实景建模技术在电网数字孪生系统中的应用分析

王 朔，轩莹莹，张 骥，吴海亮，吴 鹏

(1. 国网河北省电力有限公司经济技术研究院，河北 石家庄 050021；
2.国网河北省电力有限公司超高压分公司，河北 石家庄， 050071)

电网数字孪生系统通过超写实建模将物理世界电网本体精准映射到数字世界虚拟电网，基于无人机、机器人和传感器等多种监测手段，汇聚设备运行监测数据和辅控信息，利用“大、云、物、移、智、链”等科学技术开展智能诊断、预测性维护，具有全景可视化、智能诊断、深度分析和高效决策等优势。其中，完成对物理本体的全息复制和高保真建模是实现虚实迭代的基础[1-3]。

目前，电网数字孪生系统的构建侧重于设备的状态感知和运行分析，随着数据采集能力和维度的不断提高，数据量急剧增大，但是其相应的深度建模展示技术却没有同步发展。数字孪生电网的展示层由电网3D模型、拓扑图等可视化功能组建而成，负责将需要展示的数据直观地展示给工作人员[4-5]。传统的三维建模方法耗时长、精度低、难以实现电网的全息复制和数据交互，使得电网数字孪生系统的应用效果大打折扣。

实景建模技术是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄后进行后期缝合来完成的一种三维虚拟展示技术[6]。通过实景建模技术在电网数字孪生系统中的研究与应用，对电网的规划、建设和运维全过程进行可视化、一体化管理，将对数字化主动电网的发展具有重要支撑和促进作用。

1.1 实景建模原理

实景建模技术以一组对静态建模主体从不同的角度拍摄的数码照片作为输入数据源，辅以传感器属性、位置参数、照片姿态参数等额外数据，经过图形算法处理后，在几分钟或数小时内，根据输入数据的大小，输出高分辨率的带有真实纹理的三角网格模型[7-8]。实景建模技术路线如图1所示。

图1 实景建模技术路线

变电站设施几何结构复杂，重复性纹理较多，如果需要得到亚厘米级别的高精度实景模型，真实反映设备形状、表面缺陷和其他细节特征等，有时需要将激光点云加入到实景建模的过程中，最终模型既有激光点云的高精度几何结构，又有高清照片中的高质量真实纹理，如图2所示。

图2 实景建模效果图

1.2 实景建模技术的发展

实景建模技术起源于倾斜摄影和无人机航拍技术。2010年，刘先林院士团队率先研发成功了第一款国产倾斜相机SWDC-5，并成功开展了长春市倾斜摄影工程项目。2012年，法国Renaud Keriven和Jean-Phillips Pons博士共同创建Smart 3D C apture可以全自动基于多角度影像生成三维实景模型。2014年前后，通过无人机依照既定航线，进行实时定位，快速获取测区影像，被广泛地应用于电力、勘察、交通、水利、应急等工程中。2019年，庙山 220 kV 变电站利用实景建模技术将变电站三维模型与实际情况密切结合，精准开展工程设计。

2.1 传统建模方法技术特征

传统电网建模方法主要有虚拟现实建模语言 (virtual reality modeling language，VRML)、几何造型建模法、地面激光雷达建模法3种，不同建模方法的建模原理、效率和精度区别较大。

VRML是一种描述3D场景中模型对象的虚拟现实建模语言，通常采用立方体、圆锥体、圆柱体、圆环体、球体等常用几何对象来构造变压器、断路器、互感器、导线、电缆等电气设备模型，然后通过模型拼接来完成整个系统三维场景建模。

几何造型建模法是依据变电站数码图片、厂家图纸和设计图纸，同样采用立方体、圆锥体等常用几何对象建立各种电气设备三维模型，包括线框模型、表面模型和实体模型，然后设置模型贴图与材质，拼接完成三维场景建模。

地面激光雷达建模法是利用地面激光雷达扫描变电站和输电线路，采用非接触主动测量方式直接获取密集的三维点云数据，然后通过探测器接收返回的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息。

2.2 实景建模方法技术特征

实景建模技术直接通过数字摄影生成真实的三维模型，基于现实条件下得到的三维表现可用于设计建模和施工建模。模型的精度不再取决于圆锥、圆柱、立方体等几何对象的组装深度，而是取决于项目的任务目标、相片质量、拍摄距离、拍摄方式。

由于模型通过数字摄影生成，生成的真实的三维模型有极其丰富的三维环境。并且能够采集尽可能多的细节，不再只关注选定特征，还能够在三维模型中进行地理定位，比如楼的高度信息和设备的空间距离等。

实景建模也可用于规划建设项目、道路状况建模以完成对道路状况的检测、地下管线建模以完成对地下管线的检测和维修，还可以用于矿山的体积测量，可以测量山体表面积、体积、长度、经纬度高程等。

目前，主要采用2种方式对实景三维模型进行检验：①运用人工点与模型特征点进行比对，核算高程、平面中误差值，以该值衡量模型精度；
②运用地形图成果与模型特征边线或角点做比对，并计算高程、平面中误差值。

2.3 实景建模技术优点

VRML建模法和几何造型建模法采用几何对象构造设备模型，易造成变电站和输电线路的模型失真，模型精度较差，不利于直观展示，并且后续高级应用有限，难以实现人机交互、虚拟运行等功能。地面激光雷达建模法虽然在模型精度、细节还原性上有了提高，但由于需要现场架设激光发射、接收设备等，现场作业难度大、耗时较长、建模效率不高。

实景建模技术速度快、成本低、精度高，能够真实反映设备细节和建筑特征，还可以对图像进行放大、缩小、移动、多角度观看等操作，实现场景中的热点链接、多场景之间虚拟漫游、雷达方位导航等功能。

综上，实景建模技术不论是在建模难易度还是与数字孪生电网数据交互均优于传统建模方法。

本文以某在建变电站为研究对象，进行实景建模实例分析，验证整个建模流程的可用性，然后推广到复杂大场景中，并利用块区组装生产大范围的自然地貌实景模型，通过增加像控点对位置对象进行约束，提高建模精度。

3.1 需求分析

针对电网模型从二维到三维的转变，提出了以下4点需求：

1) 数字孪生电网展示层设备需要直观体现电气一、二次设备的细节特征，便于管理人员了解设备的具体结构。

2) 设备布局和净距等反应实际情况，辅助工作人员进行电网设计、检修、维护工作，确定工作实施方案。

3) 建模中应进行多维信息化整合，每一个子节点有自己的位置属性、运动特性及电气特性。工作人员能通过模型对应综合浏览设备的物理实况、接线逻辑、运行状态等。

4) 结合建筑信息模型(building information modeling， BIM)和实景模型，利用虚拟现实技术(virtual reality，VR)进行虚拟现场浏览，展示全景虚拟现实场景，高精度真三维空间数据，无需亲临现场，更贴近于实际应用。

3.2 技术参数设计

本文选用具有高精度全球导航卫星系统(global navigation satellite system， GNSS)的RTK无人机飞行航拍。该无人机采用实时差分定位技术，能够保证航线的精准，作业精度可达厘米级。本次拍摄区域实际面积为5 704 m2，总共设置5条航线，总航线长度达3 125 m，航拍参数见表1所列。

表1 航拍参数设计

航拍需要人员外出参与，航拍时长每次大约为27 min，后期数据处理和模型重构均在系统内完成。对航拍数据进行质量检查，对未覆盖的区域进行手动补充拍摄，共得到符合要求的照片659张。在满足建模精度的要求下，可以适当降低照片分辨率到90%，以提高软件处理速度。照片完成机载定位定向系统(position and orientation system，POS)信息设置后提交空中三角测量，经过运算得到163 975个自动连接点。

3.3 实景建模效果

变电站施工前需要对周边环境进行观察分析，运用实景建模技术建立变电站站址模型。为了减少模型重建运算时间，以及考虑到最终生成模型文件的大小，需要对拍摄场景进行必要的裁切，保留主要部位，去除周边无用场景，提高模型生产效率。变电站站址模型如图3所示。

图3 变电站站址模型图

工程施工期间，可通过航飞拍摄施工场地，对模型进行迭代更新，实时把握工程建设进度，通过实体建模技术实现工程建设的数字孪生，如图4所示。

图4 变电站施工现场及角度测量图

电气设备安装后，通过实景建模技术建立设备三维模型，如图5所示。模型基本上实现了对设备的全息复制，能够很好展示设备端子箱、接头等零部件细节。

图5 电气模型细节展示

本次工程应用实例说明实景建模技术在很大程度上降低了传统建模作业的劳动强度和模型建设成本，更好地实现施工建设的数字孪生。

目前实景建模技术虽然在测绘、城市规划，市政等领域的应用技术比较成熟，但是在电气领域，由于电网设计专业性高、行业标准成熟等原因，实景三维技术的应用并不多。

实景建模技术作为传统测绘和建模技术的补充和替代，从数据采集、处理到成果格式都与传统测绘技术成果有着比较大的差别。推动实景建模技术与三维BIM设计结合，服务于电网改造设计、运行管理等，可以为工作人员提供规划设计、施工建设和运行维护各阶段的数字存档数据，从而实现真正的电网三维设计、三维施工、三维运行维护全生命周期的数字孪生。

未来，仍需进行实景建模技术标准化作业流程研究，包括无人机倾斜摄影数据获取技术标准研究、实景三维模型成果标准研究和地形提取技术标准研究，完善激光点云与影像融合精细化建模技术在三维数字化设计和数字孪生电网建设中的应用。

综上所述，实景建模技术在电网设备全息复制和地理环境可视化方面具有显著的优点。实景3D模型能够充实数字孪生电网的展示层，为各种传感器设备，电力基础设施等提供可放置、可展示、可量测的基础图层，有效提高数字孪生电网的建设和展示效果。

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