输变电GIS系统中电力线路要素模型库的建立

兰 蕊，刘旭生

(1.忻州师范学院计算机系，山西忻州034000；2.山西忻州供电分公司，山西忻州034000)

随着电网结构的日趋庞大、复杂，智能输变电系统的建设已成为我国电网建设的重要任务，由于传统的输变电设计方法落后，缺少智能的输电线路数字化设计软件的支持，在适应现代电网发展过程中出现一定的局限性,减缓了电网建设的速度。基于GIS的输变电设计系统很好地弥补了这一缺陷，不仅能够实现输电线路选线规划设计，而且能够实现线路的全景仿真和三维巡视，输变电GIS三维可视化实现的基础之一是建立电力线路要素模型库，本文综合电力部门输变电规划设计的业务需求，为每一类设备设计相应的三维模型，建立电力线路要素模型库。

1 模型原型

所谓模型原型,就是将输电设备、杆塔、绝缘子、输电线以及它们不同的组合方式作为一个个单独的静态模型原型，使用3DMAX可视化建模工具根据根据实际设备按比例进行建模[1]。电力线路要素模型本身结构比较复杂，有些甚至要进行组合构造。以杆塔为例，不但每个杆塔的高度、塔头有差别，而且其包含的绝缘子也会根据杆塔的类型、方位、旋转角度甚至与其它杆塔的关联性而有不同的表现方式，本文根据电力部门的业务需求，基于各种电压等级的输电线杆、线塔、变电站等电力设施的全景照片和局部纹理，在系统中主要创建了以下模型原型：

1)35KV垂直绝缘子[776-03,772-01,779-00]；

2)35KV水平绝缘 [7719-01,7718-01,7713-01];

3)110KV垂直绝缘子[1B-ZM1(24M),1B-ZM2(30M),1B-ZM3(36)];

4)110KV垂直绝缘子[1H-SZ1(24M),1H-SZ3(24M),2F-2M3(36)];

5)110KV水平绝缘子 [1B-J1(24),1B-J2(24),1B-J3(24),1B-J4(24)];

6)110垂直绝缘子 [1H-SJ1(24),1H-SJ2(24),1H-SJ3(24),1H-SJ4(24)];

7)220KV单回路[2C-J2,2C-JC4,2C-ZB3,ZCZM2,ZC-ZMC2];

8)220KV双回路 [2F-SJ1,2F-SJC1,2F-SZ1,2F-SZC1,2F-SDJ]。

2 建模工具

模型的建立使用3DMAX进行原型创建，在实际运行过程中使用OSG做为底层的渲染基础框架，根据场景动态的加载或卸载每个模型实列。

1)Open Scene Graph(OSG)是一款高性能的3D图形开发库。 广泛应用在可视化仿真、游戏、虚拟现实、高端技术研发以及建模等领域[2]。使用标准的C++和OpenGL编写而成，可以运行在 Windows系列、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、AIX以及FreeBSD操作系统，以插件的架构为扩展体系，支持大量的模型格式加载，渲染。

2)3DMAX是Autodesk公司出品的最流行的三维动画制作软件，它提供了强大的基于Windows平台的实时三维建模、渲染和动画设计等功能，被广泛应用于广告、影视、工业设计、多媒体制作及工程可视化等领域[3]。

3 建模流程

考虑到模型在场景中的变化主要是位置变化，因此本文中结合面向对象的思想，提出了动态模型实列的概念。

所谓动态模型实列，就是根据在二维GIS系统中标出的每个模型的方位信息、类型信息，根据这些信息结合模型原型库为每个静态模型原型创建动态实例，这里充分的利用了面向对象的思想，动态模型实列使用OSG做为底层的渲染基础框架，根据场景动态的加载或卸载每个模型实列[4]。

由于每条输电线路可能绵延几十甚至几百Km，如果整条输电线路使用三维模型显示，涉及到的场景过大，需要大量的运算及内存，目前的计算机技术无法实现，由此本文中提出了使用分页加载渲染的方法。

1)分页加载原理。根据输电线路在二维GIS系统中的方位信息，把每条输电线路拆分为很多小的块，比如按5 Km拆分为1段 (可以根据实际情况修改)，这些分段信息是动态拆分的，是根据屏幕的显示进行的，以屏幕中心为原点(在大地坐标系中的坐标)，两边各截取2.5Km，根据计算出来的点信息，从数据库中选取线路信息。由此每次只需要渲染部分的线路信息，保证了系统性能。

2)分页加载实现。为保证系统能够流畅的进行显示，以及系统资源的稳定，使用了多线程、缓存和预加载技术，系统运行中使用一个独立的线程根据当前的方位信息，预先加载下一次可能需要加载的块，把加载的块信息缓存起来，系统渲染的时候先从缓存中读取信息，如果缓存没有则需要实时加载[5]。缓存中可能会存放很多的块信息，造成了内存的负担，为了保证内存不被浪费，使用了LRU算法 (最近最久未使用算法)，使用一个独立的线程检测缓存，把最近最久未使用的内存块释放掉。

具体的建模流程如下：

(1)使用二维GIS系统中规划线路，标出线路上每个设备的方位信息(设备在大地坐标系中的坐标)、类型信息，存储到关系数据库中。

(2)使用OSG将每个动态模型实列根据模型的方位信息、类型信息，在三维模型中动态渲染，从而生成最终的三维模型。最终建立的部分模型如图1、图2所示。输变电GIS系统中杆塔模型选择如图3所示。

图1 35KV垂直绝缘子(772-01)

图2 220KV双回路(2F-SDJ)

GIS系统在每次渲染一条线路的时候，都需要根据当前的方位信息，从数据库中读取设备信息，然后利用读取的设备信息生成三维模型，再由渲染引擎把模型显示出来。由于三维模型只需要在第一次的时候进行生成，存入文件数据库，以后直接使用就可以了，因此系统在运行过程中首先判断当前的模型是否生成。如果生成直接从文件数据库中加载，需要根据方位信息以及线路是否发生改变来判断。这样每次在渲染三维模型的时候，就省去了动态创建模型的步骤，大大提高了系统的性能。

图3 杆塔模型选择窗口

4 数据存储

1)每个模型文件使用OSG标准的模型格式(ive)，IVE格式是OSG自己定义的一种二进制场景格式，优点是可以保存几乎所有的OSG场景信息(模型、纹理、状态、动画、着色器代码等)，并且采用二进制格式，体积小于与之功用相同的。OSG文件；而且OSG支持当前多种模型文件转换为IVE模型格式。

2)使用关系型数据库记录存放模型的方位信息以及每个模型的类型，高度，模型等基本信息。

3)使用文件数据库存储所有的静态模型文件。

4)模型文件可以使用文件数据库或者文件系统存放。如果使用文件数据库，则使用数据库提供的插入方法把模型文件加入到数据库中，如果使用本地的文件系统，只需要把模型文件拷贝到系统指定的目录中。

5 结论

电力线路要素三维模型库的建立是输变电设计数字化中不可缺少的一部分，本文给出的模型库的建立方法，在实际中已经取得应用，GIS系统能够直接从模型库中调用线路杆塔模型，实现了输电线路的三维全景仿真，对于输电线路规划设计起到了良好的作用，减轻了设计人员的负担。

[1]肖鹏，刘更代，徐明亮.Open Scene Graph三维渲染引擎编程指南[M].北京：清华大学出版社，2009：2-16，54-75.

[2]刘正旭.3dmax8 vary家居渲染实例详解[M].北京：中国青年出版社，2009：2-15，62-78.

[3]朱庆.三维动态交互式可视化模型[J].武汉测绘科技大学学报，1998，23(2)：124-127.

[4]Gottschalk S.Collision Queries sing Orienteed Bounding Boxes[D].Department of Computer Science,University of North Carolina,2000.

[5]Monteiro C.Ramirez-Rosado I J.GIS spatial analysis applied to electric line routing optimization.Power Delivery[J].IEEE Transactions on,2005，20:934-942.