王 朔，軒瑩瑩，張 驥，吳海亮，吳 鵬

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，河北 石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司，河北 石家莊， 050071)

0 引言

電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)通過超寫實建模將物理世界電網(wǎng)本體精準映射到數(shù)字世界虛擬電網(wǎng)，基于無人機、機器人和傳感器等多種監(jiān)測手段，匯聚設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)和輔控信息，利用“大、云、物、移、智、鏈”等科學(xué)技術(shù)開展智能診斷、預(yù)測性維護，具有全景可視化、智能診斷、深度分析和高效決策等優(yōu)勢。其中，完成對物理本體的全息復(fù)制和高保真建模是實現(xiàn)虛實迭代的基礎(chǔ)[1-3]。

目前，電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建側(cè)重于設(shè)備的狀態(tài)感知和運行分析，隨著數(shù)據(jù)采集能力和維度的不斷提高，數(shù)據(jù)量急劇增大，但是其相應(yīng)的深度建模展示技術(shù)卻沒有同步發(fā)展。數(shù)字孿生電網(wǎng)的展示層由電網(wǎng)3D模型、拓撲圖等可視化功能組建而成，負責(zé)將需要展示的數(shù)據(jù)直觀地展示給工作人員[4-5]。傳統(tǒng)的三維建模方法耗時長、精度低、難以實現(xiàn)電網(wǎng)的全息復(fù)制和數(shù)據(jù)交互，使得電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用效果大打折扣。

實景建模技術(shù)是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝后進行后期縫合來完成的一種三維虛擬展示技術(shù)[6]。通過實景建模技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用，對電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和運維全過程進行可視化、一體化管理，將對數(shù)字化主動電網(wǎng)的發(fā)展具有重要支撐和促進作用。

1 實景建模技術(shù)概述

1.1 實景建模原理

實景建模技術(shù)以一組對靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，輔以傳感器屬性、位置參數(shù)、照片姿態(tài)參數(shù)等額外數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖形算法處理后，在幾分鐘或數(shù)小時內(nèi)，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小，輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網(wǎng)格模型[7-8]。實景建模技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 實景建模技術(shù)路線

變電站設(shè)施幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重復(fù)性紋理較多，如果需要得到亞厘米級別的高精度實景模型，真實反映設(shè)備形狀、表面缺陷和其他細節(jié)特征等，有時需要將激光點云加入到實景建模的過程中，最終模型既有激光點云的高精度幾何結(jié)構(gòu)，又有高清照片中的高質(zhì)量真實紋理，如圖2所示。

圖2 實景建模效果圖

1.2 實景建模技術(shù)的發(fā)展

實景建模技術(shù)起源于傾斜攝影和無人機航拍技術(shù)。2010年，劉先林院士團隊率先研發(fā)成功了第一款國產(chǎn)傾斜相機SWDC-5，并成功開展了長春市傾斜攝影工程項目。2012年，法國Renaud Keriven和Jean-Phillips Pons博士共同創(chuàng)建Smart 3D C apture可以全自動基于多角度影像生成三維實景模型。2014年前后，通過無人機依照既定航線，進行實時定位，快速獲取測區(qū)影像，被廣泛地應(yīng)用于電力、勘察、交通、水利、應(yīng)急等工程中。2019年，廟山 220 kV 變電站利用實景建模技術(shù)將變電站三維模型與實際情況密切結(jié)合，精準開展工程設(shè)計。

2 實景建模與傳統(tǒng)建模技術(shù)對比

2.1 傳統(tǒng)建模方法技術(shù)特征

傳統(tǒng)電網(wǎng)建模方法主要有虛擬現(xiàn)實建模語言 (virtual reality modeling language，VRML)、幾何造型建模法、地面激光雷達建模法3種，不同建模方法的建模原理、效率和精度區(qū)別較大。

VRML是一種描述3D場景中模型對象的虛擬現(xiàn)實建模語言，通常采用立方體、圓錐體、圓柱體、圓環(huán)體、球體等常用幾何對象來構(gòu)造變壓器、斷路器、互感器、導(dǎo)線、電纜等電氣設(shè)備模型，然后通過模型拼接來完成整個系統(tǒng)三維場景建模。

幾何造型建模法是依據(jù)變電站數(shù)碼圖片、廠家圖紙和設(shè)計圖紙，同樣采用立方體、圓錐體等常用幾何對象建立各種電氣設(shè)備三維模型，包括線框模型、表面模型和實體模型，然后設(shè)置模型貼圖與材質(zhì)，拼接完成三維場景建模。

地面激光雷達建模法是利用地面激光雷達掃描變電站和輸電線路，采用非接觸主動測量方式直接獲取密集的三維點云數(shù)據(jù)，然后通過探測器接收返回的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識別處理的數(shù)據(jù)信息。

2.2 實景建模方法技術(shù)特征

實景建模技術(shù)直接通過數(shù)字攝影生成真實的三維模型，基于現(xiàn)實條件下得到的三維表現(xiàn)可用于設(shè)計建模和施工建模。模型的精度不再取決于圓錐、圓柱、立方體等幾何對象的組裝深度，而是取決于項目的任務(wù)目標、相片質(zhì)量、拍攝距離、拍攝方式。

由于模型通過數(shù)字攝影生成，生成的真實的三維模型有極其豐富的三維環(huán)境。并且能夠采集盡可能多的細節(jié)，不再只關(guān)注選定特征，還能夠在三維模型中進行地理定位，比如樓的高度信息和設(shè)備的空間距離等。

實景建模也可用于規(guī)劃建設(shè)項目、道路狀況建模以完成對道路狀況的檢測、地下管線建模以完成對地下管線的檢測和維修，還可以用于礦山的體積測量，可以測量山體表面積、體積、長度、經(jīng)緯度高程等。

目前，主要采用2種方式對實景三維模型進行檢驗：①運用人工點與模型特征點進行比對，核算高程、平面中誤差值，以該值衡量模型精度；②運用地形圖成果與模型特征邊線或角點做比對，并計算高程、平面中誤差值。

2.3 實景建模技術(shù)優(yōu)點

VRML建模法和幾何造型建模法采用幾何對象構(gòu)造設(shè)備模型，易造成變電站和輸電線路的模型失真，模型精度較差，不利于直觀展示，并且后續(xù)高級應(yīng)用有限，難以實現(xiàn)人機交互、虛擬運行等功能。地面激光雷達建模法雖然在模型精度、細節(jié)還原性上有了提高，但由于需要現(xiàn)場架設(shè)激光發(fā)射、接收設(shè)備等，現(xiàn)場作業(yè)難度大、耗時較長、建模效率不高。

實景建模技術(shù)速度快、成本低、精度高，能夠真實反映設(shè)備細節(jié)和建筑特征，還可以對圖像進行放大、縮小、移動、多角度觀看等操作，實現(xiàn)場景中的熱點鏈接、多場景之間虛擬漫游、雷達方位導(dǎo)航等功能。

綜上，實景建模技術(shù)不論是在建模難易度還是與數(shù)字孿生電網(wǎng)數(shù)據(jù)交互均優(yōu)于傳統(tǒng)建模方法。

3 實景建模技術(shù)實例分析

本文以某在建變電站為研究對象，進行實景建模實例分析，驗證整個建模流程的可用性，然后推廣到復(fù)雜大場景中，并利用塊區(qū)組裝生產(chǎn)大范圍的自然地貌實景模型，通過增加像控點對位置對象進行約束，提高建模精度。

3.1 需求分析

針對電網(wǎng)模型從二維到三維的轉(zhuǎn)變，提出了以下4點需求：

1) 數(shù)字孿生電網(wǎng)展示層設(shè)備需要直觀體現(xiàn)電氣一、二次設(shè)備的細節(jié)特征，便于管理人員了解設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)。

2) 設(shè)備布局和凈距等反應(yīng)實際情況，輔助工作人員進行電網(wǎng)設(shè)計、檢修、維護工作，確定工作實施方案。

3) 建模中應(yīng)進行多維信息化整合，每一個子節(jié)點有自己的位置屬性、運動特性及電氣特性。工作人員能通過模型對應(yīng)綜合瀏覽設(shè)備的物理實況、接線邏輯、運行狀態(tài)等。

4) 結(jié)合建筑信息模型(building information modeling， BIM)和實景模型，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality，VR)進行虛擬現(xiàn)場瀏覽，展示全景虛擬現(xiàn)實場景，高精度真三維空間數(shù)據(jù)，無需親臨現(xiàn)場，更貼近于實際應(yīng)用。

3.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)計

本文選用具有高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)的RTK無人機飛行航拍。該無人機采用實時差分定位技術(shù)，能夠保證航線的精準，作業(yè)精度可達厘米級。本次拍攝區(qū)域?qū)嶋H面積為5 704 m2，總共設(shè)置5條航線，總航線長度達3 125 m，航拍參數(shù)見表1所列。

表1 航拍參數(shù)設(shè)計

航拍需要人員外出參與，航拍時長每次大約為27 min，后期數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)均在系統(tǒng)內(nèi)完成。對航拍數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，對未覆蓋的區(qū)域進行手動補充拍攝，共得到符合要求的照片659張。在滿足建模精度的要求下，可以適當(dāng)降低照片分辨率到90%，以提高軟件處理速度。照片完成機載定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)信息設(shè)置后提交空中三角測量，經(jīng)過運算得到163 975個自動連接點。

3.3 實景建模效果

變電站施工前需要對周邊環(huán)境進行觀察分析，運用實景建模技術(shù)建立變電站站址模型。為了減少模型重建運算時間，以及考慮到最終生成模型文件的大小，需要對拍攝場景進行必要的裁切，保留主要部位，去除周邊無用場景，提高模型生產(chǎn)效率。變電站站址模型如圖3所示。

圖3 變電站站址模型圖

工程施工期間，可通過航飛拍攝施工場地，對模型進行迭代更新，實時把握工程建設(shè)進度，通過實體建模技術(shù)實現(xiàn)工程建設(shè)的數(shù)字孿生，如圖4所示。

圖4 變電站施工現(xiàn)場及角度測量圖

電氣設(shè)備安裝后，通過實景建模技術(shù)建立設(shè)備三維模型，如圖5所示。模型基本上實現(xiàn)了對設(shè)備的全息復(fù)制，能夠很好展示設(shè)備端子箱、接頭等零部件細節(jié)。

圖5 電氣模型細節(jié)展示

本次工程應(yīng)用實例說明實景建模技術(shù)在很大程度上降低了傳統(tǒng)建模作業(yè)的勞動強度和模型建設(shè)成本，更好地實現(xiàn)施工建設(shè)的數(shù)字孿生。

4 實景建模技術(shù)應(yīng)用展望

目前實景建模技術(shù)雖然在測繪、城市規(guī)劃，市政等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)比較成熟，但是在電氣領(lǐng)域，由于電網(wǎng)設(shè)計專業(yè)性高、行業(yè)標準成熟等原因，實景三維技術(shù)的應(yīng)用并不多。

實景建模技術(shù)作為傳統(tǒng)測繪和建模技術(shù)的補充和替代，從數(shù)據(jù)采集、處理到成果格式都與傳統(tǒng)測繪技術(shù)成果有著比較大的差別。推動實景建模技術(shù)與三維BIM設(shè)計結(jié)合，服務(wù)于電網(wǎng)改造設(shè)計、運行管理等，可以為工作人員提供規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)和運行維護各階段的數(shù)字存檔數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)真正的電網(wǎng)三維設(shè)計、三維施工、三維運行維護全生命周期的數(shù)字孿生。

未來，仍需進行實景建模技術(shù)標準化作業(yè)流程研究，包括無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)標準研究、實景三維模型成果標準研究和地形提取技術(shù)標準研究，完善激光點云與影像融合精細化建模技術(shù)在三維數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字孿生電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，實景建模技術(shù)在電網(wǎng)設(shè)備全息復(fù)制和地理環(huán)境可視化方面具有顯著的優(yōu)點。實景3D模型能夠充實數(shù)字孿生電網(wǎng)的展示層，為各種傳感器設(shè)備，電力基礎(chǔ)設(shè)施等提供可放置、可展示、可量測的基礎(chǔ)圖層，有效提高數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)和展示效果。