中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司 伍思睿

随着国家大力发展智能电网，尤其关注电网数据的三维化、数字化及信息化工作以来，为电网行业技术快速发展提供了新的机遇。基于现有建模技术的运用现状及经验，结合电网行业内三维建模实际存在的困难，本文基于犀牛对点云数据高适应性的支持及参数化建模优势，研究其对于运维中输电数据逆向三维建模的技术流程及方法，为输电工程三维建模提供了一种可操作的技术选择。

为贯彻落实国家十四五规划中电网信息化发展的要求，发展电网从数字化到智能化的转型，各地电网公司逐步增加对输电线路激光点云数据的采集，并通过与GIS等平台的交互研发，实现三维虚拟仿真、数字孪生等新兴技术。点云数据对现场的三维还原提供了重要的三维参考，弥补了传统三维建模因台账信息不全、设计资料不全导致无法建模或建模参考缺失的问题。

1 输电工程逆向建模难点

基于点云数据进行逆向建模早已不是技术壁垒，早期点云数据的逆向三维建模主要依靠地面激光雷达设备采集数据，并通过配套设备的软件如徕卡cyclone，天宝realworks等软件实现。然而这些软件在实际建模中存在以下问题：1）数据转换量大；2）数据的建模可拓展性较弱，对于异形物、曲面或系统中没有提供模型模板的物件无法建模。传统的三维建模软件如Bently平台虽支持点云数据的加载，但当点云数据载入量大时，系统平台的兼容性、流畅性大幅度降低；3ds max软件除对高数据量点云加载及运行有明显卡顿外，对于复杂曲面的处理能力也较差；Catia类软件虽支持复杂数据的建模，但上手难度高、建模流程复杂。

因此，满足输电工程逆向建模平台应具备二个核心能力：1）由于输电工程跨越范围大、数据呈带状且工程量巨大，必须支持海量点云数据的加载，数据建模中保持系统操作的高流畅性；2）平台需要支持批量建模的参数化建模及复杂曲面、异形物建模能力。

2 数据处理及建模

基于上述电网建模工作中的客观情况及建模要求，本文选用犀牛软件及Arena4D插件进行数据建模。犀牛可以对需要精细、弹性及复杂曲面的三维模型进行构建，支持包括OBJ、DXF、IGES、STL、3DS等几乎所有主流三维建模平台格式兼容的能力。Arena4D是英国Veesusltd公司开发的可作为犀牛插件的三维点云管理的软件，支持三维激光扫描、机载LiDAR、移动测量等数据管理及建模。图1所示是数据处理及建模流程图。

图1 数据处理及建模流程图

2.1 数据预处理及分类

本文数据选用深圳地区吉鹅线作为数据处理样本，该数据采用飞行器搭载机载激光雷达，在对塔相对高50m的高度，以不超过60km/h的速度进行采集。为减少不必要的数据对建模造成的影响，本文通过去噪消除因设备采集过程中激光折射反射或空中杂质产生的离散点对数据建模的影响。其次通过分类处理将杆塔及线路进行提取，降低因点云数据过大导致的数据建模时操作流畅性不佳等问题。

2.2 数据导入及线模建立

通过Arena4D对点云las数据进行转换，选择数据采集的坐标系CGCS2000投影，将转换后的vpc格式数据直接在犀牛中通过Arena4D进行加载及导入。导入数据后，对坐标轴进行定义，以确定建立模型点云数据的三维方向。通过Arena4D插件对点云数据进行管理。数据管理是指对点云数据进行必要的裁剪、切片等处理从而有利于建立基础建模所需要的点云可视化条件。由于杆塔多处具有一定的对称性及可复制性，因此可采用犀牛镜像功能进行处理或复制移动旋转等办法减少数据工作量。另一方面，由于杆塔在实际运维中的重点是关注导地线挂点，因此除杆塔导地线、横担、塔头、塔身及塔腿变坡位置外的其他部件在不追求高可视化要求下应不重点作为数据建模关注，从而影响建模效率。最终，通过基于Arena4D辅助工具及犀牛矢量绘图功能，完成数据线模建立。

2.3 参数化建模

基于犀牛中Grasshopper（以下简称GH）插件，对杆塔角钢等类似物件进行参数化建模。GH是一款可视化编程语言，通过编写运算器并进行关联，使机械性的重复工作及大量可通过逻辑演化的过程被计算机的循环运算代替。

本文中GH用于对杆塔主材及斜材角钢进行批量放样的可视化编程，主要逻辑思路是：①拾取基础线；②找到该基础线起点及终点；③找到该垂直于该直线的平面p1；④在p1平面绘制矩形j；⑤通过炸开命令提取出矩形j的4条边abcd；⑥提出矩形j1上的两条相邻边a、b；⑦对a、b并进行偏移，并判断偏移内外侧方向并删除错误数据；⑧参数控制外侧边与内侧边连接位置，连接处设置倒角形成截面线；⑨截面线转化成角钢截面；⑩挤出放样形成角钢体。具体如图2、图3所示。

图2 步骤⑦中偏移线条（左）；步骤⑧中连接内外侧边形成绿色截面线（右）

图3 GH运算逻辑（上）；线模型（左）；放样角钢体（中）；角钢体详图（右）

2.4 模型组装及展示

由于点云数据的精度有限，且金具及绝缘子等细小部件规格复杂多变，较难在点云中进行参照性建模，因此塔模型外其他模型的建立主要基于两种方法：1）通过点云数据尺寸及现场照片分辨部件类型，在已有模型库中选用并组装；2）基于已有的金具绝缘子设计图纸对相关模型进行构建。建模中绝缘子主要确定其类型，例如玻璃绝缘子、合成绝缘子及单双联情况。本文金具基于已有设计图纸进行建模，完成后将杆塔模型与部件模型进行组装。最后，基于犀牛生产的成果数据，通过插件转换成可供Skyline平台导入的格式进行可视化展示。数据建模可视化效果如图4所示。

图4 数据可视化效果

3 总结及讨论

本文通过犀牛、Arenna4D对点云数据进行逆向建模，通过对海量点云数据进行轻量级处理，实现对工程数据大批量导入，认为该平台可实现海量点云数据加载并流程建模的问题。在基于GH的可视化编程下，本文对杆塔角钢结构进行逻辑拆分、运算构建及编程，实现线模型批量放样操作，大大提高了建模的效率。考虑到犀牛基于复杂曲面、NURBUS曲线的强大构建能力及GH参数化建模功能可运用在金具零部件等复杂部件建模中，为未来模型库构建完善提供技术支持。其次，GH参数化建模由于具有良好可视化阅读性，相较于基于VBA、python等其他三维软件所内置的传统计算机语言来说，更利于没有编程背景的建模人员学习及使用。

未来输电工程中传统数据模型应该如何定义建模深度才能利于实际工作需是一个重要问题。根据现有行业数据量级及建模应用情况来看，为满足快速生产运维工作的需要，对模型的深度、精度在基于不同的应用需求下应该有更加明确的划分，避免“千模一规”的情况出现。最后，本文认为传统三维模型与近年来兴起的GIM数据格式之间的可编辑性、多平台兼容性等问题才是输电工程中建模技术的关键重点。