输电线路三维数字化设计平台建设与应用研究

熊晓光

(北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120)

当前，数字化技术逐步融入电网设计行业，交互协同设计、三维设计推动电网勘测设计信息化技术不断发展。三维数字化技术应用于输电线路设计工作是当前研究热点，使设计人员能够在三维现场环境中进行相关设计数据的多维度分析、多视角空间校验，提高工作效率和设计质量。部分设计院研发了基于GIS技术的三维线路设计平台，但在数据管理、业务协同、设计模型库建立和应用领域等方面还有提升空间。

本文研究并提出一种以三维数字化技术为核心，以系统数据库和工程数据库管理为基础，以多专业交互协同为主要工作模式的输电线路三维数字化设计平台建设与应用思路，促进设计手段创新，提高设计质量，使设计成果更好地服务于电网建设。

1 平台架构研究

1.1 平台目标

建设三维数字化设计平台的目标是实现输电线路工程勘测设计工作的数据管理规范化、设计过程数字化、设计成果电子化、软件功能集成化。通过信息化技术和海量数据资源，增强电力设计院核心竞争力，不断提高咨询设计服务水平。以设计数据和成果为源头，以为电网企业资产全生命周期管理提供数据支撑及信息化服务。

1.2 平台设计原则

平台设计以集成、开放、兼容为原则，以协同设计业务为需求导向，充分利用已广泛应用的设计手段，采用企业总体架构(EA)，集成专业设计软件，开放二次开发接口，兼容多源数据格式。平台设计引入并逐步转向采用面向服务的架构(SOA)。在软件分析过程中，采用面向对象分析方法(OOA)，使用Rational Rose或EA等计算机辅助软件工程工具(CASE)；在系统设计和建模过程中，采用面向对象的软件设计方法(OOD)，遵守统一建模语言(UML)的标准规范。

1.3 平台架构设计

GIS技术和IT技术是平台的基本技术保障，利用海量数据技术和软件框架搭建方法，实现数据库建设和系统建设。平台围绕电网设计具体业务，遵循可扩展性原则设计。平台分为六个层次，分别是基础设施层、数据管理层、基础软件层、通用组件层、业务服务层及用户表现层。其中，数据管理层、通用组件层、业务层和用户表现层分离，便于扩展系统。系统架构及各层具体内容如图1所示。

图1 系统架构图

2 主要技术路线

2.1 技术框架

平台建设的技术框架主要有四部分，一是三维技术框架，二是二维技术框架，三是数据库框架，四是平台开发工具，如图2所示：

图2 平台技术框架图

三维数字化技术是平台建设的核心技术，平台选择符合电力行业应用的NSC-Globe作为三维技术框架。NSC-Globe是国产新一代三维GIS系统平台，能实现海量多源影像的无缝集成及管理，建立了专业管理海量遥感影像的影像服务器，通过瓦片金字塔技术对遥感影像进行结构优化，实现TB级影像数据的存储管理，进行遥感影像无缝镶嵌与快速浏览发布，加载三维设备模型。

二维技术框架选择ArcGIS系列产品。ArcGIS提供各种控件、对象和工具，支持扩展模块GeoDatabase 编辑功能，提供多种开放的API函数，具有跨平台特性。

采用Oracle数据库实现非GIS的业务数据管理。对象关系型数据库Oracle对海量矢量空间数据管理有独特优势，同时Oracle是以高级结构化查询语言(SQL)为基础的大型关系数据库，用方便逻辑管理的语言操纵大量有规律数据的集合，是目前最流行的客户/服务器(Client/Server)体系结构的数据库之一。

平台开发工具选用Microsoft Visual Studio 2010，是基于.NET框架的完全面向对象的新一代开发工具，具有平台无关性、语言无关性、数据访问高效性、安全性能高、开发快捷、方面等优点。

2.2 关键技术

大规模地形绘制是三维地理信息场景基本表现载体，层次细节技术(LOD)是解决大规模地形实时渲染的有效手段，可以较好简化场景复杂度，减少图形显示失真度，满足三维地形渲染实时性要求。平台采用传统四叉树和LOD相结合的技术，通过将大规模数字高程模型(DEM)进行分块，对块内数据按分辨率的大小分层存储，建立多分辨率、多层的金字塔；客户端根据视点可见集通过网络请求得到规则DEM网格数据，建立地形的三维模型，通过拼接技术组合DEM网格模型构建大规模的三维地形。

2.3 多源海量数据集成、管理与发布

平台数据来源广泛、类型丰富、结构复杂，包括：基础地理数据、电网空间专题数据、三维设备模型数据、设计业务数据等。在数据建库中，最大限度减少数据迁移、整理，以降低数据集成工作量；在数据管理中，采用数据总线集成模式对多元数据进行轻量化、高耦合度的数据存储、在线发布、集成管理，保证数据完整性，提高数据集成性；基于空间四叉树原理，对空间数据进行金字塔构建，并对各类空间数据建立快速索引机制，以文件结构方式存储，对外发布空间数据。

2.4 参数化三维模型自动组装、渲染技术

对可复用类设备，如杆塔、绝缘子等，采用参数化模型自动组装方式，结合空间信息、设备建模属性信息、几何数学模型(弧垂模拟算法)，通过建设设备三维模型库实现整个电网设备场景的自动构建。在保证各类精细电网设备模型不失真的情况下，进行建模、自动裁剪，实现三维设备模型高效渲染显示，提高平台运行效率，优化用户体验。

2.5 基于流式渐进传输技术的模型传输

利用流式传输技术能满足用户对视觉和精度的要求，可减少3D模型下载延时现象。在传输前，先将模型数据处理为结构数据和几何数据，然后通过网络发送给客户端，客户端接收到数据后就可显示出模型的基本轮廓；当视点移近时，客户端请求模型各部分几何数据利用CPM的模型恢复算法将接收到的数据添加到已显示的模型中，达到精细模型渐进化显示的效果。

2.6 专业软件设计成果接口技术

平台需将各专业所用到的业务软件或其输出的成果文件进行接口集成，进一步对成果进行管理、显示，有效保证专业设计成果的有用性。现有专业设计软件及成果文件主要包括：排位软件以及ORG文件、DWG文件、设计院基础配置软件、铁塔软件、相关成果文件、技经专业统计软件或算法。

3 主要业务功能

平台功能分为三大类，分别是：数据组织管理功能、系统基础功能、三维协同设计业务功能。每类含多个子业务功能，见图3。

3.1 数据组织管理功能

平台数据主要为基础地理空间数据、业务数据两大类。其中，业务数据是平台各管理模块所需的各种统计、分析数据，本文重点介绍三维模型数据和设计成果数据。通过合理组织、规范管理将这两类数据集成到此平台中，为三维设计工作提供基础的数据支撑。

图3 平台总体功能

3.1.1 基础地理数据管理

将相关地理基础空间数据录入到系统中，能够实现海量数据的快速加载、渲染。数据主要有：栅格图数据(遥感影像、航空影像、地形图、地质图、地灾图、DOM、DEM及其他扫描栅格图)、矢量专题数据(交通、人口、行政区划、污区、覆冰、系统规划、水文站、气象站、控制点等专题矢量图)、调绘数据(军事区、保护区、机场控制区、风景区、矿区、地灾易发区、重要交叉跨越、点状地物等)、元数据。为保证数据快速加载及渲染，采用金字塔的结构进行处理，并采用线性四叉树的索引方式对生成的金字塔层级块进行索引。通过配置文件实现此类数据加载。

3.1.2 三维模型库管理

在平台内建立电气、结构等方面的三维模型库，以预览方式向用户展示，能够根据属性参数进行集成单元设计，可在三维场景中实时加载单元设计成果。模型库支持AutoCAD、MicroStatoin DGN等格式，主要模型有：通用模型库、导地线型号参数库、金具绝缘子串组件库、杆塔库、基础库等。

3.1.3 设计成果管理

以工程为单位对设计成果进行统一管理，便于专业间的协同配合，实现设计成果数字化积累、复用和移交。设计成果包括：测量成果、地质成果、电气成果、结构成果等。

3.2 系统基础功能

本平台基础功能是二三维GIS功能，能够在各分辨率影像和数字高程模型(DEM)上建立的精细化三维场景中，对输电线路、杆塔等对象进行真实三维模拟，实现三维设计业务功能。本文重点介绍三维GIS基础功能。

3.2.1 三维全景展示及漫游

支持栅格数据(卫星、航空影像)、矢量数据(点、线、面要素)、DEM、地名数据、三维模型的快速、高效数据调度及可视化显示及操作。具体为，在利用专业软件进行切片处理的影像数据、DEM数据的基础上生成三维场景，影像数据根据视点高度分级进行显示；根据需要选择加载基础专题数据、三维模型数据；同时，服务器端存储影像数据和DEM数据，客户端实时下载各数据；可按指定的路径和漫游工具进行飞行漫游、视频录制。

3.2.2 三维空间分析

在高精度DEM基础上，对地理对象的位置和形态特征的空间数据进行分析计算，提取、传输空间信息。通过空间检索模型、空间扩散模型、网络分析模型、统计识别模型、图形运算模型等空间计算模型，对地物、地貌、三维模型进行距离、面积、高度量算，实现基于地形的通视分析、流向分析、淹没分析、土方分析、剖面分析、坡度/坡向分析、填挖方分析、缓冲区分析等功能，为设计人员提供三维空间分析工具。

3.2.3 三维模拟分析

结合空间位置、空间分布、空间形态、空间距离、空间关系等三维空间分析方法，对线路、杆塔相关的分析统计操作进行三维仿真模拟，直观准确地表达分析统计结果，便于设计人员查看、校核、汇报等工作的开展。通过设置相关参数，即可进行线路弧垂模拟、不均匀载荷模拟、风偏模拟分析、交叉跨越分析、快速线路规划、电力走廊统计等六类工作。

3.3 协同设计业务功能

协同设计业务功能主要由工程项目管理、路径(选线)设计、电气设计、结构设计四部分主要功能组成。

项目管理主要实现输电线路设计工程的新建、编辑和删除等操作。每一个设计成果的所有内容(包括：模型、属性数据、电力业务数据等)均由一个项目调用和管理。删除一个项目表示将该设计工程所涉及的所有资料进行清除。

路径(选线)设计主要实现基于二、三维联动的输电线路选线。主要进行线路路径选择和外业调绘资料录入，输出结果是路径图、平断面图、路径统计分析报告等。本功能主要包括路径方案管理、地理信息抽取、气象资料抽取、重要控制点设置、自动方案初选、调查标绘、路径编辑、路径穿越区域统计、工程量计算、技经提资单输出、路径方案及平断面图导出。

电气设计主要实现杆塔规划、优化排位、电气校验等功能。利用系统数据库中建立的杆塔库、导地线库，并结合路径设计的资料成果，电气专业首先可以开展杆塔规划和导地线选型，提出符合工程实际塔型规划表，选定所需导地线型号、分裂数和各项参数。第二，可开展优化排位，电气设计功能提供了手工排位和自动优化排位两类操作方法。手工排位由设计人员根据规程规范、杆塔使用条件、地理条件和其它限制条件进行手工排位；自动优化排位，由平台根据杆塔材料量、杆塔使用条件、地理条件和人工设定的其它条件进行自动优化排位。两种排位方式都可将排位结果进行线路三维模拟。第三，电气设计还提供了丰富的电气计算和电气参数校验功能，如导地线张力弧垂表、导地线张力架线弧垂系数表、导地线配合曲线表、导线换位校验、相序图生成等。电气设计的成果主要是电气明细表(杆塔明细表)、平断面图等，这些数字化成果将通过系统直接为结构专业提资。

结构设计主要实现杆塔结构生成、基础结构生成、塔基地形图、塔基断面图等功能。结构设计功能集成TTA等主流杆塔结构计算软件，开展杆塔结构计算和设计，并将计算结果自动转换为三维杆塔结构。结合电气提资，地形地貌资料，开展基础设计，并生成塔基地形图和塔基断面图。结构设计向电气专业提供数字化结构设计成果，供电气专业更新绘制平断面图和进行电气校验。

4 结语

本平台是一个以信息化、可视化手段辅助设计人员进行线路工程设计工作的软件系统，具有全局统筹分析、细节精益设计的特点。平台建立了三维线路场景和三维建模数据库，通过设计数据驱动与共享逐步实现设计流程的数字化，借助三维技术实现设计成果的精细化，推动多专业模型级的协同设计，基本实现了线路设计由二维到三维的转变。但是，平台在电气设计、结构设计等方面提供的设计功能、计算工具有限，下一步还需深入研究电气设计和结构设计的高级专业功能，并完善加强多专业的协同工作，如力学计算、电缆工程设计等专业，实现多机多用户的异步协同设计，实现线路三维设计工作的智能化、协同化和集成化。

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