馬曉蘭，王東源，諸正彥，王裕東，邊琳琳，吳辰斌

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200072）

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，我國(guó)電力需求快速、持續(xù)增長(zhǎng)，城市電網(wǎng)配置也不斷從架空線供電網(wǎng)向電力電纜供電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。如何將地下電力管線的各類測(cè)繪數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、高效地運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)工作中，提升地下輸電電纜的運(yùn)維管理能力逐漸成為上海電力公司的工作重點(diǎn)。近年來(lái)，上海電力公司開(kāi)發(fā)了多個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)來(lái)整合這些數(shù)據(jù)，但展現(xiàn)出來(lái)的效果仍然是二維平面圖形，通過(guò)圖紙的形式呈現(xiàn)，精確度低，可視化程度差，地下電力管線的埋設(shè)深度未能體現(xiàn)，極易出現(xiàn)外破事故。同時(shí)，在進(jìn)行地下管線交底時(shí)，通過(guò)圖紙的相關(guān)要素來(lái)判定電力管線與地表地物的相對(duì)關(guān)系誤差很大，難以做到精準(zhǔn)定位；在搶修工作中，運(yùn)維人員經(jīng)常無(wú)法快速精準(zhǔn)定位地下管線位置及深度，使得GNSS放樣等先進(jìn)的定位技術(shù)無(wú)法應(yīng)用，存在一定的局限性。因此，本文研究了一種精確的地下管線三維可視化應(yīng)用，提高了運(yùn)維人員的工作效率和管理水平，進(jìn)一步推進(jìn)了上海電力公司數(shù)字化電網(wǎng)轉(zhuǎn)型工作。

1 電力管線三維可視化設(shè)計(jì)

目前，上海公司業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理中臺(tái)數(shù)據(jù)已經(jīng)正式上線運(yùn)行，但仍停留在原有的紙質(zhì)或者二維地圖的層面，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)量的挖掘仍有局限性。因此，本文將重點(diǎn)在如何利用中臺(tái)數(shù)據(jù)滿足基層業(yè)務(wù)需要方面提出一種較為新穎的數(shù)據(jù)利用方向，實(shí)現(xiàn)地下電力管線的精準(zhǔn)定位及三維可視化。

1.1 三維可視化設(shè)計(jì)思路

本文從數(shù)據(jù)梳理、三維建模、AR應(yīng)用三個(gè)部分，以中臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合跟測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、建模要求進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用Revit專用建模軟件對(duì)電力管線進(jìn)行三維建模并掛接相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，借助AR應(yīng)用軟件及定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)在電力管線日常巡視、電力管線交底、電力管線故障搶修中的應(yīng)用。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理中臺(tái)，從數(shù)據(jù)梳理的角度主要分新增和既有電力管線兩類數(shù)據(jù)。對(duì)于新增電力管線，從中臺(tái)提取點(diǎn)位、線性數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)，并同時(shí)要求外業(yè)跟測(cè)時(shí)增加邊界和高程數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；對(duì)于既有電力管線，應(yīng)從已有跟測(cè)數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵點(diǎn)位坐標(biāo)和標(biāo)高數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)資料推算電力管線的平面和高程邊界，對(duì)于無(wú)法推算或者推算中存在矛盾的數(shù)據(jù)須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行物探校核，確保電力管線平面和高程邊界準(zhǔn)確無(wú)誤后進(jìn)行電力管線的三維建模，具體數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

2 三維建模

本文主要應(yīng)用Revit參數(shù)化建模方法實(shí)現(xiàn)底線電力管線的三維建模。根據(jù)電力管線敷設(shè)的形式可將電力管線分為直埋、排管、隧道、非開(kāi)挖頂管等類型，因上海公司超高壓管線多數(shù)采用排管形式敷設(shè)，所以本文主要研究排管敷設(shè)方式的管線三維建模。排管敷設(shè)的電力管線按圖2所示流程建進(jìn)行建模。

2.1 構(gòu)筑物的建模

新建工井公制常規(guī)模型族，根據(jù)工井平立剖圖紙尺寸畫(huà)出構(gòu)件形狀并拉伸高度，建制工井墊層、底板、頂板、井壁、井蓋模型，對(duì)模型尺寸添加可變參數(shù)，根據(jù)圖紙尺寸，新建空心拉伸用于裁剪井壁，生成電纜空洞。再根據(jù)中臺(tái)數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)推算出管道方溝頂面中線，在CAD中以3Dpl線繪制，在Revit新建項(xiàng)目文件，將CAD線型導(dǎo)入項(xiàng)目中，利用放樣的形式，根據(jù)圖紙中方溝標(biāo)高、尺寸、形狀、走向等放樣出方溝模型。最后根據(jù)圖紙尺寸建立公制常規(guī)模型族，利用拉伸放樣等形式創(chuàng)建支架模型，并放置于工井，調(diào)節(jié)支架位置和支架間距，生成支架族模型，如圖3所示。

2.2 電纜的建模

電力電纜采用軟管的形式建制模型，根據(jù)支架位置設(shè)置電纜節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間增加一個(gè)頂點(diǎn)，作為電力電纜弧形敷設(shè)形式的拉伸點(diǎn)。

2.3 模型的碰撞檢測(cè)、查漏補(bǔ)缺

因建模工作大多數(shù)在一個(gè)工作集且多人協(xié)作完成，最終輸出模型前需要對(duì)模型進(jìn)行空間拓?fù)潢P(guān)系檢查，防止模型存在疊加、交錯(cuò)、脫節(jié)等現(xiàn)象。

2.4 電力管線及附屬物屬性錄入

根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理中臺(tái)的電力管線的屬性信息結(jié)構(gòu)在建模軟件中創(chuàng)建屬性表，將中臺(tái)電力管線屬性逐一錄入。

3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化

由于建立的電力管線三維模型坐標(biāo)與最終AR展示所用GNSS定位設(shè)備使用的坐標(biāo)存在不同，因此需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的AR應(yīng)用。

3.1 布爾薩模型建立WGS-84與模型地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

電力管線的模型一般是基于上海城建坐標(biāo)系或者國(guó)家2000坐標(biāo)系，而GNSS定位設(shè)備基于WGS-84坐標(biāo)系，要使物理世界、GNSS設(shè)備、電力管線的模型實(shí)現(xiàn)融合，必須求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，布爾薩模型是最經(jīng)典的求解方法。要想將兩坐標(biāo)系完全重疊，會(huì)產(chǎn)生3個(gè)平移分量、3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量以及尺度因子，通過(guò)一定的點(diǎn)對(duì)求解方程：

得到兩坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的參數(shù)。

3.2 曲面擬合建立WGS-84橢球高與吳淞高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

因最終AR展示時(shí)需要用到基于WGS-84系統(tǒng)得GNSS定位設(shè)備，其高程是采用大地高（橢球高），而上海地區(qū)正常使用是正常高（吳淞高程），同一點(diǎn)存在高程異常，并隨經(jīng)緯度變化而變化，詳細(xì)如圖4所示。要使GNSS定位設(shè)備、電力管線三維模型、物理世界等三者統(tǒng)一，必須建立水準(zhǔn)模型，將三者納入統(tǒng)一的高程系統(tǒng)。

大地高（h）為地面點(diǎn)沿法線方向到參考橢球的間距；正高（H）為地面點(diǎn)沿重力方向到大地水準(zhǔn)面的間距；高程異常（N）為似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的間距；大地高、正常高、高程異常關(guān)系式：

求解兩個(gè)高程系統(tǒng)的關(guān)系一般通過(guò)高程系統(tǒng)擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)，高程系統(tǒng)擬合方法很多，根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范一般采用曲面擬合，其完整公式如下：

一般小范圍內(nèi)地形起伏不大，取公式(3)的前三項(xiàng)進(jìn)行平面擬合即可，本實(shí)驗(yàn)選擇試驗(yàn)段范圍較小，且上海整體起伏不大，平面擬合完全可以滿足本實(shí)驗(yàn)的精度要求。在本實(shí)驗(yàn)段周圍選擇3個(gè)以上點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)（根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的大小選擇點(diǎn)數(shù)）在上海市測(cè)繪院平臺(tái)上求解相應(yīng)的吳淞高程，并建立以下回歸方程：

當(dāng)公共點(diǎn)大于3時(shí)，按間接平差原理

其中，

計(jì)算方程反求系數(shù)：α0、α1、α2

建立擬合面方程:

內(nèi)插GPS點(diǎn)高程異常值ξi

計(jì)算GPS正常高：

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于AR技術(shù)的地下電力管線三維可視化應(yīng)用將改變傳統(tǒng)二維紙質(zhì)電力管線測(cè)繪及展示方式，為地下電力管線向智能化方向發(fā)展提供了一種可行方式，實(shí)現(xiàn)了物理世界、電力管線三維模型及GNSS位置信息的融合，可在電力日常巡視、現(xiàn)場(chǎng)電力管線交底、電力管線故障搶修等方面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，使電力管線與地表地物相對(duì)關(guān)系一目了然，避免之前因地表高程變化導(dǎo)致管線埋深有誤的情況發(fā)生，準(zhǔn)確定位出電力管線的故障點(diǎn)，提升地下電力管線運(yùn)維可靠性，提高供電可靠性，減少故障次數(shù)與故障時(shí)間。