输电线路数字化设计现状分析及改进方向探讨

谭浩文，薛永峰，江 岳

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

输电线路的传统设计主要是基于二维图纸的专业配合作业。二维图纸的数据是非结构化的，图纸里所涵盖的信息很难被计算机直接识别。勘测专业、电气和结构设计专业的配合，主要依靠资料互提和确认来解决，缺少相应的设计平台或结构化信息传递手段。各专业间的数据信息相互孤立，无法实现方便快捷的互通传递。在设计过程中，不同专业之间以及专业内部的不同设计阶段，由于没有信息载体和一体化设计平台，很多信息需要以人工的方式多次录入和检查；在利用已有设计成果时，因为相关成果信息为非结构化、非参数化的图纸，仅能通过人工查阅的方式，手工提取相关成果信息，在后续设计中使用。以上的这种传统作业方式效率低而且差错率高，不能实现数据的一次录入、多次采用[1]。

随着计算机技术和勘测技术的发展，数字化技术广泛地融入电网设计行业，交互协同设计、三维设计推动电网勘测设计信息化技术不断发展。三维数字化技术应用于输电线路设计，使设计人员能够在三维视场环境中进行相关设计数据的多维度分析、多视角空间校验，提高工作效率和设计质量[2]。

国内电力设计单位开展输电线路三维设计的尝试开始于2009年前后。最近五年，三维数字化设计成为输电线路设计行业的热点。电网建设单位制订了相关管理、应用标准以及设计导则，建立了数据中心，各电力设计单位或采购、或联合软件公司，积极进行数字化设计平台的建设和应用。然而，总体来看，经过前些年的摸索酝酿和近几年的高速发展，国内输电线路的三维数字化设计依然停留在将传统设计做完以后再进行三维转化及展示的初阶，真正意义上的正向全过程设计应用尚未有较大突破。目前大部分输电线路数字化设计平台，在数据管理、业务协同、模型建立和应用领域等各方面都还有改进提升的空间。

本文通过对输电线路数字化设计的现状进行分析，结合输电线路设计的特点，探讨输电线路数字化设计的改进方向。

1 输电线路数字化设计现状

输电线路三维数字化技术最早的目的相对简单，主要是通过三维展示增加设计成果的可视性，当时称为三维数字化移交，通常是设计单位以外的公司来完成。在这个阶段，设计过程的三维数字化要求相对较低，成果三维数字化和工艺设计往往是脱节的。随着建筑信息建模 (building information modeling，BIM)设计的流行，输电线路行业也提出了在设计过程中贯穿三维数字化的理念，通过构造设备三维模型、选取材料、设置参数等，开展空间距离校验、设备材料自动统计等[1]。经过十几年的发展，这一目标基本得以实现，但通过实际应用发现，并未跨越“二维设计、三维转化”的初级阶段。

1) 数字化建模是主要工作

目前，输电线路三维数字化设计成果移交内容主要包括地理信息模型、数字化模型和设计文件电子文档[3]。地理信息模型和设计文件电子文档相对容易处理，因此目前的数字化设计软件和实际设计过程均把重点放在数字化建模上，包括实体模型、参数模型。输电线路涉及的主要数字化模型包括铁塔、基础、导线、绝缘子、金具、通道障碍物(实体及非实体)等。根据不同模型种类和需求，这些模型有的通过解析外部导入的数据文件生成，有的通过在软件模型数据库选择配置得到，有的完全通过手动输入数据建立，工作量较大。完成以上数字化模型的建立，再将其整合展示到地理信息模型上，就基本完成了数字化设计，可以满足移交的要求。

2) 数字化建模与工艺设计关联性不强

目前国内主要的几个输电线路三维数字化设计平台，在整合输电线路设计流程、优化设计数据流转、集成已有成熟的电力设计软件方面，还有很大提升空间。虽然目前大多数数字化设计平台主要集成了三维地理信息模型和选线系统，可以实现选线、生成断面及立塔，可以基本代替之前的海拉瓦选线，但是在实际设计中，线路的核心设计如杆塔设计、基础设计、排位校验、各种计算等还要依赖平台之外的其它设计软件。多数情况下，数字化设计是采用传统手段完成设计后，再将设计成果输入或导入数字化平台建模，记录为结构化数据。在这种情况下，数字化建模与工艺设计基本是脱节的。

3) 协同设计尚未实现

数字化设计的目标之一是解决传统设计方式专业之间不能协作，信息不能互通，数据不能一次录入多次使用的问题。由于目前多数数字化设计平台主要是建立地理信息和设备数字化模型，自身并未开发或集成成熟的电力计算软件，输入平台的数据很少用来计算，因此，在专业内，设计数据需要重复输入的问题并未彻底解决，专业间的全面协同设计更未能实现。

4)标准还不够完善

国家电网有限公司大力推动电网三维数字化设计，建设工程数据中心，制订了一系列有关三维数字化设计深度、模型交互、成果移交等方面的标准，但目前这些标准有一部分还在不断的修订完善中。

5)工程实际应用积极性不高

目前业内应用的输电线路三维数字化设计平台大部分基于地理信息系统(geographic information systems，GIS)技术开发，其开发者有传统电力软件供应商，也有从未做过电力软件的GIS技术应用开发商。有的是软件供应商独立开发，有的是软件供应商根据设计单位需求定制开发。由于软件开发企业不了解输电线路设计流程和设计单位的设计习惯，在软件或平台的操作使用方面，与设计单位的习惯相去甚远，造成设计院很难熟练使用平台。同时，由于平台功能有限，对实际的设计工作起不到多少协助作用，一定程度上还增加了设计工程量。因此在实际工程中，三维数字化设计往往是根据业主要求被动进行。

2 当前输电线路数字化设计的误区

1)重三维建模，轻数字化集成

当前国内输电线路数字化设计，流行一种三维模型统筹论，即以三维模型为中心，以三维模型来统筹设计，其实这一理念存在较大的误区。

输电线路设计中需要进行大量的计算，如杆塔荷载、绝缘配置、电磁环境校验、各种距离校验等。这些计算都需要很多的输入数据。在传统的设计方法中，这些计算往往相互独立，不少数据需要重复输入。数字化设计的一大初衷是要解决这一问题，实现数据一次输入，多次利用，即实现各类计算软件或程序的数字化集成。然而实际情况是，目前大部分所谓三维数字化设计平台，往往忽视了这种集成，而把主要功能放在三维建模和展示上。它们的三维模型虽然附带了很多参数属性，但这些属性却很少能被直接调用计算。虽然在三维场景里，空间距离的计算可以通过三维解析的方法来求解，但是对于输电线路设计中常用的理论计算，比如要模拟导线的悬链线，计算张力差，还得通过数值计算来实现。因此，出于正向设计流程考虑，三维数字化设计平台必须重点考虑各类计算软件和程序的数字化集成。

2)宏观场景中对三维模型的真实度要求过高

当前流行的输电线路数字化设计，有一种所见即所得的倾向，对输电线路各设备元件在宏观环境中的三维模型真实度要求很高，比如要求把铁塔的角钢、节点板、甚至螺栓、销钉都要正确展示出来。各软件平台也把大量精力花费在了三维场景、设备元件的三维建模功能上。这一高要求，不仅给软件平台的运行环境提出了更高的要求，也给设计人员增加了大量额外工作。

理论上讲，提高三维模型的真实度，能够最大程度避免各种设备、建(构)筑物之间的冲突，并且增强成果的可视化体验。而对输电线路来讲，其特点是地域跨度大，设备少，呈分散状态。输电线路的铁塔、基础、导地线、绝缘子金具串等主要设备或构筑以铁塔为集中布置点，两点之间一般相距数百米，宏观上较为分散。因此，线路的两基铁塔之间是不可能碰撞的，在宏观上追求三维模型的高准确性其实没有必要。在排塔定位这样的宏观三维场景中，三维模型只需要单线模型或轮廓模型即可满足设计要求。

3 输电线路数字化设计改进方向探讨

3.1 科学合理定位

输电线路的三维数字化设计，应当科学合理定位，弄清设计方和成果需求各方(施工、建设管理、运营维护)的需求，才能进入互相促进、互相协调的生态发展轨道。三维数字化设计的全过程应用，不能仅仅停留在直观好看的肤浅的“高大上”的层面，而要以提高工作效率，提升成品质量，扩展成果应用为原则。从成果需求方来讲，应从成果的后续应用出发，对三维数字化设计成果深度提出有针对性的科学合理要求，并建设相应的应用平台。对设计方来讲，三维数字化设计只是一种手段，不是一项任务，必须以提高工作效率和提升设计质量为原则，为需求方提供符合后续应用要求的成果。

3.2 重视数字化集成和协同

输电线路三维数字化设计的重点应该放在“数字化”而不是“三维”上面，“三维”可视只是表层，核心是数字化集成和协同。集成方面，着重解决各类设计软件之间的数据集成互通，实现数据一次输入，多次调用。协同方面，应以实现各专业的协同为目标，特别是需要反复配合的专业之间。勘测应主要负责地理信息系统的处理、原始资料输入，线路电气、结构的设计要能实现协同，互相查看和检验。

3.3 三维模型合理分层管理应用

宏观上，输电线路设备是较为分散的，在大场景中，具有主要轮廓尺寸的简化三维模型即可满足设计要求。只有在局部小场景中，才可能用到相对真实的三维模型。因此，输电线路数字化设计中的三维模型，宜实行分层管理和应用。宏观设计场景中，三维模型适宜采用参数和简化的实体模型的结合，参数主要是指设备的各种参数、属性，简化的实体模型主要指设备的轮廓尺寸，两者的组合既方便直观展示也便于实现数值计算。局部小场景中，三维模型宜具备参数化建模功能[3]，方便设计人员根据需要通过改变主要参数来建立实体模型，校核细部碰撞。

高精度的三维模型查看宜采用小场景调用方式，随着访问深度的增加，逐级按需调用、显示精度更高的三维模型。比如：在线路整体三维场景展示中，铁塔只需要轮廓三维，只需表示出主要构件即可，不需要展示诸如角钢、钢管、连接板、螺栓等细部构造，如果需要查阅这些细部构造，可按需调用小场景进行展示，这样可以实现设计阶段三维模型和设备厂家产品模型的独立，实现建模工作的合理分工，同时对计算机硬件的要求也有所降低。

3.4 联合开发软件平台

目前，输电线路三维数字化平台的开发模式，无论是软件供应商单独开发还是服务合同框架下的定制开发模式，平台开发单位与使用单位的沟通交流均不够深入，因而造成开发出来的平台功能不全或使用不便。从长远发展来看，输电线路三维数字化设计软件平台，不仅需要狭义地集成各种专业的设计软件，也需要与成果需求方的诸多软件系统例如项目管理、材料管理、施工管理、财务系统等多种特定环节或应用专长的软件实现广义的复合应用层面的“集成”，以服务于工程和项目。这样的集成兼容了工作流程和复杂业务，代表了最高程度也是最复杂的集成。要实现这样的复合集成，必须由工程设计企业和软件供应商合作开发，但这不仅是软件开发商协助工程设计企业进行软件的定制开发，更是工程设计企业提炼自身业务精髓和优化业务流程的机会。设计单位或软件需求单位与软件开发商需要适当放弃短期经济效益，深入合作，资源互补，以建设完备适用的优质平台。

3.5 积极探索集成新技术

3.5.1 高精测量解析技术

输电线路三维数字化设计的质量和效率受限于测量数据的精确程度。目前应用比较广泛的海拉瓦技术[4]在扫描线路断面时，对树顶高度、地面高度无法区分，往往导致断面失真，排塔定位还需要人工现场校测和修正，降低了勘测设计效率。结构专业方面，由于一般航测无法得到满足精度要求的塔基地形图，目前所有的塔基地形图都通过现场实测来获取，如果能通过高精测量解析技术得到满足精度要求的塔基数字地形图，对高低基础长短腿配置设计的效率将大大提高。因此，将高精测量解析技术，如机载激光雷达测量技术[5]、倾斜摄影技术[6]等应用到输电线路三维数字化设计，势必大大提高设计效率和设计质量。

3.5.2 有限元分析方法

在目前的设计当中，导线风偏、绝缘子串偏角等计算一般是通过传统简单的荷载等效集中、静力几何分析得到的，与导线、绝缘子串实际受分布荷载的情况有一定出入，可能导致结果存在误差。输电线路在运行过程中常受到风、覆冰、甚至地震等随机载荷的作用这些荷载组合往往较为复杂，一般的静力等效集中分析已经不能满足设计需要。有限元方法是研究这类问题的重要方法和手段[7]。借助于计算机强大的计算能力，输电线路三维数字化设计引入有限元分析方法，可对导线风偏、绝缘子串姿态、导线不均匀覆冰姿态等进行仿真模拟，得到更为准确的结果。

3.5.3 塔线耦合分析方法

目前输电线路的设计方法中，杆塔与导地线是分开考虑的，导地线荷载作为外力施加在杆塔上。对于刚度较小的杆塔，受载荷作用时杆塔上部容易产生较大位移，杆塔与导地线之间的耦合作用明显，不能忽略。在这样的场合，现有的计算手段不能准确反映杆塔、导地线、绝缘子金具串的耦合影响，计算结果不够准确。塔线耦合分析方法提出导地线力—位移等效元的概念，可以考虑杆塔和导地线沿导地线方向的耦合作用，给出整个输电线路系统的理论等效模型，进行非线性数值仿真和实验比较，对输电线路的整体设计、导地线舞动研究具有指导和应用价值[8]。

4 结语

输电线路三维数字化设计技术以多元地理信息为基础，多维信息模型为载体，实现设计的可视化、集成化、并行化、智能化，打破设计信息孤岛，实现全专业、全过程信息共享，进而全面提升工程设计质量和效率，提交满足电网企业信息化需求的数字化设计成果，是输电线路设计行业发展的必然趋势。

整体来看，当前输电线路数字化设计从软件平台开发到工程应用实质仍停留在将传统设计方式得到的设计成果三维模型化、数据化的浅层阶段。

未来输电线路数字化设计需要更加科学合理的定位，应将其视为一种设计手段，而不是设计任务来对待，应以提高设计效率，提升设计质量，提供符合后续应用需求的数字化设计成果为原则。需要改变重三维建模，轻数字化集成的方向，通过软件供应商和需求单位的密切合作，走以三维模型为辅，数字化集成为主的道路，积极探索集成勘测设计新技术，建设多专业协同设计数字化平台。