高压电缆工程数字化设计成果交付及应用

沈学良,曹庆泽,邢雨辰,李国超

(国网雄安新区供电公司,河北 雄安新区 071600)

0 引言

随着信息科技、物联网技术的逐渐推进,国家电网有限公司(简称“国网公司”)对输变电工程设计与管理的要求也不断演进。三维设计逐步取代了传统的二维图纸,成为了标准化档案管理中的重要环节,也是输变电工程设计的必然发展趋势[1]。地下电缆具有难以直观展现的天然特性,因此地下电缆作为三维设计与应用的典型案例有着更为迫切的需求。在虚拟现实的环节下,通过三维技术与管理手段,能够使用户实现电缆模型的快速生成、高效渲染、业务化管理[2]。为进一步规范运检三维数据管理,推动运检三维与基建、调度部门互通共享,国网公司设备部启动电网三维数据中心建设部署工作,按照“数据同源共享、应用深化落地”的建设目标,基于智能运检管控系统,部署上线电网三维数据中心[3]。

数字化设计成果的移交是电网设备全生命周期运营重要环节,可使设计和运检从不同的角度审视和观察电网设备。输变电工程数字化设计成果移交作为电网三维数据中心的重要组成部分也需要对其全流程进行正确掌握,确保数字化移交这一运检三维数据资源向调度部门的共享通道畅通。目前国网公司三维模型的设计及移交平台均已上线运行。

1 数字化设计成果移交

1.1 移交流程

数字化设计成果接收工作主要包括7个主体步骤:移交数据集成、移交数据质检、移交数据格式转换、移交数据加工处理、设计参数解析入库、图属关联、可视化应用。设计单位按照国网公司相关规定,制作三维设计成果并提供给建设单位。建设单位参照移交规范,对三维设计成果及附件进行文件读取并与规则相比较,与规则有冲突的部分再进行细分,确定其为非重要差异或是待修正,对于待修正部分会打回设计单位要求加以修订完善,审核通过后,向工程数据中心移交。数字化移交流程见图1。

图1 三维设计成果数字化移交流程

1.2 移交内容

三维数字化设计包含GI M模型数据,还需要包含必要配套内容,主要包括工程信息、地理信息、数字化模型、空间位置和文档资料。工程信息主要包含工程在设计阶段、施工阶段、竣工阶段3个不同阶段的档案属性信息和主要指标。地理信息包括DEM、DOM、矢量数据、栅格底图、电网专题数据。数字化模型包括电网设备设施与交叉跨越地物各自的模型及属性。设备设施属性是设计阶段形成的用于描述设备的基本信息和技术参数等。

1.3 质检流程

在移交流程完毕后,数字化设计成果从模型完整性、模型合理性、模型合规性、属性完整性、属性合理性、属性合规性6个维度进行质检。自动质检工具作为微服务在电网三维数据中心后台运行,一旦接收到新的数字化设计成果,服务端会自动进行质检,同时在三维可视化页面中将GI M模型加载出来,方便质检人员将GI M模型与现场踏勘资料进行比对,检查GI M模型是否与设备现场的数量、型号、位置一致[4]。

数字化设计成果质检包括三维模型质检、其他成果质检。三维设计模型质检分别从完整性、合规性和业务合理性进行检查。其他成果质检包括工程地理信息数据、文档资料和装配模型。检查以上成果的完整性及正确性。

2 数字化设计成果移交平台

目前,数字化设计成果移交平台主要有电网工程数字化管理平台和电网运检智能分析管控系统三维数据中心。

2.1 电网工程数字化管理平台

电网工程数字化管理应用系统由国网公司基建部统一建设,该系统负责数字化设计成果移交流程和数据管理。系统采用一级部署,总部级应用将各省电网工程的数字化设计成果推送并存放在各省的非结构化平台中。通过对上文中提到的不同数据解析,得到的多源数据在数字化管理平台分门别类并进行统一管理,具体管理平台架构如图2所示。

图2 电网工程数字化管理平台架构

电网工程数字化管理应用系统由管理用户通过电网三维数据一体化管理系统门户网页进行统一管理。首先是三维原始数据的收集和接入,然后通过统一提供的三维数据传输工具进行数据质检、上传,上传后的数据可以在电网三维数据一体化管理系统的数据资源管理模块中进行统计和管理。所有已上传的三维数据资源通过三维场景服务进行发布,供各业务应用系统调用。采用“元数据库-异构存储-场景模型”的三层储存管理架构,即按应用场景以异构形式存储,建立对应的元数据库,提供数据资源服务,封装成统一的数据访问接口对外提供服务。不同的元数据库统一读取后,对应各自不同的应用模式。在这种模式下,底层异构的存储通过中间层数据引擎和场景服务的封装实现透明化,对外提供标准化服务。

2.2 电网运检智能分析管控系统三维数据中心

电网运检智能分析管控系统三维数据中心采用二级部署,提供三维数据管理服务和三维数据共享服务,三维数据管理服务主要支撑三维数据的全寿命周期管理,三维数据共享服务为业务系统提供标准三维模型数据服务[5]。电网工程数字化管理应用系统向运检三维数据中心移交的数字化设计成果进行模型质量检查、GI M解析、格式转换后,将三维模型的属性信息及通用三维模型文件进行存储管理,并对外提供三维模型的数据共享服务接口,供其他三维应用系统集成应用。

基于实物ID构建基建资料移交至三维数据中心,并在可视化引擎经过切片展示与管理,以直观展示手段帮助项目各参与方及时了解整个工程所需资料的完整程度,同时确保移交整体过程为所见即所得。其移交架构如图3所示。

图3 三维数据中心移交架构

在移交后的成果整体可视化技术上,通过LOD分层算法,先将原数据按照坐标分布到网格点,形成胞元,再对原始点进行抽样形成新点。在抽样的基础上将采样点与原始点进行对比去噪,形成新的中间网格,剔除重复点,形成新网格,按照TIN算法对新网格三角网化。计算新点间的排斥力,在互斥方向上对新点阵进行距离计算,按计算结果移动这些点使他们重新分布。

对于重新分布后的三角网构成的点阵序列,采用小波分解算法,引入原网格作为修正项小波系数表示模型在不同分辨率情况下的细节特征[6]。对新模型进行空间尺度的划分,不同的层级建立地图金字塔,通过瓦片技术进行发布。在计算机环境内建立相应比例尺级别的文件夹,用以管理对应级别的地图瓦片,然后再根据网格索引的具体算法对该级别的地图瓦片进一步分类存放。

2.3 数字化设计成果系统的横向集成

电网工程数字化管理应用系统将输变电工程数字化设计成果(包括电网信息模型(GI M)、基础地理数据、电网相关专题图等)存储在非结构化平台,当数据发生变化时,通过UEP的消息队列发出通知。电网运检智能分析管控系统监听到消息后,解析出消息内的数据变化信息,从非结构化平台下载变更的数据,然后通过电网运检智能分析管控系统的辅助工具(客户端、GI M解析、图属关联)进行相应的质量校核、数据转换、台帐关联等,转换成标准三维模型数据。转换后的三维模型数据存储在数据中台,通过共享服务供其他业务应用系统调用,实现电网运检智能分析管控系统三维数据中心与电网工程数字化管理应用系统横向集成。

3 数字化设计成果在高压电缆工程三维建模中的应用

3.1 成果转化方法

针对数字化设计成果三维设计模型,平台通过GI M数字化设计成果相关规范,解析三维设计模型后加载展示,实现展示数字化设计成果三维模型可视化,通过转换为OBJ模型无插件版三维GIS中渲染的方式,并可通过模型查询工程有关属性数据。同时,OBJ模型在其他网省公司部署应用的三维GIS平台及Web GL版无插件三维GIS平台上进行了加载测试,证实了转换成果的跨平台兼容性。

在进行三维模型移交与可视化之前,首先对实际物体进行抽象、简化,对电力设施如隧道、电缆、支架等按其功能和形状进行分类;然后根据实际模型情况,对其包含的电缆通道、井室、防火区间进行分割;再结合设计电缆图纸、通道调查表,形成模型转化规则。使得可以通过三维模型发布与渲染程序能够按照订立的规则自动建立隧道及电缆三维模型。

电缆及通道三维模型自动化建模技术通过构造电缆及通道对象的GI M模型,建立GI M数据解析模块,对电缆隧道进行建模。按照实际尺寸生产的电缆及通道GI M三维模型,包含的信息丰富、直观,辅以既定的电缆构成参数,如电缆构建方式(单根电缆、多芯电缆、线束及成排线)、电缆路径(起点、终点、拐点、敷设方式)、电缆属性(长度、截面形状、颜色、折弯半径)等要素。在对电缆及通道分析、归纳后,发现影响这些物体形状和走向的要素主要包括:轴线和拐角控制这些地物的走向、断面形状控制其截面大小。通过对该地物特性的归纳,结合现实需求,采用改进的基于特征断面的管状地物多精度建模技术,完成GI M格式数字化设计成果的转化工作。

3.2 场景可视化操作

数字化设计成果三维可视化场景服务包括:三维数据切片服务、三维数据切片管理服务。

三维数据切片服务对外提供统一的符合国际标准的三维数据切片标准化服务接口,实现了三维模型数据、三维平台与三维业务应用解耦,解决了三维应用开发依赖特定平台造成数据共享不便、应用开发不易的问题,支持三维应用灵活开发、高效渲染。三维数据切片服务包括三维数据获取、三维数据解析、三维数据轻量化、三维数据切片、标准化切片服务发布、数据发布共享、用户身份验证、模型数据检索、模型附属信息查询等工作内容。

三维数据切片管理服务包括图层服务的添加发布、启动、停止及服务状态监听控制,实现图层数据服务的稳定、可控运行能力。实现在云端三维模型数据优化及切片处理服务的监视管理能,实现服务管理模块,实现图层服务列表读取展示、图层服务操作、图层服务预览分享及服务状态监视。

3.3 图属关联方式

通过“实物ID”字段,可实现数字化设计模型和PMS设备台账属性的关联,实现设备台账属性查询、设备运行数据查询及数字化设计成果的共享应用。搭建工程管理数字归档平台,基于实物ID开展工程档案信息集成。通过接口集成,将工程管理数字归档平台与ERP系统、基建管理信息系统进行集成,实现ERP系统、基建管理信息系统中项目规划信息、设计信息、施工信息、物资采购信息等同步至工程管理数字归档平台。

在工程管理数字归档平台中实现基于实物ID的项目信息、物资采购信息、验收信息等的展现,通过校验规则的设置,完成相关信息的自动校验。借助实物ID贯穿项目建设过程中各阶段的关键信息,为后续开展交接试验、安装调试等提供数据支撑。设备模型命名采用线性分类法和分层编码方法,按“设备类别_设备编码”进行两层编码。编码由若干位英文字母、阿拉伯数字及罗马数字组成。设备技术参数中要求模型成果中的层级应满足以下要求:分为建筑物、地面、附属小品、台账标注设备、非台账标注设备。

3.4 应用效果

对于移交后的数字化设计成果,首先能够指导生产上的多种通用分析服务。根据通用三维数据分析需求,需要填补通用三维分析计算能力,通过调用通用三维数据分析服务实现具体的三维业务应用[7]。通用三维数据分析服务具体包括:通视分析服务、剖面分析服务、缓冲区分析服务、淹没分析服务、坡度坡向分析服务、距离量测服务、面积量测服务、方位角量测服务。在纯可视化方面,三维设计成果作为兼容性较高的格式也能够接洽多种通用数据格式与渲染引擎,达到良好的可视化效果,用于多种软件平台。通过数字化设计成果相关规范,解析三维设计模型,对原始数字化设计成果三维模型进行贴图处理,通过三维可视化引擎将处理后的三维模型在三维场景中加载可视化展示,通过三维的方式呈现主设备内部结构,帮助运检人员更好的理解设备内部结构。基于三维设计成果的三维场景模型效果见图4。

图4 基于三维设计成果的三维场景模型效果

4 结论及建议

伴随人工智能技术的迅速发展,在未来,计算机将能够替代工作人员完成大部分的数字化设计工作。通过人工智能算法,研发集成三维模型规则,实现自动绘制电力三维模型。可以避免输变电运维专业三维模型数据来源多样、无法实现共享的问题,有利于形成运检管控三维信息数据规范。本文基于GI M信息模型解析与转换,将在一定程度上规范高压电缆工程方向三维模型数据格式、模型精度、模型质量,能够在运维系统之间进行模型调用,实现三维模型的“一建通用”式互联共享,提升每个三维模型的使用率。

设备内部结构是设备运维检修的重要依据,通过三维的方式呈现主设备内部结构,帮助运检人员更好的理解设备内部结构,做出检修决策。GI M模型已预留了实物ID属性字段,建议在施工阶段设计模型中将该字段补充完整,移交到设备部后,可以通过实物ID将三维模型与运检业务信息系统自动关联匹配,实现三维可视化管控应用。下一步,需要完善电缆三维数字化设计成果移交平台功能,不断修订优化数字化设计成果相关规范以适应数字化技术的发展。