基于数字化虚拟推演的电网建设过程三维可视化研究

李洪江，杨永昆，冉启鹏

(云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011)

0 引言

在网络技术与计算机的持续发展进程中，虚拟现实技术的出现为各领域提供了一种新颖的数字化虚拟推演模式，为各领域提前预知各类突发状况及缺陷提供了有效帮助[1]。通过此类数字化虚拟推演，能够较大程度的降低各应用领域的实际事件处理时间及成本，对于突发事件的应对决策与技能有所提升。

目前，电力工业发展迅速，由此而来的智能电网的发展也逐渐步入一个崭新的时代[2-3]。伴随着逐渐普及的交直流混联、环网供电及区域电网互联、特高压与超高压的建设，电网的复杂度逐步提升，同时对精益化的电网建设需求也逐渐提高。现代的电网设计与建设已无法通过以往的图纸实现，而三维实景建模技术能够实现更加直观、逼真的展现电网设备及电网建设场景等，令电网建设过程的实时状态可视化呈现，提升了现代电网设计与建设的效率与智能化[4]。

因此，本文设计一种基于数字化虚拟推演的电网建设过程三维可视化方法，逼真呈现电网建设过程，为提升当代电网建设效率与管理水平提供可靠的依据。

1 电网建设过程三维可视化研究

1.1 数字化虚拟推演系统

以Torque引擎[5]为基础开发设计数字化虚拟推演系统，依据系统的逻辑功能需求将其划分为6个子系统模块，依次为：虚拟场景构建子系统、模型子系统、粒子特效子系统、GUI界面子系统、场景特性子系统和输入控制子系统，如图1所示。继而在此6个子系统的基础上实现电网建设过程的数字化虚拟推演。

图1 数字化虚拟推演系统构成

其中，虚拟场景构建子系统的作用是构建模拟演练场景；模型子系统为虚拟演练场景提供所需的不同模型，包括配电室、变电站及电网建设过程中整体场景模型等；粒子特效子系统通过利用粒子系统模拟特殊效果的方式使建模场景与实际更接近；GUI界面子系统通过运行界面、场景菜单与登录界面实现提供用户登录接口、演练控制及命令下达接口的功能；场景特征子系统利用区间触发器实现众多场景的事项特征，并通过Torque引擎实现特征侦测；输入控制子系统通过对输入事项的分发与处理实现输入操作的逻辑功能[6-7]。

1.2 电网建设过程三维可视化实现流程

结合图1所示的数字化虚拟推演系统，以电网建设过程为蓝本推演电网建设过程，实现对电网建设过程可行性的检验与改善，这也是基于数字化虚拟推演的电网建设过程三维可视化开发的目的。

电网建设过程三维可视化整体过程主要包括七大模块：场景建模模块、事项输入模块、事项接报模块、事项分析研判模块、决策标绘模块、推演执行模块及推演可视化呈现模块。具体推演过程如图2所示。

图2 数字化虚拟推演过程

数字化虚拟推演过程如下：通过场景建模模块获取电网建设过程的演练场景模型，场景建模需要先对电网建设过程中涉及到的海量空间数据进行组织和管理，然后通过三维实景建模技术构建建设过程的场景模型，并对场景模型涉及的业务数据进行一体化融合和整合处理。将系统预处理事项输入模块中各设备所采集的数据作为可视化演练场景中的环境数据[8]，利用事项接报模块对各类事项特征予以分析判断，根据分析判断结果将特殊事项在虚拟场景内标绘出，并开始电网建设过程的演练执行过程，待演练结束后，获取最终的电网建设过程的三维可视化推演结果，逼真的呈现处电网建设过程中各部分模型及整体场景，从而完善电网建设过程、实现电网建设过程的直观管控与三维可视化。

1.3 电网建设过程场景建模的实现

1.3.1 海量空间数据组织与管理

海量空间数据即为电网建设地区的数字高程模型(DEM)与高分辨率影像。在绘制电网建设过程三维可视化场景时，通过金字塔层级架构分层分块DEM与影像，实现以保障显示准确度为前提对渲染效率予以提升的目的[9,10]。

作为一类多分辨率层次模型的金字塔，在创建其层级架构时，底层应为初始DEM或影像，也就是第一层，同时通过分块初始DEM或影像，将第一层的层级块矩阵构成。将每个2×2个像素基于第一层重新采样为一个像素，同时对其予以分块处理，构成金字塔的第二层，以此类推，构建完整的金字塔层级结构，如图3所示。

图3 金字塔层级架构

由金字塔的第一层到最上层，呈现数据分辨率逐渐降低的趋势，各对应层级的数据量也逐渐降低。在场景区间相对比较小时，对分辨率相对比较高的影像予以加载，反之则对分辨率相对比较低的影像予以加载，实现绘制电网建设过程三维可视化场景效率有效提升的目的。

在创建DEM或影像金字塔层级块索引时，可通过线性四叉树方法实现。划分地理空间递归为各种层次的树架构即为四叉树索引的原理，通过均分已知区间为4个子空间并依次递归形成能够匹配金字塔层级的四叉树，如图4所示。

图4 金字塔层级模型的四叉树架构

因DEM影像在空间上呈现平均分布状态，故四叉树索引具备的空间搜索效率较高。以文件的形式将DEM与影像的金字塔切片数据存于服务端内，客户端可采用http的方式对服务端数据予以访问及下载，并将下载数据缓存在本地。

通过视点相关技术(LOD)迅速搜寻目标层级。由于在运用LOD技术时需各区间与各分辨率地形数据相对应，所以，应在搜寻层级块时检测分辨率。以层层递进及从粗到细的策略搜寻层级块，如此不仅能够符合由模糊到清楚、由远到近的视觉效果，而且能够有效提升效率[11]。

1.3.2 三维实景建模技术研究

为了提升电网建设过程三维可视化的精准呈现效果，采用三维实景建模技术进行高精度建模。

本文主要采用ContextCapture软件实现三维实景建模技术。此软件的原理为对通过各个视点所拍摄影像中的静态对象予以分析，同时自动检测对应于某个同等的物理点像素，以持续拍摄并具有65%重叠率的2张临近影像实现高分辨率三维模型的自动生成[12]。例如电网建设过程中的配电室、变电站及整体场景等模型均能够由此软件实现。由项目的影像质量、拍摄方法、拍摄距离及任务目标决定模型的精准度，可通过各类摄像设备获取所需影像。

在实际状况下所获取的三维表象能够用在电网建设的规划设计与施工过程中，可直接采用数字摄影的方式获取所生成的真实三维模型[13]。真实三维模型可对全部细节予以采集，而不是只注重所选取的如开闭站等特点，并且可实现三维模型内的地理定位，如三维模型内的杆塔的空间距离及高度信息等，同时其还具备精准度高、全面及效率高等特点。实景建模的实现过程如图5所示。

图5 实景建模过程

1.3.3 电网业务数据一体化整合

采用创建数据中心的方法实现不同电网业务系统数据的一体化整合，同时在统一的平台内对数据予以搜寻与统计，达到共享数据的目的，并有效解决电网建设过程中不同部门间业务数据互为独立的问题[14]。

电网业务数据一体化整合的步骤如下：对已有的不同业务系统数据予以分析并将需共享的业务数据清单列出；采用数据抽取服务器向数据中心抽取已有业务系统数据，或由业务系统向数据中心输送数据，达到电网业务数据一体化整合的目的。同时，采用双机热备数据中心服务器，提升系统稳定性与数据访问效率。电网业务数据一体化整合过程如图6所示。

图6 电网业务数据一体化整合过程

1.3.4 高度融合业务数据与空间信息

在信息系统内以往的业务数据大多通过文字与表格的方式表示，数据缺乏直观性与空间性[15]。而三维实景建模技术采用将业务数据和电网空间信息的关联关系创建的方式，高度融合二者且达到所见为所得的目的。当处于微观场景中时，对与其相应的全部业务信息的搜寻可采用点击电网设备的高精度三维模型的方式实现；当处于宏观场景中时，能够对全部电网建设过程的空间位置与业务信息进行直接查看。由此可实现电网建设过程场景的直观管控与三维可视化的目的。

2 实验与分析

2.1 建模效果检验

在利用本文方法创建配电室建设过程模型、变电站建设过程模型及整体场景建设过程模型后，检测上述3个模型的纹理数和帧速，检测结果如表1所示。

表1 模型纹理数和帧速统计

通过表1可知，3个模型的纹理数和帧速数值较为理想，且数值较为接近，无过大波动。由此可以说明，本文方法所构建的各场景建设过程模型具有较高的呈现效果与流畅性，且本文方法性能非常稳定。

2.2 建模效率检验

检测在各模型内数据量不断提升的情况下，本文方法在创建配电室建设过程模型、变电站建设过程模型及整体场景建设过程模型所消耗的时间，从而检验本文方法的建模效率。时间消耗结果情况如图7所示。

图7 建模耗时统计

分析图7可知，利用本文方法创建3种场景建设过程模型时，随着数据量的提升，建模过程所耗时间无明显增长。相对来说，构建整体场景建设过程模型所需的时间更长一些，最大耗时需要22.7 s。由此可见，本文方法建模过程耗时短、用时较为稳定，说明本文方法具有较高的建模效率。

2.3 电网建设过程三维可视化效果

为进一步验证本文方法的三维可视化效果及性能，利用本文方法对配电室建设过程、变电站部署过程和电网工程整体场景建设过程进行可视化建模，呈现效果如图8所示。

图8 电网建设过程可视化效果呈现

通过图8可知，本文方法所呈现的电网工程不同场景建设过程的可视化效果图清晰流畅，效果图逼真度高，能够更加直观的验证本文方法有效性，说明本文方法可用于实际电网建设过程中，有助于提升电网建设过程的规划设计效率、及时决策与管理水平，具有较高的实际应用价值。

3 结束语

本文针对基于数字化虚拟推演的电网建设过程三维可视化方法展开研究。通过三维实景建模技术创建电网建设过程中的各场景建设过程模型，实现电网建设过程的三维可视化呈现，为提高电网建设过程中监管效果奠定基础。本文还通过实验验证了应用本文方法后所呈现的电网工程三维场景可视化效果好、逼真度高，建模效率高且方法性能稳定。

在接下来的研究中，将进一步优化该方法，针对电网建设和运行过程中更精细化的监管进行可视化研究。