圖相結合的模式。在高壓、超高壓電網的規(guī)劃、運行、調度方面已開始應用三維可視化的技術手段，而在城市配網的三維可視化應用則處于起步階段。

1.地下電纜運維管理現(xiàn)狀

隨著電力公司的不斷建設與發(fā)展，電力設施數(shù)量越發(fā)變得龐大，尤其是地下電纜，它們縱橫交錯構成了十分復雜的地下電纜設施系統(tǒng)。在電纜的生產管理中，很重要的部分是對電力設施的管理。對于這樣一個龐大系統(tǒng)的管理，如果采用手工管理方式，作為管理依據(jù)的文字檔案及圖形檔案都存在紙介質上，數(shù)據(jù)和圖紙是分離的，數(shù)據(jù)和圖紙的更新很困難，一致性難以保證。手工進行數(shù)據(jù)檢索，由于數(shù)據(jù)量大，信息分散，檢索效率很低，幾乎不可能根據(jù)所存數(shù)據(jù)進行綜合分析，使得在規(guī)劃或改造地下設施及管線時心中無數(shù)、圖上無據(jù)。往往只能依賴具有一定實踐經驗或經歷的工程、維護人員充任“活地圖”，給地下設施建設、管理與維護帶來極大困難。另外由于地下電纜的資料殘缺不全、精度不高或與現(xiàn)狀不符，造成在施工中時常發(fā)生挖斷或挖壞地下管線，釀成地下設施損毀事故也屢屢發(fā)生，由此造成事故的直接與間接經濟損失不可估量。

研究和采用新技術管理電網地下設施以替代傳統(tǒng)落后的管理模式，使得地下電纜網絡規(guī)劃、建設與管理步入規(guī)范化、自動化、科學化的軌道，已成當務之急。對信息的處理和分析，計算機有得天獨厚的優(yōu)勢，且三維可視化技術應用日趨成熟，因此，用計算機三維可視化技術實現(xiàn)地下電纜管理，不僅是迫切的需要，而且也是切實可行的。

2.三維可視化技術

三維可視化是用于顯示描述和理解地下及地面諸多地質現(xiàn)象特征的一種工具，廣泛應用于地質和地球物理學的所有領域。三維可視是描繪和理解模型的一種手段，是數(shù)據(jù)體的一種表征形式，并非模擬技術。它能夠利用大量數(shù)據(jù)，檢查資料的連續(xù)性，辨認資料真?zhèn)危l(fā)現(xiàn)和提出有用異常，為分析、理解及重復數(shù)據(jù)提供了有用工具，對多學科的交流協(xié)作起到橋梁作用。

20世紀60年代發(fā)展起來的基于計算機的地理信息系統(tǒng)開始形成時，就利用計算機圖形軟硬件技術，把地理空間數(shù)據(jù)的圖形顯示與分析作為基本的不可缺少的功能，GIS可視化要早于科學計算可視化的提出。GIS可視化早期受限于計算機二維圖形軟硬件顯示技術的發(fā)展，大量的研究放在圖形顯示的算法上，如畫線、顏色設計、選擇符號填充、圖形打印等。繼二維可視化研究后，進一步發(fā)展為對地學等值面（如數(shù)字高程模型）的三維圖形顯示技術的研究，它是通過三維到二維的坐標轉換、隱藏線消除、隱藏面消除、陰影處理、光照模型等技術，把三維空間數(shù)據(jù)投影顯示在二維屏幕上。隨著全球變化、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境科學等的發(fā)展，時間維越來越被重視。GIS可視化著重于技術層次上，例如數(shù)據(jù)模型（空間數(shù)據(jù)模型、時空數(shù)據(jù)模型）的設計，二維、三維圖形的顯示，實時動態(tài)處理等，目標是用圖形呈現(xiàn)地學處理和分析的結果。

當前三維可視化的方法主要有：三維圖片與地形結合顯示、基于OpenGL的地物顯示及地形顯示、基于DirectX的地物顯示及地形顯示等。

三維可視化處理是研究地理信息三維可視化系統(tǒng)的重要組成部分，其核心是三維可視化工具，利用三維可視化工具進行三維圖形的開發(fā)是地理信息三維可視化系統(tǒng)研制過程中至關重要的一步。目前在國內外三維可視化的主要軟件有：ArcInfo、ArcView、MapInfo、MapGIS、SuperMap、GeoStar、MapX組件、3DMAX、Wavefront、VRML等軟件。具備簡單、靈活的建模能力和編程方法的三維可視化軟件中，應用最廣泛的有以下三種：開放式的國際圖形標準OpenGL、將三維世界帶入網絡平臺的VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言）以及基于Java語言的三維圖形技術Java 3D。

3.三維可視化信息系統(tǒng)

三維可視化信息系統(tǒng)是在三維圖形數(shù)據(jù)庫支撐下的可視管理系統(tǒng)，對有關三維圖形數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行預處理、輸入、存儲、查詢檢索、處理分析、顯示、更新和提供應用技術的系統(tǒng)。三維數(shù)字化地下電纜信息系統(tǒng)的建成，實際上是在計算機中建立了一座在數(shù)據(jù)倉庫支持下的信息化地下電纜，從目前的技術水平來看，除了不能模擬仿真真實的工藝過程以外，其物理的和邏輯的形式與真實的地下電纜并無本質的區(qū)別。

三維可視化信息系統(tǒng)能夠實現(xiàn)如下功能：

（1）實現(xiàn)分層管理功能，如：地下電纜、地上建筑以及廠區(qū)、生活區(qū)的地理與人文信息管理。

（2）實現(xiàn)檢索查詢功能，如：地下電力設施、地上建筑的建設情況，維護、維修記錄，設計數(shù)據(jù)、安裝調試數(shù)據(jù)等龐大的屬性查詢功能。

（3）實現(xiàn)空間分析功能，如：管道長度、面積計算、空間測距、任意剖面分析等功能。

（4）實現(xiàn)三維圖形瀏覽功能，如：不同視角、不同層面展示地下電纜形狀，展示豐富、逼真的走線及交錯內容。

3.1地下電纜可視化

地下電纜等電力設施設備，敷設在地面以下，且電纜溝空間狹小，不容易展示。系統(tǒng)提供了快速制作電纜溝、電纜模型的工具，只要確定電纜溝的寬度、深度等參數(shù)，并結合地面高程，可快速制作出不同長度的電纜溝，并可選擇是否安裝側掛，添加電纜、開關控制等。制作的電纜溝提供一個特定的開關功能，可以由用戶自由選擇是否開啟地下展示模式。開啟后，電纜溝上方的地面將打開，可以從多個角度查看溝內設備，并可以調整光照強度，增加視覺效果。

3.2電纜隧道可視化

電纜隧道相對空間較大，甚至可以允許工程師進入檢查。而且每隔一定距離都會有出入口。因此根據(jù)電纜隧道的特性，對電纜隧道內容進行精細建模，真實反應電纜隧道內部的空間結構、側掛的位置、電纜的走向等，用戶可以在隧道出入口處模擬進入隧道內部查看的結果，全方位查看電纜隧道內部結構設施。另外系統(tǒng)還提供特定開關功能，打開隧道上層結構，以便整體查看隧道內部結構。

3.3線路及桿塔可視化

配網系統(tǒng)中線路及桿塔數(shù)量眾多，而且多為架構部分，線路的走向和桿塔的分布跟地形地貌有著緊密的關系。針對這一特點，本系統(tǒng)在使用數(shù)字高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、矢量電子地圖數(shù)據(jù)制作地形三維，還原現(xiàn)場真實地形地貌的基礎上，提供批量導入桿塔及自動擺放的算法，使得桿塔導入以后，根據(jù)地形的高程自動調整桿塔的高度；根據(jù)桿塔的類型、距離、位置，自動計算出桿塔之間的方位以及桿塔之間導線的弧垂度，并將線路分ABC三相用不同顏色增強顯示。

4.結語

城市配電網絡結構復雜、變化頻繁，并且有越來越多的設施轉入地下，因而利用三維可視化技術進行管理具有獨特的優(yōu)勢，實現(xiàn)了在仿真地理場景上對架空線路、地下電纜及其各電力設施進行直觀、精細的三維展示，并通過互操作接口融合SCADA、電纜分布式測溫等系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化監(jiān)測和可視化操作，進一步支持配網的資產管理、配電管理、營銷管理、規(guī)劃管理等，形成高效、綜合的運營平臺，提升運行管理和服務水平，同事也為配網運行管理科學化和規(guī)范化提供了重要保障。