基于AR技術的地下電力管線三維可視化應用

馬曉蘭，王東源，諸正彥，王裕東，邊琳琳，吳辰斌

（國網上海市電力公司電纜分公司，上海 200072）

隨著現代化進程的發展，我國電力需求快速、持續增長，城市電網配置也不斷從架空線供電網向電力電纜供電網轉變。如何將地下電力管線的各類測繪數據精準、高效地運用到現場工作中，提升地下輸電電纜的運維管理能力逐漸成為上海電力公司的工作重點。近年來，上海電力公司開發了多個數據平臺來整合這些數據，但展現出來的效果仍然是二維平面圖形，通過圖紙的形式呈現，精確度低，可視化程度差，地下電力管線的埋設深度未能體現，極易出現外破事故。同時，在進行地下管線交底時，通過圖紙的相關要素來判定電力管線與地表地物的相對關系誤差很大，難以做到精準定位；在搶修工作中，運維人員經常無法快速精準定位地下管線位置及深度，使得GNSS放樣等先進的定位技術無法應用，存在一定的局限性。因此，本文研究了一種精確的地下管線三維可視化應用，提高了運維人員的工作效率和管理水平，進一步推進了上海電力公司數字化電網轉型工作。

1 電力管線三維可視化設計

目前，上海公司業務運營管理中臺數據已經正式上線運行，但仍停留在原有的紙質或者二維地圖的層面，對龐大的數據量的挖掘仍有局限性。因此，本文將重點在如何利用中臺數據滿足基層業務需要方面提出一種較為新穎的數據利用方向，實現地下電力管線的精準定位及三維可視化。

1.1 三維可視化設計思路

本文從數據梳理、三維建模、AR應用三個部分，以中臺數據為基礎結合跟測數據、設計數據、建模要求進行數據融合，利用Revit專用建模軟件對電力管線進行三維建模并掛接相關屬性數據，借助AR應用軟件及定位設備，實現AR技術在電力管線日常巡視、電力管線交底、電力管線故障搶修中的應用。

1.2 數據源及預處理技術

數據主要來源于業務運營管理中臺，從數據梳理的角度主要分新增和既有電力管線兩類數據。對于新增電力管線，從中臺提取點位、線性數據及屬性數據，并同時要求外業跟測時增加邊界和高程數據，結合設計數據進行三維建模；對于既有電力管線，應從已有跟測數據中提取關鍵點位坐標和標高數據，結合設計資料推算電力管線的平面和高程邊界，對于無法推算或者推算中存在矛盾的數據須現場進行物探校核，確保電力管線平面和高程邊界準確無誤后進行電力管線的三維建模，具體數據流程如圖1所示。

2 三維建模

本文主要應用Revit參數化建模方法實現底線電力管線的三維建模。根據電力管線敷設的形式可將電力管線分為直埋、排管、隧道、非開挖頂管等類型，因上海公司超高壓管線多數采用排管形式敷設，所以本文主要研究排管敷設方式的管線三維建模。排管敷設的電力管線按圖2所示流程建進行建模。

2.1 構筑物的建模

新建工井公制常規模型族，根據工井平立剖圖紙尺寸畫出構件形狀并拉伸高度，建制工井墊層、底板、頂板、井壁、井蓋模型，對模型尺寸添加可變參數，根據圖紙尺寸，新建空心拉伸用于裁剪井壁，生成電纜空洞。再根據中臺數據及其他輔助數據推算出管道方溝頂面中線，在CAD中以3Dpl線繪制，在Revit新建項目文件，將CAD線型導入項目中，利用放樣的形式，根據圖紙中方溝標高、尺寸、形狀、走向等放樣出方溝模型。最后根據圖紙尺寸建立公制常規模型族，利用拉伸放樣等形式創建支架模型，并放置于工井，調節支架位置和支架間距，生成支架族模型，如圖3所示。

2.2 電纜的建模

電力電纜采用軟管的形式建制模型，根據支架位置設置電纜節點，兩節點間增加一個頂點，作為電力電纜弧形敷設形式的拉伸點。

2.3 模型的碰撞檢測、查漏補缺

因建模工作大多數在一個工作集且多人協作完成，最終輸出模型前需要對模型進行空間拓撲關系檢查，防止模型存在疊加、交錯、脫節等現象。

2.4 電力管線及附屬物屬性錄入

根據業務運營管理中臺的電力管線的屬性信息結構在建模軟件中創建屬性表，將中臺電力管線屬性逐一錄入。

3 坐標系轉化

由于建立的電力管線三維模型坐標與最終AR展示所用GNSS定位設備使用的坐標存在不同，因此需要經過坐標系轉化來實現最終的AR應用。

3.1 布爾薩模型建立WGS-84與模型地理坐標系的轉換

電力管線的模型一般是基于上海城建坐標系或者國家2000坐標系，而GNSS定位設備基于WGS-84坐標系，要使物理世界、GNSS設備、電力管線的模型實現融合，必須求解坐標轉換關系，布爾薩模型是最經典的求解方法。要想將兩坐標系完全重疊，會產生3個平移分量、3個旋轉分量以及尺度因子，通過一定的點對求解方程：

得到兩坐標系轉換的參數。

3.2 曲面擬合建立WGS-84橢球高與吳淞高程系統的轉換

因最終AR展示時需要用到基于WGS-84系統得GNSS定位設備，其高程是采用大地高（橢球高），而上海地區正常使用是正常高（吳淞高程），同一點存在高程異常，并隨經緯度變化而變化，詳細如圖4所示。要使GNSS定位設備、電力管線三維模型、物理世界等三者統一，必須建立水準模型，將三者納入統一的高程系統。

大地高（h）為地面點沿法線方向到參考橢球的間距；正高（H）為地面點沿重力方向到大地水準面的間距；高程異常（N）為似大地水準面到參考橢球面的間距；大地高、正常高、高程異常關系式：

求解兩個高程系統的關系一般通過高程系統擬合來實現，高程系統擬合方法很多，根據現有相關規范一般采用曲面擬合，其完整公式如下：

一般小范圍內地形起伏不大，取公式(3)的前三項進行平面擬合即可，本實驗選擇試驗段范圍較小，且上海整體起伏不大，平面擬合完全可以滿足本實驗的精度要求。在本實驗段周圍選擇3個以上點WGS-84坐標（根據實驗區域的大小選擇點數）在上海市測繪院平臺上求解相應的吳淞高程，并建立以下回歸方程：

當公共點大于3時，按間接平差原理

其中，

計算方程反求系數：α0、α1、α2

建立擬合面方程:

內插GPS點高程異常值ξi

計算GPS正常高：

4 結語

綜上所述，基于AR技術的地下電力管線三維可視化應用將改變傳統二維紙質電力管線測繪及展示方式，為地下電力管線向智能化方向發展提供了一種可行方式，實現了物理世界、電力管線三維模型及GNSS位置信息的融合，可在電力日常巡視、現場電力管線交底、電力管線故障搶修等方面進行實際應用，使電力管線與地表地物相對關系一目了然，避免之前因地表高程變化導致管線埋深有誤的情況發生，準確定位出電力管線的故障點，提升地下電力管線運維可靠性，提高供電可靠性，減少故障次數與故障時間。