基于數字化虛擬推演的電網建設過程三維可視化研究

李洪江，楊永昆，冉啟鵬

(云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011)

0 引言

在網絡技術與計算機的持續發展進程中，虛擬現實技術的出現為各領域提供了一種新穎的數字化虛擬推演模式，為各領域提前預知各類突發狀況及缺陷提供了有效幫助[1]。通過此類數字化虛擬推演，能夠較大程度的降低各應用領域的實際事件處理時間及成本，對于突發事件的應對決策與技能有所提升。

目前，電力工業發展迅速，由此而來的智能電網的發展也逐漸步入一個嶄新的時代[2-3]。伴隨著逐漸普及的交直流混聯、環網供電及區域電網互聯、特高壓與超高壓的建設，電網的復雜度逐步提升，同時對精益化的電網建設需求也逐漸提高。現代的電網設計與建設已無法通過以往的圖紙實現，而三維實景建模技術能夠實現更加直觀、逼真的展現電網設備及電網建設場景等，令電網建設過程的實時狀態可視化呈現，提升了現代電網設計與建設的效率與智能化[4]。

因此，本文設計一種基于數字化虛擬推演的電網建設過程三維可視化方法，逼真呈現電網建設過程，為提升當代電網建設效率與管理水平提供可靠的依據。

1 電網建設過程三維可視化研究

1.1 數字化虛擬推演系統

以Torque引擎[5]為基礎開發設計數字化虛擬推演系統，依據系統的邏輯功能需求將其劃分為6個子系統模塊，依次為：虛擬場景構建子系統、模型子系統、粒子特效子系統、GUI界面子系統、場景特性子系統和輸入控制子系統，如圖1所示。繼而在此6個子系統的基礎上實現電網建設過程的數字化虛擬推演。

圖1 數字化虛擬推演系統構成

其中，虛擬場景構建子系統的作用是構建模擬演練場景；模型子系統為虛擬演練場景提供所需的不同模型，包括配電室、變電站及電網建設過程中整體場景模型等；粒子特效子系統通過利用粒子系統模擬特殊效果的方式使建模場景與實際更接近；GUI界面子系統通過運行界面、場景菜單與登錄界面實現提供用戶登錄接口、演練控制及命令下達接口的功能；場景特征子系統利用區間觸發器實現眾多場景的事項特征，并通過Torque引擎實現特征偵測；輸入控制子系統通過對輸入事項的分發與處理實現輸入操作的邏輯功能[6-7]。

1.2 電網建設過程三維可視化實現流程

結合圖1所示的數字化虛擬推演系統，以電網建設過程為藍本推演電網建設過程，實現對電網建設過程可行性的檢驗與改善，這也是基于數字化虛擬推演的電網建設過程三維可視化開發的目的。

電網建設過程三維可視化整體過程主要包括七大模塊：場景建模模塊、事項輸入模塊、事項接報模塊、事項分析研判模塊、決策標繪模塊、推演執行模塊及推演可視化呈現模塊。具體推演過程如圖2所示。

圖2 數字化虛擬推演過程

數字化虛擬推演過程如下：通過場景建模模塊獲取電網建設過程的演練場景模型，場景建模需要先對電網建設過程中涉及到的海量空間數據進行組織和管理，然后通過三維實景建模技術構建建設過程的場景模型，并對場景模型涉及的業務數據進行一體化融合和整合處理。將系統預處理事項輸入模塊中各設備所采集的數據作為可視化演練場景中的環境數據[8]，利用事項接報模塊對各類事項特征予以分析判斷，根據分析判斷結果將特殊事項在虛擬場景內標繪出，并開始電網建設過程的演練執行過程，待演練結束后，獲取最終的電網建設過程的三維可視化推演結果，逼真的呈現處電網建設過程中各部分模型及整體場景，從而完善電網建設過程、實現電網建設過程的直觀管控與三維可視化。

1.3 電網建設過程場景建模的實現

1.3.1 海量空間數據組織與管理

海量空間數據即為電網建設地區的數字高程模型(DEM)與高分辨率影像。在繪制電網建設過程三維可視化場景時，通過金字塔層級架構分層分塊DEM與影像，實現以保障顯示準確度為前提對渲染效率予以提升的目的[9,10]。

作為一類多分辨率層次模型的金字塔，在創建其層級架構時，底層應為初始DEM或影像，也就是第一層，同時通過分塊初始DEM或影像，將第一層的層級塊矩陣構成。將每個2×2個像素基于第一層重新采樣為一個像素，同時對其予以分塊處理，構成金字塔的第二層，以此類推，構建完整的金字塔層級結構，如圖3所示。

圖3 金字塔層級架構

由金字塔的第一層到最上層，呈現數據分辨率逐漸降低的趨勢，各對應層級的數據量也逐漸降低。在場景區間相對比較小時，對分辨率相對比較高的影像予以加載，反之則對分辨率相對比較低的影像予以加載，實現繪制電網建設過程三維可視化場景效率有效提升的目的。

在創建DEM或影像金字塔層級塊索引時，可通過線性四叉樹方法實現。劃分地理空間遞歸為各種層次的樹架構即為四叉樹索引的原理，通過均分已知區間為4個子空間并依次遞歸形成能夠匹配金字塔層級的四叉樹，如圖4所示。

圖4 金字塔層級模型的四叉樹架構

因DEM影像在空間上呈現平均分布狀態，故四叉樹索引具備的空間搜索效率較高。以文件的形式將DEM與影像的金字塔切片數據存于服務端內，客戶端可采用http的方式對服務端數據予以訪問及下載，并將下載數據緩存在本地。

通過視點相關技術(LOD)迅速搜尋目標層級。由于在運用LOD技術時需各區間與各分辨率地形數據相對應，所以，應在搜尋層級塊時檢測分辨率。以層層遞進及從粗到細的策略搜尋層級塊，如此不僅能夠符合由模糊到清楚、由遠到近的視覺效果，而且能夠有效提升效率[11]。

1.3.2 三維實景建模技術研究

為了提升電網建設過程三維可視化的精準呈現效果，采用三維實景建模技術進行高精度建模。

本文主要采用ContextCapture軟件實現三維實景建模技術。此軟件的原理為對通過各個視點所拍攝影像中的靜態對象予以分析，同時自動檢測對應于某個同等的物理點像素，以持續拍攝并具有65%重疊率的2張臨近影像實現高分辨率三維模型的自動生成[12]。例如電網建設過程中的配電室、變電站及整體場景等模型均能夠由此軟件實現。由項目的影像質量、拍攝方法、拍攝距離及任務目標決定模型的精準度，可通過各類攝像設備獲取所需影像。

在實際狀況下所獲取的三維表象能夠用在電網建設的規劃設計與施工過程中，可直接采用數字攝影的方式獲取所生成的真實三維模型[13]。真實三維模型可對全部細節予以采集，而不是只注重所選取的如開閉站等特點，并且可實現三維模型內的地理定位，如三維模型內的桿塔的空間距離及高度信息等，同時其還具備精準度高、全面及效率高等特點。實景建模的實現過程如圖5所示。

圖5 實景建模過程

1.3.3 電網業務數據一體化整合

采用創建數據中心的方法實現不同電網業務系統數據的一體化整合，同時在統一的平臺內對數據予以搜尋與統計，達到共享數據的目的，并有效解決電網建設過程中不同部門間業務數據互為獨立的問題[14]。

電網業務數據一體化整合的步驟如下：對已有的不同業務系統數據予以分析并將需共享的業務數據清單列出；采用數據抽取服務器向數據中心抽取已有業務系統數據，或由業務系統向數據中心輸送數據，達到電網業務數據一體化整合的目的。同時，采用雙機熱備數據中心服務器，提升系統穩定性與數據訪問效率。電網業務數據一體化整合過程如圖6所示。

圖6 電網業務數據一體化整合過程

1.3.4 高度融合業務數據與空間信息

在信息系統內以往的業務數據大多通過文字與表格的方式表示，數據缺乏直觀性與空間性[15]。而三維實景建模技術采用將業務數據和電網空間信息的關聯關系創建的方式，高度融合二者且達到所見為所得的目的。當處于微觀場景中時，對與其相應的全部業務信息的搜尋可采用點擊電網設備的高精度三維模型的方式實現；當處于宏觀場景中時，能夠對全部電網建設過程的空間位置與業務信息進行直接查看。由此可實現電網建設過程場景的直觀管控與三維可視化的目的。

2 實驗與分析

2.1 建模效果檢驗

在利用本文方法創建配電室建設過程模型、變電站建設過程模型及整體場景建設過程模型后，檢測上述3個模型的紋理數和幀速，檢測結果如表1所示。

表1 模型紋理數和幀速統計

通過表1可知，3個模型的紋理數和幀速數值較為理想，且數值較為接近，無過大波動。由此可以說明，本文方法所構建的各場景建設過程模型具有較高的呈現效果與流暢性，且本文方法性能非常穩定。

2.2 建模效率檢驗

檢測在各模型內數據量不斷提升的情況下，本文方法在創建配電室建設過程模型、變電站建設過程模型及整體場景建設過程模型所消耗的時間，從而檢驗本文方法的建模效率。時間消耗結果情況如圖7所示。

圖7 建模耗時統計

分析圖7可知，利用本文方法創建3種場景建設過程模型時，隨著數據量的提升，建模過程所耗時間無明顯增長。相對來說，構建整體場景建設過程模型所需的時間更長一些，最大耗時需要22.7 s。由此可見，本文方法建模過程耗時短、用時較為穩定，說明本文方法具有較高的建模效率。

2.3 電網建設過程三維可視化效果

為進一步驗證本文方法的三維可視化效果及性能，利用本文方法對配電室建設過程、變電站部署過程和電網工程整體場景建設過程進行可視化建模，呈現效果如圖8所示。

圖8 電網建設過程可視化效果呈現

通過圖8可知，本文方法所呈現的電網工程不同場景建設過程的可視化效果圖清晰流暢，效果圖逼真度高，能夠更加直觀的驗證本文方法有效性，說明本文方法可用于實際電網建設過程中，有助于提升電網建設過程的規劃設計效率、及時決策與管理水平，具有較高的實際應用價值。

3 結束語

本文針對基于數字化虛擬推演的電網建設過程三維可視化方法展開研究。通過三維實景建模技術創建電網建設過程中的各場景建設過程模型，實現電網建設過程的三維可視化呈現，為提高電網建設過程中監管效果奠定基礎。本文還通過實驗驗證了應用本文方法后所呈現的電網工程三維場景可視化效果好、逼真度高，建模效率高且方法性能穩定。

在接下來的研究中，將進一步優化該方法，針對電網建設和運行過程中更精細化的監管進行可視化研究。