中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 伍思睿

隨著國(guó)家大力發(fā)展智能電網(wǎng)，尤其關(guān)注電網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維化、數(shù)字化及信息化工作以來，為電網(wǎng)行業(yè)技術(shù)快速發(fā)展提供了新的機(jī)遇?；诂F(xiàn)有建模技術(shù)的運(yùn)用現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電網(wǎng)行業(yè)內(nèi)三維建模實(shí)際存在的困難，本文基于犀牛對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高適應(yīng)性的支持及參數(shù)化建模優(yōu)勢(shì)，研究其對(duì)于運(yùn)維中輸電數(shù)據(jù)逆向三維建模的技術(shù)流程及方法，為輸電工程三維建模提供了一種可操作的技術(shù)選擇。

為貫徹落實(shí)國(guó)家十四五規(guī)劃中電網(wǎng)信息化發(fā)展的要求，發(fā)展電網(wǎng)從數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)型，各地電網(wǎng)公司逐步增加對(duì)輸電線路激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并通過與GIS等平臺(tái)的交互研發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬仿真、數(shù)字孿生等新興技術(shù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的三維還原提供了重要的三維參考，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)三維建模因臺(tái)賬信息不全、設(shè)計(jì)資料不全導(dǎo)致無(wú)法建?；蚪⒖既笔У膯栴}。

1 輸電工程逆向建模難點(diǎn)

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模早已不是技術(shù)壁壘，早期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向三維建模主要依靠地面激光雷達(dá)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并通過配套設(shè)備的軟件如徠卡cyclone，天寶realworks等軟件實(shí)現(xiàn)。然而這些軟件在實(shí)際建模中存在以下問題：1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換量大；2）數(shù)據(jù)的建模可拓展性較弱，對(duì)于異形物、曲面或系統(tǒng)中沒有提供模型模板的物件無(wú)法建模。傳統(tǒng)的三維建模軟件如Bently平臺(tái)雖支持點(diǎn)云數(shù)據(jù)的加載，但當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入量大時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)的兼容性、流暢性大幅度降低；3ds max軟件除對(duì)高數(shù)據(jù)量點(diǎn)云加載及運(yùn)行有明顯卡頓外，對(duì)于復(fù)雜曲面的處理能力也較差；Catia類軟件雖支持復(fù)雜數(shù)據(jù)的建模，但上手難度高、建模流程復(fù)雜。

因此，滿足輸電工程逆向建模平臺(tái)應(yīng)具備二個(gè)核心能力：1）由于輸電工程跨越范圍大、數(shù)據(jù)呈帶狀且工程量巨大，必須支持海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的加載，數(shù)據(jù)建模中保持系統(tǒng)操作的高流暢性；2）平臺(tái)需要支持批量建模的參數(shù)化建模及復(fù)雜曲面、異形物建模能力。

2 數(shù)據(jù)處理及建模

基于上述電網(wǎng)建模工作中的客觀情況及建模要求，本文選用犀牛軟件及Arena4D插件進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。犀?？梢詫?duì)需要精細(xì)、彈性及復(fù)雜曲面的三維模型進(jìn)行構(gòu)建，支持包括OBJ、DXF、IGES、STL、3DS等幾乎所有主流三維建模平臺(tái)格式兼容的能力。Arena4D是英國(guó)Veesusltd公司開發(fā)的可作為犀牛插件的三維點(diǎn)云管理的軟件，支持三維激光掃描、機(jī)載LiDAR、移動(dòng)測(cè)量等數(shù)據(jù)管理及建模。圖1所示是數(shù)據(jù)處理及建模流程圖。

圖1 數(shù)據(jù)處理及建模流程圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理及分類

本文數(shù)據(jù)選用深圳地區(qū)吉鵝線作為數(shù)據(jù)處理樣本，該數(shù)據(jù)采用飛行器搭載機(jī)載激光雷達(dá)，在對(duì)塔相對(duì)高50m的高度，以不超過60km/h的速度進(jìn)行采集。為減少不必要的數(shù)據(jù)對(duì)建模造成的影響，本文通過去噪消除因設(shè)備采集過程中激光折射反射或空中雜質(zhì)產(chǎn)生的離散點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模的影響。其次通過分類處理將桿塔及線路進(jìn)行提取，降低因點(diǎn)云數(shù)據(jù)過大導(dǎo)致的數(shù)據(jù)建模時(shí)操作流暢性不佳等問題。

2.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入及線模建立

通過Arena4D對(duì)點(diǎn)云las數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選擇數(shù)據(jù)采集的坐標(biāo)系CGCS2000投影，將轉(zhuǎn)換后的vpc格式數(shù)據(jù)直接在犀牛中通過Arena4D進(jìn)行加載及導(dǎo)入。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行定義，以確定建立模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維方向。通過Arena4D插件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)管理是指對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的裁剪、切片等處理從而有利于建立基礎(chǔ)建模所需要的點(diǎn)云可視化條件。由于桿塔多處具有一定的對(duì)稱性及可復(fù)制性，因此可采用犀牛鏡像功能進(jìn)行處理或復(fù)制移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等辦法減少數(shù)據(jù)工作量。另一方面，由于桿塔在實(shí)際運(yùn)維中的重點(diǎn)是關(guān)注導(dǎo)地線掛點(diǎn)，因此除桿塔導(dǎo)地線、橫擔(dān)、塔頭、塔身及塔腿變坡位置外的其他部件在不追求高可視化要求下應(yīng)不重點(diǎn)作為數(shù)據(jù)建模關(guān)注，從而影響建模效率。最終，通過基于Arena4D輔助工具及犀牛矢量繪圖功能，完成數(shù)據(jù)線模建立。

2.3 參數(shù)化建模

基于犀牛中Grasshopper（以下簡(jiǎn)稱GH）插件，對(duì)桿塔角鋼等類似物件進(jìn)行參數(shù)化建模。GH是一款可視化編程語(yǔ)言，通過編寫運(yùn)算器并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使機(jī)械性的重復(fù)工作及大量可通過邏輯演化的過程被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算代替。

本文中GH用于對(duì)桿塔主材及斜材角鋼進(jìn)行批量放樣的可視化編程，主要邏輯思路是：①拾取基礎(chǔ)線；②找到該基礎(chǔ)線起點(diǎn)及終點(diǎn)；③找到該垂直于該直線的平面p1；④在p1平面繪制矩形j；⑤通過炸開命令提取出矩形j的4條邊abcd；⑥提出矩形j1上的兩條相鄰邊a、b；⑦對(duì)a、b并進(jìn)行偏移，并判斷偏移內(nèi)外側(cè)方向并刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；⑧參數(shù)控制外側(cè)邊與內(nèi)側(cè)邊連接位置，連接處設(shè)置倒角形成截面線；⑨截面線轉(zhuǎn)化成角鋼截面；⑩擠出放樣形成角鋼體。具體如圖2、圖3所示。

圖2 步驟⑦中偏移線條（左）；步驟⑧中連接內(nèi)外側(cè)邊形成綠色截面線（右）

圖3 GH運(yùn)算邏輯（上）；線模型（左）；放樣角鋼體（中）；角鋼體詳圖（右）

2.4 模型組裝及展示

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度有限，且金具及絕緣子等細(xì)小部件規(guī)格復(fù)雜多變，較難在點(diǎn)云中進(jìn)行參照性建模，因此塔模型外其他模型的建立主要基于兩種方法：1）通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)尺寸及現(xiàn)場(chǎng)照片分辨部件類型，在已有模型庫(kù)中選用并組裝；2）基于已有的金具絕緣子設(shè)計(jì)圖紙對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行構(gòu)建。建模中絕緣子主要確定其類型，例如玻璃絕緣子、合成絕緣子及單雙聯(lián)情況。本文金具基于已有設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，完成后將桿塔模型與部件模型進(jìn)行組裝。最后，基于犀牛生產(chǎn)的成果數(shù)據(jù)，通過插件轉(zhuǎn)換成可供Skyline平臺(tái)導(dǎo)入的格式進(jìn)行可視化展示。數(shù)據(jù)建?？梢暬Ч鐖D4所示。

圖4 數(shù)據(jù)可視化效果

3 總結(jié)及討論

本文通過犀牛、Arenna4D對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，通過對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量級(jí)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程數(shù)據(jù)大批量導(dǎo)入，認(rèn)為該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載并流程建模的問題。在基于GH的可視化編程下，本文對(duì)桿塔角鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯拆分、運(yùn)算構(gòu)建及編程，實(shí)現(xiàn)線模型批量放樣操作，大大提高了建模的效率。考慮到犀?；趶?fù)雜曲面、NURBUS曲線的強(qiáng)大構(gòu)建能力及GH參數(shù)化建模功能可運(yùn)用在金具零部件等復(fù)雜部件建模中，為未來模型庫(kù)構(gòu)建完善提供技術(shù)支持。其次，GH參數(shù)化建模由于具有良好可視化閱讀性，相較于基于VBA、python等其他三維軟件所內(nèi)置的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來說，更利于沒有編程背景的建模人員學(xué)習(xí)及使用。

未來輸電工程中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型應(yīng)該如何定義建模深度才能利于實(shí)際工作需是一個(gè)重要問題。根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)數(shù)據(jù)量級(jí)及建模應(yīng)用情況來看，為滿足快速生產(chǎn)運(yùn)維工作的需要，對(duì)模型的深度、精度在基于不同的應(yīng)用需求下應(yīng)該有更加明確的劃分，避免“千模一規(guī)”的情況出現(xiàn)。最后，本文認(rèn)為傳統(tǒng)三維模型與近年來興起的GIM數(shù)據(jù)格式之間的可編輯性、多平臺(tái)兼容性等問題才是輸電工程中建模技術(shù)的關(guān)鍵重點(diǎn)。