郭 磊，肖 明

（贛州宏遠(yuǎn)電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，江西贛州 341000）

0 引言

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)是將處理后衛(wèi)片，航片疊加數(shù)字高程模型及電網(wǎng)信息、道路、居民地，水系等地理要素的綜合三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)，它能給人帶來“身臨其境”的感覺。電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在電網(wǎng)規(guī)劃，輸電線路設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行維護(hù)等有著廣泛的應(yīng)用[1]。

輸電線路是位于地理空間中的人工構(gòu)建物，其線路距離長(zhǎng)，通過地區(qū)的地理?xiàng)l件比較復(fù)雜，與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越，并且通常會(huì)通過居民區(qū)、公園和其它特殊區(qū)域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關(guān)，特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要，這使得二維地理信息系統(tǒng)無法達(dá)到其管理的需求。近年來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術(shù)日益完善，通過這些技術(shù)，我們能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實(shí)的三維地表模型和各類設(shè)備模型，使得輸電線路設(shè)計(jì)從二維向三維發(fā)展[2]。

本文將根據(jù)推進(jìn)輸電線路三維設(shè)計(jì)以及全過程機(jī)械化施工要求和工程實(shí)際情況，分析三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在輸電線路全過程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高輸電線路工程的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益。

1 電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)

電網(wǎng)三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)完整梳理例了輸電線路設(shè)計(jì)信息管理流程，總體包括項(xiàng)目管理、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理、線路路徑選線分析、線路設(shè)計(jì)成果管理、模型庫管理、空間分析、工程成果查詢統(tǒng)計(jì)以及系統(tǒng)管理等多個(gè)功能模塊；同時(shí)提供線路設(shè)計(jì)、分析統(tǒng)計(jì)、方案優(yōu)化等業(yè)務(wù)相關(guān)功能。完成三維立體選線與平斷面導(dǎo)出功能等功能，見圖1。

圖1 電力三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介圖

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成主要由數(shù)據(jù)（包括三維數(shù)據(jù)，電網(wǎng)數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的其他數(shù)據(jù)）、處理數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)硬件等構(gòu)成。其中最重要的是高精度高程數(shù)據(jù)和高分辨率的影像等三維數(shù)據(jù)，它們是三維可視化的基礎(chǔ)，詳見圖2。

圖2 電力三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能示意圖

1.1 DEM與DOM的獲取—激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IDAR：該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的快速、準(zhǔn)確地獲取，并根據(jù)實(shí)時(shí)攝影的數(shù)碼像片，通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大型實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性，為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。

根據(jù)載體的不同，LIDAR技術(shù)主要分地面三維激光掃描技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)兩大類，顧名思義，地面二維激光掃描系統(tǒng)的空間載體是地面。它將激光掃描儀直接與數(shù)碼相機(jī)、GPS相結(jié)合，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描成像，獲取激光反射回波數(shù)據(jù)和目標(biāo)表面影像，并在軟件支持下構(gòu)建三維數(shù)字模型和紋理的精確貼圖，從而達(dá)到目標(biāo)物快速、有效、精確的三維立體建模。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)則是一種高速度、長(zhǎng)距離的航空測(cè)量設(shè)備，該系統(tǒng)由激光測(cè)高儀、GPS定位裝置、IMU（慣性制導(dǎo)儀）和高分辨率數(shù)碼照相機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的同步測(cè)量。

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)是為綜合航攝影像和空中數(shù)據(jù)定位而設(shè)計(jì)的新技術(shù)手段，它能為測(cè)繪工程、數(shù)字地圖和GIS應(yīng)用快速提供精確的空間坐標(biāo)信息和三維模型信息。

1.2 激光雷達(dá)技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用

1）快速獲取數(shù)字高程模型LIDAR技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。通過自動(dòng)或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標(biāo)上的點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則二角網(wǎng)TIN，就可以快速提取DEM。由于激光點(diǎn)密度大，數(shù)目多，使得生產(chǎn)高精度、高分辨率的DEM也成為可能，因此它是解決快速進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)采集的最有效方法，其產(chǎn)品精度甚至可以滿足多行業(yè)對(duì)高程的需求。

2）獲取數(shù)字正攝影像圖（DOM）數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)生產(chǎn)DOM方法是通過數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作業(yè)工序繁瑣，設(shè)備要求和技術(shù)路線非常嚴(yán)格對(duì)生產(chǎn)人員的技能要求比較高；而機(jī)載激光雷達(dá)優(yōu)化技術(shù)提取的地面三維坐標(biāo)，完全滿足高精度影像微分糾正的需要，使得DOM的生產(chǎn)變得相當(dāng)容易，可以無需使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量這種昂貴的專業(yè)平臺(tái)，在一般的遙感圖像處理系統(tǒng)中即能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

相比傳統(tǒng)的航空攝影，激光雷達(dá)技術(shù)一次可以獲取到，高精度的大面積的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和數(shù)字正攝影像圖。所以激光雷達(dá)技術(shù)已成為各種三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要的三維數(shù)據(jù)來源之一。

通過測(cè)量提供的Dom即時(shí)影像數(shù)據(jù)、Dem地形數(shù)據(jù)及Dsm地物數(shù)據(jù)在三維輸電線路設(shè)計(jì)平臺(tái)里建立真實(shí)的場(chǎng)景。局部效果圖如圖3所示：

圖3 本工程線路通道三維大場(chǎng)景展現(xiàn)

2 電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

本文依托某220 kV線路工程，初設(shè)路徑方案亙長(zhǎng)35.6 km，其中新建單回線路31.6 km，原線路單改雙1.8 km。線路起迄點(diǎn)航空距離為27.2 km，曲折系數(shù)1.31.全線新建段采用單回架空架設(shè)，改造段和利舊段采用雙回架空架設(shè)。

線路所經(jīng)地段根據(jù)地貌成因、地形標(biāo)高和形態(tài)特征大致可劃分為兩種地貌類型：侵蝕剝蝕丘陵區(qū)和沖洪積平原，地勢(shì)較開闊，起伏不大，植被較發(fā)育。海拔標(biāo)高在50 m～200 m之間，沿線地形比例為：泥沼10%，河網(wǎng)30%，丘陵60%。

2.2 輸電線路三維設(shè)計(jì)

隨著電力企業(yè)精細(xì)化管理水平不斷提高和設(shè)計(jì)精度不斷加深，輸變電三維設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟并被廣泛應(yīng)用。全國(guó)各省、市設(shè)計(jì)院都已經(jīng)逐步開展輸變電三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工作，并支持將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)字化移交。通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，不僅能夠有效提高輸電線路設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，更好服務(wù)于工程評(píng)審及業(yè)主深度要求，同時(shí)也是企業(yè)提高自身設(shè)計(jì)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)支撐。電力三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)是以技術(shù)和生產(chǎn)結(jié)合為主要形式，將傳統(tǒng)輸變電線路設(shè)計(jì)方法和新技術(shù)手段相結(jié)合，服務(wù)于輸變電工程可研、初設(shè)、施工、竣工等設(shè)計(jì)過程而打造的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，已逐步成為當(dāng)前各個(gè)設(shè)計(jì)院由傳統(tǒng)作業(yè)模式向新型的信息化作業(yè)模式轉(zhuǎn)變、提高設(shè)計(jì)精度和效率的有效手段。

三維設(shè)計(jì)是輸電線路設(shè)計(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)。一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百千米，這使得相應(yīng)的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬計(jì)的輸電設(shè)備模型，導(dǎo)致整個(gè)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如果沒有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。

2.3 三維設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)的路徑優(yōu)化

路徑優(yōu)化是線路設(shè)計(jì)階段一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，傳統(tǒng)的路徑選線、優(yōu)化采用五萬分之一的地形圖或衛(wèi)星照片進(jìn)行，由于地形圖多為上世紀(jì)八九十年代的老圖，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不夠新更新緩慢，地物、地貌與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有較大的差別，通常仍然需要大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，對(duì)于山區(qū)起伏較大的地區(qū)難以直觀判斷出地形情況，局部排位優(yōu)化較困難，空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。

近年來隨著無人機(jī)、傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，在輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)維方面已具有了成熟的應(yīng)用條件。無人機(jī)攜帶起飛方便，可快速的進(jìn)行線路走廊的航測(cè)，而傾斜攝影測(cè)量它是同一臺(tái)無人機(jī)上搭載著五鏡頭相機(jī)從垂直、傾斜等多角度采集影像數(shù)據(jù)、還可以獲取精確的定位信息。從而獲取完整準(zhǔn)確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息。將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維數(shù)字化選線系統(tǒng)，結(jié)合沿線收資的障礙物信息和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取得的生態(tài)保護(hù)區(qū)等情況，可方便的進(jìn)行精細(xì)化的路徑優(yōu)化工作。圖4、圖5和圖6是本工程采用無人機(jī)優(yōu)化選線的部分影像：

圖4 220 kV變電站無人機(jī)航拍圖

圖5 鉆越500 kV線路無人機(jī)航拍圖

圖6 跨江處無人機(jī)航拍圖

路徑選擇應(yīng)綜合考慮地形、規(guī)劃，居民地，礦區(qū)因素，還應(yīng)考慮機(jī)械施工的因素，降低輸電線路施工和運(yùn)行維護(hù)成本，詳見圖7、圖8。

1）路徑選擇采用電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在操作前應(yīng)把搜集的最新的衛(wèi)片、航片，高精度的數(shù)字高程模型等加載進(jìn)去，同時(shí)把收集的路網(wǎng)規(guī)劃圖、城市規(guī)劃圖、礦區(qū)，風(fēng)景名勝區(qū)等數(shù)據(jù)疊加。

通過航測(cè)建立起來的三維選線平臺(tái)數(shù)據(jù)新，利用平臺(tái)的地物補(bǔ)充添加以及量測(cè)功能，可準(zhǔn)確獲取地物（房屋、距離、樹木、河流等）的平面信息與高程信息，通過平面與斷面的對(duì)比分析實(shí)現(xiàn)多方案的優(yōu)選。

圖7 本工程選線過程示意圖

圖8 對(duì)周邊建構(gòu)筑物空間距離校驗(yàn)

2）隨著近幾年電網(wǎng)的快速發(fā)展，為節(jié)省土地資源，多條同塔多回路輸電線路并行公用一個(gè)電力廊道已是一個(gè)普遍現(xiàn)象，以往通過Google earth地圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)部分塔位來確定線路走向，需要占用大量時(shí)間、人力、物理而且效率低下。本工程采用無人機(jī)航拍線路通道，結(jié)合三維地理信息系統(tǒng)精準(zhǔn)的影像數(shù)據(jù)，完全滿足設(shè)計(jì)需求，快捷、高效。

本工程線路與某220 kV線路和110 kV線路部分走廊平行（見圖9），中間還要預(yù)留遠(yuǎn)期110 kV線路走廊，通過平臺(tái)優(yōu)化，利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息和各類工程障礙物信息，可以很直觀的發(fā)現(xiàn)線路走廊通道內(nèi)存在的問題并加以分析和總結(jié)。特別是在擁擠地段，通過三維風(fēng)偏電氣間隙校驗(yàn)和三維施工模擬更好第進(jìn)行路徑方案選擇和優(yōu)化，確定最優(yōu)、最合理的路徑方案。

圖9 線路與220 kV線路和110 kV線路平行校驗(yàn)

3）以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過各種測(cè)量方式獲取相關(guān)信息，可以對(duì)“三跨”等重要交叉跨越以及鉆越高電壓等級(jí)線路進(jìn)行精確的三維實(shí)景模擬（見圖10）。結(jié)合桿塔、基礎(chǔ)和導(dǎo)線的精細(xì)化模型，可以準(zhǔn)確的計(jì)算輸電線路與交叉跨越設(shè)施的交叉跨越距離，直觀地判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足規(guī)范要求，有效的保證路徑方案的可行性。

圖10 本工程線路鉆越500 kV線路

4）線路選擇時(shí)盡可能靠近能施工車輛能進(jìn)入的道路。利用無人機(jī)航拍結(jié)合電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維影像，桿塔選擇能盡量避開機(jī)械化施工困難的場(chǎng)地，同時(shí)臨時(shí)道路最短的位置（見圖11、圖12）。

圖11 無人機(jī)航拍線路周邊道路

圖12 三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)下路徑選線

5）三維輸電線路設(shè)計(jì)平臺(tái)快速建立房屋三維模型，對(duì)擁擠地段房屋面積、層數(shù)、結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，能夠從不同角度對(duì)地面建構(gòu)筑物進(jìn)行全方位展示，可以準(zhǔn)確的量測(cè)各建構(gòu)筑物的高度、長(zhǎng)度等信息（見圖13）。

圖13 三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)下跨越信息展示

2.4 平斷面測(cè)量階段

準(zhǔn)備工作，把最終選定好的路線生成的坐標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成一般導(dǎo)航軟件支持的格式（如KMl、gpt等格式），使用導(dǎo)航儀每個(gè)測(cè)量小組都能實(shí)時(shí)導(dǎo)航，方便快捷到達(dá)要測(cè)量的位置，避免迷路，少走彎路。

1）以往的外業(yè)勘測(cè)中發(fā)現(xiàn)勘測(cè)總不盡人意，問題關(guān)鍵在于不能根據(jù)已有資料對(duì)各階段工作量進(jìn)行優(yōu)化安排，使用電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)站位置和每天的工作量進(jìn)行優(yōu)合理安排，既能保證工程精度，又能使工期大大提前，大大節(jié)約線路勘測(cè)設(shè)計(jì)成本。

2）司機(jī)根據(jù)導(dǎo)航能找到距離測(cè)量地點(diǎn)最近的公路，減少測(cè)量人員徒步走路的時(shí)間；另外可通過共享地理位置，其他勘測(cè)小組成員也能實(shí)時(shí)看到你所在的位置，最大限度保障勘測(cè)人員安全。

2.5 桿塔定位調(diào)整

在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)好路徑后，對(duì)于電力走廊比較緊張的地段，如房屋比較密集區(qū)，外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，調(diào)整路徑方案（見圖14）。

通過電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)平斷面成圖模塊，沿線路路徑切二維剖面圖，二維平斷面圖和三維場(chǎng)景模型是聯(lián)動(dòng)的，設(shè)置好工程基本參數(shù)后，二維平斷面內(nèi)排隊(duì)的每一基桿塔在三維場(chǎng)景內(nèi)都是隨時(shí)對(duì)應(yīng)更新的，可以方便的校驗(yàn)電氣距離、塔位邊坡等，發(fā)現(xiàn)不滿足鐵塔使用條件的立馬現(xiàn)場(chǎng)再調(diào)整。同時(shí)三維場(chǎng)景內(nèi)路徑的調(diào)整也會(huì)實(shí)時(shí)的重新切出二維斷面，相較傳統(tǒng)改線作業(yè)需要到現(xiàn)場(chǎng)重新選線、測(cè)量、繪制斷面，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，極大的提高了工作效率，降低了設(shè)計(jì)成本。經(jīng)過幾年的工程經(jīng)驗(yàn)在植被較少的地方，電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)與實(shí)測(cè)圖較為接近，在植被比較茂密且地形變化較大的地方，但也能夠滿足初設(shè)階段用途需要。

圖14 線路三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)下二、三維聯(lián)動(dòng)排桿校驗(yàn)

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在此階段應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)如下：

1）快速優(yōu)化選線：充分利用電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使線路設(shè)計(jì)建立在可靠的數(shù)字化模型之上，并且由于衛(wèi)星圖片現(xiàn)時(shí)性好，所選走廊具有可靠性和合理性，可縮短線路長(zhǎng)度，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)約投資。

2）在可行性研究初設(shè)階段進(jìn)行施工圖深度的設(shè)計(jì)：在優(yōu)選的路徑上，利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)線路走廊平斷面圖自動(dòng)生成，并進(jìn)行比較優(yōu)選，并且供設(shè)計(jì)人員預(yù)排桿位、桿塔使用檔距規(guī)劃，從而可提高桿塔的檔距利用系數(shù)，節(jié)約投資。

3）縮短線路建設(shè)工期：在預(yù)排的桿塔平斷面定位圖上，可以準(zhǔn)確方便進(jìn)行施工招標(biāo)工程量及材料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，把施工招標(biāo)工作提前，加快線路建設(shè)工期。

2.6 輸電線路金具三維設(shè)計(jì)

在三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，模擬真實(shí)的輸電設(shè)備（如桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本要求，這使得模型本身會(huì)變得比較復(fù)雜，甚至要進(jìn)行組合構(gòu)造。以桿塔為例，不但每個(gè)桿塔的高度、塔頭有差別，而且其包含的絕緣子也會(huì)根據(jù)桿塔的類型、方位、旋轉(zhuǎn)角度甚至與其它桿塔的關(guān)聯(lián)性而有不同的表現(xiàn)方式，因此，選用合理的設(shè)計(jì)模式和組織方法來處理電力設(shè)備對(duì)象也是實(shí)現(xiàn)輸電三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。

三維輸電線路設(shè)計(jì)平臺(tái)中包含各電壓等級(jí)常用的金具模型，其尺寸軍事按照國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)尺寸建模生成，且每個(gè)金具均是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，可根據(jù)通用設(shè)計(jì)中的金具組裝圖拼接組成金具串圖的三維模型，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)校驗(yàn)金具之間的連接點(diǎn)是否匹配，并對(duì)金具的轉(zhuǎn)向進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。相比以往的二維金具串設(shè)計(jì)方法，三維手段更直觀靈活，可避免金具零件間的連接和碰撞問題，同時(shí)也可生成二維平面的正視和側(cè)視圖、零件表（見圖15、圖16）。

圖15 線路金具在三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)下建模圖

圖16 本工程線路三維金具串建模圖

三維設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)集成跳線設(shè)計(jì)模塊，可以采用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)、物理模型，使用有限元計(jì)算方法，準(zhǔn)確計(jì)算各種工況下各絕緣子串位置和跳線的空間軌跡，從而精確的求出跳線和鐵塔和桿件、鐵帽、重錘之間的距離，自動(dòng)優(yōu)選出最佳跳線長(zhǎng)度，保證各部分的安全距離。同時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)模擬新型非常規(guī)的跳線方式（見圖17）。

圖17 三維跳線計(jì)算成果圖

2.7 鐵塔三維設(shè)計(jì)

鐵塔三維建模主要采用參數(shù)化建模的方法，根據(jù)使用條件，電壓等級(jí)，地形條件分類建立鐵塔的標(biāo)準(zhǔn)模型庫，在建模時(shí)將整個(gè)鐵塔分解為各種基本的結(jié)構(gòu)模塊，通過對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的空間變化和集成，最終生成復(fù)雜的鐵塔三維結(jié)構(gòu)的模型（見圖18）。

圖18 鐵塔三維建模

鐵塔三維模型建立完畢后，三維數(shù)字化平臺(tái)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)滿應(yīng)力分析程序，對(duì)鐵塔進(jìn)行滿應(yīng)力優(yōu)化計(jì)算分析，并自動(dòng)生成鐵塔的司令圖。

2.8 基礎(chǔ)三維設(shè)計(jì)

鐵塔基礎(chǔ)占整個(gè)工程投資的30%左右，基礎(chǔ)工期約戰(zhàn)總體工期的一半，基礎(chǔ)材料運(yùn)輸量約戰(zhàn)60%。因此，為了減少鐵塔基礎(chǔ)的土石方開挖及混凝土和鋼筋的用量，縮短建設(shè)工期，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，降低工程建設(shè)費(fèi)用，特別是根據(jù)不同的地質(zhì)特點(diǎn)，因地制宜的選用合理、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式具有重要的意義。

應(yīng)用三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，輸入地質(zhì)參數(shù)，通過軟件優(yōu)化分析，提出最優(yōu)的基礎(chǔ)型式。當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主流的還是二維設(shè)計(jì)方法，無法清晰直觀的反映基礎(chǔ)尺寸以及鋼筋的空間位置，往往導(dǎo)致問題難以發(fā)現(xiàn)，施工無法順利進(jìn)行，采用三維設(shè)計(jì)方法可以改變以往擊錘二維設(shè)計(jì)中直觀效果不佳，基礎(chǔ)鋼筋位置碰撞等不足，而且三維設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)可以為后期基礎(chǔ)配置提供依據(jù)（見圖19）。

圖19 基礎(chǔ)三維建模

通過平臺(tái)可以查詢塔基任一點(diǎn)的高程、并可對(duì)塔基任一斷面進(jìn)行剖切，從而獲得設(shè)計(jì)人員需要的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行全方位長(zhǎng)短腿和不等高基礎(chǔ)的配置，平臺(tái)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)三維校驗(yàn)和二維出圖，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)無死角的先進(jìn)理念（見圖20）。

圖20 基礎(chǔ)配合鐵塔高低腿三維建模

2.9 三維空間量交叉跨越物統(tǒng)計(jì)

利用三維空間量測(cè)算功能，智能判別房屋、林木是否需要拆遷以及砍伐，工程量精度大大提高，特別是對(duì)擁擠地段的房屋面積、層數(shù)、結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，能夠從不同角度對(duì)地面系統(tǒng)的物體進(jìn)行全方位展示，可以準(zhǔn)確的度量地面系統(tǒng)中各建構(gòu)筑物之間的距離，通過設(shè)定輸電線路走廊范圍寬度即可確定拆遷范圍（見圖21）。

圖21 線路廊道交跨物三維模擬

2.10 設(shè)計(jì)成果移交

在輸電線路設(shè)計(jì)結(jié)束后，要向業(yè)主和施工單位交樁，過去一般采取野外現(xiàn)場(chǎng)交樁，不可能每級(jí)桿塔都交樁到位。而現(xiàn)在根據(jù)電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用線路路徑和三維建模成果，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)模擬交樁，每基桿塔都可以瀏覽到，在電腦上就可以對(duì)整個(gè)線路塔位有非常直觀的印象，并把桿塔路徑導(dǎo)入到手機(jī)版導(dǎo)航軟件，利用帶有GPS功能的手機(jī)就可對(duì)全線桿塔進(jìn)行導(dǎo)航，施工單位就能快速找到每級(jí)桿塔中心樁。和現(xiàn)場(chǎng)交樁比較，效果好，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)交樁的時(shí)間，施工單位能更清楚的了解每級(jí)塔位的位置及交通狀況，以便合理安排施工。

三維設(shè)計(jì)成果能夠讓參建各方直觀的理解設(shè)計(jì)方案，方便施工單位優(yōu)化施工場(chǎng)地布置及施工方案，方便建設(shè)管理單位施工要素的4D動(dòng)態(tài)集成管理，施工過程的4D可視化模擬，提升建設(shè)過程的精細(xì)化管理能極大提高整個(gè)工程建設(shè)進(jìn)度。

3 電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在輸電線路施工中的應(yīng)用

輸電線路具有路徑長(zhǎng)、范圍廣以及沿線環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，這使得線路工程施工過程中難點(diǎn)多、周期長(zhǎng)。以往工程設(shè)計(jì)中缺乏考慮施工條件，使得后續(xù)施工難度大甚至無法保證施工質(zhì)量或帶來施工人員的人身傷害。為了方便后續(xù)工程施工，在設(shè)計(jì)階段采用三維技術(shù)對(duì)出、鐵塔、防線以及物料運(yùn)輸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使設(shè)計(jì)與施工想你結(jié)合，從根本上排除施工難題，保證施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

3.1 物料堆放場(chǎng)選擇

本輸電線路工程投資巨大、施工周期長(zhǎng)、施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、變動(dòng)性大、項(xiàng)目涉及的單位廣、人員多等特點(diǎn)，物料管理及運(yùn)輸相對(duì)復(fù)雜。物料堆放場(chǎng)地選擇，關(guān)系到以后的物料運(yùn)輸，所以而輸電線路施工料場(chǎng)的選址問題更是重中之重。

本線路工程使用電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的選址組件，自動(dòng)對(duì)選好的料場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。操作步驟如下：首先找出本工程可以建立物料場(chǎng)的所有地點(diǎn)，并進(jìn)行排序；其次是基于網(wǎng)絡(luò)布局最優(yōu)原則，從備選點(diǎn)選出所需的物料堆放點(diǎn)。此過程需要線路區(qū)域的交通數(shù)據(jù)，全線桿塔位置數(shù)據(jù)錄入軟件中，才能進(jìn)行。

3.2 臨時(shí)道路修建方案

按照設(shè)計(jì)先行原則，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)初步提出桿塔施工臨時(shí)道路修建方案。

3.2.1 物料運(yùn)輸三維優(yōu)化和管控

利用三維可是技術(shù)手段，還原塔位所處原始地形地貌，結(jié)合運(yùn)輸接卸特性和相殘使用參數(shù)，優(yōu)選立塔位置，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下降低施工運(yùn)輸及材料堆放的困難，并且從設(shè)計(jì)角度給出物料運(yùn)輸?shù)慕ㄗh方案，從而達(dá)到降低工程總造價(jià)的目標(biāo)。

首先，把收集線路區(qū)域的最新影像數(shù)據(jù)、高精度的地面高程數(shù)據(jù)、道路交通信息及線路路徑、桿塔信息錄入電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中建立帶有交通信息的地面三維模型（見圖22）。

圖22 三維效果圖

3.2.2 臨時(shí)道路修建方案確定

輸電線路工程施工機(jī)具、設(shè)備及材料的運(yùn)輸進(jìn)出場(chǎng)需要利用現(xiàn)有的道路，道路條件較好的機(jī)械化程度較高，可以利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行施工，且施工效率較高，對(duì)于部分道路條件較差，且地形條件較好的樁號(hào)，可以修筑臨時(shí)道路，便于施工設(shè)備、材料的運(yùn)輸，平原泥沼地帶的臨時(shí)道路主要采用鋪設(shè)鋼板為主，平丘地區(qū)的臨時(shí)道路的修筑主要采用挖掘機(jī)、推土機(jī)及裝載機(jī)為主，對(duì)于部分山地樁號(hào)需鑿巖機(jī)配合。

在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以方便找出離塔位最近的道路點(diǎn)。充分利用已有道路，對(duì)于需修筑臨時(shí)道路的塔位，經(jīng)過綜合造價(jià)分析，確定該桿塔是否適用全機(jī)械化在施工。如適用，作出臨時(shí)道路修筑的合理方案（見圖23）。

圖23 塔位臨時(shí)道路修建方案

如上圖所示，在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)找到達(dá)56號(hào)塔最近的施工車輛到達(dá)點(diǎn)，56#臨時(shí)道路修建方案，再提取兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計(jì)算該段臨時(shí)道路修建長(zhǎng)度和坡度，從而最終確定該塔物料運(yùn)輸采用履帶式運(yùn)輸車，較為合理。

3.3 物料運(yùn)輸調(diào)配

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含本線路所有的桿塔及交通信息，便于從整體把握分析，選擇最優(yōu)從物料堆放點(diǎn)至每級(jí)桿塔的最優(yōu)路徑（見圖24）。

圖24 物料運(yùn)輸路線規(guī)劃示例

物料運(yùn)輸路線規(guī)劃圖，是在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)規(guī)劃的物料運(yùn)輸方案。從物料堆放點(diǎn)1到輸電線路J3-J6段的汽車運(yùn)輸方案，根據(jù)桿塔位置、地形及道路現(xiàn)狀，從全局出發(fā)選擇的經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)輸方案。運(yùn)輸方案確立后，在施工過程中根據(jù)該段桿塔施工進(jìn)程情況及現(xiàn)有的車輛數(shù)量，高效調(diào)配運(yùn)輸車輛。

4 電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用

4.1 日常線路維護(hù)

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)變更圖紙可快速生成桿塔的臺(tái)賬信息，在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)直觀地顯示出線路走向和桿塔臺(tái)帳資料后，維護(hù)人員和管理人員能容易地查找電網(wǎng)中每一條線路、每一基桿塔的相關(guān)情況。大大提升了線路的管理水平。在大電網(wǎng)環(huán)境下，利用電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)能清晰地觀察到電網(wǎng)的大范圍情況，對(duì)于薄弱區(qū)域能及早預(yù)防，像多雷區(qū)、污穢區(qū)、臺(tái)風(fēng)區(qū)等都能很好地觀察（見圖25）。

圖25 本線路工程周邊以及生態(tài)紅線和污穢區(qū)示意

4.2 線路應(yīng)急搶修

把維護(hù)區(qū)域電網(wǎng)臺(tái)賬、位置信息錄入電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用后，能方便的查找每條輸電線路及塔位，還能選擇合理有效的搶修路徑，制定出相對(duì)合理的檢修方案和應(yīng)急方案。當(dāng)有線路搶修時(shí)，能提供一份詳細(xì)的地理信息圖，為提前恢復(fù)供電爭(zhēng)取到更多的時(shí)間（見圖26）。

圖26 工程本體塔、串、基礎(chǔ)信息一覽

5 結(jié)語

電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。目前線路設(shè)計(jì)主要依靠還是CAD平臺(tái)，其具有強(qiáng)大的繪圖功能和數(shù)據(jù)處理能力，但是三維圖像能力不足，不夠直觀。因此，將CAD平臺(tái)整合進(jìn)電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，將大大提高線路設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式將是一次重大變革。

通過電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)將輸電桿塔三維模型，臺(tái)賬在線監(jiān)測(cè)等信息有機(jī)的組織在一起，向用戶展示了全面的地形，地貌信息，構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)的三維輸電線路模型，為勘測(cè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)評(píng)審、施工管理、應(yīng)急搶修提供了有力支撐，以信息科技為輔助手段，有效地提高了工作效率，為電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性提供了有力保障。可以預(yù)計(jì)在電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)。

在全機(jī)械化施工中，通過電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，在輸電線路設(shè)計(jì)中，已整體考慮桿塔詳細(xì)施工方案，物料運(yùn)輸方案，施工單位按照設(shè)計(jì)單位提供的施工方案，可以最大程度提高建設(shè)效率，節(jié)約輸電線路的建設(shè)成本。