江 岳，李小亭，周文武，譚浩文，薛永鋒

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著計算機技術的發(fā)展，從20世紀80年代起，在制造業(yè)尤其是航空航天領域較早地開始利用數(shù)字化技術進行虛擬制造。1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授創(chuàng)建了BIM理念 ，此后的數(shù)十年，建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術在逐步發(fā)展中形成了集設計、施工、管理于一體，貫穿全壽命周期應用的先進理念。在交通、電力、市政等基礎設施行業(yè)中，也已經(jīng)普遍嘗試采用三維數(shù)字化設計技術，如公路、鐵路通過應用地理信息系統(tǒng)和空間實景模擬進行選線，水電、火電、核電用于設備、管線綜合布置，尤其是在綜合管廊中對于不同行業(yè)的管線精細模擬、協(xié)同布置、綜合管理的應用，三維數(shù)字化設計的優(yōu)勢非常明顯。

國務院2015年頒布的《中國制造2025》提出，數(shù)字化研發(fā)設計工具普及率要從2013年的52%提高到2025年的84%。

黨的十九大報告提出：“數(shù)字中國、智慧社會”，其實現(xiàn)的前提是工程數(shù)字化。國務院辦公廳、各省建委已陸續(xù)發(fā)文推行BIM工程，工程數(shù)字化已是大勢所趨，而三維數(shù)字化設計則是工程數(shù)字化的源頭。隨著工業(yè)4.0時代的到來，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D打印等新理念、新技術的發(fā)展，三維數(shù)字化必將促進行業(yè)生產方式發(fā)生變革。電網(wǎng)工程設計專業(yè)多、技術復雜、協(xié)調工作量大，三維數(shù)字化設計的應用具有顯著意義。

2018年開始，國網(wǎng)范圍內的35 kV以上輸變電工程開始全面應用三維設計，完成三維移交。

1 送電線路數(shù)字化設計技術發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化技術伴隨著信息化技術的發(fā)展而發(fā)展，在送電線路領域，國內、外的發(fā)展路徑從國內開始發(fā)展三維設計開始有了明顯不同。

1.1 國外現(xiàn)狀

目前國際上通用的輸電線路輔助設計軟件有PLS-CADD(Power Line Systems-Computer Aided Designand Drafting)軟件系統(tǒng)，它是國際上一款比較成熟、且很流行的高壓輸電線路勘測設計軟件。PLS-CADD軟件系統(tǒng)可以進行二維、三維設計，但不具備協(xié)同工作、三維展示、模型信息存儲、數(shù)據(jù)移交等功能，與國內的要求存在一定差距。而PLS-Tower等國際通用的桿塔計算軟件均側重于桿塔應力計算，無法生成桿塔產品模型及裝配模型。

由于發(fā)展的思路不同，國外暫時也沒有可供國內參考的送電線路數(shù)字化設計相關標準。

1.2 國內現(xiàn)狀

1)標準制定

2017年，國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國網(wǎng)公司”)按照“標準先行、科研支撐、試點建設、加快推進”的總體原則，開展輸變電工程數(shù)字化設計工作。依托試點工程，從軟件規(guī)則、建模規(guī)則、設計規(guī)則和移交規(guī)則四方面出發(fā)，編制了一系列技術標準。

中國南方電網(wǎng)有限責任公司(以下簡稱”南網(wǎng)公司”)結合工程應用情況，于2020年4月發(fā)布了《35 kV及以上輸變電工程數(shù)字化移交標準》等9項三維設計試行標準，主要包含成果移交、數(shù)據(jù)模型標準、建模標準及數(shù)據(jù)管理標準等方面。

2018年，能源行業(yè)電網(wǎng)設計標準化技術委員會組織國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司、電力規(guī)劃設計總院有限公司等單位編制了輸變電工程三維設計相關電力行業(yè)標準。

中國電力企業(yè)聯(lián)合會于2019年成立了輸變電工程三維設計標準化技術委員會，并從基礎通用標準、技術標準、支撐標準三個維度梳理了輸變電工程三維設計標準體系，并組織協(xié)會相關單位分批次開展標準編制，其中部分標準已完成。

2)設計單位數(shù)字化設計推進情況

隨著計算機技術的發(fā)展，送電線路計算機輔助設計軟件在近二十年也得到了長足的發(fā)展，在此過程中，各設計單位依托自身力量開發(fā)了眾多專業(yè)設計軟件，實現(xiàn)了設計手段從手工計算、繪圖向電子化的轉變，在此過程中一些軟件公司開發(fā)出通用版本的桿塔排位、跳線計算、鐵塔計算等軟件，也在送電設計行業(yè)得到了廣泛應用。

2018年左右，受國網(wǎng)公司三維設計試點等因素催化，國內部分設計單位紛紛與軟件公司合作，推出自己的三維設計平臺，在此基礎上部分軟件公司推出了自身的通用版本三維設計平臺。也有軟件公司基于自身積累，為其他設計單位提供定制版本的開發(fā)服務。

目前，各設計單位基于購買或合作開發(fā)的平臺能基本完成送電線路基本的三維數(shù)字化設計及移交，但三維數(shù)字化平臺在日常工程的應用仍存在諸多問題，尚不能為設計單位設計效率提升提供助力。

2 送電數(shù)字化設計存在的問題

電網(wǎng)數(shù)字化必須基于特定的數(shù)字化平臺來開展，對于設計單位而言，三維數(shù)字化設計必須依賴于實際的數(shù)字化設計工具來實現(xiàn)，當前數(shù)字化工作存在的問題很大程度上也是數(shù)字化設計平臺面臨的問題。

1)標準不完善

2018年國網(wǎng)公司發(fā)布了13項三維設計相關標準，中國電力企業(yè)聯(lián)合會則規(guī)劃了34項三維設計相關標準，但對實際工程要素的規(guī)范和定義不能完全涵蓋實際工程的全部，導致工程設計時常常需要設計單位自主定義部分標準之外的元件或信息。

輸變電工程的數(shù)字化是以設計為主線，貫穿電網(wǎng)設施全壽命周期的項目管理和協(xié)作的一種變革，數(shù)字化設計向數(shù)字化施工及運維延伸時，也需要相關標準的支撐，這部分標準目前也尚待制定和完善。

2)邊界不清晰

計算機技術的發(fā)展，帶來了手工繪圖向電腦繪圖的轉變，但手工繪圖向電腦繪圖也僅僅是繪圖工具的升級和轉變。傳統(tǒng)設計方式向三維設計過渡則意味著設計模式、協(xié)同方式、成果型式的整體升級和改變，轉變過程中如何做到傳統(tǒng)設計方式與三維設計方式優(yōu)勢互補，三維設計成果與傳統(tǒng)設計成果配合使用，如何做到數(shù)據(jù)顆粒度與運行效率之間的平衡，仍需要長時間的探索和磨合。

3)平臺不成熟

成熟的三維設計平臺是實現(xiàn)三維設計的基礎。當前的三維設計平臺在三維移交方面漸趨成熟，但在正向協(xié)同設計方面仍然存在諸多不足。此外，電網(wǎng)數(shù)字化的目標是在三維設計的基礎上，將數(shù)字化設計成果向數(shù)字化施工和數(shù)字化運維延伸，這些目標的實現(xiàn)也要依托數(shù)字化平臺的不斷完善，目前此類平臺的完善度尚不能令人滿意。

3 對送電數(shù)字化設計平臺架構的改進建議

3.1 送電數(shù)字化設計特征分析

線路三維數(shù)字化平臺要真正成為線路設計人員的生產力工具，必須結合線路設計的特點和三維數(shù)字化設計的優(yōu)勢進行架構。

線路設計的主要內容有路徑選擇、導(地)線選型、絕緣配合及防雷接地設計、金具串組裝、架線弧垂計算、桿塔規(guī)劃、鐵塔設計、基礎設計、各類使用條件校核等內容。線路設計的內容里有的適合在三維場景下開展，有的則不適合。

適合三維設計的場景：線路選線、絕緣子串組裝、鐵塔設計、基礎設計、間隙及對地距離校驗等。

不適合三維設計的場景：導(地)線選型、絕緣配合及防雷接地設計、桿塔明細表設計、各類使用條件校核、導線力學計算及架線弧垂計算等。

和傳統(tǒng)設計軟件相比，三維數(shù)字化平臺應是一個信息整合平臺，即平臺應能盡量整合線路設計過程中的數(shù)據(jù)，為各個軟件或模塊提供可供輸入的數(shù)據(jù)，從而將線路設計流程中的各個軟件模塊數(shù)據(jù)匯成整條數(shù)據(jù)流供各個模塊使用和共享。在線路設計中，數(shù)據(jù)的流向如圖1所示。圖中圓的大小代表模塊與其他模塊數(shù)據(jù)交互的多少，深藍色表示本模塊適合在三維場景下進行，橙色代表本模塊適合在二位場景下進行設計，淺藍色則居于其中，表示適合二三維協(xié)同設計。

圖1 線路設計各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)聯(lián)系

由圖1可知，線路設計時，某些場景是適合在三維場景下開展的，但也有部分工作不適合，必須意識到，不管三維和二維都只是數(shù)字化設計的工作界面，不是核心，也不是目的，因此線路平臺規(guī)劃時不應刻意追求在三維場景開展設計工作，而應根據(jù)工作特點，選擇適合的工作界面來開展。

在線路設計過程中，桿塔排位、鐵塔設計、明細表設計是與其他設計內容數(shù)據(jù)聯(lián)系最多的三項內容，而明細表與其他設計模塊的數(shù)據(jù)交集最多，集中體現(xiàn)了構成線路的大多數(shù)要素。

在線路三維數(shù)字化設計過程中，由于首先需要構筑一個三維數(shù)字化的線路，才能借助三維場景來進行某些場景的校核，例如塔串配合校驗、交叉跨越距離校驗，而只有構建的三維數(shù)字化場景的數(shù)據(jù)顆粒度足夠高，才能借助數(shù)字化的手段實現(xiàn)對通道內房屋砍伐量、林木砍伐量的準確統(tǒng)計。

總結線路工程及線路設計的特征，可以得到以下幾點結論：

1)線路工程是典型的線性工程，線路需要緊密結合沿線地形進行設計。因此設計過程必須緊密結合DEM及DOM數(shù)據(jù)，依托數(shù)字地球系統(tǒng)，外部環(huán)境帶來的數(shù)據(jù)量較大。

2)線路設計過程有很多場景更適合用傳統(tǒng)方式進行操作，例如桿塔規(guī)劃、導(地)線選型、導線力學計算、絕緣配合及防雷接地、明細表等，桿塔排位過程中，雖然三維同步排位會更方便查看塔位的可行性，但檢查斷面的過程仍然更適合二維操作。

3)線路工程中某些模塊適合用三維元件進行拼裝來設計，例如絕緣子串組裝過程，但仍有很多場景不適合這種拼裝，例如桿塔上配置絕緣子串的過程更適合通過荷載計算結果自動配置，導線在桿塔間架設的過程更適合用力學計算結果自動完成，間隔棒、防振錘的配置過程也更適合基于一定的規(guī)則來自動生成。

4)線路設計受外部影響很大，即使本體設計也常常涉及改接、T接、線路之間的換接等各種非典型連接，線路設計平臺要想包容各類連接形態(tài)，平臺設計時就必須要對設計人員保持相當?shù)淖灾餍院烷_放性，否則很難在規(guī)劃之初包含各種線路形態(tài)。

5)線路設計平臺并不是功能單一的專業(yè)設計工具，它需要體現(xiàn)線路設計的數(shù)據(jù)流向、專業(yè)之間的分工及配合、設計單位本身的習慣、與已有專業(yè)軟件的融合等，平臺設計需要本單位人員親自參與，否則很難構建出真正的能完成工程設計的數(shù)字化設計平臺。

3.2 送電數(shù)字化平臺改進建議

1)以地理信息系統(tǒng)為核心，構建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，集成電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)，電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)，歷史工程數(shù)據(jù)，敏感點數(shù)據(jù)等形成選線平臺。

2)以排位軟件和明細表軟件為整個平臺的數(shù)據(jù)流主線，排位軟件和三維平臺共享鐵塔及金具串等基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二三維的協(xié)同選線。以明細表數(shù)據(jù)為驅動建立線路的整體三維模型。

3)以排位軟件為數(shù)據(jù)源頭，跳線計算軟件、OPGW設計模塊等通過數(shù)據(jù)接口接收排位軟件數(shù)據(jù)，并開展相關的電氣設計。

4)桿塔設計軟件和基礎設計軟件的結果通過數(shù)據(jù)接口與三維平臺交換數(shù)據(jù)，并通過三維平臺將鐵塔、基礎數(shù)據(jù)共享至其他軟件模塊。

5)線路整體三維模型建立后，在三維平臺開展相應的三維間隙檢查、碰撞校驗等。

6)各軟件模塊通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)系，可獨立升級。

整個系統(tǒng)功能架構簡圖如圖2所示。平臺中專業(yè)軟件和三維平臺通過數(shù)據(jù)接口連接，通過各個模塊之間松耦合降低整個系統(tǒng)的復雜度，各模塊可使用設計單位已有的成熟專業(yè)軟件，方便驗證，同時模塊的升級可獨立完成，方便整個系統(tǒng)的持續(xù)升級。

圖2 送電線路數(shù)字化平臺功能架構

4 送電數(shù)字化技術發(fā)展展望

4.1 設計手段的集成與提升

設計工作產生的成果是設計圖紙，設計過程的中間品是各類計算數(shù)據(jù)或計算書，設計過程實際上是一個信息加工和整合的過程，不產生任何實體產品，天然適合以數(shù)字化的方式來實現(xiàn)。

三維數(shù)字化設計是在電腦計算、繪圖的基礎上，通過把設計過程和設計工具通過數(shù)字化手段進行整合，從而用更徹底的數(shù)字化手段來部分取代人工，用更深入的數(shù)字化手段來驅動數(shù)據(jù)、生產信息，從根本上提高設計效率，減少設計差錯。

因此理想的三維數(shù)字化設計必然實現(xiàn)工程設計與數(shù)字化的全面結合統(tǒng)一，效率優(yōu)勢得到體現(xiàn)，應用范圍覆蓋至全部電網(wǎng)工程項目，并開始延伸至項目全壽命周期管理中。理想的三維數(shù)據(jù)模型應該能夠作為一個工程項目唯一的數(shù)據(jù)源、最終形成“一個工程，一個平臺，一套數(shù)據(jù)，全壽命周期”[1]。

4.2 人工智能技術應用

隨著人工智能技術的持續(xù)進步及使用成本的不斷降低，送電線路設計也可在適當?shù)沫h(huán)節(jié)利用相關技術。例如在選線及排位階段，利用大數(shù)據(jù)及人工智能技術，實現(xiàn)選線及排位的智能操作。利用激光點云技術及傾斜攝影技術對架空送電線路通道進行精確掃描，利用人工智能技術實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的自動分層及識別，對傾斜攝影生成的圖像信息進行自動識別，對通道障礙物進行快速的單體化建模，從而為送電線路通道設計提供依據(jù)。

4.3 全數(shù)字化的施工與運維

數(shù)字化設計可以實現(xiàn)數(shù)字化交付，從而施工、運維也可以基于設計交付的數(shù)字化成果實現(xiàn)施工、運維過程的數(shù)字化[2]。

數(shù)字化設計成果向施工、運維延伸需要數(shù)字化標準的同步延伸，需要施工單位和運行單位的數(shù)字化平臺的成熟和完善。

傳統(tǒng)的建設過程中，施工單位主要依據(jù)施工圖進行施工，監(jiān)理和監(jiān)管單位則結合施工圖建立自己的數(shù)據(jù)系統(tǒng)開展工程建管，整個工作界面是依賴人工完成的，而在數(shù)字化施工、建管階段，設計成果成為數(shù)字化施工、建管過程的數(shù)據(jù)源頭，建管、監(jiān)理、施工可利用同一套數(shù)據(jù)資源衍生自身的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并且可在相互之間進行數(shù)據(jù)交換，在此基礎上設計與建管、監(jiān)理、施工、運維之間構成如圖3所示的數(shù)據(jù)關系，從而實現(xiàn)設計、建設、運維全過程的數(shù)字化。

圖3 設計與建管、監(jiān)理、施工運維的數(shù)據(jù)交換

目前，運行單位在運維階段可借助的工程相關數(shù)據(jù)為工程竣工圖。數(shù)字化運維階段，運行單位接收的工程數(shù)據(jù)將是工程數(shù)據(jù)模型，由于模型附帶豐富的屬性信息，運維人員可方便查看大至整個工程，小至單個元件的具體信息，包括技術參數(shù)、生產廠家、技術批次等信息，為運維階段查詢相關數(shù)據(jù)提供便利，運維單位甚至可以借助竣工工程模型開展運維模擬施工，改善技術方案，輔助管理施工工序，從而使數(shù)字化設計成果在運維階段得到充分運用。

5 結語

本文從國際、國內兩方面論述了送電線路數(shù)字化設計技術發(fā)展現(xiàn)狀，論述內容主要包含標準制定，數(shù)字化設計軟件的發(fā)展及應用情況。在此基礎上從標準、工作邊界、設計平臺方面分析了當前國內數(shù)字化工作中存在的問題。論文總結分析了送電線路設計的特點，梳理了各設計內容之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，給出了送電線路數(shù)字化設計平臺的改進建議。文章最后展望了送電線路數(shù)字化技術發(fā)展的未來，包括設計手段的集成與提升，數(shù)字化成果在施工、運維的延伸應用以及人工智能技術在送電線路數(shù)字化中可能的應用。