电网三维设计系统在输电线路勘测设计中的应用

郭 磊，肖 明

（赣州宏远电力勘测设计院有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

电网三维设计系统是将处理后卫片，航片叠加数字高程模型及电网信息、道路、居民地，水系等地理要素的综合三维可视化系统平台，它能给人带来“身临其境”的感觉。电网三维设计系统在电网规划，输电线路设计、施工及运行维护等有着广泛的应用[1]。

输电线路是位于地理空间中的人工构建物，其线路距离长，通过地区的地理条件比较复杂，与众多电力线路和通讯线路交叉跨越，并且通常会通过居民区、公园和其它特殊区域。输电线路及其杆塔位置与地理空间位置密切相关，特别是在垂直方向上的层次信息尤为重要，这使得二维地理信息系统无法达到其管理的需求。近年来，计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术，我们能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类设备模型，使得输电线路设计从二维向三维发展[2]。

本文将根据推进输电线路三维设计以及全过程机械化施工要求和工程实际情况，分析三维设计系统在输电线路全过程设计中的应用，提高输电线路工程的经济、环境、社会效益。

1 电网三维设计系统

电网三维系统设计平台完整梳理例了输电线路设计信息管理流程，总体包括项目管理、基础地理数据管理、线路路径选线分析、线路设计成果管理、模型库管理、空间分析、工程成果查询统计以及系统管理等多个功能模块；同时提供线路设计、分析统计、方案优化等业务相关功能。完成三维立体选线与平断面导出功能等功能，见图1。

图1 电力三维设计系统功能简介图

电网三维设计系统构成主要由数据（包括三维数据，电网数据，以及相关的其他数据）、处理数据分析系统，计算机硬件等构成。其中最重要的是高精度高程数据和高分辨率的影像等三维数据，它们是三维可视化的基础，详见图2。

图2 电力三维设计系统功能示意图

1.1 DEM与DOM的获取—激光雷达技术

激光雷达技术简称为LIDAR：该技术可以实现空间三维坐标的快速、准确地获取，并根据实时摄影的数码像片，通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的三维数据模型，再现客观事物的实时的、真实的形态特性，为快速获取空间信息提供了简单有效手段。

根据载体的不同，LIDAR技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类，顾名思义，地面二维激光扫描系统的空间载体是地面。它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合，对目标物进行扫描成像，获取激光反射回波数据和目标表面影像，并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴图，从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。

机载激光雷达系统则是一种高速度、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。

机载LIDAR系统是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。

1.2 激光雷达技术在测绘中的应用

1）快速获取数字高程模型LIDAR技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据，该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除，然后构建不规则二角网TIN，就可以快速提取DEM。由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM也成为可能，因此它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法，其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。

2）获取数字正摄影像图（DOM）数据，传统生产DOM方法是通过数字摄影测量的方法实现的。数字摄影测量作业工序繁琐，设备要求和技术路线非常严格对生产人员的技能要求比较高；而机载激光雷达优化技术提取的地面三维坐标，完全满足高精度影像微分纠正的需要，使得DOM的生产变得相当容易，可以无需使用数字摄影测量这种昂贵的专业平台，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。

相比传统的航空摄影，激光雷达技术一次可以获取到，高精度的大面积的数字高程数据和数字正摄影像图。所以激光雷达技术已成为各种三维设计系统主要的三维数据来源之一。

通过测量提供的Dom即时影像数据、Dem地形数据及Dsm地物数据在三维输电线路设计平台里建立真实的场景。局部效果图如图3所示：

图3 本工程线路通道三维大场景展现

2 电网三维设计系统在输电线路勘测设计中的应用

2.1 工程概况

本文依托某220 kV线路工程，初设路径方案亘长35.6 km，其中新建单回线路31.6 km，原线路单改双1.8 km。线路起迄点航空距离为27.2 km，曲折系数1.31.全线新建段采用单回架空架设，改造段和利旧段采用双回架空架设。

线路所经地段根据地貌成因、地形标高和形态特征大致可划分为两种地貌类型：侵蚀剥蚀丘陵区和冲洪积平原，地势较开阔，起伏不大，植被较发育。海拔标高在50 m～200 m之间，沿线地形比例为：泥沼10%，河网30%，丘陵60%。

2.2 输电线路三维设计

随着电力企业精细化管理水平不断提高和设计精度不断加深，输变电三维设计技术已经比较成熟并被广泛应用。全国各省、市设计院都已经逐步开展输变电三维数字化设计工作，并支持将设计成果进行数字化移交。通过三维数字化设计，不仅能够有效提高输电线路设计精度和设计质量，更好服务于工程评审及业主深度要求，同时也是企业提高自身设计水平和市场竞争力的重要技术支撑。电力三维数字化设计平台是以技术和生产结合为主要形式，将传统输变电线路设计方法和新技术手段相结合，服务于输变电工程可研、初设、施工、竣工等设计过程而打造的三维协同设计平台，已逐步成为当前各个设计院由传统作业模式向新型的信息化作业模式转变、提高设计精度和效率的有效手段。

三维设计是输电线路设计发展的大趋势。一条完整的线路往往要延续几十甚至几百千米，这使得相应的数字地面模型规模巨大，加上众多的河流、道路、居民区等地表特征物模型和数以千万计的输电设备模型，导致整个三维场景结构复杂。如果没有较好的数据模型和管理策略，系统难以达到预定的显示效果，更谈不上良好的交互式界面。

2.3 三维设计平台内的路径优化

路径优化是线路设计阶段一项重要的基础工作，传统的路径选线、优化采用五万分之一的地形图或卫星照片进行，由于地形图多为上世纪八九十年代的老图，卫星影像数据不够新更新缓慢，地物、地貌与现场实际情况有较大的差别，通常仍然需要大量的现场测量工作，对于山区起伏较大的地区难以直观判断出地形情况，局部排位优化较困难，空间表现和分析能力都有很大的局限性。

近年来随着无人机、倾斜摄影技术的发展，在输电线路设计、运维方面已具有了成熟的应用条件。无人机携带起飞方便，可快速的进行线路走廊的航测，而倾斜摄影测量它是同一台无人机上搭载着五镜头相机从垂直、倾斜等多角度采集影像数据、还可以获取精确的定位信息。从而获取完整准确的纹理数据和定位信息。将这些数据导入三维数字化选线系统，结合沿线收资的障碍物信息和现场调查取得的生态保护区等情况，可方便的进行精细化的路径优化工作。图4、图5和图6是本工程采用无人机优化选线的部分影像：

图4 220 kV变电站无人机航拍图

图5 钻越500 kV线路无人机航拍图

图6 跨江处无人机航拍图

路径选择应综合考虑地形、规划，居民地，矿区因素，还应考虑机械施工的因素，降低输电线路施工和运行维护成本，详见图7、图8。

1）路径选择采用电网三维设计系统，在操作前应把搜集的最新的卫片、航片，高精度的数字高程模型等加载进去，同时把收集的路网规划图、城市规划图、矿区，风景名胜区等数据叠加。

通过航测建立起来的三维选线平台数据新，利用平台的地物补充添加以及量测功能，可准确获取地物（房屋、距离、树木、河流等）的平面信息与高程信息，通过平面与断面的对比分析实现多方案的优选。

图7 本工程选线过程示意图

图8 对周边建构筑物空间距离校验

2）随着近几年电网的快速发展，为节省土地资源，多条同塔多回路输电线路并行公用一个电力廊道已是一个普遍现象，以往通过Google earth地图和现场实测部分塔位来确定线路走向，需要占用大量时间、人力、物理而且效率低下。本工程采用无人机航拍线路通道，结合三维地理信息系统精准的影像数据，完全满足设计需求，快捷、高效。

本工程线路与某220 kV线路和110 kV线路部分走廊平行（见图9），中间还要预留远期110 kV线路走廊，通过平台优化，利用卫星影像数据、基础地理信息和各类工程障碍物信息，可以很直观的发现线路走廊通道内存在的问题并加以分析和总结。特别是在拥挤地段，通过三维风偏电气间隙校验和三维施工模拟更好第进行路径方案选择和优化，确定最优、最合理的路径方案。

图9 线路与220 kV线路和110 kV线路平行校验

3）以地理信息系统为基础，通过各种测量方式获取相关信息，可以对“三跨”等重要交叉跨越以及钻越高电压等级线路进行精确的三维实景模拟（见图10）。结合杆塔、基础和导线的精细化模型，可以准确的计算输电线路与交叉跨越设施的交叉跨越距离，直观地判断设计方案是否满足规范要求，有效的保证路径方案的可行性。

图10 本工程线路钻越500 kV线路

4）线路选择时尽可能靠近能施工车辆能进入的道路。利用无人机航拍结合电网三维设计系统的三维影像，杆塔选择能尽量避开机械化施工困难的场地，同时临时道路最短的位置（见图11、图12）。

图11 无人机航拍线路周边道路

图12 三维设计系统下路径选线

5）三维输电线路设计平台快速建立房屋三维模型，对拥挤地段房屋面积、层数、结构及材质进行准确统计，能够从不同角度对地面建构筑物进行全方位展示，可以准确的量测各建构筑物的高度、长度等信息（见图13）。

图13 三维设计系统下跨越信息展示

2.4 平断面测量阶段

准备工作，把最终选定好的路线生成的坐标文件转换成一般导航软件支持的格式（如KMl、gpt等格式），使用导航仪每个测量小组都能实时导航，方便快捷到达要测量的位置，避免迷路，少走弯路。

1）以往的外业勘测中发现勘测总不尽人意，问题关键在于不能根据已有资料对各阶段工作量进行优化安排，使用电网三维设计系统对基准站位置和每天的工作量进行优合理安排，既能保证工程精度，又能使工期大大提前，大大节约线路勘测设计成本。

2）司机根据导航能找到距离测量地点最近的公路，减少测量人员徒步走路的时间；另外可通过共享地理位置，其他勘测小组成员也能实时看到你所在的位置，最大限度保障勘测人员安全。

2.5 杆塔定位调整

在电网三维设计系统好路径后，对于电力走廊比较紧张的地段，如房屋比较密集区，外业现场测量后，调整路径方案（见图14）。

通过电网三维设计系统平断面成图模块，沿线路路径切二维剖面图，二维平断面图和三维场景模型是联动的，设置好工程基本参数后，二维平断面内排队的每一基杆塔在三维场景内都是随时对应更新的，可以方便的校验电气距离、塔位边坡等，发现不满足铁塔使用条件的立马现场再调整。同时三维场景内路径的调整也会实时的重新切出二维断面，相较传统改线作业需要到现场重新选线、测量、绘制断面，大大降低了劳动强度，极大的提高了工作效率，降低了设计成本。经过几年的工程经验在植被较少的地方，电网三维设计系统与实测图较为接近，在植被比较茂密且地形变化较大的地方，但也能够满足初设阶段用途需要。

图14 线路三维设计系统下二、三维联动排杆校验

电网三维设计系统在此阶段应用优点如下：

1）快速优化选线：充分利用电网三维设计系统，使线路设计建立在可靠的数字化模型之上，并且由于卫星图片现时性好，所选走廊具有可靠性和合理性，可缩短线路长度，加快设计进度，节约投资。

2）在可行性研究初设阶段进行施工图深度的设计：在优选的路径上，利用数字高程模型数据可实现多个线路走廊平断面图自动生成，并进行比较优选，并且供设计人员预排杆位、杆塔使用档距规划，从而可提高杆塔的档距利用系数，节约投资。

3）缩短线路建设工期：在预排的杆塔平断面定位图上，可以准确方便进行施工招标工程量及材料统计计算，把施工招标工作提前，加快线路建设工期。

2.6 输电线路金具三维设计

在三维设计系统中，模拟真实的输电设备（如杆塔、绝缘子、输电线）是虚拟现实的基本要求，这使得模型本身会变得比较复杂，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，因此，选用合理的设计模式和组织方法来处理电力设备对象也是实现输电三维设计系统的一个重点。

三维输电线路设计平台中包含各电压等级常用的金具模型，其尺寸军事按照国网通用设计尺寸建模生成，且每个金具均是采用参数化设计，可根据通用设计中的金具组装图拼接组成金具串图的三维模型，同时系统会自动校验金具之间的连接点是否匹配，并对金具的转向进行自动调整。相比以往的二维金具串设计方法，三维手段更直观灵活，可避免金具零件间的连接和碰撞问题，同时也可生成二维平面的正视和侧视图、零件表（见图15、图16）。

图15 线路金具在三维设计系统下建模图

图16 本工程线路三维金具串建模图

三维设计平台内集成跳线设计模块，可以采用准确的数学、物理模型，使用有限元计算方法，准确计算各种工况下各绝缘子串位置和跳线的空间轨迹，从而精确的求出跳线和铁塔和杆件、铁帽、重锤之间的距离，自动优选出最佳跳线长度，保证各部分的安全距离。同时也可以根据实际需要设计模拟新型非常规的跳线方式（见图17）。

图17 三维跳线计算成果图

2.7 铁塔三维设计

铁塔三维建模主要采用参数化建模的方法，根据使用条件，电压等级，地形条件分类建立铁塔的标准模型库，在建模时将整个铁塔分解为各种基本的结构模块，通过对结构模块的空间变化和集成，最终生成复杂的铁塔三维结构的模型（见图18）。

图18 铁塔三维建模

铁塔三维模型建立完毕后，三维数字化平台自动联动满应力分析程序，对铁塔进行满应力优化计算分析，并自动生成铁塔的司令图。

2.8 基础三维设计

铁塔基础占整个工程投资的30%左右，基础工期约战总体工期的一半，基础材料运输量约战60%。因此，为了减少铁塔基础的土石方开挖及混凝土和钢筋的用量，缩短建设工期，减少对周围环境的影响，降低工程建设费用，特别是根据不同的地质特点，因地制宜的选用合理、经济的基础形式具有重要的意义。

应用三维设计系统，输入地质参数，通过软件优化分析，提出最优的基础型式。当前基础设计主流的还是二维设计方法，无法清晰直观的反映基础尺寸以及钢筋的空间位置，往往导致问题难以发现，施工无法顺利进行，采用三维设计方法可以改变以往击锤二维设计中直观效果不佳，基础钢筋位置碰撞等不足，而且三维设计相关数据可以为后期基础配置提供依据（见图19）。

图19 基础三维建模

通过平台可以查询塔基任一点的高程、并可对塔基任一断面进行剖切，从而获得设计人员需要的设计资料进行全方位长短腿和不等高基础的配置，平台设计可实现三维校验和二维出图，实现设计无死角的先进理念（见图20）。

图20 基础配合铁塔高低腿三维建模

2.9 三维空间量交叉跨越物统计

利用三维空间量测算功能，智能判别房屋、林木是否需要拆迁以及砍伐，工程量精度大大提高，特别是对拥挤地段的房屋面积、层数、结构以及材质进行准确统计，能够从不同角度对地面系统的物体进行全方位展示，可以准确的度量地面系统中各建构筑物之间的距离，通过设定输电线路走廊范围宽度即可确定拆迁范围（见图21）。

图21 线路廊道交跨物三维模拟

2.10 设计成果移交

在输电线路设计结束后，要向业主和施工单位交桩，过去一般采取野外现场交桩，不可能每级杆塔都交桩到位。而现在根据电网三维设计系统采用线路路径和三维建模成果，可实现室内模拟交桩，每基杆塔都可以浏览到，在电脑上就可以对整个线路塔位有非常直观的印象，并把杆塔路径导入到手机版导航软件，利用带有GPS功能的手机就可对全线杆塔进行导航，施工单位就能快速找到每级杆塔中心桩。和现场交桩比较，效果好，节省了现场交桩的时间，施工单位能更清楚的了解每级塔位的位置及交通状况，以便合理安排施工。

三维设计成果能够让参建各方直观的理解设计方案，方便施工单位优化施工场地布置及施工方案，方便建设管理单位施工要素的4D动态集成管理，施工过程的4D可视化模拟，提升建设过程的精细化管理能极大提高整个工程建设进度。

3 电网三维设计系统在输电线路施工中的应用

输电线路具有路径长、范围广以及沿线环境复杂等特点，这使得线路工程施工过程中难点多、周期长。以往工程设计中缺乏考虑施工条件，使得后续施工难度大甚至无法保证施工质量或带来施工人员的人身伤害。为了方便后续工程施工，在设计阶段采用三维技术对出、铁塔、防线以及物料运输进行优化设计，以使设计与施工想你结合，从根本上排除施工难题，保证施工质量和施工进度。

3.1 物料堆放场选择

本输电线路工程投资巨大、施工周期长、施工现场复杂、变动性大、项目涉及的单位广、人员多等特点，物料管理及运输相对复杂。物料堆放场地选择，关系到以后的物料运输，所以而输电线路施工料场的选址问题更是重中之重。

本线路工程使用电网三维设计系统中的选址组件，自动对选好的料场点进行评价。操作步骤如下：首先找出本工程可以建立物料场的所有地点，并进行排序；其次是基于网络布局最优原则，从备选点选出所需的物料堆放点。此过程需要线路区域的交通数据，全线杆塔位置数据录入软件中，才能进行。

3.2 临时道路修建方案

按照设计先行原则，在设计阶段应初步提出杆塔施工临时道路修建方案。

3.2.1 物料运输三维优化和管控

利用三维可是技术手段，还原塔位所处原始地形地貌，结合运输接卸特性和相残使用参数，优选立塔位置，在满足设计要求的前提下降低施工运输及材料堆放的困难，并且从设计角度给出物料运输的建议方案，从而达到降低工程总造价的目标。

首先，把收集线路区域的最新影像数据、高精度的地面高程数据、道路交通信息及线路路径、杆塔信息录入电网三维设计系统。在电网三维设计系统中建立带有交通信息的地面三维模型（见图22）。

图22 三维效果图

3.2.2 临时道路修建方案确定

输电线路工程施工机具、设备及材料的运输进出场需要利用现有的道路，道路条件较好的机械化程度较高，可以利用现有设备进行施工，且施工效率较高，对于部分道路条件较差，且地形条件较好的桩号，可以修筑临时道路，便于施工设备、材料的运输，平原泥沼地带的临时道路主要采用铺设钢板为主，平丘地区的临时道路的修筑主要采用挖掘机、推土机及装载机为主，对于部分山地桩号需凿岩机配合。

在电网三维设计系统，可以方便找出离塔位最近的道路点。充分利用已有道路，对于需修筑临时道路的塔位，经过综合造价分析，确定该杆塔是否适用全机械化在施工。如适用，作出临时道路修筑的合理方案（见图23）。

图23 塔位临时道路修建方案

如上图所示，在电网三维设计系统找到达56号塔最近的施工车辆到达点，56#临时道路修建方案，再提取两点的三维坐标，计算该段临时道路修建长度和坡度，从而最终确定该塔物料运输采用履带式运输车，较为合理。

3.3 物料运输调配

电网三维设计系统包含本线路所有的杆塔及交通信息，便于从整体把握分析，选择最优从物料堆放点至每级杆塔的最优路径（见图24）。

图24 物料运输路线规划示例

物料运输路线规划图，是在电网三维设计平台规划的物料运输方案。从物料堆放点1到输电线路J3-J6段的汽车运输方案，根据杆塔位置、地形及道路现状，从全局出发选择的经济合理的运输方案。运输方案确立后，在施工过程中根据该段杆塔施工进程情况及现有的车辆数量，高效调配运输车辆。

4 电网三维设计系统在运行维护中的应用

4.1 日常线路维护

电网三维设计系统根据输电线路设计图纸和设计变更图纸可快速生成杆塔的台账信息，在电网三维设计系统直观地显示出线路走向和杆塔台帐资料后，维护人员和管理人员能容易地查找电网中每一条线路、每一基杆塔的相关情况。大大提升了线路的管理水平。在大电网环境下，利用电网三维设计系统平台能清晰地观察到电网的大范围情况，对于薄弱区域能及早预防，像多雷区、污秽区、台风区等都能很好地观察（见图25）。

图25 本线路工程周边以及生态红线和污秽区示意

4.2 线路应急抢修

把维护区域电网台账、位置信息录入电网三维设计系统使用后，能方便的查找每条输电线路及塔位，还能选择合理有效的抢修路径，制定出相对合理的检修方案和应急方案。当有线路抢修时，能提供一份详细的地理信息图，为提前恢复供电争取到更多的时间（见图26）。

图26 工程本体塔、串、基础信息一览

5 结语

电网三维设计系统在电力线路勘测设计中得到广泛应用。目前线路设计主要依靠还是CAD平台，其具有强大的绘图功能和数据处理能力，但是三维图像能力不足，不够直观。因此，将CAD平台整合进电网三维设计系统中，将大大提高线路设计效率和质量，对传统设计方式将是一次重大变革。

通过电网三维设计系统将输电杆塔三维模型，台账在线监测等信息有机的组织在一起，向用户展示了全面的地形，地貌信息，构建了一个真实的三维输电线路模型，为勘测设计，设计评审、施工管理、应急抢修提供了有力支撑，以信息科技为辅助手段，有效地提高了工作效率，为电网运行的安全性、可靠性提供了有力保障。可以预计在电网三维设计是必然趋势。

在全机械化施工中，通过电网三维设计平台，在输电线路设计中，已整体考虑杆塔详细施工方案，物料运输方案，施工单位按照设计单位提供的施工方案，可以最大程度提高建设效率，节约输电线路的建设成本。