基于全息数据的输电智慧设计方法研究与应用

袁敬中，谢景海，郭 嘉，卢诗华，苏东禹，孙 密，吕 科

(国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038)

0 引言

电网设计技术历经几十年的发展和演变，从传统的手工绘制、计算机两维辅助设计，到目前已经发展到了数字化三维设计。随着新技术的飞速发展，地理信息系统(geographic information system，GIS)、海拉瓦全数字化摄影系统(Helava)、建筑信息模型(building information model，BIM)以及电网信息模型(grid information model，GIM)等三维设计技术手段成功地应用到电网设计中，基于全球卫星定位系统(global positioning system，GPS)的空间位置信息、高清卫星摄影图片以及无人机拍摄的图片等均成为了电网设计的重要数据资源，为电网进一步数字化、电力物联网及新型电力系统建设奠定了良好基础[1-2]。但是，目前电网设计中的设计方案获取、比选、校核、决策、判断和评估等大量复杂工作仍然需要依靠设计人员完成，这不仅需要大量的高级人力资源，而且设计质量仍然主要取决于设计人员的技术水平和经验。

另一方面，我国电网建设从超高压时代迈入了特高压、交直流互联等新时代，远距离送电与城镇发展、乡村振兴，电力电子装备广泛应用，对电网设计也提出了更高的要求。比如，变电站(包括换流站和开关站)的站址选择和输电线路路径选择在电网设计中极为重要；但是面对更为复杂的电网建设环境，两者都日趋困难。再者，近年来又提出了“三通一标”“两型一化三新”“标准化设计、工厂化加工、模块化建设”“机械化施工、流水线作业”等全新理念，无疑又给电网设计带来了巨大挑战。

同时，面对新形势、新发展、新要求，国家电网有限公司加速能源互联网、数字电网、电力物联网、新型电力系统建设，大数据、区块链、数字孪生和人工智能等技术已经发展到了广泛应用的历史阶段，而电网设计是一个适合大数据、区块链和人工智能等新技术广泛应用的专业领域。目前，正是将大数据、区块链和人工智能等新技术引入电网设计的恰当时机。换句话说，提出电网智慧设计的新理念和新方法已经具备基础技术条件。

因此，如何结合目前电网数字化三维设计的成功经验，采用大数据、强人工智能、区块链、数字孪生、5G、VR、3DS、云雾边(端)缘计算、万物智联、镜像、图像识别、虚拟成像等先进新技术大幅度提升电网设计工作效率和设计质量，是一个具有重要价值且亟待研究的课题。基于上述背景，本文综合利用多种先进新技术手段，提出基于全息数字孪生技术，适用于数字电网建设的输电智慧设计理念，并开展输电智慧设计方法研究与应用。

1 输电智慧设计理念

1.1 智慧设计基本概念

智慧设计，是指根据应用场景灵活采用大数据、强人工智能、区块链、数字孪生、5G、VR、3DS、云雾边(端)缘计算、万物智联、镜像、图像识别、虚拟成像等新技术手段，具有设计、比对、评估、迭代的质量控制过程和较高自动化程度，能够满足技术经济一体化的全方位数字化设计方法。

智慧设计是基于设计技术新发展和设计结果新要求的理念创新，具有高度的独立设计和整体设计的灵活性，能够满足各种复杂条件下的设计要求。智慧设计技术应用在电网线路工程中，就形成输电智慧设计。输电智慧设计的功能如图1所示。

图1 输电智慧设计功能

1.2 智慧设计目的

智慧设计目的旨在对工程项目开展精准化、精细化、数字化、立体化、空间化设计，进一步大幅度提升设计质量和效率，减少人为影响因素，实现精准设计、精细算价，具有高度自动化的思考、推理、自检、纠错、评估等智慧功能。

1.3 智慧设计模式

智慧设计模式将充分利用传统电网设计的可靠经验和多种先进新技术手段的优势，构建具有良好适应性、灵活性和学习性的电网设计高度自动化、数字化智慧平台，实现设计阶段一体化、技术与经济一体化、设计和评估(评审)一体化。

1.4 智慧设计方法

在工程项目各个设计阶段，基于强人工智能等最新技术融合的智慧设计系统，在各个阶段采用设计、比对、评估、优化多步多次迭代，获得整体最优化设计方案，形成高质量、高水平设计产品。

2 输电智慧设计关键技术

输电智慧设计作为一种多维度崭新设计理念，融合了各领域多方面的智能化关键技术。多种技术的有效融合促使电网智慧设计从理论走向现实。下面综合讨论电网输电智慧设计在全息数据、强人工智能、区块链、云雾边(端)等技术应用方面内容。

2.1 全息数据技术

数据是开展一切设计工作的基础。数据是全息数字孪生平台的核心，是电网智慧设计的基础。利用数字孪生和克隆技术，统一标准、统一规格、统一属性、统一赋能，融合多源数据，构建适用于智慧设计的全息数字孪生平台。

基于大数据、图像识别、虚拟成像、数字孪生等技术，还原现场真实环境，构建全息数字孪生平台，形成虚拟全息空间环境，重现空间孪生体或克隆体，能够完成三维虚拟全息环境的构建。

2.2 强人工智能技术

目前，普遍广泛采用的人工智能技术是弱人工智能(weak artificial intelligence)，只能解决特定的领域限定问题，完成有限事务，是机械地实现设定的行为，是一种技术工具。强人工智能技术(strong artificial intelligence)，能够实现类人意识，通过深度学习，具备工程项目设计推理和解决问题的功能。结合强人工智能技术和虚拟三维成像技术，可将卫星遥感、航飞、激光点云、海拉瓦、摄像、照相等影像，通过算法还原成真实立体物体，并赋能属性。在站址选择、路径选择、方案选择及比选、设备选择、造价分析等方面，通过模型建立，算法训练，具备学习、推理、解决问题的能力，实现智慧设计功能。

2.3 区块链技术

区块链技术的去中心化、透明性、开放性、可追溯性、不可篡改、隐私匿名、多点共识等这些特征，非常适合应用在电网设计技术和造价中。在电网输电设计中线路电气、线路结构、勘测、造价等专业协同同步开展设计，有效地保证设计方案的正确性，以及工程项目造价编制和算价的精准。利用区块链技术，可同步实现设计中各个阶段设计、对比、评估、评审等功能。

2.4 云雾边(端)技术

在电网输电工程项目设计中，将电气、绝缘配合、架构承载、土建结构、杆塔结构、导地线选择等计算融入到设计过程中，随着设计进程，应用边缘计算技术，及时开展计算，选择合适方案、导线、配置、塔型等。评审和审核功能也随时通过边缘计算、分析和评估及时完成，实现分步评审和审核功能。

开展电网设计工作的相关数据涉及网架、敏感地理位置等敏感保密信息，一般设置在内网，导致设计人员在外现场工作时无法登陆内网，不能开展相关业务。为了及时有效开展工作，采用镜像技术，在需要时经授权，把内网相关需要的数据镜像到外网服务器，以加密方式，通过5G或4G技术，在远端使用终端开展设计工作，实现边(端)、雾、云设计和计算功能。当设计工作完成之后，及时收回授权，并把最新成果镜像到内网服务器，保持系统内容及时更新。

冀北经研体系已经建成了“1+7”三维设计平台，在经研院设置了3台主服务器，在7家经研所和设计单位设置了7台辅助服务器。各单位各自完成的设计成果在各自服务器上储存。主服务器实现云计算功能，辅助服务器实现雾计算功能，操作终端实现边(端)计算功能。

2.5 虚拟VR技术

虚拟VR技术应用到电网设计将是一项全新的实用技术，包括计算机、电子信息、仿真技术于一体，计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。采用AI+3D+虚拟VR技术，可以实现身临其境，处于物体空间内开展立体设计状态，更加直观、精准、真实地开展设计。与无人机结合，实时成像，坐在办公室也可以开展现场设计工作，可以实现远程同步设计功能。

2.6 智慧知识库构建

结合国家、行业、国网公司、冀北公司等设计标准和规范，在“三通一标”“两型三新一化”、专家设计经验等基础上建立具有自学习、自推理、自丰富、自诊断、自积累等功能的智慧专家库。智慧专家库应标准统一、规范统一、赋能统一、使用统一、维护统一，做到从规划设计、采购制造、建设运维全生命周期贯通统一，虚体和实体一致。智慧专家库包括常用通用设计库、主接线库、设备库、导线材料库、建筑物库、构筑物库、线路基础库，以及策略库、规则库、经验库等，这些库用于智慧选择、判断、比对及优化等应用。

2.7 万物智联技术

基于物联网思维，全生命周期理念，建立电网统一识别码体系。将电网设备、材料、建筑物、构筑物、铁塔、导线、金具等等，任何一个可独立元件或单元，从规划设计开始统一编码(GID码)，并进一步赋能，将相关特性和属性等标注，成为一个智慧单元或元件，全部单元或元件全感知、智能、智慧，实现万物智联。工程建设时也同样，每个环节每个部件也能全感知，实时跟踪，状态感知。建成后，便形成了一个设计产品的孪生体，可以用于运行、维护、全生命周期有效健康管理。

3 输电智慧设计总体方案

输电线路智慧设计，是在传统设计技术基础上，以全息平台提供的地理信息数据为支撑，结合三维技术、人工智能技术、大数据技术，从路径选择、电气设计、结构设计、造价分析等各个环节开展研究，实现输电设计流程的全面智能化、设计与技术技经一体化，并形成相应的系统成果。总体方案流程如图2所示。

图2 输电智慧设计总体方案流程图

3.1 智慧设计基础数据构建

3.1.1 全息环境构建

在工程项目中，可以使用三维场景构建技术，在全息平台上合成三维环境影像，构建三维虚拟环境，用于智慧输电线路设计与建设。三维虚拟环境场景构建的重点包括：

1)通过调查和研究，了解目前国内外电网、地质、航天、交通等行业卫星图片、航空图片等内容，获取相关有效数据信息，为构建三维虚拟场景提供数据准备。

2)研究国内外各主流GIS平台及所支持的地理信息数据格式，通过对不同数据格式的分析及对比建立符合项目要求的数据组织结构和算法。

3)研究矢量地形图数据与地理信息数据融合方法，将不同比例尺地形图叠加到三维数字化路径选择场景并实现快速切换。

4)研究河道、路网、矿区等专题图数据与地理信息数据融合方法。数据融合成果将为路径选择提供优化依据,方便设计人员对设计施工过程中运输费用进行综合考虑，得出最优路径结果。

3.1.2 数据种植和处理

通过数字孪生和克隆技术将相关数据种植到平台上，经过处理和清洗，形成立体全息可使用的熟数据(cooked data)。

需要种植电网工程设计相关的数据主要分四类：地理信息、地上物、地下物以及数据虚物体(孪体)；其中地理信息包括地形、地貌、高程信息、公路铁路等基本信息；地上物包含电力杆塔、树木、构筑物等物体；地下物包含矿产、地层结构、地下管道等；数据虚物体主要包括设计所需的规程、规范、模型及政府文件，在此基础上，判别该区域的属性所划分的区域，即规划区、文物保护区、自然保护区等，即为属性判别区域。

考虑有效使用，将数据属性定义分成红区、黄区、绿区、灰区四类区。红区：工程设计选址选线过程中必须避让的区域；黄区：工程设计选址选线过程中需要付出直接或间接代价的区域；绿区：工程设计选址选线过程中可无代价经过的区域；灰区：工程设计选址选线过程中存在潜在风险的区域，可随实际情况转化成为其他类型区域。

利用数字孪生技术，通过数据种植、清洗、煎熟，形成获得立体全方位空间熟数据，适用于强人工智能算法使用。

3.1.3 多元数据融合

在设计平台的构建中，需要融合包括结构化数据、非结构化数据和图片数据等各种数据源。利用大数据、图像识别、虚拟成像等技术进行处理分析。通过分析国内外主流GIS平台及三维设计技术的应用情况，研究、融合并管理各类新型测绘数据和工测数据。

构建的全息数字孪生平台是实物空间的孪生体。在全息数字孪生平台上，结合模块化设计，通过数字孪生、克隆技术生成实际物体孪生体；同时也可以开展全过程设计、模拟施工、运维等。每个独立模件是一个感知体，具有电网识别码(grid ID，简称GID)，全生命周期有效。

现场空间孪生体，经过设计、加载、加工变成设计产品(可研、初设、施工图、竣工图)，就是设计孪生体；再经过建造变成实物孪生体(电网)，设计孪生体和实物孪生体是一对一模一样的孪生体。

采用这个孪生体可以建设孪生变电站、孪生输电线路，形成数字孪生电网。在数字孪生电网上可以开展实物电网上所有的一切工作，可以提前分析、预判、诊断等，用于指导实物电网运行、控制、维护、仿真等健康管理。

3.2 输电线路路径智慧选择

输电线路路径选择的传统方法是：首先在纸质或扫描地形图上进行路径方案初步确定，然后进行现场踏勘测量，发现问题再对路径初选方案进行修改。这种工作方式存在以下缺点：敏感数据的获取、管理、保密等工作耗时费力；地形图的精度低，导致现场勘测的次数增加；传统地形图直观性差，不利于线路路径方案的合理性判断；已完成工程资料数据电子化转换困难，数据复用性差。且时间长，效率低，不精准。

因此，提出融合海拉瓦技术、GIS技术和人工智能等先进技术的“智慧路径选择”方法。“智慧路径选择”的优点主要体现在三个方面：其一，“智慧路径选择”由计算机完全替代人工，可以根据相应的约束条件及多种高级综合算法进行自动寻优，选择最优线路路径，使设计效率大为提高。其二，“智慧路径选择”可针对不同地域的地形特点和地形细节，结合丰富的经验自动做出最佳的选择，提高输电线路路径选择的技术水准、成果质量和方案的可实施性。其三，“智慧路径选择”能有效利用海拉瓦和航空影像等先进测绘技术所获取的高质量数据，提高设计准确性。

为了突破输电线路路径选择及优化的难点，需要用地理信息数据构建三维场景。同时，应充分考虑地形图数据在输电线路路径选择工作中的意义和作用，通过融合多种数据源以确保三维场景的真实性和准确性。构建适用于输电线路路径选择的三维化仿真场景，应将各种比例尺的地形图数据与地理信息基础数据相结合，并支持多种数据源的数据格式，包括测量数据、卫星图片、航拍图片、激光雷达点云数据等。图3给出的是融合多种数据的输电线路设计的三维展示界面。基于输电智慧设计的输电线路路径选择过程中采用先进的大数据技术实现智能化数据融合，为后续构建适用于输电线路路径选择的三维化仿真场景提供真实准确的数据。

图3 输电线路设计三维展示界面

在输电线路路径方案的选择中，同时需要综合考虑拆迁量、砍伐量和施工运输等各种影响工程造价和线路路径质量的因素。因此，输电线路路径选择平台应能够支持矢量地理信息图层数据的叠加，并能够结合影像、地形图、专题图以优化线路走廊。为了最大程度地优化线路走廊，往往需要进行杆塔预排位和计算预排位方案的工程造价，为线路路径方案优化提供依据。图4给出了考虑拆迁量的设计界面，而图5给出了考虑砍伐量和施工条件的设计界面。应用大数据技术与人工智能技术，在杆塔预排位、计算预排位方案工程造价、计算综合考虑各种影响因素后的工程造价等过程中，可实现平台自主智能计算输出工程造价等相关计算量结果，能够实现快速高效且优质地获得线路路径优化方案的依据，为后续获取线路最优路径创造有利的基础条件。

图4 考虑拆迁量的设计界面

图5 考虑砍伐量和施工条件的设计界面

在最优路径算法方面，首先要建立适合于输电线路的路径选择算法，采用逐次逼近法，空间投资价值最优原则[3-4]，分别按照粗选、细选、精选三步骤，逐次推进可研、初设、施设各个阶段的路径选取。粗选路径需要考虑的关键指标策略是线路长度、曲折系数、转角度数、避让红区、居民区、经济林、矿区等；细选路径需要增加考虑的关键指标策略有地形坡度、冰风舞雷区、采空区、跨越、河流、道路、边坡、临近线路、农田、转角个数等；精选路径需要再增加考虑的关键指标策略是塔位、断面、交通、低地等。智慧路径选择界面如图6所示。

图6 智慧路径选择界面

通过采用大数据技术与人工智能等先进技术对现有地理数据进行收集和处理，建立一个统一高效的仿真地理环境，在此环境中实现自主智慧路径规划，数据管理，资料提取等工作，其中数据由统一服务器进行管理。基于地理信息系统的数字化、智能化线路路径选择及优化方案，能便捷高效地改进线路路径设计质量，提高输电线路规划设计的智能化水平，减少工程费用。

此外，还需进行路径辅助设计及优化，通过采用人工智能等先进技术突破快速材料统计及造价分析、智能交互路径选择等相关技术难点，也可通过人工干预与计算机设计相结合进一步提高路径设计质量。

3.3 输电线路本体智慧设计

输电线路设计模型，需要考虑多种气象条件下的模型形态及空间距离，在矢量模型建立时应结合大数据和人工智能等新技术，采用参数化方式进行建模，确保建模工作不增加设计人员工作负担，同时又能够针对模型进行各种电气计算，实现矢量模型的自主智能建立与矢量化电气量自主智能计算过程。

输电线路本体智慧设计，主要包含以下内容：根据系统条件及要求合理选择导线，设置绝缘配合(图7)，完成杆塔规划及排列(图8)，优化基础选择(图9)，形成三维设计成果，一键输出成品。

图7 智慧绝缘配合设计

图8 智慧杆塔规划设计

图9 智慧基础设计

3.4 技术与经济一体化及造价分析

在工程项目本体设计完成之后，包括方案、可研、初设、施设、竣工等阶段，系统自动获取设备、材料等价格信息，自动套取定额，编制完成估算、概算、预算、工程量清单等；同时，同步完成造价分析，实现设计技经与分析一体化贯通。电网设计方案关系着电网的建设质量、建设全过程和投资效益，起着非常关键的作用。智慧设计相关技术的广泛应用及研究，大大提高了电网设计质量和水平，使建设未来数字电网、智慧电网及新型电力系统成为了可能[5]。

4 输电智慧设计平台

随着电网多维度智慧设计技术、人工智能技术不断发展，输变电工程设计未来将更加广泛的采用“人工智能”“专家系统”“智慧路径选择”“动态规划”、GIS、GIM、BIM大数据、虚拟合成成像、图像识别处理等新技术。构建实用化电网设计平台，将“电网智慧设计”理念落地化，能够推动电网设计理念的发展，全面提升工程项目设计质量和水平。

基于新技术融合的全息数字孪生电网智慧设计平台，具有构建真实虚拟空间的功能，可以完成可研、初设、施设等各个阶段的智慧设计任务，能够贯穿于整个电网设计过程。智慧设计成果可以实现全电子化移交，使数据服务与数字化智慧电网建设和运行。基于强人工智能等新技术的电网智慧设计平台的构建流程如下：

1)构建完整地理信息

利用现有卫星、照相、移动测量、地下探测等综合技术，采集工程区域内相关变电站站址、线路路径等高清晰度立体地理信息。同时，可通过移动数据采集系统，获取站址、路径附近详细地理信息，弥补宏观信息不足的缺点，从而建立出区域内完整全面的地理信息库。

2)构建全息数字孪生平台

通过结合地理信息处理技术和三维仿真技术等先进技术，在地理信息库上附加地上物、地下物、矿藏、铁路、公路、电力线等全部关键信息，进行数据赋能，形成全息空间数据，从而建立完整立体的多维度全息数据平台，用以适应智慧规划设计的需要。

3)构建基于强人工智能的专家系统

结合建立的智慧知识库，构建可视化的输变电智慧选线平台。输变电智慧选线平台是人工智能专家系统的支撑核心，利用该平台进行线路智能化路径选择，能够更好地解决现有专家系统存在的问题。该平台具有以下优点：一是采用独立的地理信息构建系统，可以高效真实地还原现场地形、地貌场景，减少路径选择过程中不确定的因素，从而减少设计人员现场勘查的次数；二是可以对路径的选择进行智能规划，输入限定的边界条件后该平台将给出数条智能路径选择结果，并实时显示设计路径的平断面等重要数据，为设计人员提供多种路径选择方案建议，有助于提高路径选择的质量和效率；三是支持卫片、航片、电子地形图、扫描地形图、激光点云、倾斜摄影测量、虚拟成像等测绘数据导入，有助于提高路径选择初期数据准备的便利性。平台对所有数据进行统一管理，并对敏感数据进行加密存储，以满足设计人员对不同数据的管理需求；四是对已经设计完成的工程进行显示存档，提供对相关历史数据的自助提取服务。系统与目前市场上的主流设计软件应有效兼容。

通过人工智能专家系统，能够实现对线路路径的智能化、智慧化、合理化选取，从而实现对工程线路路径规划设计过程的进一步优化。

4)构建多维度智慧设计系统及设计平台

未来的设计概念，就是在同一平台上进行云雾边(端)设计。从设计开始，对电网每个元件进行编码，形成电网中统一、编号唯一的代码，用于电力物联网基础构建。多维度智慧设计是指在上下左右前后的多维度空间上[5]，实现立体旋转设计，通过引入时间变量以实现多维度设计的理念。线路工程在确定起止点，以及边界条件后，系统自动完成输电线路路径选择、杆塔选择、导线选择等，智慧自动设计并生成出满足要求的推荐方案，便于设计人员选择；同时，与工程设计相关图纸、数据、工程量、估算、概算、预算等全部信息量也自动生成，以供设计人员自动调取；实现立体多维度设计工作，进而形成设计所需的全部信息。如果某一外部条件变化，系统可以随时修改调整，并重新生成相关信息及方案。

5)设计产品无纸化输出和移交

智慧设计实现了全过程多维度智慧完整设计，并生成了完整的数字化成果；同时实现了全设计过程、全信息的无纸化输出与无纸化提交，这样可以做到真正意义上的技术、造价(技经)一体化贯通设计。图10给出了造价部分流程图。

图10 造价部分流程图

未来，结合3D打印技术，可以在工厂或现场自动打印建构筑物，实现全链条自动化设计与制造。

6)设计输出产品合规性自动检查

智慧设计平台集成了电网所有的严格策略、规则、规范、标准等，设计输出的产品应该是满足要求、符合规则的合格产品，也就自动分步随时完成了各个阶段评审工作，实现自动检查与评审功能。

5 结语

智慧设计可以实现电网设计的全寿命、全过程融合，从而达到真正意义上的数字化设计。通过将规划、设计、评估、评审、建设、调控、运维等更多功能融入其中，可以把设计平台打造成一个集电网设计、评审、运维等业务于一体的综合服务平台。随着先进的测量、强人工智能等技术深度应用于电网设计技术领域，将大大提升设计效率与设计质量，实现电网设计手段革命性改进和创新性发展，更好地适应对大规模、高电压、高水平新型电网建设的需要。电网智慧设计的实现，将有效助力高质量数字电网及新型电力系统建设。