三维建模在线路施工图设计中的应用

2018-05-06崔艳军张瑞永

电力勘测设计 2018年4期

崔艳军，张瑞永，陶刚

(1．北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120 2. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211102)

输电工程三维设计能够让人们更加直观、形象地认识、理解地理和输电线路信息，可以向用户展示出输电线路和走廊的真实地形与地貌，便于设计人员在设计初期了解和掌握路径现状，科学合理地进行送电线路路径选择和优化。基于三维地物，通过在三维场景中对杆塔进行排位优化，可进行交跨物、线路走廊等三维电气距离校验，从而改善传统作业方式，提高设计的精益化水平和工作效率，提高了设计速度、设计水平和设计质量。

国内的电力设计院广泛采用道亨SLW软件并基于二维模式进行数据采集和处理，在输电三维设计系统上无法有效使用这些外业勘测成果，基于现有的设计资料进行三维建模困难；同时杆塔排位成果无法有效转换为道亨SLW软件需要的数据格式，难以满足数据提资和对外接口的需要。本文在输电三维设计系统的基础上，找出一种兼容原有的勘测设计资料，技术先进、建模自动化程度高的施工图设计和三维地物建模方法，并结合滇西北至广东±800 kV特高压直流输电工程的施工图设计工作进行工程实践。

1 设计流程及技术路线

1.1 设计流程

在传统的工作模式的基础上，基于输电线路三维平台，根据三维协同设计的需要，提出了一种基于SLW软件接口的施工图三维地物建模。由以下几步组成：

(1)在初步设计线路路径的基础上，利用卫星影像数据在线路三维平台上进行线路路径调整优化。

(2)将航飞获得高精度的影像和高程数据入库，对线路路径进行精确调整。

(3)对线路路径进行多专业评审，明确线路路径方案和主要的设计原则。

(4)根据影像高程数据和线路路径，在三维平台上自动提取出路径中心、边导线各点的高程信息，生成线路平断面图。

(5)进行杆塔初步排位，获得终勘前的平断面定位图。

(6)现场终勘定位，确定直线塔、耐张塔塔位，对路径中心、边导线、风偏验算各点的高程进行现场复核，并对现场地物进行实测。

(7)在三维场景中进行地物距离校验，确认塔型呼高，进行杆塔基础设计、电气计算和附件配置等，完成设计成品的出版。

1.2 技术路线

基于实际工程的应用，为有效利用道亨SLW软件的数据成果，提出了在上述步骤(6)、(7)间增加可利用现场采集成果或现有资料，生成SLW软件格式的勘测文件，并利用线路三维平台对SLW软件格式的勘测文件进行自动解析，生成线路三维平台数据文件并联动生成三维地物，形成一种新的施工图作业模式，适合于施工图设计阶段工程的应用，系统的流程见图1。

图1 适合施工图设计阶段的新模式流程图

2 主要工作方法

2.1 三维地形建模

Skyline软件是一款强大的三维展示平台，它提供给开发者很多开发接口，可以很方便的为我们所调用，实现三维地物的建模。利用Skyline 的三维平台，集成各种影像数据、高程数据、矢量数据，以及与电力线路设计有关的专题数据，建立一个真实的三维交互式现实环境，为电力线路选线提供三维地理信息平台。

(1)获取测量现场踏勘获取的航飞影像和DEM数据并进行坐标纠正；(2)将影像数据、DEM 数据及矢量数据添加到Terra Builder中，并且利用其提供的数据处理工具对原始数据进行裁剪、调色等处理；(3)将影像数据和DEM数据进行融合；(4)生成三维地形文件，然后在三维中进行加载。

2.2 SLW文件解析

2.2.1 SLW文件说明

道亨SLW软件处理导出为ORG、TA、IND等文件。ORG主要用来存储平面地物，它基于累距、偏距来表达，使用测量方法如b、0、L等来表示测点，通过每行的连线编码来代表地物类型；IND文件主要用户存储地物的标注信息，由一系列描述地物信息的列组成，每列表示一个地物标注，TA文件存储排位的杆塔、串、导地线信息，每一行有定位桩名、杆塔塔型、金具型号、地线类型、绝缘子串等组成。

2.2.2 解析建模原理

SLW文件解析原理是将基于累距和偏距格式的数据转换为基于地理坐标格式的数据，将解析后的数据加载到输电三维设计系统的CAD排位模块，进行杆塔排位并将排位结果同步到三维中，然后在三维中对数据通过不同模型或样式来渲染，以达到模拟现实的真实地物场景。解析原理见图3。

图2 SLW文件解析建模原理

2.3 三维地物建模

2.3.1 平面地物建模

平面地物包括房屋、水系、独立地物、交叉跨越、道路、植被、地类界等。需要逐类进行解析，根据ORG解析后获取到各类地物文件，在三维中进行各个地物的建模。

(1)房屋解析

对于房屋，根据房屋的位置、房屋高度和房屋结构进行三维建模，在三维中通过房屋的坐标绘制房屋的位置，通过房屋高度来将房屋立起来，并根据房屋结构和纹理文件对房屋样式进行渲染。在ORG文件中，房屋分为一点测边线房、2点房、3点房、5点断面房等几种类型。分别以测量方法t、l、L、x表示，以一点测边线房t为例，解析步骤如下：①根据房角点号，在ORG文件获取到该点的地理坐标；②根据房左边长和房右边长和房斜角计算剩余3个点的位置，由此构建出房屋；③将房屋高度存储到房屋的属性字段中；④三维中获取到该房屋的坐标和房屋高度，然后创建三维对象；⑤查找对应的纹理文件进行贴图。

(2)交叉跨越解析

交叉跨越主要包括各电压等级电力线、通信线、地下电缆和地下光缆等。以220 kV电力线为例，解析步骤如下：①在ORG文件中，220 kV电力线通常有一系列的点组成，首先遍历ORG文件获取到220 kV电力线所有测点的集合；②将集合中的每个测点转为地理坐标；③根据测点先后顺序和编码建立每条线电力线；④根据交叉跨越规范符号库在三维中进行渲染展示。

2.3.2 输电设备解析

输电设备包括塔、悬垂串、导地线等，需要经过立塔→挂串→绘制导线、地线。

(1)立塔

需要考虑杆塔位置、杆塔使用塔型、杆塔角度等三个方面：

①通过TA文件的累距和与定位桩名偏差距离获取到每个杆塔的位置；②将杆塔的位置转为地理坐标；③在三维中创建三维杆塔对象；④根据TA文件中的杆塔型式和呼称高，从三维设计系统中模型库查找到对应的三维模型(.x格式)来表示杆塔；⑤通过TA文件中的转角角度来调整杆塔的姿态。

(2)挂串

对于在杆塔上挂串，分为直线塔和耐张塔，直线塔挂串，是根据TA文件每个杆塔的对应的串型和对应的三维模型直接挂上即可。而对于耐张塔，通常是经过跳线设计后串的姿态会根据不同工况发生变化，线路三维实现的时候，需要经过一个中间文件来进行交互，这个中间文件会记录每根跳线的K值、档距、串相对于杆塔的挂点，使用的串型等，然后以下计算公式来实现：

其中：

式中：l为档距；h为高差。

(3)绘制导线、地线

导线跟地线绘制原理一样，从TA文件获取到杆塔挂线点与地面距离和导线K值，根据抛物线公式来计算导线上每个点的位置，然后在三维中依次绘制导线。

其中导线位置的计算原理如下：

导线在x点处的高度：

其中：

式中：l为导、地线两端水平投影距离；H1、H2分别为导、地线在1、2塔上的挂线点高度；x为计算点距1塔挂线点的水平投影距离；K为导线K值。

2.4 SLW成果导出

输电三维设计系统支持将排位后的成果导出SLW软件的数据格式。根据排位成果，将每个杆塔的坐标逐步换算为累距和偏距的方式，输出步骤如下：

(1) 根据上述TA文件的说明，以及杆塔和串的对应关系输出TA文件；

(2) 根据线路三维中不同地物类型，以及将地物位置转换为累距偏距格式，输出IND文件；

(3) 由于SLW软件的ORG文件包括断面和平面地物信息，对于断面，根据线路三维显示的线路上测点，依次转换为累距和偏距格式，输出以B开头的测点即可，对于平面地物，根据每个地物类型，获取到每个地物所有的点，转为累距和偏距格式，并根据地物类型找到对应的地物编码，依次输出形成ORG文件。

3 工程实践应用

在该作业模式的基础上，以ArcGIS、Skyline以及AutoCAD为二次开发平台，利用云端服务器数据，构建多专业协同的输电工程数字化设计软件，创新实现了多窗口联动的智能排塔定位、金具参数化建模和耐张塔三维跳线计算等功能，具备规划选线、施工图设计、三维展示、工程数据管理和数字化移交的功能，实现了线路设计由二维到三维的转变，提升线路设计的质量和效率，见图3。

图3 输电三维设计系统界面图

滇西北至广东±800 kV特高压直流输电工程充分利用了该平台提出的工作模式，解析测量外业得到的道亨数据，然后在系统的杆塔排位模块，显示出断面和平面地物信息，在此基础上进行杆塔排位，然后在三维中进行地物建模，并在三维中进行地物校验，解析对比分析如表1，经过对比分析，解析准确率能够满足实际工程的应用，并在院里其他特高压线路工程中进行了推广应用。