基于全息數(shù)據(jù)的輸電智慧設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用

袁敬中，謝景海，郭 嘉，盧詩(shī)華，蘇東禹，孫 密，呂 科

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038)

0 引言

電網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展和演變，從傳統(tǒng)的手工繪制、計(jì)算機(jī)兩維輔助設(shè)計(jì)，到目前已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)字化三維設(shè)計(jì)。隨著新技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、海拉瓦全數(shù)字化攝影系統(tǒng)(Helava)、建筑信息模型(building information model，BIM)以及電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)等三維設(shè)計(jì)技術(shù)手段成功地應(yīng)用到電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的空間位置信息、高清衛(wèi)星攝影圖片以及無(wú)人機(jī)拍攝的圖片等均成為了電網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)資源，為電網(wǎng)進(jìn)一步數(shù)字化、電力物聯(lián)網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)[1-2]。但是，目前電網(wǎng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方案獲取、比選、校核、決策、判斷和評(píng)估等大量復(fù)雜工作仍然需要依靠設(shè)計(jì)人員完成，這不僅需要大量的高級(jí)人力資源，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量仍然主要取決于設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。

另一方面，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)從超高壓時(shí)代邁入了特高壓、交直流互聯(lián)等新時(shí)代，遠(yuǎn)距離送電與城鎮(zhèn)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興，電力電子裝備廣泛應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。比如，變電站(包括換流站和開關(guān)站)的站址選擇和輸電線路路徑選擇在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中極為重要；但是面對(duì)更為復(fù)雜的電網(wǎng)建設(shè)環(huán)境，兩者都日趨困難。再者，近年來(lái)又提出了“三通一標(biāo)”“兩型一化三新”“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、模塊化建設(shè)”“機(jī)械化施工、流水線作業(yè)”等全新理念，無(wú)疑又給電網(wǎng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，面對(duì)新形勢(shì)、新發(fā)展、新要求，國(guó)家電網(wǎng)有限公司加速能源互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)、新型電力系統(tǒng)建設(shè)，大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生和人工智能等技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了廣泛應(yīng)用的歷史階段，而電網(wǎng)設(shè)計(jì)是一個(gè)適合大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和人工智能等新技術(shù)廣泛應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域。目前，正是將大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和人工智能等新技術(shù)引入電網(wǎng)設(shè)計(jì)的恰當(dāng)時(shí)機(jī)。換句話說，提出電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)的新理念和新方法已經(jīng)具備基礎(chǔ)技術(shù)條件。

因此，如何結(jié)合目前電網(wǎng)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，采用大數(shù)據(jù)、強(qiáng)人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、5G、VR、3DS、云霧邊(端)緣計(jì)算、萬(wàn)物智聯(lián)、鏡像、圖像識(shí)別、虛擬成像等先進(jìn)新技術(shù)大幅度提升電網(wǎng)設(shè)計(jì)工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，是一個(gè)具有重要價(jià)值且亟待研究的課題。基于上述背景，本文綜合利用多種先進(jìn)新技術(shù)手段，提出基于全息數(shù)字孿生技術(shù)，適用于數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的輸電智慧設(shè)計(jì)理念，并開展輸電智慧設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用。

1 輸電智慧設(shè)計(jì)理念

1.1 智慧設(shè)計(jì)基本概念

智慧設(shè)計(jì)，是指根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活采用大數(shù)據(jù)、強(qiáng)人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、5G、VR、3DS、云霧邊(端)緣計(jì)算、萬(wàn)物智聯(lián)、鏡像、圖像識(shí)別、虛擬成像等新技術(shù)手段，具有設(shè)計(jì)、比對(duì)、評(píng)估、迭代的質(zhì)量控制過程和較高自動(dòng)化程度，能夠滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化的全方位數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。

智慧設(shè)計(jì)是基于設(shè)計(jì)技術(shù)新發(fā)展和設(shè)計(jì)結(jié)果新要求的理念創(chuàng)新，具有高度的獨(dú)立設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)的靈活性，能夠滿足各種復(fù)雜條件下的設(shè)計(jì)要求。智慧設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)線路工程中，就形成輸電智慧設(shè)計(jì)。輸電智慧設(shè)計(jì)的功能如圖1所示。

圖1 輸電智慧設(shè)計(jì)功能

1.2 智慧設(shè)計(jì)目的

智慧設(shè)計(jì)目的旨在對(duì)工程項(xiàng)目開展精準(zhǔn)化、精細(xì)化、數(shù)字化、立體化、空間化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步大幅度提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，減少人為影響因素，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、精細(xì)算價(jià)，具有高度自動(dòng)化的思考、推理、自檢、糾錯(cuò)、評(píng)估等智慧功能。

1.3 智慧設(shè)計(jì)模式

智慧設(shè)計(jì)模式將充分利用傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)計(jì)的可靠經(jīng)驗(yàn)和多種先進(jìn)新技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有良好適應(yīng)性、靈活性和學(xué)習(xí)性的電網(wǎng)設(shè)計(jì)高度自動(dòng)化、數(shù)字化智慧平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段一體化、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)一體化、設(shè)計(jì)和評(píng)估(評(píng)審)一體化。

1.4 智慧設(shè)計(jì)方法

在工程項(xiàng)目各個(gè)設(shè)計(jì)階段，基于強(qiáng)人工智能等最新技術(shù)融合的智慧設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在各個(gè)階段采用設(shè)計(jì)、比對(duì)、評(píng)估、優(yōu)化多步多次迭代，獲得整體最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，形成高質(zhì)量、高水平設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

2 輸電智慧設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

輸電智慧設(shè)計(jì)作為一種多維度嶄新設(shè)計(jì)理念，融合了各領(lǐng)域多方面的智能化關(guān)鍵技術(shù)。多種技術(shù)的有效融合促使電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)從理論走向現(xiàn)實(shí)。下面綜合討論電網(wǎng)輸電智慧設(shè)計(jì)在全息數(shù)據(jù)、強(qiáng)人工智能、區(qū)塊鏈、云霧邊(端)等技術(shù)應(yīng)用方面內(nèi)容。

2.1 全息數(shù)據(jù)技術(shù)

數(shù)據(jù)是開展一切設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)是全息數(shù)字孿生平臺(tái)的核心，是電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。利用數(shù)字孿生和克隆技術(shù)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一屬性、統(tǒng)一賦能，融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于智慧設(shè)計(jì)的全息數(shù)字孿生平臺(tái)。

基于大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、虛擬成像、數(shù)字孿生等技術(shù)，還原現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境，構(gòu)建全息數(shù)字孿生平臺(tái)，形成虛擬全息空間環(huán)境，重現(xiàn)空間孿生體或克隆體，能夠完成三維虛擬全息環(huán)境的構(gòu)建。

2.2 強(qiáng)人工智能技術(shù)

目前，普遍廣泛采用的人工智能技術(shù)是弱人工智能(weak artificial intelligence)，只能解決特定的領(lǐng)域限定問題，完成有限事務(wù)，是機(jī)械地實(shí)現(xiàn)設(shè)定的行為，是一種技術(shù)工具。強(qiáng)人工智能技術(shù)(strong artificial intelligence)，能夠?qū)崿F(xiàn)類人意識(shí)，通過深度學(xué)習(xí)，具備工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)推理和解決問題的功能。結(jié)合強(qiáng)人工智能技術(shù)和虛擬三維成像技術(shù)，可將衛(wèi)星遙感、航飛、激光點(diǎn)云、海拉瓦、攝像、照相等影像，通過算法還原成真實(shí)立體物體，并賦能屬性。在站址選擇、路徑選擇、方案選擇及比選、設(shè)備選擇、造價(jià)分析等方面，通過模型建立，算法訓(xùn)練，具備學(xué)習(xí)、推理、解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)智慧設(shè)計(jì)功能。

2.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、透明性、開放性、可追溯性、不可篡改、隱私匿名、多點(diǎn)共識(shí)等這些特征，非常適合應(yīng)用在電網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)和造價(jià)中。在電網(wǎng)輸電設(shè)計(jì)中線路電氣、線路結(jié)構(gòu)、勘測(cè)、造價(jià)等專業(yè)協(xié)同同步開展設(shè)計(jì)，有效地保證設(shè)計(jì)方案的正確性，以及工程項(xiàng)目造價(jià)編制和算價(jià)的精準(zhǔn)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可同步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中各個(gè)階段設(shè)計(jì)、對(duì)比、評(píng)估、評(píng)審等功能。

2.4 云霧邊(端)技術(shù)

在電網(wǎng)輸電工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，將電氣、絕緣配合、架構(gòu)承載、土建結(jié)構(gòu)、桿塔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)地線選擇等計(jì)算融入到設(shè)計(jì)過程中，隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程，應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，及時(shí)開展計(jì)算，選擇合適方案、導(dǎo)線、配置、塔型等。評(píng)審和審核功能也隨時(shí)通過邊緣計(jì)算、分析和評(píng)估及時(shí)完成，實(shí)現(xiàn)分步評(píng)審和審核功能。

開展電網(wǎng)設(shè)計(jì)工作的相關(guān)數(shù)據(jù)涉及網(wǎng)架、敏感地理位置等敏感保密信息，一般設(shè)置在內(nèi)網(wǎng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在外現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)無(wú)法登陸內(nèi)網(wǎng)，不能開展相關(guān)業(yè)務(wù)。為了及時(shí)有效開展工作，采用鏡像技術(shù)，在需要時(shí)經(jīng)授權(quán)，把內(nèi)網(wǎng)相關(guān)需要的數(shù)據(jù)鏡像到外網(wǎng)服務(wù)器，以加密方式，通過5G或4G技術(shù)，在遠(yuǎn)端使用終端開展設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)邊(端)、霧、云設(shè)計(jì)和計(jì)算功能。當(dāng)設(shè)計(jì)工作完成之后，及時(shí)收回授權(quán)，并把最新成果鏡像到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，保持系統(tǒng)內(nèi)容及時(shí)更新。

冀北經(jīng)研體系已經(jīng)建成了“1+7”三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，在經(jīng)研院設(shè)置了3臺(tái)主服務(wù)器，在7家經(jīng)研所和設(shè)計(jì)單位設(shè)置了7臺(tái)輔助服務(wù)器。各單位各自完成的設(shè)計(jì)成果在各自服務(wù)器上儲(chǔ)存。主服務(wù)器實(shí)現(xiàn)云計(jì)算功能，輔助服務(wù)器實(shí)現(xiàn)霧計(jì)算功能，操作終端實(shí)現(xiàn)邊(端)計(jì)算功能。

2.5 虛擬VR技術(shù)

虛擬VR技術(shù)應(yīng)用到電網(wǎng)設(shè)計(jì)將是一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。采用AI+3D+虛擬VR技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)身臨其境，處于物體空間內(nèi)開展立體設(shè)計(jì)狀態(tài)，更加直觀、精準(zhǔn)、真實(shí)地開展設(shè)計(jì)。與無(wú)人機(jī)結(jié)合，實(shí)時(shí)成像，坐在辦公室也可以開展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)工作，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同步設(shè)計(jì)功能。

2.6 智慧知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

結(jié)合國(guó)家、行業(yè)、國(guó)網(wǎng)公司、冀北公司等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在“三通一標(biāo)”“兩型三新一化”、專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等基礎(chǔ)上建立具有自學(xué)習(xí)、自推理、自豐富、自診斷、自積累等功能的智慧專家?guī)臁Ｖ腔蹖＜規(guī)鞈?yīng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、規(guī)范統(tǒng)一、賦能統(tǒng)一、使用統(tǒng)一、維護(hù)統(tǒng)一，做到從規(guī)劃設(shè)計(jì)、采購(gòu)制造、建設(shè)運(yùn)維全生命周期貫通統(tǒng)一，虛體和實(shí)體一致。智慧專家?guī)彀ǔＳ猛ㄓ迷O(shè)計(jì)庫(kù)、主接線庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、導(dǎo)線材料庫(kù)、建筑物庫(kù)、構(gòu)筑物庫(kù)、線路基礎(chǔ)庫(kù)，以及策略庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)等，這些庫(kù)用于智慧選擇、判斷、比對(duì)及優(yōu)化等應(yīng)用。

2.7 萬(wàn)物智聯(lián)技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)思維，全生命周期理念，建立電網(wǎng)統(tǒng)一識(shí)別碼體系。將電網(wǎng)設(shè)備、材料、建筑物、構(gòu)筑物、鐵塔、導(dǎo)線、金具等等，任何一個(gè)可獨(dú)立元件或單元，從規(guī)劃設(shè)計(jì)開始統(tǒng)一編碼(GID碼)，并進(jìn)一步賦能，將相關(guān)特性和屬性等標(biāo)注，成為一個(gè)智慧單元或元件，全部單元或元件全感知、智能、智慧，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物智聯(lián)。工程建設(shè)時(shí)也同樣，每個(gè)環(huán)節(jié)每個(gè)部件也能全感知，實(shí)時(shí)跟蹤，狀態(tài)感知。建成后，便形成了一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的孿生體，可以用于運(yùn)行、維護(hù)、全生命周期有效健康管理。

3 輸電智慧設(shè)計(jì)總體方案

輸電線路智慧設(shè)計(jì)，是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，以全息平臺(tái)提供的地理信息數(shù)據(jù)為支撐，結(jié)合三維技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，從路徑選擇、電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造價(jià)分析等各個(gè)環(huán)節(jié)開展研究，實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)計(jì)流程的全面智能化、設(shè)計(jì)與技術(shù)技經(jīng)一體化，并形成相應(yīng)的系統(tǒng)成果。總體方案流程如圖2所示。

圖2 輸電智慧設(shè)計(jì)總體方案流程圖

3.1 智慧設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建

3.1.1 全息環(huán)境構(gòu)建

在工程項(xiàng)目中，可以使用三維場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)，在全息平臺(tái)上合成三維環(huán)境影像，構(gòu)建三維虛擬環(huán)境，用于智慧輸電線路設(shè)計(jì)與建設(shè)。三維虛擬環(huán)境場(chǎng)景構(gòu)建的重點(diǎn)包括：

1)通過調(diào)查和研究，了解目前國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)、地質(zhì)、航天、交通等行業(yè)衛(wèi)星圖片、航空?qǐng)D片等內(nèi)容，獲取相關(guān)有效數(shù)據(jù)信息，為構(gòu)建三維虛擬場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2)研究國(guó)內(nèi)外各主流GIS平臺(tái)及所支持的地理信息數(shù)據(jù)格式，通過對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的分析及對(duì)比建立符合項(xiàng)目要求的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和算法。

3)研究矢量地形圖數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)融合方法，將不同比例尺地形圖疊加到三維數(shù)字化路徑選擇場(chǎng)景并實(shí)現(xiàn)快速切換。

4)研究河道、路網(wǎng)、礦區(qū)等專題圖數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)融合方法。數(shù)據(jù)融合成果將為路徑選擇提供優(yōu)化依據(jù),方便設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)施工過程中運(yùn)輸費(fèi)用進(jìn)行綜合考慮，得出最優(yōu)路徑結(jié)果。

3.1.2 數(shù)據(jù)種植和處理

通過數(shù)字孿生和克隆技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)種植到平臺(tái)上，經(jīng)過處理和清洗，形成立體全息可使用的熟數(shù)據(jù)(cooked data)。

需要種植電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)主要分四類：地理信息、地上物、地下物以及數(shù)據(jù)虛物體(孿體)；其中地理信息包括地形、地貌、高程信息、公路鐵路等基本信息；地上物包含電力桿塔、樹木、構(gòu)筑物等物體；地下物包含礦產(chǎn)、地層結(jié)構(gòu)、地下管道等；數(shù)據(jù)虛物體主要包括設(shè)計(jì)所需的規(guī)程、規(guī)范、模型及政府文件，在此基礎(chǔ)上，判別該區(qū)域的屬性所劃分的區(qū)域，即規(guī)劃區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等，即為屬性判別區(qū)域。

考慮有效使用，將數(shù)據(jù)屬性定義分成紅區(qū)、黃區(qū)、綠區(qū)、灰區(qū)四類區(qū)。紅區(qū)：工程設(shè)計(jì)選址選線過程中必須避讓的區(qū)域；黃區(qū)：工程設(shè)計(jì)選址選線過程中需要付出直接或間接代價(jià)的區(qū)域；綠區(qū)：工程設(shè)計(jì)選址選線過程中可無(wú)代價(jià)經(jīng)過的區(qū)域；灰區(qū)：工程設(shè)計(jì)選址選線過程中存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，可隨實(shí)際情況轉(zhuǎn)化成為其他類型區(qū)域。

利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過數(shù)據(jù)種植、清洗、煎熟，形成獲得立體全方位空間熟數(shù)據(jù)，適用于強(qiáng)人工智能算法使用。

3.1.3 多元數(shù)據(jù)融合

在設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建中，需要融合包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)源。利用大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、虛擬成像等技術(shù)進(jìn)行處理分析。通過分析國(guó)內(nèi)外主流GIS平臺(tái)及三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用情況，研究、融合并管理各類新型測(cè)繪數(shù)據(jù)和工測(cè)數(shù)據(jù)。

構(gòu)建的全息數(shù)字孿生平臺(tái)是實(shí)物空間的孿生體。在全息數(shù)字孿生平臺(tái)上，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)，通過數(shù)字孿生、克隆技術(shù)生成實(shí)際物體孿生體；同時(shí)也可以開展全過程設(shè)計(jì)、模擬施工、運(yùn)維等。每個(gè)獨(dú)立模件是一個(gè)感知體，具有電網(wǎng)識(shí)別碼(grid ID，簡(jiǎn)稱GID)，全生命周期有效。

現(xiàn)場(chǎng)空間孿生體，經(jīng)過設(shè)計(jì)、加載、加工變成設(shè)計(jì)產(chǎn)品(可研、初設(shè)、施工圖、竣工圖)，就是設(shè)計(jì)孿生體；再經(jīng)過建造變成實(shí)物孿生體(電網(wǎng))，設(shè)計(jì)孿生體和實(shí)物孿生體是一對(duì)一模一樣的孿生體。

采用這個(gè)孿生體可以建設(shè)孿生變電站、孿生輸電線路，形成數(shù)字孿生電網(wǎng)。在數(shù)字孿生電網(wǎng)上可以開展實(shí)物電網(wǎng)上所有的一切工作，可以提前分析、預(yù)判、診斷等，用于指導(dǎo)實(shí)物電網(wǎng)運(yùn)行、控制、維護(hù)、仿真等健康管理。

3.2 輸電線路路徑智慧選擇

輸電線路路徑選擇的傳統(tǒng)方法是：首先在紙質(zhì)或掃描地形圖上進(jìn)行路徑方案初步確定，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘測(cè)量，發(fā)現(xiàn)問題再對(duì)路徑初選方案進(jìn)行修改。這種工作方式存在以下缺點(diǎn)：敏感數(shù)據(jù)的獲取、管理、保密等工作耗時(shí)費(fèi)力；地形圖的精度低，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的次數(shù)增加；傳統(tǒng)地形圖直觀性差，不利于線路路徑方案的合理性判斷；已完成工程資料數(shù)據(jù)電子化轉(zhuǎn)換困難，數(shù)據(jù)復(fù)用性差。且時(shí)間長(zhǎng)，效率低，不精準(zhǔn)。

因此，提出融合海拉瓦技術(shù)、GIS技術(shù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的“智慧路徑選擇”方法。“智慧路徑選擇”的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：其一，“智慧路徑選擇”由計(jì)算機(jī)完全替代人工，可以根據(jù)相應(yīng)的約束條件及多種高級(jí)綜合算法進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，選擇最優(yōu)線路路徑，使設(shè)計(jì)效率大為提高。其二，“智慧路徑選擇”可針對(duì)不同地域的地形特點(diǎn)和地形細(xì)節(jié)，結(jié)合豐富的經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)做出最佳的選擇，提高輸電線路路徑選擇的技術(shù)水準(zhǔn)、成果質(zhì)量和方案的可實(shí)施性。其三，“智慧路徑選擇”能有效利用海拉瓦和航空影像等先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)所獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

為了突破輸電線路路徑選擇及優(yōu)化的難點(diǎn)，需要用地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景。同時(shí)，應(yīng)充分考慮地形圖數(shù)據(jù)在輸電線路路徑選擇工作中的意義和作用，通過融合多種數(shù)據(jù)源以確保三維場(chǎng)景的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。構(gòu)建適用于輸電線路路徑選擇的三維化仿真場(chǎng)景，應(yīng)將各種比例尺的地形圖數(shù)據(jù)與地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，并支持多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)格式，包括測(cè)量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖片、航拍圖片、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。圖3給出的是融合多種數(shù)據(jù)的輸電線路設(shè)計(jì)的三維展示界面。基于輸電智慧設(shè)計(jì)的輸電線路路徑選擇過程中采用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)融合，為后續(xù)構(gòu)建適用于輸電線路路徑選擇的三維化仿真場(chǎng)景提供真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖3 輸電線路設(shè)計(jì)三維展示界面

在輸電線路路徑方案的選擇中，同時(shí)需要綜合考慮拆遷量、砍伐量和施工運(yùn)輸?shù)雀鞣N影響工程造價(jià)和線路路徑質(zhì)量的因素。因此，輸電線路路徑選擇平臺(tái)應(yīng)能夠支持矢量地理信息圖層數(shù)據(jù)的疊加，并能夠結(jié)合影像、地形圖、專題圖以優(yōu)化線路走廊。為了最大程度地優(yōu)化線路走廊，往往需要進(jìn)行桿塔預(yù)排位和計(jì)算預(yù)排位方案的工程造價(jià)，為線路路徑方案優(yōu)化提供依據(jù)。圖4給出了考慮拆遷量的設(shè)計(jì)界面，而圖5給出了考慮砍伐量和施工條件的設(shè)計(jì)界面。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能技術(shù)，在桿塔預(yù)排位、計(jì)算預(yù)排位方案工程造價(jià)、計(jì)算綜合考慮各種影響因素后的工程造價(jià)等過程中，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自主智能計(jì)算輸出工程造價(jià)等相關(guān)計(jì)算量結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高效且優(yōu)質(zhì)地獲得線路路徑優(yōu)化方案的依據(jù)，為后續(xù)獲取線路最優(yōu)路徑創(chuàng)造有利的基礎(chǔ)條件。

圖4 考慮拆遷量的設(shè)計(jì)界面

圖5 考慮砍伐量和施工條件的設(shè)計(jì)界面

在最優(yōu)路徑算法方面，首先要建立適合于輸電線路的路徑選擇算法，采用逐次逼近法，空間投資價(jià)值最優(yōu)原則[3-4]，分別按照粗選、細(xì)選、精選三步驟，逐次推進(jìn)可研、初設(shè)、施設(shè)各個(gè)階段的路徑選取。粗選路徑需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略是線路長(zhǎng)度、曲折系數(shù)、轉(zhuǎn)角度數(shù)、避讓紅區(qū)、居民區(qū)、經(jīng)濟(jì)林、礦區(qū)等；細(xì)選路徑需要增加考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略有地形坡度、冰風(fēng)舞雷區(qū)、采空區(qū)、跨越、河流、道路、邊坡、臨近線路、農(nóng)田、轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)等；精選路徑需要再增加考慮的關(guān)鍵指標(biāo)策略是塔位、斷面、交通、低地等。智慧路徑選擇界面如圖6所示。

圖6 智慧路徑選擇界面

通過采用大數(shù)據(jù)技術(shù)與人工智能等先進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有地理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，建立一個(gè)統(tǒng)一高效的仿真地理環(huán)境，在此環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主智慧路徑規(guī)劃，數(shù)據(jù)管理，資料提取等工作，其中數(shù)據(jù)由統(tǒng)一服務(wù)器進(jìn)行管理。基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化線路路徑選擇及優(yōu)化方案，能便捷高效地改進(jìn)線路路徑設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的智能化水平，減少工程費(fèi)用。

此外，還需進(jìn)行路徑輔助設(shè)計(jì)及優(yōu)化，通過采用人工智能等先進(jìn)技術(shù)突破快速材料統(tǒng)計(jì)及造價(jià)分析、智能交互路徑選擇等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，也可通過人工干預(yù)與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合進(jìn)一步提高路徑設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.3 輸電線路本體智慧設(shè)計(jì)

輸電線路設(shè)計(jì)模型，需要考慮多種氣象條件下的模型形態(tài)及空間距離，在矢量模型建立時(shí)應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)，采用參數(shù)化方式進(jìn)行建模，確保建模工作不增加設(shè)計(jì)人員工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)又能夠針對(duì)模型進(jìn)行各種電氣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)矢量模型的自主智能建立與矢量化電氣量自主智能計(jì)算過程。

輸電線路本體智慧設(shè)計(jì)，主要包含以下內(nèi)容：根據(jù)系統(tǒng)條件及要求合理選擇導(dǎo)線，設(shè)置絕緣配合(圖7)，完成桿塔規(guī)劃及排列(圖8)，優(yōu)化基礎(chǔ)選擇(圖9)，形成三維設(shè)計(jì)成果，一鍵輸出成品。

圖7 智慧絕緣配合設(shè)計(jì)

圖8 智慧桿塔規(guī)劃設(shè)計(jì)

圖9 智慧基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.4 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)一體化及造價(jià)分析

在工程項(xiàng)目本體設(shè)計(jì)完成之后，包括方案、可研、初設(shè)、施設(shè)、竣工等階段，系統(tǒng)自動(dòng)獲取設(shè)備、材料等價(jià)格信息，自動(dòng)套取定額，編制完成估算、概算、預(yù)算、工程量清單等；同時(shí)，同步完成造價(jià)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)技經(jīng)與分析一體化貫通。電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案關(guān)系著電網(wǎng)的建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)全過程和投資效益，起著非常關(guān)鍵的作用。智慧設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及研究，大大提高了電網(wǎng)設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平，使建設(shè)未來(lái)數(shù)字電網(wǎng)、智慧電網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)成為了可能[5]。

4 輸電智慧設(shè)計(jì)平臺(tái)

隨著電網(wǎng)多維度智慧設(shè)計(jì)技術(shù)、人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，輸變電工程設(shè)計(jì)未來(lái)將更加廣泛的采用“人工智能”“專家系統(tǒng)”“智慧路徑選擇”“動(dòng)態(tài)規(guī)劃”、GIS、GIM、BIM大數(shù)據(jù)、虛擬合成成像、圖像識(shí)別處理等新技術(shù)。構(gòu)建實(shí)用化電網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，將“電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)”理念落地化，能夠推動(dòng)電網(wǎng)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，全面提升工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。

基于新技術(shù)融合的全息數(shù)字孿生電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有構(gòu)建真實(shí)虛擬空間的功能，可以完成可研、初設(shè)、施設(shè)等各個(gè)階段的智慧設(shè)計(jì)任務(wù)，能夠貫穿于整個(gè)電網(wǎng)設(shè)計(jì)過程。智慧設(shè)計(jì)成果可以實(shí)現(xiàn)全電子化移交，使數(shù)據(jù)服務(wù)與數(shù)字化智慧電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行。基于強(qiáng)人工智能等新技術(shù)的電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建流程如下：

1)構(gòu)建完整地理信息

利用現(xiàn)有衛(wèi)星、照相、移動(dòng)測(cè)量、地下探測(cè)等綜合技術(shù)，采集工程區(qū)域內(nèi)相關(guān)變電站站址、線路路徑等高清晰度立體地理信息。同時(shí)，可通過移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取站址、路徑附近詳細(xì)地理信息，彌補(bǔ)宏觀信息不足的缺點(diǎn)，從而建立出區(qū)域內(nèi)完整全面的地理信息庫(kù)。

2)構(gòu)建全息數(shù)字孿生平臺(tái)

通過結(jié)合地理信息處理技術(shù)和三維仿真技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，在地理信息庫(kù)上附加地上物、地下物、礦藏、鐵路、公路、電力線等全部關(guān)鍵信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)賦能，形成全息空間數(shù)據(jù)，從而建立完整立體的多維度全息數(shù)據(jù)平臺(tái)，用以適應(yīng)智慧規(guī)劃設(shè)計(jì)的需要。

3)構(gòu)建基于強(qiáng)人工智能的專家系統(tǒng)

結(jié)合建立的智慧知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建可視化的輸變電智慧選線平臺(tái)。輸變電智慧選線平臺(tái)是人工智能專家系統(tǒng)的支撐核心，利用該平臺(tái)進(jìn)行線路智能化路徑選擇，能夠更好地解決現(xiàn)有專家系統(tǒng)存在的問題。該平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是采用獨(dú)立的地理信息構(gòu)建系統(tǒng)，可以高效真實(shí)地還原現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌場(chǎng)景，減少路徑選擇過程中不確定的因素，從而減少設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查的次數(shù)；二是可以對(duì)路徑的選擇進(jìn)行智能規(guī)劃，輸入限定的邊界條件后該平臺(tái)將給出數(shù)條智能路徑選擇結(jié)果，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)路徑的平斷面等重要數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)人員提供多種路徑選擇方案建議，有助于提高路徑選擇的質(zhì)量和效率；三是支持衛(wèi)片、航片、電子地形圖、掃描地形圖、激光點(diǎn)云、傾斜攝影測(cè)量、虛擬成像等測(cè)繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入，有助于提高路徑選擇初期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的便利性。平臺(tái)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，以滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)不同數(shù)據(jù)的管理需求；四是對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的工程進(jìn)行顯示存檔，提供對(duì)相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的自助提取服務(wù)。系統(tǒng)與目前市場(chǎng)上的主流設(shè)計(jì)軟件應(yīng)有效兼容。

通過人工智能專家系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路路徑的智能化、智慧化、合理化選取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程線路路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)過程的進(jìn)一步優(yōu)化。

4)構(gòu)建多維度智慧設(shè)計(jì)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)平臺(tái)

未來(lái)的設(shè)計(jì)概念，就是在同一平臺(tái)上進(jìn)行云霧邊(端)設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)開始，對(duì)電網(wǎng)每個(gè)元件進(jìn)行編碼，形成電網(wǎng)中統(tǒng)一、編號(hào)唯一的代碼，用于電力物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)建。多維度智慧設(shè)計(jì)是指在上下左右前后的多維度空間上[5]，實(shí)現(xiàn)立體旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，通過引入時(shí)間變量以實(shí)現(xiàn)多維度設(shè)計(jì)的理念。線路工程在確定起止點(diǎn)，以及邊界條件后，系統(tǒng)自動(dòng)完成輸電線路路徑選擇、桿塔選擇、導(dǎo)線選擇等，智慧自動(dòng)設(shè)計(jì)并生成出滿足要求的推薦方案，便于設(shè)計(jì)人員選擇；同時(shí)，與工程設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙、數(shù)據(jù)、工程量、估算、概算、預(yù)算等全部信息量也自動(dòng)生成，以供設(shè)計(jì)人員自動(dòng)調(diào)取；實(shí)現(xiàn)立體多維度設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而形成設(shè)計(jì)所需的全部信息。如果某一外部條件變化，系統(tǒng)可以隨時(shí)修改調(diào)整，并重新生成相關(guān)信息及方案。

5)設(shè)計(jì)產(chǎn)品無(wú)紙化輸出和移交

智慧設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全過程多維度智慧完整設(shè)計(jì)，并生成了完整的數(shù)字化成果；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全設(shè)計(jì)過程、全信息的無(wú)紙化輸出與無(wú)紙化提交，這樣可以做到真正意義上的技術(shù)、造價(jià)(技經(jīng))一體化貫通設(shè)計(jì)。圖10給出了造價(jià)部分流程圖。

圖10 造價(jià)部分流程圖

未來(lái)，結(jié)合3D打印技術(shù)，可以在工廠或現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)打印建構(gòu)筑物，實(shí)現(xiàn)全鏈條自動(dòng)化設(shè)計(jì)與制造。

6)設(shè)計(jì)輸出產(chǎn)品合規(guī)性自動(dòng)檢查

智慧設(shè)計(jì)平臺(tái)集成了電網(wǎng)所有的嚴(yán)格策略、規(guī)則、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等，設(shè)計(jì)輸出的產(chǎn)品應(yīng)該是滿足要求、符合規(guī)則的合格產(chǎn)品，也就自動(dòng)分步隨時(shí)完成了各個(gè)階段評(píng)審工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢查與評(píng)審功能。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)計(jì)的全壽命、全過程融合，從而達(dá)到真正意義上的數(shù)字化設(shè)計(jì)。通過將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、評(píng)估、評(píng)審、建設(shè)、調(diào)控、運(yùn)維等更多功能融入其中，可以把設(shè)計(jì)平臺(tái)打造成一個(gè)集電網(wǎng)設(shè)計(jì)、評(píng)審、運(yùn)維等業(yè)務(wù)于一體的綜合服務(wù)平臺(tái)。隨著先進(jìn)的測(cè)量、強(qiáng)人工智能等技術(shù)深度應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，將大大提升設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)計(jì)手段革命性改進(jìn)和創(chuàng)新性發(fā)展，更好地適應(yīng)對(duì)大規(guī)模、高電壓、高水平新型電網(wǎng)建設(shè)的需要。電網(wǎng)智慧設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，將有效助力高質(zhì)量數(shù)字電網(wǎng)及新型電力系統(tǒng)建設(shè)。