CN104091029B - 输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法及系统，包括读取原始的杆塔节点数据；设杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架；将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，继续绘制下一时序点相应新的骨架和新的杆塔三维模型数据，直到得到所有时序点相应的杆塔三维模型数据；将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。

Description

输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法及系统

技术领域

本发明涉及电力监控技术领域，特别涉及一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法及系统。

背景技术

输电线路是生命线工程的重要组成部分，在保证国民经济平稳运行的重要性方面是不言而喻的。近年来，自然灾害频发，输电线路杆塔倒塔事故时有发生，08年南方由于持续的低温和雨雪天气造成了大面积冰灾，2008年5.12汶川大地震中，四川省输电线路严重受损，风灾引起的输电线路严重破坏从未间断，特殊环境下的灾害荷载造成的输电线路杆塔结构的破坏问题日益引起人们的重视。

目前对杆塔受力分析的计算公式较多，但生成的结果都是数据表格，无法直观表达杆塔的形变过程和形变的结果。因此，以往的三维输电平台，杆塔都是静态模型，无法随着外力影响而产生变化，或设定环境条件预测杆塔的形变。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术缺陷，提供一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法及系统。

本发明的技术方案提供一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法，包括以下步骤，

步骤1，令当前时序点n为0，读取原始的杆塔节点数据；

步骤2，当杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架；

步骤3，设骨架处于相应塔材的中心线，根据塔材形状将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；

步骤4，设外力情况的作用过程有N个时序点，判断是否n＝N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，返回步骤2，继续绘制下一时序点相应新的骨架和新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0相应的杆塔三维模型数据、时序点1相应的杆塔三维模型数据、时序点2相应的杆塔三维模型数据…时序点N相应的杆塔三维模型数据，进入步骤5；

步骤5，将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。

本发明还相应提供一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立系统，包括以下模块，

输入模块，用于令当前时序点n为0，读取原始的杆塔节点数据；

骨架构建模块，用于当杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架；

塔材具现模块，用于设骨架处于相应塔材的中心线，根据塔材形状将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；

受力更新模块，用于设外力情况的作用过程有N个时序点，判断是否n＝N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，命令骨架构建模块继续绘制下一时序点相应新的骨架和塔材具现模块相应绘制新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0杆塔三维模型数据、时序点1相应新的杆塔三维模型数据、时序点2相应新的杆塔三维模型数据…时序点N相应新的杆塔三维模型数据；

模型可视化模块，用于将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。

本发明以解析规则的方式动态生成杆塔模型，当外力规则发生变化时，杆塔外形也因为自身的结构和力学的规则发生相应的形变，从来预测杆塔的安全隐患。通过该平台进行杆塔的模拟，能有效促进杆塔设计的更加安全，从而提高了防风防覆冰等自然灾害，杜绝杆塔设计中的安全隐患，保证了供电的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

具体实施时，本发明实施例方法所提供流程可采用计算机软件技术实现自动运行。参见图1，实施例包括以下步骤：

步骤1，读取原始的杆塔节点数据。具体实施时，可以预先将设计的杆塔节点数据存储在文件中,模型生成时从文件中读取。

为便于实施起见，可将杆塔节点数据按格式存储。实施例定义杆塔节点数据格式如下：节点数据编号，x坐标，y坐标，z坐标。杆塔节点数据中的节点指的是两块塔材相互连接固定的地方。

步骤2，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架。设杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，可以用这两个节点的坐标定义骨架。如(x1，y1，z1x2，y2，z2)表示坐标1(x1，y1，z1)处节点和坐标2(x2，y2，z2)处节点之间存在一根虚拟的骨骼，根据预先设计的骨架位置，可以多个这样的坐标对的数组来表示整个杆塔的所有骨架。

为简化表示起见，可按杆塔节点数据的编号表示相应节点，代替列举具体坐标。实施例定义格式如下：

塔材元件(节点数据编号1，节点数据编号2)

通过两个连接的节点之间的连接线来表示两个节点之间是存在一根骨架，实际上会是一根塔材。

步骤3，将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材(例如三棱柱，长方体等)，得到相应三维模型数据，根据三维模型数据中三维坐标点绘制在显示屏幕上就将形成一个三维的杆塔。第一次执行步骤3得到原始的杆塔三维模型数据。

骨架处于相应塔材的中心线，根据所采用的杆塔塔材的外形即可以骨架为基准生成塔材。为便于计算起见，可以先假设塔材顶点的虚拟坐标，然后根据骨架转换到整个杆塔的坐标系中。

例如，对三棱柱塔材，设三棱界面边长a，三棱柱长度L，a和L为自由变量，可由本领域技术人员自行预设。

设骨架(x1，y1，z1x2，y2，z2)为三棱柱塔材的中心线，坐标1(x1，y1，z1)处节点即三棱柱塔材底面中心点，定义变量Y1＝-a/2×tg30°，Y2＝a/2×tg60°+y1。

设三棱柱塔材底面中心点的虚拟坐标为(0，0，0)，塔材底面和顶面的顶点虚拟坐标如下：

底面顶点一(0，Y2，0)；底面顶点二(a/2，Y1，0)；底面顶点三(-a/2，Y1，0)；

顶面顶点一(0，Y2，L)；顶面顶点二(a/2，Y1，L)；顶面顶点三(-a/2，Y1，L)。

例如，对长方体塔材，设长方形的长边为a、短边为b，长方形长度L，a和L为自由变量，可由本领域技术人员自行预设。

设骨架(x1，y1，z1x2，y2，z2)为长方体塔材的中心线，坐标1(x1，y1，z1)处节点即长方体塔材底面中心点，定义变量X2＝a/2，Y2＝b/2。

设长方体塔材底面中心点的虚拟坐标为(0，0，0)，塔材底面和顶面的顶点虚拟坐标如下：

底面顶点一(X2，Y2，0)；底面顶点二(-X2，Y2，0)；底面顶点三(-X2，-Y2，0)；底面顶点四(X2，-Y2，0)；

顶面顶点一(X2，Y2，L)；顶面顶点二(-X2，Y2，L)；顶面顶点三(-X2，-Y2，L)；顶面顶点四(X2，-Y2，L)。

塔材的组合放置：

以步骤2中的连接线(骨架)作为塔材底面和顶面的中心连接线。计算连接线与三维坐标Z轴的夹角m，计算连接线在xy平面投影后与x轴的夹角n。根据通用的三维几何坐标旋转方法，将塔材的顶点的虚拟坐标绕y轴旋转m度，再绕x轴旋转n度得到新的三棱柱坐标。再加上步骤2中节点一的坐标，就是塔材所有顶点的坐标。

通用的三维几何坐标旋转方法参见如下公式：

$\left(\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ (1)绕z轴旋转γ

$\left(\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ (2)绕x轴旋转α

$\left(\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ (3)绕y轴旋转β

公式中x,y,z为旋转前的坐标点，x₁,y₁,z₁为旋转后的坐标点。

设α＝m，β＝n，根据式(2)、(3)即可得到塔材所有顶点的坐标。

得到塔材所有顶点的坐标后，即可得到塔材的外轮廓。例如，三棱柱塔材有三个长方形面，和上下两个三角形面；长方体塔材包括6个长方形面。面的定义可采用按一个顺时针方向连接多边形的顶点所构成的顶点坐标字符串，如长方形面(顶点1坐标，顶点2坐标，顶点3坐标，顶点4坐标)。

本步骤遍历所有的连接线，生成整个杆塔的所有坐标数据。将坐标保存为通用的三维模型格式文件。

步骤4，根据雨雪风等外力情况，通过杆塔设计的力学规则(可采用通用力学模型)，计算下一时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，返回步骤2绘制下一时序点相应新的骨架，再在步骤3绘制出下一时序点相应新的杆塔三维模型数据。设在原始状态之后外力情况的作用过程有N个时序点，通过迭代依次得到原始的杆塔三维模型数据(记为时序点0的杆塔三维模型数据)、时序点1相应的杆塔三维模型数据、时序点2相应的杆塔三维模型数据…时序点N相应的杆塔三维模型数据。

流程可设计为，在步骤1令当前时序点n为0，每次进入步骤4时，判断当前时序点是否为N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，返回至步骤2，继续绘制下一时序点相应新的骨架和新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0相应的杆塔三维模型数据、时序点1相应的杆塔三维模型数据、时序点2相应的杆塔三维模型数据…时序点N相应的杆塔三维模型数据。

具体实施时，可采用杆塔设计规程里面公开的通用杆塔力学计算数学模型，输入杆塔节点坐标和受力的大小及方向，即可从通用杆塔力学计算数学模型得到形变数据，从而在原有杆塔节点数据基础上得出新的杆塔节点坐标。通用的杆塔力学计算数学模型是几何非线性分析数学模型，该数学模型是一种公开通用的分析方法，主要用于分析刚性的网状结构。可以根据天气预报或本领域技术人员自行设定风力等外力情况大小，代入到以上数学模型进行分析。形变后的杆塔节点数据即可用于生成新的杆塔模型。

形变数据格式的定义(节点数据编号，x’坐标偏移单位，y’坐标偏移单位，z’坐标偏移单位)。

新的坐标位置(x新＝x+x’，y新＝y+y’，z新＝z+z’)。

例如，设骨架(x1，y1，z1x2，y2，z2)的两个节点偏移后新的坐标位置为(x1-a，y1-b，z1-c)，(x2-d，y2-e，z2-f)，新的骨架为(x1-a，y1-b，z1-c x2-d，y2-e，z2-f)。

步骤5，将所得杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。即依次根据时序点0杆塔三维模型数据、时序点1相应新的杆塔三维模型数据、时序点2相应新的杆塔三维模型数据…时序点N相应新的杆塔三维模型数据，将其中三维坐标点绘制在显示屏幕上，从而动态展示杆塔受力情况。

具体实施时，可将所有的杆塔三维模型数据按时间顺序，组合成通用的三维动画模型文件(如3Dmax格式)。将模型文件加载到通用的地理信息平台场景中即可按时序播放，地理信息平台场景可含地形地貌、气象等，加上不同的离子效果，形成雨雪风等天气情况场景下的杆塔三维动态仿真效果。在播放的时候，可以任意切换三维视角。

本发明还提供一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立系统，包括以下模块，

输入模块，用于令当前时序点n为0，读取原始的杆塔节点数据；

骨架构建模块，用于当杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架；

塔材具现模块，用于设骨架处于相应塔材的中心线，根据塔材形状将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；

受力更新模块，用于设外力情况的作用过程有N个时序点，判断是否n＝N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，命令骨架构建模块继续绘制下一时序点相应新的骨架和塔材具现模块相应绘制新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0杆塔三维模型数据、时序点1相应新的杆塔三维模型数据、时序点2相应新的杆塔三维模型数据…时序点N相应新的杆塔三维模型数据；

模型可视化模块，用于将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。

具体模块实现可参见方法实施例各步骤，本发明不予赘述。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，令当前时序点n为0，读取原始的杆塔节点数据，杆塔节点数据格式为：节点数据编号，x坐标，y坐标，z坐标；

步骤2，当杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架，包括设坐标1(x1，y1，z1)处节点和坐标2(x2，y2，z2)处节点之间存在一根虚拟的骨架，按杆塔节点数据的编号表示相应节点，代替列举具体坐标，骨架数据格式为：塔材元件(B1，B2)，其中B1为节点数据编号1，B2为节点数据编号2；

步骤3，设骨架处于相应塔材的中心线，根据塔材形状将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；包括先假设塔材顶点的虚拟坐标，然后根据骨架转换到整个杆塔的坐标系中，实现塔材的组合放置，形成一个三维的杆塔；

步骤4，设外力情况的作用过程有N个时序点，判断是否n＝N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，返回步骤2，继续绘制下一时序点相应新的骨架和新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0相应的杆塔三维模型数据、时序点1相应的杆塔三维模型数据、时序点2相应的杆塔三维模型数据…时序点N相应的杆塔三维模型数据，进入步骤5；

步骤5，将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。

2.一种输电线路杆塔受外力形变的三维动态模型建立系统，其特征在于：包括以下模块，

输入模块，用于令当前时序点n为0，读取原始的杆塔节点数据，杆塔节点数据格式为：节点数据编号，x坐标，y坐标，z坐标；

骨架构建模块，用于当杆塔的两个节点之间有一根骨架连接，按照杆塔节点数据构建杆塔的骨架，包括设坐标1(x1，y1，z1)处节点和坐标2(x2，y2，z2)处节点之间存在一根虚拟的骨架，按杆塔节点数据的编号表示相应节点，代替列举具体坐标，骨架数据格式为：塔材元件(B1，B2)，其中B1为节点数据编号1，B2为节点数据编号2；

塔材具现模块，用于设骨架处于相应塔材的中心线，根据塔材形状将各抽象的骨架化为具有实体外形的塔材，得到相应三维模型数据；包括先假设塔材顶点的虚拟坐标，然后根据骨架转换到整个杆塔的坐标系中，实现塔材的组合放置，形成一个三维的杆塔；

受力更新模块，用于设外力情况的作用过程有N个时序点，判断是否n＝N，

若否，令n＝n+1，根据外力情况，通过通用力学模型，计算新的当前时序点受力节点偏离的新坐标，得到新的杆塔节点数据，命令骨架构建模块继续绘制下一时序点相应新的骨架和塔材具现模块相应绘制新的杆塔三维模型数据；

若是，存储时序点0杆塔三维模型数据、时序点1相应新的杆塔三维模型数据、时序点2相应新的杆塔三维模型数据…时序点N相应新的杆塔三维模型数据；

模型可视化模块，用于将杆塔三维模型数据加载到通用的三维地理信息平台，按时序进行杆塔受力情况的动画播放。