輸電線路鐵塔掛點(diǎn)數(shù)字化模型研究

李美峰，駱俊林，馮 勇，李會(huì)超，車 達(dá)，謝 靜

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

輸電線路行業(yè)正在大力研究和推進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用[1-3]。輸電線路三維設(shè)計(jì)是以模型和數(shù)據(jù)為核心要素，通過驅(qū)動(dòng)模型來提取、編輯和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)信息，從而完成相關(guān)的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)工作。在輸電線路三維模型中，鐵塔是最關(guān)鍵的部分[4-5]。其中鐵塔掛點(diǎn)既是連接絕緣子串和鐵塔結(jié)構(gòu)的裝置，也是反映掛點(diǎn)裝配要求的重要區(qū)域[6]，對(duì)于指導(dǎo)鐵塔和金具正確組裝具有重要的指導(dǎo)作用[7]。目前行業(yè)內(nèi)通用的輸電線路鐵塔模型包括以*.tta格式文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的鐵塔計(jì)算模型和以*.mod格式文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的鐵塔三維模型[8-9]。但計(jì)算模型和三維模型均未對(duì)掛點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的定義。

本文首先分析了鐵塔掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程，從掛點(diǎn)提資表中總結(jié)了掛點(diǎn)數(shù)字化模型的特征。結(jié)合行業(yè)內(nèi)通用的*.mod數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所表達(dá)的掛點(diǎn)信息，得出目前采用*.mod表達(dá)的鐵塔通用模型和產(chǎn)品模型都不能全面表達(dá)掛點(diǎn)所有特征信息。然后借助*.xml這種可擴(kuò)展的標(biāo)記語(yǔ)言，提出一種全面表達(dá)掛點(diǎn)信息的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在不需對(duì)*.mod數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改的情況下，可實(shí)現(xiàn)掛點(diǎn)信息的補(bǔ)充。鐵塔三維模型通過把*.mod和*.xml文件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)掛點(diǎn)數(shù)字化模型信息的全面表達(dá)。最后選擇自主開發(fā)的鐵塔三維建模軟件，以典型干字型耐張塔為例建立了完整的掛點(diǎn)三維模型，并進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。

1 輸電鐵塔掛點(diǎn)信息分析

掛點(diǎn)設(shè)計(jì)是鐵塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，一般是在桿塔規(guī)劃前，由電氣設(shè)計(jì)人員提出鐵塔掛點(diǎn)需求或掛點(diǎn)提資單，其主要內(nèi)容見表1所列。從表中可以看出，鐵塔掛點(diǎn)提資主要包含掛點(diǎn)數(shù)量、掛點(diǎn)間距、聯(lián)塔金具的型號(hào)、螺栓的規(guī)格和穿向、掛線角鋼間距要求或者掛線板的厚度要求，但一般不包含聯(lián)塔金具與下一個(gè)金具連接處的孔位及螺栓尺寸。

表1 鐵塔掛點(diǎn)提資表

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員接收掛點(diǎn)提資單后，結(jié)合桿塔其他設(shè)計(jì)條件開展桿塔規(guī)劃，確定桿塔外形后進(jìn)行桿塔計(jì)算優(yōu)化，進(jìn)而得到桿塔的司令圖。利用司令圖和掛點(diǎn)提資，才能繪制完成桿塔結(jié)構(gòu)圖。鐵塔設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 鐵塔設(shè)計(jì)流程圖

通過對(duì)掛點(diǎn)設(shè)計(jì)過程的分析，可以得出鐵塔掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)屬性主要包括：掛點(diǎn)金具、掛孔構(gòu)造、掛點(diǎn)功能、掛點(diǎn)位置。對(duì)鐵塔掛點(diǎn)信息進(jìn)一步抽象和研究，我們將其信息內(nèi)容歸納為四種特征，即：功能特征、結(jié)構(gòu)特征、裝配特征和荷載特征。

1)功能特征反映了掛點(diǎn)的功能要求，一般可將其分為掛地線、導(dǎo)線、跳線和施工安裝等四類。

2)結(jié)構(gòu)特征反映了鐵塔模型的顆粒度，當(dāng)鐵塔模型為實(shí)體模型時(shí)，掛點(diǎn)表現(xiàn)為實(shí)體結(jié)構(gòu)特征，如圖2(a)所示；當(dāng)掛點(diǎn)為單線模型時(shí)，掛點(diǎn)表現(xiàn)為單線結(jié)構(gòu)特征，如圖2(b)所示。

圖2 掛點(diǎn)示例圖

3)裝配特征反映了鐵塔直接相連的掛點(diǎn)金具型式，主要包括“GD型(樞軸掛板)”“EB型(耳軸掛板)”“UB型掛板”“U型掛環(huán)”和“U型螺栓”五類。裝配特征涵蓋金具型號(hào)、掛孔尺寸、分組信息、金具轉(zhuǎn)動(dòng)特征等信息。目前，500 kV及以上線路，多采用耳軸掛板或樞軸掛板，其型式如圖3所示。

圖3 耳軸掛板及樞軸掛板

4)荷載特征反映了掛點(diǎn)的受力特征，分為耐張和懸垂兩類，見表2所列。

表2 掛點(diǎn)荷載特點(diǎn)

2 掛點(diǎn)數(shù)字化模型表達(dá)方法

2.1 信息存儲(chǔ)方式

目前輸電線路鐵塔三維模型一般采用通用模型和產(chǎn)品模型兩類，建模方法為參數(shù)化建模，其數(shù)據(jù)包括桿塔節(jié)點(diǎn)、桿件、掛點(diǎn)信息，文件格式為*.mod，掛點(diǎn)信息的表達(dá)方式為：掛點(diǎn)類型，掛點(diǎn)名稱，X，Y，Z(坐標(biāo)相對(duì)于模型原點(diǎn))，其中掛點(diǎn)類型包括：G—地線掛點(diǎn)，C—導(dǎo)線掛點(diǎn)，T—跳線掛點(diǎn)。掛點(diǎn)命名規(guī)則見表3所列。

表3 mod文件掛點(diǎn)命名規(guī)則

盡管*.mod文件的掛點(diǎn)分類尚未涉及到安裝類，但對(duì)于這類信息的擴(kuò)展只需在模型文件下添加相應(yīng)的字段即可。結(jié)合掛點(diǎn)的功能特征、結(jié)構(gòu)特征、裝配特征和荷載特征對(duì)通用模型和產(chǎn)品模型進(jìn)行比較分析，檢查是否具備相應(yīng)的特征描述內(nèi)容，結(jié)論見表4所列。

表4 兩種模型掛點(diǎn)特征符合度檢查

從表4中可看出，*.mod文件存儲(chǔ)的掛點(diǎn)信息，尚不足以體現(xiàn)掛點(diǎn)的數(shù)字化信息特征。如果在*.mod文件中不斷補(bǔ)充信息，會(huì)造成整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且不易被設(shè)計(jì)人員理解。因此需要一種基于純文本的數(shù)據(jù)格式，兼顧讀寫，并且簡(jiǎn)單靈活。

XML(extensible markup language)是一種類似于HTML的可擴(kuò)展的標(biāo)記語(yǔ)言，具有良好的可讀性和規(guī)范簡(jiǎn)潔的書寫方式。因此，這里推薦采用*.xml數(shù)據(jù)格式來記錄掛點(diǎn)信息，并單獨(dú)存放在一個(gè)獨(dú)立的文件中，這樣鐵塔數(shù)字化模型便可通過*.mod和*.xml共同表達(dá)，如圖4所示。

圖4 鐵塔數(shù)字化模型示意圖

2.2 功能特征信息表達(dá)

從2.1節(jié)可以得出，目前*.mod文件中的掛點(diǎn)信息可體現(xiàn)出掛點(diǎn)的類型、位置和相序，滿足常規(guī)線路工程鐵塔掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

圖5 掛點(diǎn)功能特征示意圖

但為適應(yīng)更為復(fù)雜的多回路、混壓塔或者換位塔等，應(yīng)將回路、電壓等級(jí)等信息添加進(jìn)去。因此將功能特征通過回路和掛點(diǎn)位置這兩個(gè)元素來體現(xiàn)，其元素和屬性見表5所列。

表5 掛點(diǎn)功能特征元素及屬性表

2.3 結(jié)構(gòu)特征信息表達(dá)

包括掛板厚度、掛孔直徑、間距、朝向等信息，如圖6所示。

圖6 掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征示意圖

見表6所列，螺栓穿向通過一組空間向量來表達(dá)，能更準(zhǔn)確的反映掛孔的位置。掛點(diǎn)模型類型主要是記錄掛點(diǎn)信息的來源是從*.mod還是*.xml文件中獲取的。

表6 掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征元素及屬性表

2.4 裝配特征信息表達(dá)

裝配信息主要體現(xiàn)掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)與掛線金具的相對(duì)關(guān)系：一是直接連接掛線角鋼的金具，可以命名為聯(lián)塔金具；二是與聯(lián)塔金具相連，但可以旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)并與鐵塔產(chǎn)生碰撞的金具，可命名為二級(jí)金具。如圖7所示。

圖7 掛點(diǎn)裝配特征示意圖

裝配信息應(yīng)包含與掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)相匹配的掛點(diǎn)金具的特征參數(shù)，而這些特征參數(shù)主要與特定的金具型號(hào)相關(guān)，見表7所列。其中金具的最大和最小轉(zhuǎn)角也通過參數(shù)進(jìn)行表示。

表7 掛點(diǎn)裝配特征元素及屬性

2.5 荷載特征信息表達(dá)

荷載特征信息主要用于區(qū)分掛點(diǎn)是懸垂型還是耐張型，表8采用受力類型區(qū)分懸垂和耐張的荷載特征。

表8 掛點(diǎn)載荷特征元素及屬性表

3 掛點(diǎn)建模

我們基于TMA(towen-manufacturing assistant)鐵塔放樣加工平臺(tái)，自主開發(fā)鐵塔三維建模程序，在生產(chǎn)鐵塔數(shù)字化模型的過程中，同時(shí)賦予模型掛點(diǎn)信息。本文選取一種500 kV單回路干字型耐張塔進(jìn)行了測(cè)試。建模流程如下：

1)建立鐵塔粗略模型

程序支持導(dǎo)入計(jì)算模型或搭建幾何體兩種方式建立鐵塔單線模型。因該塔已具備計(jì)算模型，所以這里通過直接導(dǎo)入計(jì)算模型的方式即可快速建立幾何模型，而構(gòu)件的規(guī)格信息也通過計(jì)算文件傳遞到三維模型中。

2)實(shí)體桿件位置定義

由于角鋼構(gòu)件的拼裝要考慮內(nèi)貼、外貼及芯線等因素，程序雖然已具備對(duì)典型塔型自動(dòng)匹配拼裝的功能，但部分節(jié)點(diǎn)和位置仍需要用戶自主調(diào)整。因此這里對(duì)主要節(jié)點(diǎn)按照構(gòu)圖規(guī)則進(jìn)行了調(diào)整。

3)地線掛點(diǎn)定義

在單線模式下，點(diǎn)擊地線掛點(diǎn)荷載計(jì)算的節(jié)點(diǎn)，完成地線掛點(diǎn)定義，確定回路、掛點(diǎn)位置信息，程序操作如圖8所示。

圖8 地線掛點(diǎn)定義

4)導(dǎo)線掛點(diǎn)定義

在單線模式下，點(diǎn)擊導(dǎo)線掛點(diǎn)荷載計(jì)算的節(jié)點(diǎn)，完成導(dǎo)線掛點(diǎn)定義，并確定回路、掛點(diǎn)位置信息，程序操作界面如圖9所示。

圖9 導(dǎo)線掛點(diǎn)定義

5)金具建庫(kù)

單線模型下掛點(diǎn)定義，主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段*.mod層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表達(dá)。接下來通過實(shí)體模型掛點(diǎn)定義，完成對(duì)掛點(diǎn)數(shù)字化模型的信息完善。由于實(shí)體模型掛點(diǎn)與金具關(guān)聯(lián)，因此，程序首先將常用的GD、EB、U型金具參數(shù)化[10]，通過建立一個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的金具庫(kù)，在掛點(diǎn)處設(shè)置所需金具型號(hào)，從庫(kù)中調(diào)用匹配的金具來獲取具體的參數(shù)值。

6)地線掛點(diǎn)實(shí)體建模

在實(shí)體模式下，點(diǎn)擊地線掛點(diǎn)荷載計(jì)算的節(jié)點(diǎn)，完成地線掛點(diǎn)實(shí)體定義。在實(shí)體定義的過程中，確定地線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號(hào)、一二級(jí)金具擺動(dòng)角度等信息，如圖10所示。

圖10 地線實(shí)體掛點(diǎn)定義

7)導(dǎo)線掛點(diǎn)實(shí)體建模

在實(shí)體模式下，點(diǎn)擊導(dǎo)線掛點(diǎn)荷載計(jì)算的節(jié)點(diǎn)，完成導(dǎo)線掛點(diǎn)實(shí)體定義。在實(shí)體定義的過程中，確定導(dǎo)線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號(hào)、一二級(jí)金具擺動(dòng)角度等信息，如圖11所示。

圖11 導(dǎo)線實(shí)體掛點(diǎn)定義

8)模型文件存儲(chǔ)

編輯完成后，程序?qū)⒛Ｐ鸵?.tma的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)也支持導(dǎo)出*.mod和*.xml文件。

4 掛點(diǎn)數(shù)字化模型的應(yīng)用

掛點(diǎn)數(shù)字化模型可用于三維場(chǎng)景構(gòu)建、金具裝配校驗(yàn)、碰撞校驗(yàn)等。在輸電線路鐵塔組裝過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生金具與塔材碰撞的案例，如圖12所示。

圖12 金具與塔材碰撞工程案例

下面對(duì)掛點(diǎn)最常規(guī)的碰撞案例進(jìn)行校驗(yàn)，如圖13所示。碰撞校驗(yàn)包含兩級(jí)金具與掛線角鋼的相對(duì)位置計(jì)算。實(shí)現(xiàn)方法為將掛點(diǎn)裝配特征信息與結(jié)構(gòu)特征信息相結(jié)合，從而輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行碰撞校驗(yàn)。

圖13 金具擺動(dòng)與掛線角鋼碰撞校驗(yàn)

圖13(a)為調(diào)整二級(jí)金具的擺動(dòng)角度，檢查其與掛線角鋼是否發(fā)生碰撞。三維模型已充分考慮金具連接位置的影響，比二維視圖更加直觀準(zhǔn)確。

圖13(b)為調(diào)整一級(jí)金具的上揚(yáng)或者下傾角度，檢查其與橫擔(dān)連接角鋼及螺栓是否發(fā)生碰撞。以往二維圖紙不能表達(dá)螺栓和角鋼的空間位置關(guān)系，通過三維模型可更加直觀地建模和分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于對(duì)鐵塔掛點(diǎn)信息特征的研究，提出了一種全面描述掛點(diǎn)三維數(shù)字化模型信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建模方法。掛點(diǎn)信息通過*.xml文件進(jìn)行記錄，可有效補(bǔ)充*.mod文件中缺省的數(shù)據(jù)，具有記錄方便、讀取速度快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。由于*.xml文件表達(dá)方式簡(jiǎn)單易讀，遠(yuǎn)期還可與各種數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對(duì)接，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行碰撞分析、裝配模擬、三維建模等數(shù)字化應(yīng)用，進(jìn)一步挖掘掛點(diǎn)三維數(shù)字化模型的價(jià)值。