輸電線路鐵塔三維數(shù)字化建模方法研究

輸電線路鐵塔三維數(shù)字化建模方法研究摘要：近年來，建筑信息模型化技術(shù)在建筑、水力、化工、石油等行業(yè)進入應(yīng)用階段，但在輸電線路行業(yè)尚處于探索階段。即使將BIM技術(shù)應(yīng)用于實際工程，也僅作為輔助施工和加工的一種手段。輸電線路工程正在大力推進三維數(shù)字化和智能電網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施全壽命周期的管理。但目前針對鐵塔的三維數(shù)字化建模方法暫無系統(tǒng)性研究。對鐵塔三維數(shù)字化模型進行定義，分析模型細節(jié)層次，總結(jié)和分析目前主要的建模方法及優(yōu)缺點，提出了一種從鐵塔計算模型直接生成三維實體模型的建模方法，從而構(gòu)建滿足全壽命周期管理的鐵塔模型。梳理現(xiàn)有鐵塔三維數(shù)字化建模通用軟件的優(yōu)缺點，采用TeklaStructures軟件，建立一種特高壓工程鐵塔三維模型。關(guān)鍵詞：鐵塔；三維數(shù)字化模型；建模方法引言為建設(shè)智能電網(wǎng)，輸電線路行業(yè)正大力推進三維數(shù)字化設(shè)計，力求建立全線路完整的三維數(shù)字化模型，滿足工程全壽命周期管理的需要。輸電線路模型主要包括鐵塔、基礎(chǔ)、金具、絕緣子串、導地線等設(shè)備設(shè)施等，其三維數(shù)字化模型中包含了豐富的數(shù)據(jù)信息，既可表達外形等幾何信息，又包含設(shè)備的屬性信息以及與關(guān)聯(lián)設(shè)備間的邏輯關(guān)聯(lián)信息?；A(chǔ)、金具、絕緣子串和導地線因其部件少，形狀特征可歸納提取，早已實現(xiàn)參數(shù)化建模。而輸電鐵塔因其具有塔型多樣、結(jié)構(gòu)布置形式種類多、零件數(shù)量巨大，多接身多接腿組合、掛點和塔腳局部構(gòu)造復雜等特點，已成為輸電線路三維數(shù)字化模型的關(guān)鍵。1架空輸電線路三維數(shù)字化協(xié)同開發(fā)平臺總體設(shè)計首先是結(jié)構(gòu)框架。高壓架空輸電線路三維數(shù)字協(xié)同開發(fā)平臺提供以下幾方面功能：全生命周期線路項目規(guī)劃、平臺協(xié)同設(shè)計、統(tǒng)計、分析、方案改良；覆蓋工程的招投標、初步設(shè)計、可行性研究、選線規(guī)劃、設(shè)計施工圖階段；完成估算經(jīng)濟指標、查詢統(tǒng)計成果、優(yōu)化路徑選擇、數(shù)字化成果移交、地理資料數(shù)字化采集，較大提高咨詢和設(shè)計服務(wù)水平。其次是設(shè)計方法輸電線路三維數(shù)字化協(xié)同開發(fā)平臺以高精度影像和地理數(shù)據(jù)為基準，大型數(shù)據(jù)庫為中心，依托精細化三維建模平臺，采用數(shù)據(jù)可視化建模技術(shù)，結(jié)合工程信息，進而以三維數(shù)字化形式并結(jié)合協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)平臺理念，將架空輸電線路的地形地貌及施工數(shù)據(jù)信息整合；構(gòu)建逼真三維環(huán)境現(xiàn)場。一是科學計算可視化基本模型建模設(shè)計開發(fā)工作者的數(shù)據(jù)可視分析辦法由科學計算可視化建模來創(chuàng)建。一般地，建立物理模型是研究物理現(xiàn)象的前提，之后在將物理模型變?yōu)閿?shù)學模型，然后生成計算模型，以便計算機計算生成可視圖形信息；之后將可視圖形信息提交由研發(fā)人員做分析，進而概括物理世界的內(nèi)在規(guī)則?？梢暬瘮?shù)據(jù)建模輸入有2種：一種是模擬階段的數(shù)據(jù)，另一種是分析階段的可視化過程命令?？梢暬^程輸出圖形信息，以供研究?？梢暬^程建模也可分：以下四步。1）生成應(yīng)用數(shù)據(jù)模塊的是“數(shù)據(jù)預處理”，2）數(shù)據(jù)幾何是由數(shù)據(jù)模塊“映射”而來；3）幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變圖像數(shù)據(jù)是由“繪制”功能實現(xiàn)。4）“顯示”不僅完成顯示功能，還要接受研發(fā)人員的反饋，全部建模流程。二是軟件開發(fā)技術(shù)。首先是面向?qū)ο蠹夹g(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)無可厚非的成為軟件開發(fā)領(lǐng)域的一種常用技術(shù)，它可以使軟件和現(xiàn)實世界直接對應(yīng)，使現(xiàn)實世界在軟件系統(tǒng)中得以模擬，而這個過程是軟件系統(tǒng)中的解空間的一個對應(yīng)過程。它努力實現(xiàn)一個高效解決問題的目標；它是一種方法學，類似于人類認識事物的過程，既吸收現(xiàn)有關(guān)于事物的知識和經(jīng)驗，又反復且逐步深入認識研究事物。每個物體實例（對象）均具備其特有的狀態(tài)和運行規(guī)律；經(jīng)過分析之后，多數(shù)物體實例（對象）皆可以找到一個實例類別，那么物體實例（對象）便成為其一個對象實例；經(jīng)過計算機處理之后，實例類別轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖到y(tǒng)中的操作數(shù)據(jù)。實例類別經(jīng)過操作，也就是軟件系統(tǒng)中的“方法”來實現(xiàn)類的功能，所以“方法”是類實現(xiàn)功能的方法，類還通過數(shù)據(jù)顯示其結(jié)構(gòu)特征，這個數(shù)據(jù)也被稱為類的屬性。通過消息來實現(xiàn)類對象之間的交互。不同對象之間的交互構(gòu)成了各種系統(tǒng)，從而構(gòu)成現(xiàn)實世界；在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中，不言而喻對象是其核心；在將現(xiàn)實世界對應(yīng)到軟件系統(tǒng)的過程中，對象是基本的研究單位，經(jīng)過針對對象的研究、分析。其次是數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為軟件科學中的一項重要技術(shù)，輔助數(shù)據(jù)管理方法，是現(xiàn)代信息科學的必要組成部分，它研究和管理的對象是數(shù)據(jù)，涉及主要內(nèi)容包括：經(jīng)過對數(shù)據(jù)的管理和組織，建立數(shù)據(jù)倉庫；實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行理解、分析、處理、刪除、修改、添加、打印和報表等多種功能的數(shù)據(jù)挖掘使用系統(tǒng)；實現(xiàn)對數(shù)據(jù)分析、理解和共享，實現(xiàn)高效檢索、保障數(shù)據(jù)安全，并減少數(shù)據(jù)冗余。2計算模型生成實體模型建模方法的應(yīng)用2.1創(chuàng)建節(jié)點板TeklaStructures本身具有強大的節(jié)點模板庫，其中含有600多種節(jié)點型式以及參數(shù)化節(jié)點設(shè)計模塊。但由于主要面向建筑和民用鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，對于輸電鐵塔并不完全適用，目前輸電鐵塔建模大部分采用人工逐個節(jié)點建?；蛘叨伍_發(fā)相應(yīng)的功能。節(jié)點板人工建模需要先繪制外形，然后定義材質(zhì)和尺寸信息。2.2創(chuàng)建掛點。鐵塔掛點是模型最復雜的部分，通常在桿件和節(jié)點板建成后再進行掛點建模。首先對掛線角鋼、掛線板、肋板進行建模并計算其裝配位置信息，然后將構(gòu)件放置到相應(yīng)的位置。由于目前TeklaStructures不支持角鋼開合角，因此對于開合角較大的角鋼只能單獨定義截面類型再裝配。2.3復雜構(gòu)件誤差檢測首先將鐵塔構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)進行適當?shù)念A處理,再將處理后的點云與標準模型同時輸入到軟件中,以GeomagicQualify中的BestFitAlignment命令將構(gòu)件點云與標準模型進行對齊，通過3DCompare命令后生成的誤差檢測報告，誤差報告中給出了測量點的公差和偏差范圍，正向最大偏差為12.51mm,平均偏差2.00mm;負向最大偏差為-30.15mm,平均偏差-3.48mm;標準差為3.93mm。82%的點誤差在公差范圍內(nèi),進一步分析超出公差范圍的部分,突破了傳統(tǒng)的三視圖信息描述一個物體,實現(xiàn)了在檢測途中全方位多角度的觀察物體各方面的誤差情況,各種顏色所代表的誤差值在圖中直觀的顯示出來。通過以上的實例分析可知運用GeomagicQualify三維檢測的方法能夠直觀的顯示出誤差的分布和誤差大小,檢測報告也很詳細,對于物體表面的檢測很有效果,但是對物體表面的孔洞檢測效果不理想,具體表現(xiàn)為從檢測結(jié)果七視圖中無法判斷這些孔洞的誤差情況如何,它只顯示有點云覆蓋的表面誤差,因此,需要進一步對本文中的螺栓孔空間位置進行檢測。結(jié)語總之，基于對鐵塔三維數(shù)字化模型的研究，提出了一種從計算模型直接生成實體模型的建模方法。建模過程中利用實體模型與計算模型進行數(shù)據(jù)對比，隨時對節(jié)點構(gòu)造進行調(diào)整，使鐵塔模型具備了構(gòu)造屬性。遠期還可基于通用軟件進行二次開發(fā)，使程序根據(jù)桿塔單線模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實際角鋼朝向、節(jié)點板、掛線板、塔腳板、法蘭、支座等部件設(shè)