三维建模技术在电网工程中的应用研究

王庭松

( 广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

电网对象三维模型的构建与组织是决定电网三维GIS系统建立的根本，其对系统效率、数据库管理及可视化调度都起着基础性决定作用。本文结合相关工程经验，力图从电网三维建模技术方法入手，提出一整套满足行业应用需要的建模约束条件和构建方法，从而服务基于三维地理空间的电网信息化建设与管理。

1 电网三维模型的粒度划分

电网三维模型的应用需求因使用阶段或专业不同，存在较大的深度差异性。汲取传统数码城市建设的相关技术方法，即为了控制场景的复杂程度并加速三维复杂场景的实时可视化描绘，采用多细节层次(Levels of Details，LOD)的建模方法，结合电网三维模型从大场景展示、辅助设计施工到运行维护等不同阶段的应用深度差别，基于电网三维对象的设备组织关系，本文提出了将电网设备三维模型的粒度分为三个层级：即工程级模型、重点部件级模型、全设备级模型。以数据内容、几何精度、贴图精细度、视觉效果等几个因素作为模型分级的主要依据和标准。

具体而言，将电网三维模型的粒度从完整性及精细度两方面进行描述。模型完整性是指该级别的应用场景中包含的电网设备的范围，模型完整性越高，模型所表达的设备种类就越多；模型精细度是指每个模型本身的精度程度，主要从模型几何精度、模型面数、贴图精度等方面来表现，模型精细度越高，单个模型越接近设备真实的外形和颜色。下面分别从这两方面描述模型粒度划分的各级别详细要求。

1.1 模型完整性

模型完整性描述了电网设备在不同层级应包含的所有相互依存、构成及展示的要素。是从必要性组成的角度对电网模型进行建模约束。它能客观真实的反应各级别模型的组成情况，并清晰的体现各子对象的类别、数量等信息。如针对重点部件级模型，一般需求为管理、展示电网整体中的关键性、决定性设备，如架空送电线路的绝缘子片等。因此，设计重点部件模型的完整性基本特点表现为：重点部件结构准确、贴图清晰，满足运行应用中的对应模型可视化要求。

图1 重点部件级杆塔绝缘子模型效果图

如图1所示，重点部件级的杆塔模型，对绝缘子进行单片(单节)建模，以达到可视化、管理的需求。而对角钢等部件则采用程序建模，无需区分子对象，从而满足该级别模型的快速、准确构建要求。

1.2 模型精细度

电网模型的精细度从几何、纹理、属性、拓扑关系等多方面的细节程度来描述和约束构建过程。几何方面，通过约束计量基本单位、模型整体比例、模型面数等来控制电网模型的不同级别要求；在纹理方面则利用贴图质量、光影效果来描述；属性与拓扑关系方面，建立不同深度的属性描述信息集和拓扑关系表，表达模型的非空间信息精细情况。如针对要求最高的全设备级模型，模型精细度上要求其制作的系统单位使用“毫米”。模型尺寸、模型各部分比例、设备的倾斜角度、倒角厚度等严格按照设计图的要求进行制作。模型面数多，能准确表现设备结构，贴图清晰，采用512×512、1024×1024等级的贴图，清晰表现设备细节。

2 模型数据组织与编码方法设计

三维电网模型具有数据量庞大、结构复杂、属性信息丰富、设计参数各异等特点，因而必须建立高效、灵活的模型数据组织及编码。结合广东省电网相关系统研发及规范编制等经验，立足华南多条输电干线网三维建模实践，本文设计并实现了一套完备的组织编码方式。

2.1 模型组织

结合电网建设及运行维护需要，电网设备三维模型制作的成果采用对象文件方式进行组织存储，每个设备对应一个模型文件，即将设备模型按照“公司及子控制区对象类属电压等级工程名称设备类别设备模型文件”的方式进行组织。组织结构见图2。

图2 模型数据组织结构示意图

上述数据组织等级中的前5级的等级划分，分别描述了电网工程类别、电压等级、工程项目以及设备类别：

一级文件夹以公司名称+子控制区(供电局)名称命名，并区分为输电工程、变电工程等分类。

设备类别级文件夹以电网公司的设备类别编码表中的“功能位置类型”字段命名。

模型制作单位以工程为单位提交模型数据，工程中的模型文件以模型对象编码命名，每个模型与场景中的对象一一对应。对于有多种状态的设备，如刀闸，它的开启、闭合等不同状态会对应多个不同的模型，此时多个模型命名规则为：“模型对象编码_设备状态编码”，设备状态编码由具体的应用增加相关细则。

模型制作单位在实际操作过程中，对于可重用的模型，建议使用模型库的管理方式，参考本规范中三维模型编码规范的方法进行编码，方便模型的管理与应用。

2.2 模型编码设计

考虑到三维模型与既有电网运行管理系统的无缝接口等关键问题，电网模型编码设计必须遵从统一的电网设备编码规范。设计电网模型是由多级码段组成。每一级码都有自己固定的格式，互不相同，但都是由分类编码元素和编号编码元素组成。编码同时包含对象类属、设备类别、模型精度、物理设备序列码、三维模型序列号的码值。本文根据上述思想，设计提供了三维模型对象编码，用以唯一标识场景中的三维模型对象。其编码方法见图3。

图3 模型编码结构图

图3中，第一段：1位字符代码。代表对象类属，如“Z”为资产。

第二段：4位代码，第一位字符码表示为设备大类，第二、三、四位数字码为设备类别序列码。该编码与电网公司设备台账设备类别编码一致。

第三段：10位数字代码，代表物理设备序列码，与该设备在现有电网设备台账管理系统中的物理设备序列码相同。

第四段：1位字符代码。代表三维模型精度。

第五段：8位数字代码，代表三维模型序列码。

根据上述组织及编码方法，即可高效、合理的对电网三维模型进行精确管理及灵活应用。

3 电网三维模型制作方法

分析总结通用三维模型的构建方法，结合电网设备的特殊性，根据电网三维信息化管理系统的相关研发经验，本为归纳出电网三维模型制作流程主要可分为工作大纲编审、数据资料准备、模型制作及成果的检查与验收等关键步骤。

3.1 模型制作流程分析

首先，根据规划设计导出的对象清单以及资产管理系统的台帐信息生成设备清单，制作人员依照设备清单进行数据的采集与处理，三维制作人员依据处理后的数据进行相应模型、贴图、灯光的制作。待渲染效果确认后方可进行烘焙工作。之后再针对不同的可视化平台的要求，进行模型贴图通道的调整。依据设备清单进行模型数据的整理。最后由专家组检查与验收，依照评分标准不合格的模型需返工，合格的模型最后进行数据的提交与备份。其流程方法与相关数据内容见图4。

图4 模型制作流程图

3.2 三维建模技术方法分析

具体而言，电网三维模型的制作方法，可根据搜集资料与操作方法不同，大致分为如下两类：

3.2.1 基于二维设计成果的逆向三维建模

基于二维设计成果的三维建模方式是目前电网三维信息化较为常见的技术手段。其设计成果是在二维CAD等平台中设计完成后，利用3D MAX等三维图形学建模软件构建三维电网设备及其场景。该方法可以让后续的运营维护者直观认识设计思想和电网设计成果的三维显示效果，但其可视化成果的组织与管理的对应之间存在明显缺陷。

3.2.2 三维信息化协同设计

伴随着数字化电力建设相关技术的飞速发展，三维信息化协同设计逐渐进入了铁路、电力、石油等高端设计领域。

以往的三维设计成果管理停留在杆塔、变电站一级，设备管理粒度较粗。通过对三维设计成果的数据组织和管理方案设计，将模型拆分成独立的物理设备和部件存储在数据库对以的设备对象表中，各设备之间的上下级连接关系存储在组装关系表中。通过读取组装关系表可以将物理设备、部件组装成一个完整的设备，通过组装关系还可以实现设备相关资料的连接，设备相关资料存储在数据库的资料表中。

4 基于地理空间的电网三维模型应用

4.1 电网环境三维高效可视化展示

利用本文所述的电网设备三维建模理论与方法，可批量生产出地理空间的电网对象三维模型，从而构建电网全生命周期的真三维环境，对三维可视化表达提供基础数据支撑。

利用电网三维模型，可还原设计成果的地理空间状况，逼真表现电网设备对象的现实情况，从而辅助实现高效、直观的三维可视化表达。

4.2 电网设备精细化管理

随着电网管理准确性的不断提高，在三维空间中对电网设备进行精细化管理逐渐成为研究和应用的重点。电网三维建模紧密结合电网规划、设计的各种数学计算与设备组成，充分体现了各设备对象的空间位置、尺寸和拓扑关系等内容，可与各设备的在线监测等管理应用无缝连接，从而辅助电网运行与维护，提高电网管理的技术水平。

5 总结

电网三维模型构建是一项复杂而专业性极强的工作。本文结合工程实际经验，创造性的提出了电网对象模型构建所涉及的关键内容，包括模型粒度划分、对象组织与编码等，并结合实践对其多角度应用进行了积极研究和讨论。是对电网对象全生命周期管理的一次全新尝试。尽管现有技术方法尚不能完全满足电网三维信息化管理的需要，相信随着计算机技术、测绘技术等关键技术的不断提高，电网三维模型构建及其深入应用必将成为未来电网建设和管理的重要方向之一。

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