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GIS 技術(shù)的應(yīng)用深化以及激光雷達(dá)、航空攝影等數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，為輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了有利技術(shù)支撐。國內(nèi)電力設(shè)計(jì)企業(yè)先后對輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)展開了探索與研究，通過不斷的實(shí)踐，積累了大量的工程應(yīng)用案例與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為開展輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
1.GIS 選線應(yīng)用多樣化
很多電力設(shè)計(jì)企業(yè)都建立了自己的GIS 平臺(tái)，借助GIS 平臺(tái)，采用高分辨率衛(wèi)星影像，進(jìn)行大范圍路徑選擇、方案比選，在減少土地占用、房屋拆遷，保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要的作用。
各設(shè)計(jì)企業(yè)開展設(shè)計(jì)工作的工具軟件種類繁多，包括制圖類工具、計(jì)算類工具、管理類工具等。由于技術(shù)架構(gòu)、基礎(chǔ)平臺(tái)、開發(fā)語言的差異，各軟件系統(tǒng)間相互孤立，數(shù)據(jù)無法共享。工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)需要重復(fù)錄入到不同的軟件工具中，人工完成系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳遞，缺乏一體化管理。
2. 選線過程可視化
輸電線路經(jīng)常通過居民區(qū)、林區(qū)和其他特殊區(qū)域，其設(shè)計(jì)工作廣泛應(yīng)用基于二維坐標(biāo)的GIS 系統(tǒng)，輸出成果采用二維方式表達(dá)，難以展現(xiàn)三維空間層次及位置關(guān)系。
隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和可視化技術(shù)日益完善，將當(dāng)前二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維可視化己經(jīng)成為可能(見圖6-1 )。部分設(shè)計(jì)企業(yè)建立的GIS 輔助應(yīng)用系統(tǒng)己經(jīng)開始探索設(shè)計(jì)過程可視化的應(yīng)用與研究。系統(tǒng)基于三維GIS 平臺(tái)，集矢量地圖、影像圖、數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，規(guī)劃電網(wǎng)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)、勘測數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等各種設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)為一體，能夠真實(shí)再現(xiàn)電網(wǎng)工程及現(xiàn)場地理信息，提供對送電線路導(dǎo)地線、桿塔及金具360 。視角查看、空間分析、跳線計(jì)算、三維空間量測，為輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)提供全新的手段。
3 設(shè)計(jì)成果移交數(shù)字化
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)工程從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工建設(shè)再到運(yùn)行維護(hù)，每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生數(shù)字化成果。即使在設(shè)計(jì)階段，隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的開展，在電網(wǎng)工程的可研、初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)不同階段也都將產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字化成果。但是目前的工作模式只關(guān)注當(dāng)前階段所需要的數(shù)據(jù)，對整體環(huán)節(jié)的信息流通考慮較少，造成信息孤島效應(yīng)，信息難以貫通，數(shù)字化成果共享率低。
為解決該問題，電網(wǎng)企業(yè)己經(jīng)探索開展數(shù)字化移交工作。數(shù)字化移交工作以數(shù)據(jù)流和信息流為主線，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為保障，為電網(wǎng)工程建設(shè)和管理的全過程提供、的數(shù)據(jù)源。數(shù)字化移交工作從電網(wǎng)工程建設(shè)全過程入手，對全局進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。在電網(wǎng)工程建設(shè)初期就建立統(tǒng)一的數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電網(wǎng)工程向下一階段移交時(shí)數(shù)字化成果同步移交。當(dāng)工程建設(shè)完成后，電網(wǎng)工程和數(shù)字化成果同步向運(yùn)行移交，不僅能、完整地反映電網(wǎng)工程的現(xiàn)狀，而且能在時(shí)間維度上進(jìn)行回溯。
數(shù)字化移交工作貫穿電網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等各個(gè)階段，移交過程中主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)移交3 個(gè)階段。此外，制定規(guī)范化的移交流程、標(biāo)準(zhǔn)化的移交內(nèi)容和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)約，也是保證數(shù)字化移交工作有效開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在少數(shù)工程上已經(jīng)開始嘗試進(jìn)行數(shù)字化移交，應(yīng)用效果己經(jīng)初步體現(xiàn)。
從國內(nèi)的總體情況看，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在輸電線路中的應(yīng)用，基本上還停留在選線、方案比選階段，已經(jīng)引入了可視化理念，但多數(shù)集中在終設(shè)計(jì)成果的三維展示上，還未真正實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)。數(shù)字化移交己開始初步嘗試，工程設(shè)計(jì)階段的數(shù)字化移交己有少量應(yīng)用。
02輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)大的特點(diǎn)是改變設(shè)計(jì)工作模式降低設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場踏勘的頻度與工作強(qiáng)度，將設(shè)計(jì)人員的精力解放出來，投入到路徑方案比選與優(yōu)化工作中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)是個(gè)漫長的探索過程，需要進(jìn)行大量的模型積累和數(shù)字化軟件開發(fā)工作。輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。
(1) GIS 平臺(tái)一體化
輸電線路的特點(diǎn)決定了輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)必須以GIS 平臺(tái)為載體，因此在數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中， GIS 將起到統(tǒng)一工作平臺(tái)和全過程數(shù)據(jù)載體的作用。首先要實(shí)現(xiàn)GIS 平臺(tái)實(shí)時(shí)化，就是指利用GPS 及RS 技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，保證GIS 平臺(tái)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。在數(shù)據(jù)層面，依托GIS 平臺(tái)對地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與管理，確保各個(gè)工程建設(shè)階段GIS 平臺(tái)的連續(xù)有效。其次是實(shí)現(xiàn)GIS 平臺(tái)應(yīng)用過程化，指的是在應(yīng)用層面，覆蓋輸電線路設(shè)計(jì)的可研、初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)各階段。后是GIS 平臺(tái)應(yīng)用協(xié)同化，在路徑選擇、電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)移交等方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同應(yīng)用。
(2) 設(shè)計(jì)對象標(biāo)準(zhǔn)化
輸電線路設(shè)計(jì)元素包括導(dǎo)地線、絕緣子串及其他金具，桿塔、基礎(chǔ)及附屬設(shè)施。在開展數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)，需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)元素參數(shù)，進(jìn)行校核、計(jì)算與優(yōu)化。建立設(shè)計(jì)元素標(biāo)準(zhǔn)化模型是開展數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
電網(wǎng)企業(yè)制定的輸變電工程通用設(shè)計(jì)涵蓋各電壓等級的桿塔模塊、絕緣子串等，給出了使用條件等設(shè)計(jì)參數(shù)，還提供了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為輸電線路設(shè)計(jì)對象標(biāo)準(zhǔn)化提供了依據(jù)。
(3) 設(shè)計(jì)過程可視化
數(shù)字化設(shè)計(jì)引入了可視化技術(shù)，使人能夠在三維圖形中直接對具有形體的信息進(jìn)行操作。它打破傳統(tǒng)的二維平面圖思維的束縛，使參與者在三維環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)。
輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅能夠使設(shè)計(jì)人員體會(huì)到身臨其境的感覺，還提供在三維空間中計(jì)算、分析、校核與優(yōu)化。輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)可視化特點(diǎn)體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)成果兩方面，具體包括以下幾點(diǎn):
1 )利用可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)場景再現(xiàn)
采用可視化技術(shù)與GIS 技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化展現(xiàn)，通過與各種專題圖(地震烈度圖、污區(qū)圖、雷電強(qiáng)度分布圖等)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)線路路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)者、評審者和建設(shè)者提供三維可視化的現(xiàn)場再現(xiàn)，協(xié)助相關(guān)人員確定技術(shù)原則和方案。
2) 可視化空氣間隙校驗(yàn)
線路電氣設(shè)計(jì)通過三維可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空氣間隙的自動(dòng)校驗(yàn)。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)可以準(zhǔn)確模擬出實(shí)際情況，結(jié)合參數(shù)化模型
信息，可以快速完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的安全距離校驗(yàn)。
3) 可視化的統(tǒng)計(jì)功能
采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，依托于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成材料總表等設(shè)計(jì)文件，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)工作量，統(tǒng)計(jì)成果準(zhǔn)確、美觀。
(4) 專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同化
輸電線路設(shè)計(jì)工作涉及勘測、系統(tǒng)、變電、電氣、結(jié)構(gòu)、技經(jīng)等專業(yè)，各專業(yè)相互交叉，共同完成設(shè)計(jì)工作。引入數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)、業(yè)務(wù)流程，通過數(shù)據(jù)同步、碰撞處理、版本管理、網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布等技術(shù)，將各專業(yè)納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)一的平臺(tái)管理，各專業(yè)能夠并行完成各自設(shè)計(jì)工作，及時(shí)將專業(yè)成果和信息向外發(fā)布和傳遞，實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)、工程管理及互提資料在內(nèi)的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。
(5) 設(shè)計(jì)成果數(shù)字化
輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)終產(chǎn)生的成果，將以數(shù)字化的形式通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、組織管理，形成數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，包括工程數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、文件資料以及三維模型4 種類型數(shù)據(jù)。各種數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的模型描述，具備可查詢、可追溯的特點(diǎn)，在輸變電工程全壽命周期內(nèi)流轉(zhuǎn)，滿足電網(wǎng)企業(yè)對數(shù)據(jù)使用的需求。
03輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)功能
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)改變了設(shè)計(jì)的工作模式，解決多專業(yè)協(xié)同工作的碰撞與沖突問題，全面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的共享，是設(shè)計(jì)企業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的必然選擇。輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)功能包括以下幾方面。
( 1 )輸電線路路徑比選方面
數(shù)字化選線重點(diǎn)應(yīng)用高分辨率衛(wèi)星影像，結(jié)合規(guī)劃區(qū)、保護(hù)區(qū)、煤礦采空區(qū)等專題數(shù)據(jù)，對線路路徑進(jìn)行大范圍選擇、方案優(yōu)化等工作，具體提供路徑選擇(包括人工選線、自動(dòng)選線)、方案比對、宏觀技術(shù)技經(jīng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等功能。終成果包括數(shù)字化模型、路徑方案圖、方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表等，滿足可研選線階段設(shè)計(jì)應(yīng)用。
(2) 電氣設(shè)計(jì)方面
數(shù)字化電氣設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合空間分析技術(shù)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法等相關(guān)技術(shù)，在選線成果基礎(chǔ)上進(jìn)行桿塔選型、排位等工作，具體提供桿塔排位(包括人工排位、優(yōu)化排位>、桿塔選型(包括人工選型、自動(dòng)選型)、電氣計(jì)算、空間距離校驗(yàn)及材料設(shè)備統(tǒng)計(jì)等功能。終成果包括數(shù)字化模型、排位后的平斷面圖、路徑圖、電氣特性圖、計(jì)算書、桿塔明細(xì)表、材料設(shè)備統(tǒng)計(jì)清冊等，滿足初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段的業(yè)務(wù)應(yīng)用。
(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面
數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中電氣、測量、水文、地質(zhì)等相關(guān)專業(yè)的提資數(shù)據(jù)，結(jié)合力學(xué)計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、連接計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，開展桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，具體提供桿塔受力分析、桿材優(yōu)化、有限元分析、大開挖基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、原狀土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、鐵塔高低腿配置、基礎(chǔ)配置等功能。終成果包括數(shù)字化模型、桿塔結(jié)構(gòu)施工圖、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工圖、設(shè)計(jì)參數(shù)等。
(4) 協(xié)同設(shè)計(jì)方面
協(xié)同設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決輸電線路設(shè)計(jì)工作中所涉及的勘測、電氣、結(jié)構(gòu)、技經(jīng)等各相關(guān)專業(yè)間的相互提資、工作沖突、成果共享等問題，具體提供工程管理、流程管理、成果發(fā)布、集成出圖、設(shè)計(jì)成果管理等功能。
04輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)的流程
四、輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)的流程
輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)流程包括地理信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、路徑規(guī)劃、線路設(shè)計(jì)、數(shù)字化成果四部分(見下圖) 。在進(jìn)行輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要針對項(xiàng)目數(shù)字化設(shè)計(jì)開展基礎(chǔ)性、規(guī)劃性工作，確定數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)原則和技術(shù)方案，選定數(shù)字化編碼系統(tǒng)，確定數(shù)字化設(shè)計(jì)中的各種規(guī)則、模板。在技術(shù)原則和技術(shù)方案框架內(nèi)，各專業(yè)根據(jù)項(xiàng)目內(nèi)容及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范要求進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、校核及成品成圖。
輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)框架圖
( 1 )地理信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
地理信息數(shù)據(jù)是輸電線路數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)和電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)。
數(shù)字正射影像是對航空(或航天>相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字影像集。
數(shù)字正射影像
數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，常與數(shù)字正射影像配合構(gòu)建地理信息三維場景(如下左圖)
數(shù)字高程模型
基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)是指按地理信息要素分類的數(shù)據(jù)，包括水系、居民區(qū)、交通和行政區(qū)、地貌植被與土質(zhì)、注記等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見上右圖 ) 。
電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)包括污穢區(qū)、氣象區(qū)、覆冰區(qū)、雷害區(qū)、規(guī)劃區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)、舞動(dòng)區(qū)、煤礦采空區(qū)、林區(qū)、建筑群、鐵路、公路、河流、線路、管線等重點(diǎn)區(qū)域、交叉跨越及標(biāo)注數(shù)據(jù)(見下圖) 。
不同設(shè)計(jì)階段需要準(zhǔn)備的地理信息數(shù)據(jù)類型基本相同，但對數(shù)據(jù)的精度要求不同，具體開展工作時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用要求進(jìn)行準(zhǔn)備。
(2) 路徑規(guī)劃
基于多元地理信息系統(tǒng)可以進(jìn)行線路路徑選擇，通過對現(xiàn)有地理信息數(shù)據(jù)、電網(wǎng)建設(shè)區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)的集成，使輸電線路設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)資料信息化、數(shù)字化，從而提高路徑選擇的質(zhì)量和效率。
(3) 線路設(shè)計(jì)
利用建立的多維信息模型，開展線路數(shù)字化設(shè)計(jì)。所有設(shè)計(jì)信息加載于多維信息模型中。
輸電線路的多維信息模型庫包含桿塔庫、絕緣子串庫、導(dǎo)地線庫、基礎(chǔ)庫等。桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子串模型建立的過程其實(shí)就是相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)的過程。依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由設(shè)計(jì)成果參數(shù)自動(dòng)形成設(shè)備的三維模型文件。
(4) 數(shù)字化成果
輸電線路工程數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)基于全壽命周期管理理念，以編碼標(biāo)準(zhǔn)體系貫穿始終，以設(shè)計(jì)為信息源頭，通過各種數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，使工程數(shù)字化信息在各工程參與方之間傳遞，在工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、建設(shè)、運(yùn)行和退役等各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)全過程管理。
