基于點云數(shù)據(jù)的變電站三維仿真模型的實現(xiàn)及展望

，，，，

(1.國網(wǎng)新疆電力公司檢修公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 3.深圳市愛科賽科技有限股份公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

隨著國家的發(fā)展,中國電力網(wǎng)絡(luò)容量不斷擴大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其維護與檢測的效率與效果和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行息息相關(guān)[1-4]。先進的檢測技術(shù)與高素質(zhì)運維人員能夠提高變電站的運維可靠性，國內(nèi)變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)主要以接線圖、數(shù)字圖表、設(shè)備照片

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51467020，51007077)；新疆自治區(qū)自然科學(xué)基金(2017D01C08S)

和現(xiàn)場錄像等常規(guī)多媒體方式作為表現(xiàn)手段，隨著三維建模技術(shù)的進步，變電站三維模型應(yīng)用于高壓設(shè)備遠(yuǎn)距離的非接觸檢測與變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[5]。另一方面，為了適應(yīng)日益繁重的電力設(shè)施安全維護工作，發(fā)展智能電網(wǎng)是有效的途徑。通過建設(shè)智能變電站，可通過計算機系統(tǒng)對變電站的各項設(shè)施運行狀況進行實時監(jiān)控，在增強電網(wǎng)安全運行可靠性的同時避免投入大量的人力和物力。建立精細(xì)的變電站數(shù)字三維模型是建設(shè)智能變電站的基礎(chǔ)，目前變電站安全運維工作日益繁重的情況下，變電站三維場景建模的實施具有很大的必要性。

采用激光掃描系統(tǒng)獲取變電站三維點云數(shù)據(jù)，而激光掃描系統(tǒng)是完善三維模型高精度應(yīng)用的最佳手段之一，利用點云數(shù)據(jù)軟件平臺的算法對獲得的點云數(shù)據(jù)進行處理，從而建立與現(xiàn)場一致的變電站三維模型[6-7]。點云數(shù)據(jù)的獲取，國內(nèi)外主要還是依靠靜態(tài)掃描儀(如:Z+F/FARO)。靜態(tài)掃描儀在掃描過程中需要預(yù)先布置控制點，然后在控制點的基礎(chǔ)上進行掃描，并且是一站一站掃描，每站掃描及架站時間大概為10 min，一個樓層20個房間最少需要掃描 40 站，僅掃描時間就需要7 h左右，這個時間不包括布置控制點及后期點云拼接時間。但是用室內(nèi)三維移動掃描儀(indoor mobile scanner 3D,IMS3D)進行掃描僅需要 20 min左右就可以完成掃描，并得到一套完整的、不需要拼接的、精度為1cm 的點云數(shù)據(jù)。IMS3D 應(yīng)用同步定位與制圖算法(simultaneous location and mapping ,SLAM)完全不依靠全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)及復(fù)雜的慣導(dǎo)系統(tǒng)就可以獲取 1 cm 精度的點云數(shù)據(jù)，它是通過激光定位，同時通過激光獲取數(shù)據(jù)。在移動的過程中不斷地給自己定位，不斷地獲取數(shù)據(jù)，最后獲得一套完整的點云數(shù)據(jù)，同時IMS3D在掃描過程中可以隨意移動，不需要固定路線，不需要控制點，可以在任意點開始，任意點結(jié)束。基于即時通信管理系統(tǒng)(instant messaging management system ,IMMS)的移動測圖具有很大的優(yōu)勢，IMMS 提供按需進行數(shù)據(jù)更新。IMS3D可用于反復(fù)獲取相同場景的空間數(shù)據(jù)，并按照用戶的要求進行更新。IMS3D可實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的高速掃描和空間數(shù)據(jù)獲取。一次獲取優(yōu)于1cm 精度的空間數(shù)據(jù)成果。通過控制點實現(xiàn)地理參考。通過觸摸屏實時監(jiān)測作業(yè)動態(tài)，避免漏采數(shù)據(jù)。無需進行長時間的初始化步驟，可以極大節(jié)省作業(yè)時間。應(yīng)用 StreetView 全景相機系統(tǒng)進行全景影像數(shù)據(jù)采集。使用全景相機采集設(shè)備隨機后處理軟件對采集數(shù)據(jù)進行全自動的結(jié)算處理，最終得到結(jié)算后的軌跡和校準(zhǔn)后的全景影像數(shù)據(jù)。實現(xiàn)對建筑、設(shè)施設(shè)備進行快速、準(zhǔn)確、生動逼真的三維建模以及基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)捆綁；主要工作包括：數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及錄入實體模型、構(gòu)建、數(shù)字化場景構(gòu)建工作。

1 變電站三維模型的建立

1.1 三維建模的基本流程

通過運用“三維激光掃描+實地全景拍照”的移動測圖(mobile mapping)方式獲取整個變電站三維建模所需的基礎(chǔ)資料。采用IMS3D移動測圖系統(tǒng)采集變電站的三維激光點云，結(jié)合 DPI-8 手持式三維激光掃描儀獲取重點設(shè)置的細(xì)部三維點云，應(yīng)用 StreetView 全景相機系統(tǒng)進行全景影像數(shù)據(jù)采集。采集變電站內(nèi)關(guān)鍵部位的全景影像數(shù)據(jù)及屬性信息，并對重點位置在影像中進行標(biāo)注。在此三維激光點云數(shù)據(jù)與全景影像基礎(chǔ)上，結(jié)合近景拍攝的相片獲得紋理信息，再采用3d Max軟件進行三維建模。

1.2 所用設(shè)備簡介

1)StreetView采集全景影像數(shù)據(jù)

StreetView 全景相機系統(tǒng)是一套完整的全景影像采集系統(tǒng)，包括從記錄顯示所有的步驟，無需額外的部分或開發(fā)。相機可記錄 30 M 像素分辨率和每秒7幀的影像。3種記錄模式可供選擇: 通過距離、時間和手動方式。所包含的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收器包括4個獨立的高精度GPS測量世界各地。專用硬件調(diào)平傳感器補償相機在拍攝過程的傾斜畸變。在處理每一個全景圖時，自動調(diào)平并有經(jīng)緯度、海拔高度、方向、GPS 日期和時間以及本地日期和時間的充分地理參考，因此全景圖與地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)組成一套解決方案。

2)IMS3D采集三維激光點云數(shù)據(jù)

利用IMS3D移動測圖系統(tǒng)采集變電站的三維激光點云，作為原始數(shù)據(jù)存儲入庫。IMS3D可以在沒有GPS的情況下，使用SLAM算法，采集點云數(shù)據(jù)。使用IMS3D移動測圖系統(tǒng)獲取二維地圖數(shù)據(jù)，并記錄激光雷達(dá)(light detection and ranging，LIDAR)的時間位置信息，然后建立彩色的三維點云圖[8]。

細(xì)部精細(xì)掃描利用 DPI-8 手持三維掃描儀對重點設(shè)施的細(xì)部進行精細(xì)三維激光點云采集，作為原始數(shù)據(jù)存儲入庫。DPI-8 作為三維數(shù)據(jù)的快速獲取、易于應(yīng)用的手持三維激光掃描儀，是專門為追求工作的高效率、數(shù)據(jù)的高品質(zhì)、成果的即采即得的專業(yè)人員而設(shè)計。DPI-8 搭載 Phi.3D 三維數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)可直接將采集的點云進行實時加載、處理、顯示和存儲[9]。

3)三維建模軟件3d Max

3d Max是目前世界上使用最廣泛的專業(yè)3D建模、動畫和圖像制作軟件[10]。3d Max是 3D Studio Max的簡稱，是Autodesk公司Discreet分公司推出的一款功能強大的三維設(shè)計軟件,對變電站的應(yīng)用最有優(yōu)勢的是2015版，不僅可以讀取點云資料, 還可以讓點云被呈現(xiàn)出來, 利用點云(point cloud)顯示可讓模型師在視覺上更加精確且工作效率更高，如圖2所示。

圖1 IMS3D室內(nèi)三維移動掃描儀(左)和 DPI-8 手持三維掃描儀(右)

圖2 點云參考建模功能

2 變電站三維模型的實現(xiàn)

2.1 衛(wèi)星遙感影像的獲取

獲取變電站所在區(qū)域內(nèi)的設(shè)備、建筑及周邊輸電線路廊道1000 m帶寬，長5 km的正攝影像圖、數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)、數(shù)字表面模型(digital surface model, DSM)，通過數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)處理將其作為紋理圖片貼于數(shù)字高程模型模擬的三維地形表面[11],提高三維地形仿真的真實感，建立設(shè)備模型庫DOM采用0.8 m分辨率的衛(wèi)星遙感影像來達(dá)到高精細(xì)的建模要求[12]。

2.2 全景影像采集及數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 StreetView 全景相機系統(tǒng)進行全景影像數(shù)據(jù)采集。采集變電站內(nèi)關(guān)鍵部位的全景影像數(shù)據(jù)及屬性信息，并對重點位置在影像中進行標(biāo)注。使用全景相機采集設(shè)備隨機后處理軟件對采集數(shù)據(jù)進行全自動的結(jié)算處理，最終得到結(jié)算后的軌跡和校準(zhǔn)后的全景影像數(shù)據(jù)。針對問題數(shù)據(jù)，及時重采補采。將文字注釋、圖片、語音視頻等與全景影像鏈接。將全景影像資料以發(fā)布服務(wù)的方式(IIS 或 tomcat)發(fā)布成Web服務(wù)，并按照“一點一址” 的原則提供URL信息，須確保URL通過瀏覽器打開時不需要登陸即直接能看到清晰正確的影像。

2.3 變電站高精度三維激光點云獲取

利用IMS3D采集變電站的三維激光點云，作為原始數(shù)據(jù)存儲入庫。IMS3D能夠精確采集室內(nèi)外點云數(shù)據(jù)。在儀器掃描時，獲取所有可見的設(shè)備位置數(shù)據(jù)，并記錄光學(xué)數(shù)據(jù)，再建立彩色的三維點云數(shù)據(jù)。對一些IMS3D無法進入掃描的場景，采用DPI-8手持式三維激光掃描儀進行設(shè)備細(xì)部結(jié)構(gòu)的掃描，作為IMS3D的補充。

2.4 三維模型建立

1)變電站三維模型制作方式

變電站的整體采用高級建模多邊形(Polygon)建模方法制作，3d Max中多邊形建模方式占用的計算機內(nèi)存小，操作簡單。制作復(fù)雜表面時，表面可任意分割放大，在絕緣子串的建模時可以很好地體現(xiàn)優(yōu)勢。變電站模型的制作步驟可分為數(shù)據(jù)處理、建模兩大部分。數(shù)量處理、建模流程如圖3所示。部分模型庫如圖4所示。

變電站主要采用單體建模方式，首先通過每個零部件的構(gòu)建，組成自己的模型庫，實現(xiàn)多次復(fù)用，在復(fù)用基礎(chǔ)上依據(jù)點云位置實現(xiàn)精確復(fù)用。圖5為以變電站的絕緣子為例的模型，3d Max軟件可將其進行精細(xì)化，也可以進行多對象組的復(fù)制粘貼，節(jié)省很多時間。

圖3 數(shù)據(jù)處理、建模流程

圖4 部分模型庫

圖5 絕緣子模型

2)變電站三維模型的生成

經(jīng)過變電站激光點云數(shù)據(jù)的獲取和變電站內(nèi)部電氣設(shè)備的建模，再將拍到的場景照片映射到變電站的模型上,如圖6所示。全景影像數(shù)據(jù)，結(jié)合3d Max制作的高精度模型，可以創(chuàng)造出高精度、高美觀度的變電站三維場景。圖7示例了3所不同的變電站從點云數(shù)據(jù)圖到最后的三維全景模型。通過放大可以查看任意一個變壓器模型，如圖8所示；選中這個變壓器，會顯示變壓器的參數(shù)，如圖9所示。

圖6 視圖色彩的添加演示

3 展 望

1)實現(xiàn)基于三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用，利用現(xiàn)代通信技術(shù)將電力系統(tǒng)各設(shè)備三維模型和通信系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的信息化。

2)實現(xiàn)運行參數(shù)的可視化，變電站現(xiàn)場異常監(jiān)控，在三維虛擬場景中接入實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時在三維環(huán)境中加入實際監(jiān)測裝置，儀器儀表模型顯示數(shù)據(jù)與實際一致。完成對變電站內(nèi)各類異常情況的監(jiān)控報警，系統(tǒng)通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對閾值設(shè)定、辨識結(jié)果進行分析,并對異常狀態(tài)進行各類報警提示[13]。

(3)與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，實現(xiàn)三維綜合監(jiān)控。可與生產(chǎn)管理系統(tǒng)(production management system，PMS)交互，在設(shè)備三維模型上實時顯示設(shè)備信息。

圖7 變電站點云數(shù)據(jù)與三維全景模型

圖8 變壓器三維模型

圖9 變壓器設(shè)備參數(shù)

采用三維可視化技術(shù)手段，可以直觀、準(zhǔn)確、快速地為實時數(shù)據(jù)提供直觀的表現(xiàn)，電網(wǎng)的運維人員在三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上查看和管理實時狀態(tài)和數(shù)據(jù)將更加方便，定位更加準(zhǔn)確。