基于信息化模型的变电站三维建模研究

常龙邦

（广西电网有限责任公司防城港供电局）

0 引言

近年来，由于三维设计技术具有可视化、协调性、仿真性、优化性和可移植性等特点所以在设计行业得到了迅速的发展。因此，国家规划中明确提出加快信息模型（IM）在工程中的应用。但它在变电站建设项目中的应用一直较为缓慢。变电站建设是电网建设的重要组成部分，在电力工业中的地位不容忽视。因此，在变电站设计中推广三维设计技术是十分必要的。随着三维数字技术逐渐引起了电力行业的关注。要求所有变电站都必须实现三维模型设计。同时，还需具备三维全景显示和数字孪生技术的应用［1-2］。然而，变电站场景复杂、设备众多、模型交互操作较多，因此普通三维模型体积大、加载速度慢、难以适应。220kV变电站场景的3D模型采用3dMAX格式，可以包含108～109个数量级的三角形数目。如何减小三维模型的体积，提高三维模型的传输、加载和显示性能已成为变电站三维可视化建设的瓶颈。

根据早前学者的研究，简化和压缩结构模型是有效的解决方案。三维数字化设计以数据库为核心，通过在三维环境中调用智能化、参数化的三维模型，产生准确、直观、高效的多专业协同设计，在此基础上可以进一步进行碰撞分析，同时也是变电站设计全过程的有效辅助手段。

国内研究者提出了一种基于聚类的点云数据压缩算法，通过k聚类构造了聚类树，通过迭代简化了叶节点，实现了点云数据压缩［3-5］。提出了非边界点简化方法，通过对非边界点进行简化和迭代来实现数据压缩。

综上所述，现有的模型简化算法大多基于区域模型，针对变电站场景缺乏空间索引生成方法及标注信息的模型数据导出，本文深入探讨基于信息化模型架构的高效模型数据压缩算法和简化服务构建方法。

1 信息化模型分析

1.1 模型构建

三维模型数据顶点的空间索引结构是三维模型的关键。本文提出了一种基于变电站建设和设备层次、设备运行维护信息化模型的三维模型构建方法，并根据设备运行维护对三维模型精度的不同要求，对模型顶点运用信息化模型进行了简化。

精密的三维设计可以在建筑物和地下管道的地基进行碰撞侦测和安全检查，并根据三维模型生成施工图纸和自动统计工程量。因此，我们可以减少设计错误和遗漏，以及修改设计对项目持续时间和成本的影响。利用变电站同一模型进行三维设计，可以使专业人员根据规范要求和数据交换，检查变电站基础、基础与地下设施、地下设施之间的碰撞情况。该三维模型还可以向专业人员显示碰撞情况，使他们能够快速有效地解决问题，防止发生设计错误。

可以通过设置参数来自动检查设备在不同电压水平下的安全距离以及设备与地面的距离是否满足规范要求和实际工程条件，从而验证安全间隙。当变电站内的电线复杂且空间狭小时，带电设备和电线会相交。因此，仅仅根据设计文件进行安全许可的验证是非常耗时的，并且会造成很高的误差率。三维设计可视化、精确化，能够验证安全间隙，大大提高了空间设计的效率。

本文基于信息化模型构造和简化过程如下。首先，建立建筑物、设备和操作部件的层次树；然后定位根节点，获取根节点下的所有子节点；如果子模型是叶节点，则以通用补丁格式将几何数据导出到模型文件中；然后从操作和维护数据列表中获取子节点所需的模型精度，并进行QEM自适应补丁简化。

1.2 距离测算

两点之间的距离分为两种类型：欧几里得度量和曼哈顿距离。欧几里得度量：指两点之间的直线连接（A1，A2）

曼哈顿距离：两个节点之间的路径为直角，两个节点之间（A1，A2）的计算公式如下：

在测量三维空间距离时，两点之间的路径距离的计算公式如下：

1.3 基于信息化模型生成

为了提高复杂产品模型生成的完整性，利用本文提出的三维信心化模型生成方法，可以有效地减小顶点坐标、法线、补丁索引、材料等的编码宽度。在实时绘制阶段，可以利用图形处理器（GPU）绘图管线解压已压缩的数据。

在此系统结构中，采用32位浮点类型，于此浮点类型作为补丁数据中每个顶点的坐标分量的原始数据。通过使用这种压缩算法，运用量化压缩法，将存储位宽度降低到8位或16位，顶点量化过程如图1所示，具体位数由误差要求决定。

图1 顶点量化

本文利用八面体法向量对所有斑块的法向量进行量化和存储。同时，在后续的绘图阶段从外部存储器加载场景数据时，可以大大加快加载速度。

1.4 仿真系统构建

根据典型的变电站设计规范，构建虚拟变电站场景，反应真实的变电站场景。由于二维空间划分的方便性和逼近线性复杂度的效率，三维场景往往成为组织场景的有效结构。虚拟变电站包括各种主要设备及接线、接地装置、避雷器和建筑物。结合虚拟设备的状态描述，用户可以从业务层访问数据，实现系统的运行。最终数据主要以三维形式呈现给用户，包括网页、文本、列表等形式。为了设计出最适合地下变电站场景及各种设备的建模方法，提高虚拟模型的逼真度，有必要对建模对象的原型特征进行分析。通过路由连接的节点形成一个事件系统。利用信息化技术实现了三维变电站场景图的设计。在这个过程中，变电站的场景图也由二维转换为三维。事件系统是场景图除层次系统外的另一个基本组成部分。通过事件系统，可以传播事件以导致其他节点发生更改。在建模过程中，需要观察不同节点类型之间严格的层次关系，并特别注意当前节点的适应性。合理的节点组织是大型模型建立的基本保证，也将为以后的修改和使用提供极大的方便。

变电站三维交互仿真系统是利用信息化模型技术对变电站运行进行仿真的一套三维仿真系统。三维交互式变电站仿真系统的结构见表。三维变电站调度模块、仿真模块节点数据如图2所示。

表 三维交互式变电站仿真系统的结构

图2 三维变电站调度模块、仿真模块数据图

在实时仿真过程中，面向视点的多边形始终保持不变。它可以用来创建对称的对象，如在场景中杆或树，甚至多边形可以用来表示大量的细节模型对象。在这种层次结构中，每个节点都能够准确地描述父子关系及其在环境中的位置。在生成场景图之前，每一层数据都需要分别建模。虚拟场景采用树型层次结构，整个虚拟场景是虚拟场景的根节点。光源、实体（或组件）、地形、特效等基本绘制单元分别构成叶节点。当对应的节点接受事件时，将生成一系列操作。同时，它还可以修改节点的域或导致节点生成事件。这样，相应的对象就与公共节点和传感器节点相连接。利用关键帧动画实现了变电站各关键设备的巡检。整个变电站的巡检可以通过设置路径来确定，而设备的巡检可以通过摄像机动画来实现。

2 实验分析

为了验证本文提出的模型数据导出方法，开发了一个基于信息化模型文件导出工具，以控制主机、变压器和整个子站模型作为验证对象，验证BVH的生成算法、模型分割算法和模型压缩算法，如图3和图4所示。

图3 控制主机界面图

图4 变压器还原图

变电站三维模型图实现如下：首先，由土木工程行业建立变电站的统一柱网。接下来，变电站将执行一次转换。然后，土木工程将参考点固定在设计平台上，在变电站的柱网上进行协同设计工作。其次，电气行业根据制造商提供的设备图纸建立产品模型，并为所采用的产品模型的设备参数赋值，以便于变电站的进一步运行和维护。通过使用具有安全间隙验证、二次电缆自动铺设、线张力验证、防雷设计等功能的三维设计平台，不仅实现了设计可视化，而且优化了车站总体布置，在很大程度上减少了设计错误的发生。

本文中220kV变电站土木工程的三维设计包括：墙体、门体、建筑物、电容器基础、GIS基础、支撑结构基础、电缆沟、消防管网、给排水管网等。碰撞侦测，以确保设计的质素。地下管道之间、管道与基础之间的碰撞及时调整和修正，以避免在施工后期修改设计，为工程施工节省成本和时间。在3D变电站设计完成后，我们将整个3D变电站模型切片，生成每个建筑物的平面图、立面图和剖面图，以及配电单元图和面板剖面图，自动生成设备参数和其他信息。如果调整了总体规划，相应的配电单元图和面板部分会自动调整，大大减少了设计错误和遗漏。

本文中220kV变电站工程采用信息化模型的三维设计方法，整个变电站的三维模型如图5所示。通过信息化模型三维协同设计和精细设计，可以实现设计行业的及时沟通和密切合作，最大限度地减少设计错误和风险，从而大大提高设计质量和效率。在三维协同设计模式下，设计文件和三维模型可以实时更新，三维设计结果可以随时用于碰撞检查和空间间隙验证。通过程序优化和设计优化，可及时解决设计缺陷，实现降低成本、缩短施工周期和可持续发展。

图5 变电站三维图

BVH生成实验测试了三个模型的BVH生成时间和结果，如图6所示。

图6 BVH生成时间

从图6可以看出，BVH算法在三维复杂模型中的补丁的数量与运行时间近似成正比。由于BVH生成算法只需要执行一次，即可完成实时绘制，因此对于系统的生成效率要求并不高，使用简单，易操作，可以被广泛应用。实验结果表明，采用BVH成算法可以在50ms内完成三个测试模型的生成，生成效率可以满足要求。

3 结束语

本文提出了一种基于信息化模型的变电站简化和压缩构造方法，将复杂三维模型进行简化。建立了基于变电站建筑和设备层次结构的三维模型，并根据设备运行和维护的不同精度要求对模型顶点进行了简化。该方法解决了预处理过程中关键设备模型失准的问题。提出了一种基于信息化模型的变电站三维建模简化方法。根据模型对渲染结果的潜在呈现比，进而选择实现合适的简化比。本文设计的基于信息化模型的简化压缩施工服务部署体系结构具有较高的处理效率和良好的可扩展性，能够满足变电站复杂三维模型场景构建的需要。