彭偉 白霞

摘要：文章敘述了輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的建設(shè)背景和意義，介紹了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多源海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、基于工況的三維間隙校驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字化方針應(yīng)用為難點(diǎn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)；研究開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在電磁環(huán)境展示、三維桿塔模型自動(dòng)創(chuàng)建和交互式高低腿配置功能方面的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：輸電線路；三維設(shè)計(jì)；數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)；GIS；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM75 文章編號(hào)：1009-2374（2016）17-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.012

目前輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)正處于起步階段，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的大規(guī)模實(shí)施，設(shè)計(jì)研究工作又面臨著新挑戰(zhàn)。電力設(shè)計(jì)行業(yè)已經(jīng)存在多個(gè)輸電線路設(shè)計(jì)管理軟件，從三維數(shù)字化的整體目標(biāo)來看，信息化工作依然存在著如下問題：（1）從平臺(tái)架構(gòu)和規(guī)范來看，跨專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)流程，導(dǎo)致信息孤島的出現(xiàn)；（2）從現(xiàn)有軟件功能和數(shù)據(jù)來看，重視設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，忽視綜合數(shù)據(jù)的挖掘和分析；（3）從操作便捷性和自動(dòng)化來看，缺乏有效的互動(dòng)機(jī)制。

1 平臺(tái)架構(gòu)研究

1.1 平臺(tái)目標(biāo)

1.1.1 建立輸電線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。輸電線路數(shù)據(jù)庫(kù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、前期專題數(shù)據(jù)、電源電網(wǎng)數(shù)據(jù)、勘測(cè)成果數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、線路成果數(shù)據(jù)和工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)務(wù)流程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，方便設(shè)計(jì)人員完成輸電線路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的協(xié)同操作，并形成設(shè)計(jì)成品的數(shù)字化。

1.1.2 進(jìn)行輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)。通過項(xiàng)目的建設(shè)，完整的梳理輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)信息管理流程，完成包括項(xiàng)目管理、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理、勘測(cè)成果管理、電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、線路設(shè)計(jì)成果管理、模型庫(kù)管理、空間分析、優(yōu)化選線、桿塔排位、鐵塔與基礎(chǔ)配置管理、輔助設(shè)計(jì)、工程成果查詢統(tǒng)計(jì)、線路路徑分析以及系統(tǒng)管理等多個(gè)功能模塊。

1.1.3 進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)集成。對(duì)現(xiàn)有專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行集成，使輸電線路設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)資料信息化、數(shù)字化，在統(tǒng)一的平臺(tái)上集成管理、顯示、分析應(yīng)用。

1.2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是平臺(tái)的基本技術(shù)保障，利用海量數(shù)據(jù)技術(shù)和軟件框架搭建方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和系統(tǒng)建設(shè)。平臺(tái)圍繞電網(wǎng)設(shè)計(jì)具體業(yè)務(wù)，遵循可擴(kuò)展性原則設(shè)計(jì)。平臺(tái)分六個(gè)層次，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)管理層、基礎(chǔ)軟件層、通用組件層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、用戶表現(xiàn)層。其中數(shù)據(jù)管理層、通用組件層、業(yè)務(wù)層和用戶表現(xiàn)層分離，便于擴(kuò)展系統(tǒng)。

2 主要功能

根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)流程，提供線路設(shè)計(jì)全生命周期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析統(tǒng)計(jì)、方案優(yōu)化等業(yè)務(wù)相關(guān)功能。利用衛(wèi)星圖片、航測(cè)照片、衛(wèi)星定位和全方位地形測(cè)量等手段開展線路路徑優(yōu)化、桿塔排位優(yōu)化以及基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線、金具絕緣子的可視化設(shè)計(jì)及優(yōu)化，使線路設(shè)計(jì)更加形象直觀。

2.1 基礎(chǔ)配置功能

基本功能包括二維基本功能、三維基本功能和系統(tǒng)配置管理模塊。二維基本功能包括二維圖層管理、地圖定位、地圖量測(cè)、地圖編輯、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、制圖輸出等功能模塊；三維基本功能包括視圖瀏覽、三維量算分析、自然特效、要素標(biāo)繪、空間分析、截屏和錄像等功能；系統(tǒng)配置管理模塊為用戶管理、權(quán)限管理、角色管理、日志管理、系統(tǒng)管理等方面的內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包括勘測(cè)、線路、結(jié)構(gòu)等不同專業(yè)在工程實(shí)施的過程中的設(shè)計(jì)成果資料的管理，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、地形圖和影像數(shù)據(jù)的管理，還包括對(duì)輸電線路三維業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)過程中的桿塔模型、基礎(chǔ)模型、金具絕緣子串等通用模型庫(kù)的管理。

2.3 三維業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

三維業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)部分包括工程項(xiàng)目管理、路徑分析、電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四大業(yè)務(wù)模塊。實(shí)現(xiàn)了線路勘測(cè)、路徑優(yōu)化、桿塔定位、斷面校驗(yàn)、交叉跨越校核等功能，完成二維立體選線與平斷面導(dǎo)出功能，完成線路工程設(shè)計(jì)各階段相關(guān)功能，完成各階段內(nèi)的地理信息資料信息化、路徑選擇優(yōu)化、選線成果分析統(tǒng)計(jì)、桿塔規(guī)劃及分類統(tǒng)計(jì)、桿塔絕緣子串及其他金具統(tǒng)計(jì)、桿塔接地裝置分析統(tǒng)計(jì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算等功能。

路徑（選線）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于二、三維聯(lián)動(dòng)的輸電線路選線，主要進(jìn)行線路路徑選擇和外業(yè)調(diào)繪資料錄入，輸出結(jié)果是路徑圖、平斷面圖、路徑統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等。本功能主要包括路徑方案管理、地理信息抽取、氣象資料抽取、重要控制點(diǎn)設(shè)置、自動(dòng)方案初選、調(diào)查標(biāo)繪、路徑編輯、路徑穿越區(qū)域統(tǒng)計(jì)、工程量計(jì)算、技經(jīng)提資單輸出、路徑方案及平斷面圖導(dǎo)出。

電氣設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)桿塔規(guī)劃、優(yōu)化排位、電氣校驗(yàn)等功能。（1）利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立的桿塔庫(kù)、導(dǎo)地線庫(kù)，并結(jié)合路徑設(shè)計(jì)的資料成果，電氣專業(yè)可以開展桿塔規(guī)劃和導(dǎo)地線選型，提出符合工程實(shí)際塔型規(guī)劃表，選定所需導(dǎo)地線型號(hào)、分裂數(shù)和各項(xiàng)參數(shù)；（2）開展優(yōu)化排位，電氣設(shè)計(jì)功能提供了手工排位和自動(dòng)優(yōu)化排位兩類操作方法，兩種排位方式都可將排位結(jié)果進(jìn)行線路三維模擬；（3）電氣設(shè)計(jì)還提供了豐富的電氣計(jì)算和電氣參數(shù)校驗(yàn)功能，如導(dǎo)地線張力弧垂表、導(dǎo)地線張力架線弧垂系數(shù)表等，這些數(shù)字化成果將通過系統(tǒng)直接為結(jié)構(gòu)專業(yè)提資。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)桿塔結(jié)構(gòu)生成、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)生成、塔基地形圖、塔基斷面圖等功能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能集成TTA等主流桿塔結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，開展桿塔結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，并將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三維桿塔結(jié)構(gòu)。結(jié)合電氣資料、地形地貌資料開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并生成塔基地形圖和塔基斷面圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向電氣專業(yè)提供數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，供電氣專業(yè)更新繪制平斷面圖和進(jìn)行電氣校驗(yàn)。

3 主要難點(diǎn)

3.1 多源海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理機(jī)制

輸電線路設(shè)計(jì)需要大量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣。眾多的“信息孤島”一方面使得資源得不到充分利用、日常維護(hù)量大；另一方面難以保證數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。由于缺乏有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理機(jī)制，因此結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)和開發(fā)平臺(tái)等，構(gòu)建一種相對(duì)高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理機(jī)制，具有相當(dāng)重要的意義。

3.2 基于工況的三維間隙校驗(yàn)方法研究

平臺(tái)電氣校驗(yàn)的過程中，在三維場(chǎng)景下，根據(jù)線路工況、氣象環(huán)境、導(dǎo)線型號(hào)及相關(guān)屬性等參數(shù)，真實(shí)模擬線路的弧垂以及導(dǎo)地線風(fēng)偏，分別對(duì)“導(dǎo)線對(duì)地”“導(dǎo)線對(duì)地物”“跳線對(duì)塔窗”“導(dǎo)地線間”“極限檔距”及“安全間隙”進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字化仿真應(yīng)用

平臺(tái)在三維場(chǎng)景中真實(shí)再現(xiàn)工程線路的架設(shè)情況，包括線路沿線的地形地貌信息、鐵塔、基礎(chǔ)、絕緣子串等模型情況。通過線路巡檢、飛行漫游等功能，直觀地對(duì)整個(gè)工程線路及線路沿線周邊的環(huán)境進(jìn)行瀏覽查看。應(yīng)用電磁環(huán)境展示功能，展示輸電線路對(duì)環(huán)境敏感源的電磁環(huán)境參數(shù)衰減曲線，直觀反映電磁環(huán)境指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 電磁環(huán)境展示

導(dǎo)線周圍的電磁環(huán)境和輸電線路的電壓等級(jí)、回路數(shù)、相序等條件息息相關(guān)，在進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮輸電線路附近的電磁環(huán)境對(duì)周圍居民建筑物的影響。研究了電磁環(huán)境在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)中的計(jì)算原理方法，結(jié)合“輸電線路電磁環(huán)境綜合計(jì)算程序”對(duì)系統(tǒng)采用的電磁環(huán)境計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了當(dāng)輸電線路任意點(diǎn)的磁場(chǎng)在三維中的應(yīng)用場(chǎng)景以及當(dāng)輸電線路周圍有建筑物時(shí)如何進(jìn)行電磁環(huán)境的校驗(yàn)及預(yù)警。

4.2 三維桿塔模型自動(dòng)創(chuàng)建方法研究

根據(jù)TTA文件參數(shù)自動(dòng)生成三維模型成為本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。TTA文件是自立式鐵塔內(nèi)力分析軟件的計(jì)算成果文件，文件內(nèi)記錄了鐵塔上所有的節(jié)點(diǎn)，及節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系、對(duì)稱關(guān)系等，還記錄了鐵塔的受力情況及鐵塔上桿件的一些基本信息。將TTA文件內(nèi)的這些信息讀取出來并進(jìn)行組織，建立起鐵塔的三維模型，是輸電線路三維建模與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。

為此，本系統(tǒng)開發(fā)了TTA解析的功能，系統(tǒng)讀取TTA鐵塔設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算成果文件以及塔材文件（DATA.INI），自動(dòng)創(chuàng)建鐵塔三維模型，可以直觀地觀察解析結(jié)果，并將解析結(jié)果進(jìn)行保存與導(dǎo)出，導(dǎo)出后的桿塔三維模型可以直接使用。

4.3 交互式高低腿配置方法

根據(jù)實(shí)際工作中高低腿配置流程，利用塔基地形測(cè)量數(shù)據(jù)、鐵塔高低腿數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型庫(kù)數(shù)據(jù)，按照設(shè)計(jì)院高低腿配置規(guī)則計(jì)算邊坡保護(hù)距，自動(dòng)化或人工干預(yù)相交互保證了高低腿配置功能的準(zhǔn)確性和高效性。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

在平臺(tái)的應(yīng)用過程中，通過對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)工作效率與決策科學(xué)性的提升，不僅能夠顯著降低輸電線路設(shè)計(jì)及運(yùn)行成本，還能有效增加輸電線路運(yùn)營(yíng)收益。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）人工成本的降低，通過平臺(tái)所集成的豐富數(shù)據(jù)資源及所具備的高效輔助決策能力，可顯著減少線路、結(jié)構(gòu)、勘測(cè)等專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)工作量，并節(jié)約同等工作量下的人員配置，減少差旅和薪酬支出；（2）提高輸電線路設(shè)計(jì)效率所帶來的收益增加，通過平臺(tái)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)等板塊功能應(yīng)用，能有效縮短輸電工程從規(guī)劃布點(diǎn)到建成投運(yùn)的實(shí)施周期。

5.2 社會(huì)效益

（1）社會(huì)資源節(jié)約方面，通過平臺(tái)應(yīng)用，進(jìn)一步提輸電線路建設(shè)環(huán)節(jié)中決策科學(xué)性，減少資源占用。在站址和線路路徑方案優(yōu)選方面，可有效減少線路設(shè)施對(duì)農(nóng)田、林地等社會(huì)資源的不合理占用，促進(jìn)輸電線路與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展；（2）社會(huì)發(fā)展保障方面，利用平臺(tái)對(duì)輸電線路運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行工況進(jìn)行密切跟蹤，快速科學(xué)應(yīng)對(duì)輸電線路突發(fā)事件；（3）產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)方面，基于地理空間布局，可以直觀查看全省當(dāng)前輸電線路分部情況，科學(xué)指導(dǎo)全省電網(wǎng)建設(shè)，為政府部門研判集聚區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)形勢(shì)、制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：彭偉，男，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，工學(xué)碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與信息安全。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）