基于需求驱动的输变电工程多尺度场景建模_施晓勇.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01839-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-20;修订日期:2022-11-21基金项目:国家自然科学基金(41861050)第一作者:施晓勇(1998)，男，汉族，江西吉安人，硕士研究生。研究方向:空间数据多尺度建模。E-mail:2684119267 qq com。*通信作者:蓝贵文(1977)，男，瑶族，广西都安人，博士，教授。研究方向:地理空间信息集成分析与应用。E-mail:23955461 qq com。引用格式:施晓勇，蓝贵文，陈看，等 基于需求驱动的输变电工程多尺度场景建模 J 科学技术与工程，2023，23(5):1839-1845Shi Xiaoyong，Lan Guiwen，Chen Kan，et al Demand-driven multi-scale scenario modeling of power transmission and transformation engi-neeringJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):1839-1845天文学、地球科学基于需求驱动的输变电工程多尺度场景建模施晓勇1，2，蓝贵文1，2*，陈看1，2，端木星慧1，2，张乐坦1，2(1 桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林 541004;2 广西空间信息与测绘重点实验室，桂林 541004)摘要针对输变电工程不同阶段所面临的多维管理问题，提出基于需求驱动的输变电工程三维模型的多尺度分级方法，并根据多尺度分级方法实现了输变电工程的多尺度场景构建。首先，采用统一建模语言(unified modeling language，UML)系统梳理输变电工程的组成要素及其相互之间的关系，并在此基础上根据输变电工程不同周期的应用需求提出输变电工程多细节层次模型。其次，运用 Google SketchUp 和 3DS Max(3D Studio Max)建模软件构建不同尺度的输电杆塔和变电站模型，并在SuperMap软件中将三维模型与三维地形环境匹配融合构建完整的多尺度输变电工程场景。最后，通过构建某地的多尺度输变电工程场景，对所提出的尺度分级方法进行了验证。结果表明基于工程需求构建的输变电工程多尺度场景能有效地应用于不同的工程管理阶段。关键词输变电工程;细节层次模型;需求驱动;多尺度场景建模中图法分类号P208;文献标志码ADemand-driven Multi-scale Scenario Modeling of PowerTransmission and Transformation EngineeringSHI Xiao-yong1，2，LAN Gui-wen1，2*，CHEN Kan1，2，DUANMU Xing-hui1，2，ZHANG Le-tan1，2(1 College of Geomatics and Geoinformation，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;2 Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004，China)Abstract Aiming at the multi-dimensional management problems faced by different stages of power transmission and transformationengineering，a multi-scale classification method based on demand-driven three-dimensional models of power transmission and transfor-mation engineering was proposed，and the multi-scale scenarios construction of power transmission and transformation engineering wasrealized based on the multi-scale classification method Firstly，the components of power transmission and transformation engineeringand their relationships were systematically sorted out by using unified modeling language(UML)，and a multiple levels of detail(LOD)model was proposed according to the requirements of different stages in the construction cycle Secondly，transmission tower and sub-station models at different scales were built by using SketchUp and 3DS Max(3D Studio Max)software，and the 3D model and the 3Dterrain environment were matched and integrated in SuperMap to build a complete multi-scale power transmission and transformation en-gineering scenario Finally，the scale classification method proposed was verified by constructing a multi-scale power transmission andtransformation engineering scenarios in a certain place The result show that the multi-scale scenarios of power transmission and trans-formation projects constructed based on engineering requirements can be effectively applied to different engineering management stages Keywordspower transmission and transformation engineering;levels of detail model;requirement-driven;multi-scalescenario modeling输变电工程是电力系统的关键组成部分，具有运输电能和升降电压的重要作用，是输电线路建设和变电工程的统称1，其主要包括架空电力线路和变电站两大实体对象。随着数字电网建设的推进，三维数字化技术已经应用在输变电工程建设中，且对于提高工程的设计质量效果显著2。当前对于输变电工程三维建模的研究主要集中在输电线路三维场景模型构建3-4、变电站虚拟现实仿真5-6、厂站三维展示7 以及输电杆塔精细化建模8 等方面，目前的研究中更多关注的是模型的精细化构建投稿网址:www stae com cn和场景的沉浸感，较少考虑因实际应用管理的维度不同造成所需的模型尺度级别不同这一客观条件。在输变电工程中，所处的工程生命周期不同，其对应的管理维度也就不同，所需要用到的数据尺度也不同。如，在工程周期的规划设计阶段只需使用当地的三维地形数据或简易的模型数据，而不需过多关注电力设备的模型精度，而在工程运维阶段则需使用到精细化的三维模型数据。此外，变电站数据通常可达几十千兆字节9，往往会给计算资源造成较大的压力，在不同管理维度采用适合的尺度模型能大大提高计算机的运行效率，有效减少计算资源的浪费。因此采取尺度相关的数据建模方法在输变电工程三维模型数据管理中是非常有必要的。目前已有许多三维空间数据多尺度表达方面的研究。文献 10 参照城市地理标记语言(city ge-ography markup language，CityGML)标准规范进行了城市三维模型的多尺度不规则三角网(triangulatedirregular network，TIN)构建;文献 11 采用符号化建模及建筑信息模型(building information modeling，BIM)等建模方式构建了不同细节层次的排水管网要素，并构建了层次细节(levels of details，LOD)为LOD0 LOD4 层次的排水管网场景;文献 12 参照CityGML 多细节层次分级标准构建了 4 个尺度级别的城市综合管廊空间数据模型，并研究各尺度工业基础类标准(industry foundation classes，IFC)模型与CityGML 模型之间的映射规则。在电力领域，文献 13 设计并构建了输电网络的多尺度空间数据模型，研究了传统三维模型到地理信息系统(geograph-ic information system，GIS)三维模型的集成可视化应用;文献 14把输电设备模型划分成 4 个 LOD 等级，提出各级模型的塌陷方法，提高了模型的加载效率;文献 15 总结归纳了国家电网输变电工程设计规范中电网三维模型 3 种不同尺度模型的定义及应用阶段。上述文献研究了空间数据的多种多尺度表达方法，但是较少具体从各尺度应用需求出发来构建空间数据模型。现将输电线路和变电站作为一个整体进行考虑，从工程应用需求的角度出发，提出输变电工程的多尺度分级方法，并运用建模软件和 GIS 软件实现输变电工程 LOD0 LOD3多尺度场景的构建，以期满足输变电工程的数据应用需求，为输变电工程的各个建设阶段提供借鉴。1输变电工程组成要素分析与多细节层次模型1.1输变电工程组成要素分析输变电工程包括输电线路和变电站两部分，其结构复杂，涉及要素繁多。构建输变电工程的多细节层次模型，需要全面梳理输变电工程涉及的众多要素并梳理各要素的语义信息以及要素之间的关系16。如图 1 所示，输变电工程主要包含架空电力图 1输变电工程组成要素 UML 图Fig.1UML diagram of components of power transmission and transformation engineering0481科学技术与工程Science Technology and Engineering2023，23(5)投稿网址:www stae com cn线路和变电站两大空间实体对象。架空电力线路是运送和分配电能的重要工具和通道，其利用杆塔支撑导线使之距地面有一定的高度。架空电力线路主要由杆塔、架空导线、杆塔基础、金具、绝缘子、拉线等设备聚合而成。输电杆塔按照其在线路上的作用可分为耐张杆塔、转角杆塔、直线杆塔等。金具是起连接作用的金属附件，分为支持金具、保护金具、拉线金具、连接金具等。拉线按其形式可分为普通拉线、弓形拉线、水平拉线、共同拉线等。变电站接受输电线路输送过来的电能并对电压和电流进行变换，其组成结构较为复杂，主要由电气一次设备、二次设备、变电站建筑物和机电设施组成。电气一次设备是直接用于生产、输送、分配电能的高压电气设备，包括变压器、开关设备、断路器、组合电器(gas insulated switchgear，GIS/hybridinsulate