蘭 蕊，劉旭生

(1.忻州師范學(xué)院計算機系，山西忻州034000；2.山西忻州供電分公司，山西忻州034000)

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日趨龐大、復(fù)雜，智能輸變電系統(tǒng)的建設(shè)已成為我國電網(wǎng)建設(shè)的重要任務(wù)，由于傳統(tǒng)的輸變電設(shè)計方法落后，缺少智能的輸電線路數(shù)字化設(shè)計軟件的支持，在適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展過程中出現(xiàn)一定的局限性,減緩了電網(wǎng)建設(shè)的速度?；贕IS的輸變電設(shè)計系統(tǒng)很好地彌補了這一缺陷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路選線規(guī)劃設(shè)計，而且能夠?qū)崿F(xiàn)線路的全景仿真和三維巡視，輸變電GIS三維可視化實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一是建立電力線路要素模型庫，本文綜合電力部門輸變電規(guī)劃設(shè)計的業(yè)務(wù)需求，為每一類設(shè)備設(shè)計相應(yīng)的三維模型，建立電力線路要素模型庫。

1 模型原型

所謂模型原型,就是將輸電設(shè)備、桿塔、絕緣子、輸電線以及它們不同的組合方式作為一個個單獨的靜態(tài)模型原型，使用3DMAX可視化建模工具根據(jù)根據(jù)實際設(shè)備按比例進行建模[1]。電力線路要素模型本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有些甚至要進行組合構(gòu)造。以桿塔為例，不但每個桿塔的高度、塔頭有差別，而且其包含的絕緣子也會根據(jù)桿塔的類型、方位、旋轉(zhuǎn)角度甚至與其它桿塔的關(guān)聯(lián)性而有不同的表現(xiàn)方式，本文根據(jù)電力部門的業(yè)務(wù)需求，基于各種電壓等級的輸電線桿、線塔、變電站等電力設(shè)施的全景照片和局部紋理，在系統(tǒng)中主要創(chuàng)建了以下模型原型：

1)35KV垂直絕緣子[776-03,772-01,779-00]；

2)35KV水平絕緣 [7719-01,7718-01,7713-01];

3)110KV垂直絕緣子[1B-ZM1(24M),1B-ZM2(30M),1B-ZM3(36)];

4)110KV垂直絕緣子[1H-SZ1(24M),1H-SZ3(24M),2F-2M3(36)];

5)110KV水平絕緣子 [1B-J1(24),1B-J2(24),1B-J3(24),1B-J4(24)];

6)110垂直絕緣子 [1H-SJ1(24),1H-SJ2(24),1H-SJ3(24),1H-SJ4(24)];

7)220KV單回路[2C-J2,2C-JC4,2C-ZB3,ZCZM2,ZC-ZMC2];

8)220KV雙回路 [2F-SJ1,2F-SJC1,2F-SZ1,2F-SZC1,2F-SDJ]。

2 建模工具

模型的建立使用3DMAX進行原型創(chuàng)建，在實際運行過程中使用OSG做為底層的渲染基礎(chǔ)框架，根據(jù)場景動態(tài)的加載或卸載每個模型實列。

1)Open Scene Graph(OSG)是一款高性能的3D圖形開發(fā)庫。 廣泛應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、高端技術(shù)研發(fā)以及建模等領(lǐng)域[2]。使用標(biāo)準(zhǔn)的C++和OpenGL編寫而成，可以運行在 Windows系列、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、AIX以及FreeBSD操作系統(tǒng)，以插件的架構(gòu)為擴展體系，支持大量的模型格式加載，渲染。

2)3DMAX是Autodesk公司出品的最流行的三維動畫制作軟件，它提供了強大的基于Windows平臺的實時三維建模、渲染和動畫設(shè)計等功能，被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、多媒體制作及工程可視化等領(lǐng)域[3]。

3 建模流程

考慮到模型在場景中的變化主要是位置變化，因此本文中結(jié)合面向?qū)ο蟮乃枷?，提出了動態(tài)模型實列的概念。

所謂動態(tài)模型實列，就是根據(jù)在二維GIS系統(tǒng)中標(biāo)出的每個模型的方位信息、類型信息，根據(jù)這些信息結(jié)合模型原型庫為每個靜態(tài)模型原型創(chuàng)建動態(tài)實例，這里充分的利用了面向?qū)ο蟮乃枷?，動態(tài)模型實列使用OSG做為底層的渲染基礎(chǔ)框架，根據(jù)場景動態(tài)的加載或卸載每個模型實列[4]。

由于每條輸電線路可能綿延幾十甚至幾百Km，如果整條輸電線路使用三維模型顯示，涉及到的場景過大，需要大量的運算及內(nèi)存，目前的計算機技術(shù)無法實現(xiàn)，由此本文中提出了使用分頁加載渲染的方法。

1)分頁加載原理。根據(jù)輸電線路在二維GIS系統(tǒng)中的方位信息，把每條輸電線路拆分為很多小的塊，比如按5 Km拆分為1段 (可以根據(jù)實際情況修改)，這些分段信息是動態(tài)拆分的，是根據(jù)屏幕的顯示進行的，以屏幕中心為原點(在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo))，兩邊各截取2.5Km，根據(jù)計算出來的點信息，從數(shù)據(jù)庫中選取線路信息。由此每次只需要渲染部分的線路信息，保證了系統(tǒng)性能。

2)分頁加載實現(xiàn)。為保證系統(tǒng)能夠流暢的進行顯示，以及系統(tǒng)資源的穩(wěn)定，使用了多線程、緩存和預(yù)加載技術(shù)，系統(tǒng)運行中使用一個獨立的線程根據(jù)當(dāng)前的方位信息，預(yù)先加載下一次可能需要加載的塊，把加載的塊信息緩存起來，系統(tǒng)渲染的時候先從緩存中讀取信息，如果緩存沒有則需要實時加載[5]。緩存中可能會存放很多的塊信息，造成了內(nèi)存的負(fù)擔(dān)，為了保證內(nèi)存不被浪費，使用了LRU算法 (最近最久未使用算法)，使用一個獨立的線程檢測緩存，把最近最久未使用的內(nèi)存塊釋放掉。

具體的建模流程如下：

(1)使用二維GIS系統(tǒng)中規(guī)劃線路，標(biāo)出線路上每個設(shè)備的方位信息(設(shè)備在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo))、類型信息，存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

(2)使用OSG將每個動態(tài)模型實列根據(jù)模型的方位信息、類型信息，在三維模型中動態(tài)渲染，從而生成最終的三維模型。最終建立的部分模型如圖1、圖2所示。輸變電GIS系統(tǒng)中桿塔模型選擇如圖3所示。

圖1 35KV垂直絕緣子(772-01)

圖2 220KV雙回路(2F-SDJ)

GIS系統(tǒng)在每次渲染一條線路的時候，都需要根據(jù)當(dāng)前的方位信息，從數(shù)據(jù)庫中讀取設(shè)備信息，然后利用讀取的設(shè)備信息生成三維模型，再由渲染引擎把模型顯示出來。由于三維模型只需要在第一次的時候進行生成，存入文件數(shù)據(jù)庫，以后直接使用就可以了，因此系統(tǒng)在運行過程中首先判斷當(dāng)前的模型是否生成。如果生成直接從文件數(shù)據(jù)庫中加載，需要根據(jù)方位信息以及線路是否發(fā)生改變來判斷。這樣每次在渲染三維模型的時候，就省去了動態(tài)創(chuàng)建模型的步驟，大大提高了系統(tǒng)的性能。

圖3 桿塔模型選擇窗口

4 數(shù)據(jù)存儲

1)每個模型文件使用OSG標(biāo)準(zhǔn)的模型格式(ive)，IVE格式是OSG自己定義的一種二進制場景格式，優(yōu)點是可以保存幾乎所有的OSG場景信息(模型、紋理、狀態(tài)、動畫、著色器代碼等)，并且采用二進制格式，體積小于與之功用相同的。OSG文件；而且OSG支持當(dāng)前多種模型文件轉(zhuǎn)換為IVE模型格式。

2)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫記錄存放模型的方位信息以及每個模型的類型，高度，模型等基本信息。

3)使用文件數(shù)據(jù)庫存儲所有的靜態(tài)模型文件。

4)模型文件可以使用文件數(shù)據(jù)庫或者文件系統(tǒng)存放。如果使用文件數(shù)據(jù)庫，則使用數(shù)據(jù)庫提供的插入方法把模型文件加入到數(shù)據(jù)庫中，如果使用本地的文件系統(tǒng)，只需要把模型文件拷貝到系統(tǒng)指定的目錄中。

5 結(jié)論

電力線路要素三維模型庫的建立是輸變電設(shè)計數(shù)字化中不可缺少的一部分，本文給出的模型庫的建立方法，在實際中已經(jīng)取得應(yīng)用，GIS系統(tǒng)能夠直接從模型庫中調(diào)用線路桿塔模型，實現(xiàn)了輸電線路的三維全景仿真，對于輸電線路規(guī)劃設(shè)計起到了良好的作用，減輕了設(shè)計人員的負(fù)擔(dān)。

[1]肖鵬，劉更代，徐明亮.Open Scene Graph三維渲染引擎編程指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：2-16，54-75.

[2]劉正旭.3dmax8 vary家居渲染實例詳解[M].北京：中國青年出版社，2009：2-15，62-78.

[3]朱慶.三維動態(tài)交互式可視化模型[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，1998，23(2)：124-127.

[4]Gottschalk S.Collision Queries sing Orienteed Bounding Boxes[D].Department of Computer Science,University of North Carolina,2000.

[5]Monteiro C.Ramirez-Rosado I J.GIS spatial analysis applied to electric line routing optimization.Power Delivery[J].IEEE Transactions on,2005，20:934-942.