三维仿真技术在智慧线路综合监控系统中的应用研究

　　引言

　　为适应国家和国网公司关于开展数字化转型建设的工作部署，充分应用“大云物移智链”等现代智能传感技术、通信技术、人工智能等技术，抓住 “智能化升级”和“数字化转型”的建设契机，开展对物联网技术与输变电设备运维管理工作的整合研究，达到泛在电力物联网的战略建设目标。其中，输电三维全景仿真技术的研究和应用是输电全景智慧监控平台建设的重要组成，可广泛应用在线路状态实时感知与智能诊断、自然灾害全景感知与预警决策、空天地多维融合与协同自主巡检、线路检修智能辅助与动态防护等典型场景应用中。

　　本文通过研究并应用点云逆向建模、设备模型挂载、空间数据存储优化、点云数据处理算法、点云数据加载策略、数据压缩传输与缓存、点云效果增强、点云与倾斜摄影融合、三维空间数据融合展示等新技术，实现输电线路的三维可视化，并以此为基础实现三维仿真技术与输电在线监控技术的业务融合应用。

　　三维仿真技术的应用现状

　　经过研究对比，国内外在信息化平台中采用的主要三维仿真技术如下：

　　地理信息系统-GIS：是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。目前国内外与三维相关的系统大多集中在三维可视化方面。

　　建筑信息模型-BIM：以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计，核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。但 BIM 工程是一个系统工程，需要多方参与协同，存在建模投入大、人才专业性强、建设成本高等问题。

　　倾斜摄影：该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型，该技术在欧美等发达国家已经广泛应用。

　　虚拟现实-VR：是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，具有沉浸体验、人机交互、多感知、构想性等特点。但也存在成本高、空间及连接线要求高、存储及显示技术局限性大、数据网络传输性能等制约大规模普及的现实问题。

　　数字孪生：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。由于应用该技术的专业性强、投资巨大、基础条件要求高，据相关调查统计，部署物联网的企业或组织中，数字孪生技术的应用占比较低，国内大部分企业都不具备立即应用数字孪生技术的条件。

　　基于三维场景应用的输电状态监控平台：目前国内虽已有采用三维建模技术实现的输电信息化系统平台，但一般仅实现线路模型、高空走廊的真实场景还原展示，采用较为单一的点云技术、360 全景技术、倾斜摄影技术，甚至是 45 度视觉的伪 3D 技术，在此基础上深度整合并实现输电设备的智能感知、状态预警、智能巡检等业务应用的信息化平台尚在研究探索阶段，真正符合国网公司智慧线路建设要求的三维全景感知监控平台善在研发过程中。

　　通过以上分析可知，三维可视化产品及技术虽然在市面上已有较为成熟的应用，但多数是独立建设、缺少标准化、先决条件制约多的小众化应用，未能够实现与输电在线监控业务实现紧密绑定应用，因此将三维可视化内在特性需求纳入电网信息化平台进行普及、应用和统一管理，是未来的信息化系统应用趋势。

　　技术研究思路

　　根据三维全景仿真技术在智慧线路建设中的应用需求，以及上述国内外同类技术研究比对，结合在实际项目中系统平台的建设情况，提出在系统平台中整合三维仿真技术的理论和实践依据如下：

　　对已初步具备输电线路三维可视的智慧线路系统结合新技术标准进行改造，以满足国网公司对输电线路三维可视化提出的智能化要求。包括：采用空间数据库存储切片文件建立空间索引技术应用、点云数据处理算法的优化应用、点云数据加载策略的优化应用、数据压缩传输与缓存的新技术应用等。

　　通过对点云效果增强技术的研究，采用前端渲染技术实现杆塔、导线及通道地物点云立体感和现场感更强。

　　点云逆向建模技术的研究，激光雷达巡线在电网中的得到广泛使用，点云精度高，但是对于杆塔、绝缘子、各种金具等获取的激光点云的密度不够理想。准确对输电线路杆塔及杆塔基础进行精细逆向建模，可以弥补点云密度不足或者因遮挡等原因造成的点云缺失。

　　点云与倾斜摄影融合技术的研究，倾斜摄影测量和激光雷达扫描这两种数据获取方法都比较快速，三维模型构成的自动化程度都高，都适合大范围快速建模。倾斜摄影几何精度稍低，但三维模型的可视化效果好；激光雷达获取地物三维点云数据几何精度高，但不能获得地物的纹理信息。可以看出倾斜摄影测量和激光雷达测量各有优缺点，只有将两者融合才能获得更完美、逼真的三维实景模型。

　　三维情景下的数据融合技术的研究，伴随着大数据、数据中台等技术的深入应用，多源异构业务数据能够被集成、融合、分析、挖掘，再辅以三维空间数据及可视化技术加以融合展示，让数据发挥其最大程度的被利用价值。该研究内容将实现三维技术与输电智能化感知、诊断预警、智能巡检等输电在线监测业务的深度整合应用，在实际项目中将通过大数据相关技术融合输电业务中的调度、巡检、检修、检测、在线监测、无人机等方面的数据，融合进输电三维可视化系统加以立体展示、多维查询、综合监控、联合分析、智能预警、应急抢修等。

　　主要技术关键点如下：

　　激光点云三维可视化性能升级技术研究，由于激光点云三维可视化系统需要实时交互展示地形、高清影像、激光点云及其它三维模型数据，在浏览器上利用 WEBGL 技术进行实时图形绘制，由于数据量大，对服务器文件读写效率、网络传输速度、本地显卡性能均有较高要求。为了提高平台的易用性，提升三维模型数据的展示效率，需要从网络、服务器、客户端、数据等方面加以优化：

　　●采用空间数据库存储切片文件，建立空间索引：采用空间数据库存储管理，建立空间索引，替代目前以文件方式发布的模式，提高数据的访问、移植及管理效率。

　　●优化点云数据处理算法：点云切片分层采用横向分块、纵向抽稀的方式。基于八叉树纵向抽稀，深入研究植被、地面、建筑物、杆塔等地物激光点云的抽稀模式，针对不同类型的点云数据采用不同的抽稀分层策略。

　　●优化点云数据加载策略：加载点云数据时，根据当前可视范围判断应加载的点云数据块，并判断点云数据块是否已经加载，避免多余的数据请求和加载，提高客户端内存的实用效率。

　　●建立缓存：在服务端建立端缓机制，客户端直接从服务器内存中读取信息，大幅减少文件检索和文件读取时间，提高数据加载效率。

　　●数据压缩传输：代理服务器通过开启文件压缩，将点云、地形等静态文件压缩传输，减少网络发送数据量，提高文件网络传输效率。

　　点云效果增强技术研究，采用最新的前端渲染技术 WebGL，为 HTML5 Canvas 提供硬件 3D 加速渲染，借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示 3D 场景和模型，创建复杂的数据视觉化，实现杆塔、导线及通道地物点云立体感和现场感更强。

　　点云逆向建模技术的研究，整个建模过程包括数据预处理、矢量建模和添加纹理三个部分。数据预处理为矢量建模提供可靠精确的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、点云数据的分类、不同站点扫描数据的配准及融合等；矢量建模阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化等；添加纹理阶段涉及的内容有模型构件勾勒、点云去除、构件映射。

　　点云与倾斜摄影融合技术的研究，拟通过以下几个步骤开展研究：

　　●机载激光雷达航测与机载倾斜影像采集，同时获取激光雷达点云数据与倾斜影像；

　　●对激光雷达点云进行分层，分离出其中的建筑物、树木、道路等地物类型，初步构建地物的三维模型；

　　●激光雷达点云与倾斜摄影中的垂直影像，制作正摄影像图（DOM）；

　　●地面采集影像、地物三维模型，分别构建建筑物贴图模型、沿街要素模型和树木模型。

　　在输电系统平台中整合其它第三方信息系统，并实现输电监控应用与三维技术的深度整合研究，体现在 4 方面：一是采用二维三维融合应用，实现数据融合展示的不同场景应用，比如宏观数据适合二维地图展示，微观数据适合三维实体模型展示；二是三维漫游与虚拟现实融合应用，实现在三维模型内融合实际业务数据，模拟人工巡视、无人机飞行、带电作业、应急抢修等虚拟业务应用；三是三维模型拟合应用，对输电线路上的各类在线监测设备建模，再研究模型拟合技术融合到线路三维模型中，融合实时的物联传感数据，对线路运行状态进行实时监控、异常预警、状态评估、应急调度；四是视频融合技术，实现线路杆塔上的视频装置实时视频（真实世界）与三维场景的完美融合，达到虚拟现实的应用效果。

　　研究过程及场景应用

　　研究过程及内容

　　结合上述技术研究思路，本文对研究内容和实现过程进行了探讨：

　　对激光点云三维可视化应用升级优化的研究及应用研究和应用空间数据库存储切片文件建立空间索引技术、点云数据处理算法的优化技术、点云数据加载策略的优化技术、点云数据压缩传输技术、点云数据缓存技术、点云效果增强技术等，用以提高激光点云三维可视化平台的易用性、提升三维模型数据的展示效率，最终满足国网公司对输电线路三维可视化提出的智能化要求。

　　点云逆向建模技术研究

　　针对如何解决目前激光点云密度不足、点云易丢失等问题展开研究，通过研究点云逆向建模技术。对点云数据开展预处理、矢量建模、添加纹理等技术研究，实现杆塔、绝缘子、金具等输电线路设备部件模型的精细化、立体化、纹理化。

　　点云与倾斜摄影融合技术研究

　　针对智慧线路、特殊区域线路等特殊线路的三维精细化需求，拟研究点云与倾斜摄影融合技术，充分结合点云的几何高精度与倾斜摄影的三维模型高可视化效果的各自优势，构建更完美、逼真的输电线路三维实景模型。

　　状态感知与诊断预警的深度整合应用研究

　　）通过对当前的视频融合技术的研究与应用，将输电线路杆塔上安装的视频装置实时视频画面投射进激光点云三维模型场景中加以融合，并通过相应姿态参数控制投影效果，从而实现更有效的进行视屏监控与管理，增加虚拟模型的信息承载量，为现实与虚拟之间架起一座桥梁，拓展虚拟现实技术的应用领域。

　　）利用数据融合技术，实现对激光点云可视化管理相关重点业务信息的集中展示，主要包括：交跨管理、三跨管理、巡视管理、隐患缺陷管理、无人机航巡管理、大数据分析（热力分析、聚类分析、时空分析、归类分析）、故障测距定位管理、点云数据版本管理等。

　　）借助数据分析技术、结合预警规则知识库，开展多主题综合分析，进行深度价值挖掘、特征分析，实现预测预警。拟开展大风工况模拟分析、覆冰工况模拟分析、高温工况模拟分析、树木生长预警分析、洪水淹没模拟分析等。

　　远程虚拟巡检技术研究

　　提供模拟无人机漫游的第一视角沿线飞行功能，该功能是输电线路智能巡检应用的重要组成，可以自主设定飞行高度和飞行速度。选择一条线路、飞行的起始杆塔和终止杆塔读取飞行路线，根据给定的速度沿着杆塔线路飞行，同时将画面最近的一基杆塔的所有实时业务数据融合展示到三维场景画面中，辅助漫游巡视人员查阅所有数据，判断杆塔健康状态，业务数据主要包括最新人工巡视数据、存在的隐患缺陷、检测到期预警、检修实时开展的业务数据、在线监测实时数据（如：微拍最新图片、外破预警、视频实时画面、山火预警、覆冰舞动、微气象等），如遇需要详细查阅资料时，可以暂停飞行。

　　智能巡检场景应用

　　结合智慧线路建设项目实际需求，将以上输电三维仿真技术研究成果在输电线路无人机自主巡检中实现整合应用。

　　利用无人机来代替传统人工的线路巡检，同样是智慧线路建设的重要标志之一，属于空天地多维融合与协同自主巡检场景应用中的重要组成部分。通过对倾斜摄影三维重建点云和网格模型数据的处理生成地形地貌、输电通道、铁塔模型等数据，构建能够准确有效地实景再现输电线路走廊内地形、地貌、地物的智能管控分析平台，整合接入输电走廊无人机巡线、线路在线监测装置采集的数据、气象等信息，来实现广范围、大跨度输电走廊海量数据的快速浏览、漫游、显示、分析和测量，实景再现输电线路周围的地形地貌及实时设备的运行情况、实现输电线路信息和地理信息的结合应用。

　　一体化无人机巡检平台是全自主无人机系统的指挥中枢，每一个控制平台都是根据项目定制的。通过倾斜摄影和激光建模技术对目标区域进行厘米级高精度三维实景模型建立，作为整个控制平台的基础。在控制平台中，可以给实际情况为无人机规划航迹和任务点，形成无人机的任务路线。在需要执行该任务时候，只需点击一键起飞，无人机便可按照规划好航迹和任务点自动巡检作业。不仅如此，还可以设定好巡检时间，到指定时间内，无人机便会自动起飞作业。

　　控制平台可以实现多机系统联合控制，界面中会实时显示设备的坐标信息，信号信息，无人机、自动机场的各项参数信息、数据信息和气象信息实时显示，所有数据信息了如指掌。平台具备实时图像回传功能，实现电力工作者足不出户即可把控全局，加强可视化控制，远程进行飞行操作和精准控制，直观而高效的进行研判，快速制定解决方案；提供无人机作业全过程状态全景监控功能，包括飞机信息、机场信息、飞行状态信息、线路周围环境、隐患故障、影像资料等。

　　三维实景模型地图是一体化无人机巡检平台的主要核心构成，作为全自主无人机执飞的基础。做到精准三维立体规划，保证无人机在执行任务的过程中，一直在安全区域飞行，是无人机安全飞行的保障。

　　高精度三维实景地图是通过倾斜摄影技术实现的高精度、实景三维立体地图。首先通过无人机挂载五目倾斜摄影仪，对目标区域进行多角度数据数据采集，在通过建模软件将所有的图片按照三维坐标位置进行排列组合，在此过程中，对目标区域的特征点进行精准坐标打点，作为建模的精准坐标参照，确保三维实景模型的坐标位置和真实位置精准对应，也使得建模的精度达到厘米级。

　　电力系统的三维实景模型中，需要将每一座杆塔、每一根输电线在模型中精确还原，除了倾斜摄影技术之外，还需要融合激光建模技术，通过不计其数的点云，组成和输电线路的三维实景模型。最后将倾斜摄影建模和激光建模进行有机结合，形成最终的电力巡检所需高精度厘米级三维实景模型地图。

　　输电线路大部分处于山区和林区，树木会随着时间长高，超过安全高度会对输电线里带来隐患。目前通过双重策略解决这个问题，一是对目标区域进行周期性建模，确保周边树木的生长状态在处于可控状态。二是无人机对输电线路进行通道巡检时，挂载激光雷达，进行树障分析，对高过安全高度的部分精准分析，准确把握。在三维实景地图作为无人机安全飞行保障的同时，为应对突发情况，无人机还配备着避障系统，保证飞行的安全、稳定。

　　此外，三维实景地图可以接入 BIM 系统和 GIS 系统，做到高兼容性。三维实景地图可以将智能传感设备接入地图中，与真实位置精准对应，实现交互控制，在真实场景上实现泛在物联网的应用。