建模脚本对电网设备模型的优化方案实施研究

黄剑峰，丁彦柟

(国网上海市电力公司市南供电公司，上海 200233)

近年来，国网公司一直致力于通过科学技术手段提升电力生产管理和运维检修风险防范能力。在国家电网公司的统一部署下，国网上海市电力公司已完成PMS 2.0的建设与实施。PMS 2.0电网图形是二维图形平台，无法精准表达设备三维空间信息，而且传统的二维管理平台已经无法承载如此庞大的数据量[1-2]。

自2017年起，国网公司全面开展了500 kV及以上电压等级变电站、架空线路等的三维项目工作，意在推动输变电运行管理向数字化、三维可视化方向发展，更好地支撑运维工作各类业务的开展，满足支撑输变电智能运维管控及可视化展示的需要。国网公司为了统一各省电力公司三维模型规范的一致性，满足运检业务应用，所建模型必须通过模型校验、审核后方可使用。

模型在三维全景展示的平台数量较多，加上三维模型在各平台中出现问题也有所不同，因此对于模型的质量以及材质纹理提出了更为严格的质量要求。针对平台展示出现的问题，尤其是大规模、多平台同时存在的问题是首先要解决的。 利用人工工作模式排除模型在三维展示平台出现问题时，存在问题数量庞大、耗时长、工序繁琐、问题易遗漏、不易轻量化等缺陷。为了将三维模型以更快、更高的要求接入到各平台中展示，有必要开发建模软件脚本以解决三维模型在导入多平台时出现的问题。

1 三维模型在平台中出现的问题及解决方案

在三维模型中，一般通过几何体来展现模型的结构，而模型的外观纹理、属性以及细节方面的问题等，则往往通过模型的材质来展现。当模型导入时遇到平台兼容性或支撑的文件格式有差异问题时，就容易造成模型难以导入平台，或者是导入平台后不能够正确展示。作为多平台通用的模型往往需要严格使用兼容的材质球，以及兼容的模型格式。

但是在建模过程中模型的结构或者材质出现问题，并不能够很直观地显示出来，在最终场景文件导入展示平台的过程中，就会存在许多问题。而这些问题往往数量过于庞大，这就给模型问题的排查工作带来了很大的麻烦，不仅耗时长而且容易遗漏。

在三维建模工作中，主要以3DS MAX为标准建模软件进行建模，平台导入方面目前用的最多的是U3D和VRS两个平台，这两个平台展示出现的问题不一。通过研究发现一个规律，在U3D平台展示没有问题的模型在VRS平台不一定能正常展示，但在VRS平台中展示没有问题的模型在U3D平台上几乎不会出现新问题，二者成包含与被包含的关系。因此，只要解决了VRS平台展示出现的问题即可。

材质和几何体这两种问题在VRS平台中出现频率高，材质问题主要包括空材质和材质纹理混乱，在平台展示中出现的现象主要是材质不正确或者是无材质贴图；几何体主要针对模型轴心和模型缩放比例问题进行处理，在平台中出现的现象主要包括模型漂移、模型穿插和模型旋转缩放。下面主要以材质和几何体这两个方面进行讨论。

2 材质

材质在3DS MAX软件中以材质球概念的形式存在。Standard材质球和Multi多维材质球是3DS MAX软件中最基础，也是应用范围最广泛的材质球。Multi多维材质球是Standard材质球的集合。

在各个平台中，均对Standard材质球和Multi多维材质球有着极好的兼容性。因此，大多数平台往往会要求建模人员使用标准的Standard材质球和Multi多维材质球。

2.1 材质问题分析

材质球使用标准材质往往决定了模型能不能在其他平台中正常展示和加载，也决定着模型展示效果是否美观。在研究过程中，结合市场多种平台的调研数据，得到材质球常见的问题有如下几种。

(1)材质球使用非标准Standard材质球和Multi多维材质球。

(2)由于市场上建模人员从事行业不同导致建模习惯有较大的差异，如建筑和工业展示的场景中常常出现VRay材质球，建筑和工业设计的场景中常常会出现CAD软件或Revit软件所特有的材质球。

(3)多维子材质嵌套使用。多维子材质虽然是标准材质，但是嵌套使用时就是一种错误的使用方式，目前没有任何一个平台或软件(包括3DS MAX软件自身)能够对多维子材质嵌套使用进行正确展示。但在建模过程中又很容易产生多维子材质嵌套使用的现象。

贴图文件使用时常见问题如下。

(1)贴图文件未使用JPG或PNG格式的位图文件。

(2)贴图不标准，贴图比例不是1∶1、边长为2的指数倍的正方形位图。

(3)贴图文件存在丢失。

2.2 解决思路

通过研究Script脚本语言对材质球的定义发现，场景文件中所有材质球均定义在Scene Materials数组中。

因此，可以通过数组索引的方式遍历所有的材质球进行检查。可以用Class of函数来判断材质球是否是Standard Material或Multi Material，以此来判断材质球是否符合材质球标准，也可以判断材质球是否存在多维子材质嵌套。在Standard Material材质球的定义中通过获取Diffuse Map属性和Opacity Map属性来获取使用贴图的路径和贴图格式，也可以用打开Diffuse Map和Opacity Map的方式来判断贴图是否存在或者边长、比例是否符合规定。

模型材质问题处理流程如图1所示。模型材质问题处理流程如图2所示。

图1 模型材质问题处理流程

图2 模型材质问题处理流程

从参数上来看，实现以脚本来检查模型材质球及贴图是否合格是完全可行的，具备可实行的条件。材质问题优化前后的场景截图对比如图3所示。

图3 材质问题优化前后的场景截图对比

3 几何体

3.1 几何体问题分析

(1)问题一：模型缩放导致轴心位置不一致。在实际建模过程中，有许多设备除大小不一致外，外观基本接近，而建模人员在建模时常常会使用缩放工具对部分设备部件或设备进行缩放，以达到快速建模的目的。因此，模型中往往会存在大量的模型轴心缩放属性，导致许多模型轴心缩放属性极其复杂。3DS MAX软件对于模型兼容性很强，但在3DS MAX软件中显示正常的模型到其他平台中就可能显示不正常，可能会出现模型偏移、大小不一致、反面等现象。这种不能实时看到最终结果的检查方式，增加了对模型检查的难度。

(2)问题二：实例模型缩放值不一致。实例模型缩放不一致的问题与模型缩放导致轴心位置不一致问题产生的原因基本一致。实例模型缩放不一致一定会造成模型在平台中显示出错。尤其是实例的模型中存在部分缩放值为负数的模型，这个问题产生的原因是一部分设备在实际场景中与其他模型成对称关系时，建模人员往往会采用镜像的方式将模型实例摆放。由于实例模型在平台中展示时往往会按照第一个模型的数据进行实例应用，再加上很少有平台会为每个模型单独指定缩放值，因此这类问题的模型在大多数平台中都会显示异常。

3.2 解决方案

为了提升模型的兼容性，可在不改变模型大小和位置的前提下，将所有模型缩放属性全部移除。

(1)对场景中所有节点进行轴心重置，然后将所有具有缩放属性的节点选择出来。

(2)按照实例数对具有缩放属性的节点进行筛选。

(3)无实例对象的单一节点，采用附加的方式进行节点重置：步骤一，创建新的BOX节点A；步骤二，复制被替换节点的名称、位置、旋转、父节点及材质给A；步骤三，将被替换模型的所有子节点的父节点指定成为A；步骤四，删除A节点所有面元素使之成为空节点；步骤五，使用空节点A附加被替换的节点。

(4)具备实例对象的模型节点，再次按照模型的缩放值对实例节点进行筛选。

(5)对于具有同一缩放值的实例对象集，采用附加的方式重置第一个节点，并用新的节点替换其他具有同一缩放值实例对象：步骤一，复制第一个实例对象T，并以无实例对象的方式对模型进行重置，生成新的对象N；步骤二，从对象N实例复制出对象N1，并将第二个实例对象的名称、位置、旋转、父节点及材质指定给N1；步骤三，将第二个实例对象的子节点的父节点指定为N2；步骤四，对比N1和第二个实例对象，判断外观是否一致；步骤五，重复步骤二、步骤三和步骤四，依次复制出其他实例节点；步骤六，删除具有缩放值的实例对象集。

模型几何体问题处理流程图如图4所示。

图4 模型几何体问题处理流程图

几何体在场景优化前后的对比图如图5所示。

图5 几何体在场景优化前后的对比图

4 结语

本文利用代码脚本插件技术解决三维模型导入多平台时遇到的模型问题。根据三维建模软件功能的逻辑原理得到各平台均出现的普遍问题，利用软件功能可替代人工重复性操作的特点，让大规模需要优化的模型在短时间内完成，并从成本、效率两个方面进行对比分析。

一个电站在三维建模完成后，导入平台中出现的模型问题数量不等，但数量非常庞大。以每个电站有5 000个模型问题为例，如果不开发建模脚本处理这些问题，一个经验丰富的三维技术人员大约需要15天的时间才能完成，存在耗时长、容易遗漏等问题；如果开发建模脚本处理这些问题，需要2天左右的时间，快的话一天就可以完成，而且不需要经验丰富的三维技术人员也可以完成，新手都可以快速上手对模型进行优化处理。单个电站模型优化数据分析表如表1所示。

表1 单个电站模型优化数据分析表

相比之下，建模脚本对电网设备模型优化的优势显而易见。目前建模脚本研发还在继续，相信后期建模脚本可以对三维模型提供更大的帮助，让模型可在多种三维展示平台中更稳定的运行。