建模腳本對電網(wǎng)設(shè)備模型的優(yōu)化方案實施研究

黃劍峰，丁彥柟

(國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 200233)

近年來，國網(wǎng)公司一直致力于通過科學技術(shù)手段提升電力生產(chǎn)管理和運維檢修風險防范能力。在國家電網(wǎng)公司的統(tǒng)一部署下，國網(wǎng)上海市電力公司已完成PMS 2.0的建設(shè)與實施。PMS 2.0電網(wǎng)圖形是二維圖形平臺，無法精準表達設(shè)備三維空間信息，而且傳統(tǒng)的二維管理平臺已經(jīng)無法承載如此龐大的數(shù)據(jù)量[1-2]。

自2017年起，國網(wǎng)公司全面開展了500 kV及以上電壓等級變電站、架空線路等的三維項目工作，意在推動輸變電運行管理向數(shù)字化、三維可視化方向發(fā)展，更好地支撐運維工作各類業(yè)務(wù)的開展，滿足支撐輸變電智能運維管控及可視化展示的需要。國網(wǎng)公司為了統(tǒng)一各省電力公司三維模型規(guī)范的一致性，滿足運檢業(yè)務(wù)應(yīng)用，所建模型必須通過模型校驗、審核后方可使用。

模型在三維全景展示的平臺數(shù)量較多，加上三維模型在各平臺中出現(xiàn)問題也有所不同，因此對于模型的質(zhì)量以及材質(zhì)紋理提出了更為嚴格的質(zhì)量要求。針對平臺展示出現(xiàn)的問題，尤其是大規(guī)模、多平臺同時存在的問題是首先要解決的。 利用人工工作模式排除模型在三維展示平臺出現(xiàn)問題時，存在問題數(shù)量龐大、耗時長、工序繁瑣、問題易遺漏、不易輕量化等缺陷。為了將三維模型以更快、更高的要求接入到各平臺中展示，有必要開發(fā)建模軟件腳本以解決三維模型在導入多平臺時出現(xiàn)的問題。

1 三維模型在平臺中出現(xiàn)的問題及解決方案

在三維模型中，一般通過幾何體來展現(xiàn)模型的結(jié)構(gòu)，而模型的外觀紋理、屬性以及細節(jié)方面的問題等，則往往通過模型的材質(zhì)來展現(xiàn)。當模型導入時遇到平臺兼容性或支撐的文件格式有差異問題時，就容易造成模型難以導入平臺，或者是導入平臺后不能夠正確展示。作為多平臺通用的模型往往需要嚴格使用兼容的材質(zhì)球，以及兼容的模型格式。

但是在建模過程中模型的結(jié)構(gòu)或者材質(zhì)出現(xiàn)問題，并不能夠很直觀地顯示出來，在最終場景文件導入展示平臺的過程中，就會存在許多問題。而這些問題往往數(shù)量過于龐大，這就給模型問題的排查工作帶來了很大的麻煩，不僅耗時長而且容易遺漏。

在三維建模工作中，主要以3DS MAX為標準建模軟件進行建模，平臺導入方面目前用的最多的是U3D和VRS兩個平臺，這兩個平臺展示出現(xiàn)的問題不一。通過研究發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，在U3D平臺展示沒有問題的模型在VRS平臺不一定能正常展示，但在VRS平臺中展示沒有問題的模型在U3D平臺上幾乎不會出現(xiàn)新問題，二者成包含與被包含的關(guān)系。因此，只要解決了VRS平臺展示出現(xiàn)的問題即可。

材質(zhì)和幾何體這兩種問題在VRS平臺中出現(xiàn)頻率高，材質(zhì)問題主要包括空材質(zhì)和材質(zhì)紋理混亂，在平臺展示中出現(xiàn)的現(xiàn)象主要是材質(zhì)不正確或者是無材質(zhì)貼圖；幾何體主要針對模型軸心和模型縮放比例問題進行處理，在平臺中出現(xiàn)的現(xiàn)象主要包括模型漂移、模型穿插和模型旋轉(zhuǎn)縮放。下面主要以材質(zhì)和幾何體這兩個方面進行討論。

2 材質(zhì)

材質(zhì)在3DS MAX軟件中以材質(zhì)球概念的形式存在。Standard材質(zhì)球和Multi多維材質(zhì)球是3DS MAX軟件中最基礎(chǔ)，也是應(yīng)用范圍最廣泛的材質(zhì)球。Multi多維材質(zhì)球是Standard材質(zhì)球的集合。

在各個平臺中，均對Standard材質(zhì)球和Multi多維材質(zhì)球有著極好的兼容性。因此，大多數(shù)平臺往往會要求建模人員使用標準的Standard材質(zhì)球和Multi多維材質(zhì)球。

2.1 材質(zhì)問題分析

材質(zhì)球使用標準材質(zhì)往往決定了模型能不能在其他平臺中正常展示和加載，也決定著模型展示效果是否美觀。在研究過程中，結(jié)合市場多種平臺的調(diào)研數(shù)據(jù)，得到材質(zhì)球常見的問題有如下幾種。

(1)材質(zhì)球使用非標準Standard材質(zhì)球和Multi多維材質(zhì)球。

(2)由于市場上建模人員從事行業(yè)不同導致建模習慣有較大的差異，如建筑和工業(yè)展示的場景中常常出現(xiàn)VRay材質(zhì)球，建筑和工業(yè)設(shè)計的場景中常常會出現(xiàn)CAD軟件或Revit軟件所特有的材質(zhì)球。

(3)多維子材質(zhì)嵌套使用。多維子材質(zhì)雖然是標準材質(zhì)，但是嵌套使用時就是一種錯誤的使用方式，目前沒有任何一個平臺或軟件(包括3DS MAX軟件自身)能夠?qū)Χ嗑S子材質(zhì)嵌套使用進行正確展示。但在建模過程中又很容易產(chǎn)生多維子材質(zhì)嵌套使用的現(xiàn)象。

貼圖文件使用時常見問題如下。

(1)貼圖文件未使用JPG或PNG格式的位圖文件。

(2)貼圖不標準，貼圖比例不是1∶1、邊長為2的指數(shù)倍的正方形位圖。

(3)貼圖文件存在丟失。

2.2 解決思路

通過研究Script腳本語言對材質(zhì)球的定義發(fā)現(xiàn)，場景文件中所有材質(zhì)球均定義在Scene Materials數(shù)組中。

因此，可以通過數(shù)組索引的方式遍歷所有的材質(zhì)球進行檢查。可以用Class of函數(shù)來判斷材質(zhì)球是否是Standard Material或Multi Material，以此來判斷材質(zhì)球是否符合材質(zhì)球標準，也可以判斷材質(zhì)球是否存在多維子材質(zhì)嵌套。在Standard Material材質(zhì)球的定義中通過獲取Diffuse Map屬性和Opacity Map屬性來獲取使用貼圖的路徑和貼圖格式，也可以用打開Diffuse Map和Opacity Map的方式來判斷貼圖是否存在或者邊長、比例是否符合規(guī)定。

模型材質(zhì)問題處理流程如圖1所示。模型材質(zhì)問題處理流程如圖2所示。

圖1 模型材質(zhì)問題處理流程

圖2 模型材質(zhì)問題處理流程

從參數(shù)上來看，實現(xiàn)以腳本來檢查模型材質(zhì)球及貼圖是否合格是完全可行的，具備可實行的條件。材質(zhì)問題優(yōu)化前后的場景截圖對比如圖3所示。

圖3 材質(zhì)問題優(yōu)化前后的場景截圖對比

3 幾何體

3.1 幾何體問題分析

(1)問題一：模型縮放導致軸心位置不一致。在實際建模過程中，有許多設(shè)備除大小不一致外，外觀基本接近，而建模人員在建模時常常會使用縮放工具對部分設(shè)備部件或設(shè)備進行縮放，以達到快速建模的目的。因此，模型中往往會存在大量的模型軸心縮放屬性，導致許多模型軸心縮放屬性極其復雜。3DS MAX軟件對于模型兼容性很強，但在3DS MAX軟件中顯示正常的模型到其他平臺中就可能顯示不正常，可能會出現(xiàn)模型偏移、大小不一致、反面等現(xiàn)象。這種不能實時看到最終結(jié)果的檢查方式，增加了對模型檢查的難度。

(2)問題二：實例模型縮放值不一致。實例模型縮放不一致的問題與模型縮放導致軸心位置不一致問題產(chǎn)生的原因基本一致。實例模型縮放不一致一定會造成模型在平臺中顯示出錯。尤其是實例的模型中存在部分縮放值為負數(shù)的模型，這個問題產(chǎn)生的原因是一部分設(shè)備在實際場景中與其他模型成對稱關(guān)系時，建模人員往往會采用鏡像的方式將模型實例擺放。由于實例模型在平臺中展示時往往會按照第一個模型的數(shù)據(jù)進行實例應(yīng)用，再加上很少有平臺會為每個模型單獨指定縮放值，因此這類問題的模型在大多數(shù)平臺中都會顯示異常。

3.2 解決方案

為了提升模型的兼容性，可在不改變模型大小和位置的前提下，將所有模型縮放屬性全部移除。

(1)對場景中所有節(jié)點進行軸心重置，然后將所有具有縮放屬性的節(jié)點選擇出來。

(2)按照實例數(shù)對具有縮放屬性的節(jié)點進行篩選。

(3)無實例對象的單一節(jié)點，采用附加的方式進行節(jié)點重置：步驟一，創(chuàng)建新的BOX節(jié)點A；步驟二，復制被替換節(jié)點的名稱、位置、旋轉(zhuǎn)、父節(jié)點及材質(zhì)給A；步驟三，將被替換模型的所有子節(jié)點的父節(jié)點指定成為A；步驟四，刪除A節(jié)點所有面元素使之成為空節(jié)點；步驟五，使用空節(jié)點A附加被替換的節(jié)點。

(4)具備實例對象的模型節(jié)點，再次按照模型的縮放值對實例節(jié)點進行篩選。

(5)對于具有同一縮放值的實例對象集，采用附加的方式重置第一個節(jié)點，并用新的節(jié)點替換其他具有同一縮放值實例對象：步驟一，復制第一個實例對象T，并以無實例對象的方式對模型進行重置，生成新的對象N；步驟二，從對象N實例復制出對象N1，并將第二個實例對象的名稱、位置、旋轉(zhuǎn)、父節(jié)點及材質(zhì)指定給N1；步驟三，將第二個實例對象的子節(jié)點的父節(jié)點指定為N2；步驟四，對比N1和第二個實例對象，判斷外觀是否一致；步驟五，重復步驟二、步驟三和步驟四，依次復制出其他實例節(jié)點；步驟六，刪除具有縮放值的實例對象集。

模型幾何體問題處理流程圖如圖4所示。

圖4 模型幾何體問題處理流程圖

幾何體在場景優(yōu)化前后的對比圖如圖5所示。

圖5 幾何體在場景優(yōu)化前后的對比圖

4 結(jié)語

本文利用代碼腳本插件技術(shù)解決三維模型導入多平臺時遇到的模型問題。根據(jù)三維建模軟件功能的邏輯原理得到各平臺均出現(xiàn)的普遍問題，利用軟件功能可替代人工重復性操作的特點，讓大規(guī)模需要優(yōu)化的模型在短時間內(nèi)完成，并從成本、效率兩個方面進行對比分析。

一個電站在三維建模完成后，導入平臺中出現(xiàn)的模型問題數(shù)量不等，但數(shù)量非常龐大。以每個電站有5 000個模型問題為例，如果不開發(fā)建模腳本處理這些問題，一個經(jīng)驗豐富的三維技術(shù)人員大約需要15天的時間才能完成，存在耗時長、容易遺漏等問題；如果開發(fā)建模腳本處理這些問題，需要2天左右的時間，快的話一天就可以完成，而且不需要經(jīng)驗豐富的三維技術(shù)人員也可以完成，新手都可以快速上手對模型進行優(yōu)化處理。單個電站模型優(yōu)化數(shù)據(jù)分析表如表1所示。

表1 單個電站模型優(yōu)化數(shù)據(jù)分析表

相比之下，建模腳本對電網(wǎng)設(shè)備模型優(yōu)化的優(yōu)勢顯而易見。目前建模腳本研發(fā)還在繼續(xù)，相信后期建模腳本可以對三維模型提供更大的幫助，讓模型可在多種三維展示平臺中更穩(wěn)定的運行。