CN111241623B - 一种变电站道路设施的建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站道路设施的建模方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数；2)根据该道路的关键定位点三维坐标和道路参数，计算该道路中心轴线的轨迹；3)将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，确定该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；4)将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；5)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性；6)重复步骤1)～5)，直至得到待建模变电站中所有道路的三维模型，完成待建模变电站道路设施的建模，可以广泛应用于变电站技术领域中。

Description

一种变电站道路设施的建模方法及系统

技术领域

本发明是关于一种变电站道路设施的建模方法及系统，属于变电站技术领域。

背景技术

在工程设计行业内，从历史发展来看，设计手段实现了两次大的变革，一是二十世纪九十年代中期，随着计算机技术的普及，原始的人工手绘设计逐渐发展为在计算机上进行二维布置设计；二是随着计算机硬件及软件技术的不断发展，二维布置设计逐渐被三维布置设计及自动化出图所取代。

目前，中国的电力工程设计行业已经步入三维设计阶段，变电站设计各专业已经开始在不同的三维设计平台中进行三维建模和三维设计。变电站包含多种土建设施，例如防火墙、油坑、架构、独立避雷针、设备支架、设备及构筑物基础、场地、道路、大门、围墙、电缆沟和隔声屏障等，土建设施内容繁杂，建模工作量大，亟需便捷高效的三维建模方法，减轻变电站设计人员的建模工作量。

传统的变电站道路设施三维建模方法是一种结构化的建模方法，像搭积木一样采用基本的三维实体模型，例如长方体、三角形柱体等进行堆叠，对外呈现道路设施的几何外形。然而，采用此种建模方法的建模效率低，且建模成品不是一个统一的整体，设计人员无法根据道路设施的排水坡度、道路宽度等参数直接构造道路模型，需要将角度等数据计算转换为空间结构体的边长数据作为输入，当道路存在拐弯半径时，还需要采用异性环形体进行拼接，而该异性环形体的构造操作也较复杂，最终的建成品由于是由一个个单独空间的结构体拼接而成，无法快速高效地统计道路的用料体积和路缘石的长度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够用于快速高效地统计道路用料体积和路缘石长度的变电站道路设施的建模方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种变电站道路设施的建模方法，包括以下内容：1)获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数；2)根据该道路的关键定位点三维坐标和道路参数，计算该道路中心轴线的轨迹；3)将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，确定该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；4)将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；5)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性；6)重复步骤1)～5)，直至得到待建模变电站中所有道路的三维模型，完成待建模变电站道路设施的建模。

进一步地，所述步骤1)中的道路参数包括道路的转弯半径、厚度、排水坡度、路缘石宽度和道路宽度。

进一步地，所述步骤1)中的关键定位点是指道路的转弯半径R＝0时，构成道路中心轴线的直线段端点。

进一步地，所述步骤2)的具体过程为：2.1)根据道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；2.2)根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标；2.3)根据道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标，确定道路中心轴线的轨迹。

进一步地，所述步骤3)的具体过程为：3.1)根据待建模变电站道路的厚度、排水坡度和路缘石宽度，计算待建模变电站道路截面上所有的端点坐标；3.2)将轨迹点在待建模变电站道路中心轴线的轨迹上按照步长移动，重复步骤3.1)，确定待建模变电站道路截面上所有端点坐标的移动轨迹。

进一步地，所述步骤3.1)中待建模变电站道路截面上所有的端点坐标为：

其中，P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉为构成道路截面多边形的端点；(x,y,z)为轨迹点；B为道路宽度；H为道路厚度；i为排水坡度；b为路缘石宽度；

为单位法向量。

进一步地，当轨迹点(x,y,z)在道路的线段AM上移动时，单位法向量

取/>

线段AM为道路的关键定位点A(x₁,y₁,z₁)与切点M之间的连接线，切点M为关键定位点A(x₁,y₁,z₁)和关键定位点B(x₂,y₂,z₂)之间的连接线AB与转弯圆弧之间的切点，连接线AB在平面上的单位法向量

为：

当轨迹点(x,y,z)在圆弧MN上移动时，单位法向量

取/>

圆弧MN为切点M与切点N构成的圆弧，切点N为关键定位点B(x₂,y₂,z₂)和关键定位点C(x₃,y₃,z₃)之间的连接线BC与转弯圆弧之间的切点，圆弧MN上任意一点(x,y)在平面上的单位法向量为

其中，(x₀,y₀)为关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；当轨迹点(x,y,z)在道路的线段NC上移动时，单位法向量

取/>

线段NC为切点N与道路的关键定位点C(x₃,y₃,z₃)之间的连接线，连接线BC在平面上的单位法向量

为：

进一步地，所述步骤5)的具体过程为：5.1)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度L_石：

L_石＝2(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，L_AM为道路的关键定位点A与切点M的连接线AM的长度；L_NC为切点N与关键定位点C的连接线NC的长度；L_arc为道路转弯处弧长；5.2)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的道路体积V：

V＝S×(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，S为道路截面面积。

一种变电站道路设施的建模系统，包括：参数获取模块，用于获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数；中心轴线轨迹计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标和道路参数，计算该道路中心轴线的轨迹；移动轨迹确定模块，用于将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，确定该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；道路三维模型构建模块，用于将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；三维模型属性计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性；变电站道路设施三维模型构建模块，用于根据待建模变电站中所有道路的三维模型，得到待建模变电站道路设施的三维模型。

进一步地，所述中心轴线轨迹计算模块包括：圆心平面坐标确定单元，用于根据道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；切点平面坐标确定单元，用于根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标；轨迹确定单元，用于根据道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标，确定道路中心轴线的轨迹。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法构建的三维模型不是无意义的空间结构体集合，而是包括真实道路的多种属性，例如转弯半径、排水坡度等，将道路设施作为一个建模实体，可以统计建模实体所包含的体积，对应成道路设施用料量，提高材料统计效率。2、本发明方法具有快速高效的优点，设计人员只需获取道路的固有属性参数例如路宽、厚度、排水坡度和路缘石宽度，道路路径上的关键定位点和转弯半径，即可得到道路在三维空间的整体模型，建模效率高，且设计人员工作量小，可以广泛应用于变电站技术领域中。

附图说明

图1是本发明方法中变电站某一道路的结构示意图；

图2是图1的I-I向示意图；

图3是图1中道路的部分结构示意图；

图4是图3的道路截面端点示意图；

图5是本发明实施例中得到的三维模型的结构示意图；

图6是图5的轴向示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明提供的变电站道路设施的建模方法，包括以下步骤：

1)获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数，其中，道路参数包括转弯半径R、厚度H、排水坡度i、路缘石宽度b和道路宽度B；关键定位点是指道路的转弯半径R＝0时，构成道路中心轴线的直线段端点，如图1、图2所示，直线段AB和BC的端点A、B、C均为关键定位点。

2)根据该道路的关键定位点三维坐标和转弯半径R，计算该道路中心轴线的轨迹，具体为：

待建模变电站道路的关键定位点A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)三点与该道路转弯的圆心O(x₀,y₀,z₀)在同一个平面上，z₀＝z₁＝z₂＝z₃，因此，计算圆心O的空间坐标简化为计算圆心在XY平面上的坐标。

在实际变电站中，道路的关键定位点A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)三点与待建模变电站道路转弯的圆心O(x₀,y₀,z₀)在同一个平面上，所以z₀＝z₁＝z₂＝z₃，此时将计算圆心O的空间坐标简化为计算圆心在XY平面上的坐标。

2.1)根据关键定位点三维坐标A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)和转弯半径R，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心O的平面坐标。

在XY平面上，关键定位点A(x₁,y₁,z₁)与B(x₂,y₂,z₂)的连接线AB的方程为：

整理得到：

(y₂-y₁)x+(x₁-x₂)y+y₁(x₂-x₁)-x₁(y₂-y₁)＝0 (2)

在XY平面上，关键定位点B(x₂,y₂,z₂)与C(x₃,y₃,z₃)的连接线BC的方程为：

整理得到：

(y₃-y₂)x+(x₂-x₃)y+y₂(x₃-x₂)-x₂(y₃-y₂)＝0 (4)

圆心O到连接线AB、BC的距离均为转弯半径R，因此：

求解上述方程组(5)，可以得到圆心O的平面坐标(x₀,y₀)。

2.2)根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点M、N的平面坐标。

转弯圆弧与连接线AB的切点M落在连接线AB上，且圆心O与切点M之间的连接线OM与连接线AB之间垂直，因此：

求解上述方程组(6)，可以得到切点M的平面坐标(x_M,y_M)。

转弯圆弧与直线BC的切点N落在直线BC上，且圆心O与切点N之间的连接线ON与连接线BC之间垂直，因此：

求解上述方程组(7)，可以得到切点N的平面坐标(x_N,y_N)。

2.3)根据切点M和切点N的平面坐标(x_M,y_M)和(x_N,y_N)，可以确定待建模变电站道路中心轴线的轨迹，包括线段AM、圆弧MN和线段NC。

3)如图3、图4所示，将轨迹点(x,y,z)在该道路中心轴线的轨迹上按照一定的步长

移动，根据该道路的厚度H、排水坡度i、路缘石宽度b和道路宽度B，确定该道路截面Cross上所有端点坐标的移动轨迹，具体为：

3.1)已知待建模变电站道路中心轴线上的轨迹点(x,y,z)，根据待建模变电站道路的厚度H、排水坡度i和路缘石宽度b，可以计算待建模变电站道路截面Cross上所有的端点坐标。

连接线AB在平面XY上的单位法向量

为：

连接线BC在平面XY上的单位法向量

为：

圆弧MN上任意一点(x,y)在平面XY上的单位法向量为

/>

已知待建模变电站道路中心轴线上的轨迹点(x,y,z)，以及待建模变电站道路的厚度H、排水坡度i和路缘石宽度b，即可确定待建模变电站道路截面Cross所有端点的坐标：

其中，P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉为构成待建模变电站道路截面Cross多边形的端点，如图4所示；B为道路宽度。轨迹点(x,y,z)在线段AM、圆弧MN和线段NC上移动时，单位法向量

分别取/>

和/>

3.2)将轨迹点(x,y,z)在待建模变电站道路中心轴线的轨迹上按照步长

移动，重复步骤3.1)，确定待建模变电站道路截面Cross上所有端点坐标的移动轨迹，其中，步长

可以根据实际情况进行设定，当轨迹点在直线段上移动时，步长/>

可以为线段首末两端点坐标之差，以加速计算过程。

4)根据该道路截面Cross上所有端点坐标的移动轨迹，构建该道路的设施三维模型，即将该道路截面Cross上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型。

5)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性，具体为：

5.1)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度。

关键定位点A与切点M的连接线AM的长度L_AM为：

切点N与关键定位点C的连接线NC的长度L_NC为：

/>

道路转弯处弧长L_arc为：

其中，θ为转弯角度，且：

因此，该道路的路缘石长度为L_石：

L_石＝2(L_AM+L_arc+L_NC) (16)

5.2)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的道路体积。

道路截面面积S为：

因此，道路体积V为：

V＝S×(L_AM+L_arc+L_NC) (18)

6)重复步骤1)～5)，直至得到待建模变电站中所有道路的三维模型，完成待建模变电站道路设施的建模。

下面通过具体实施例详细说明本发明的变电站道路设施的建模方法：

某110kV变电站，关键定位点的三维坐标分别为N1(0,0,0)、N2(27,0,0)、N3(27,-34,0)、N4(81,-34,0)、N5(81,0,0)和N6(108,0,0)，道路宽度B＝4m，转弯半径R＝7m、厚度H＝0.3m、排水坡度tani＝1％、路缘石宽度b＝0.15m以及高度h＝0.3m。

采用本发明的建模方法，构建得到该110kV变电站道路设施的三维模型，如图5和图6所示，并得到110kV变电站中路缘石长度为328米，道路体积为203.36立方米，构建得到的该110kV变电站道路设施的三维模型可以用于统计建模实体所包含的体积或对应成道路设施用料量等，提高工作人员材料统计效率。

基于上述变电站道路设施的建模方法，本发明还提供一种变电站道路设施的建模系统，包括：

参数获取模块，用于获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标、转弯半径、厚度、排水坡度、路缘石宽度和道路宽度；中心轴线轨迹计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，计算该道路中心轴线的轨迹；移动轨迹确定模块，用于将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，根据该道路的、厚度、排水坡度、路缘石宽度和道路宽度，确定该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；道路三维模型构建模块，用于将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；三维模型属性计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性；变电站道路设施三维模型构建模块，用于根据待建模变电站中所有道路的三维模型，得到待建模变电站道路设施的三维模型。

在一个优选的实施例中，中心轴线轨迹计算模块包括：

圆心平面坐标确定单元，用于根据道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；切点平面坐标确定单元，用于根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标；轨迹确定单元，用于根据道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标，确定道路中心轴线的轨迹。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种变电站道路设施的建模方法，其特征在于，包括以下内容：

1)获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数，道路参数包括道路的转弯半径、厚度、排水坡度、路缘石宽度和道路宽度，关键定位点是指道路的转弯半径R＝0时，构成道路中心轴线的直线段端点；

2)根据该道路的关键定位点三维坐标和道路参数，计算该道路中心轴线的轨迹，具体过程为：

2.1)根据道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；

2.2)根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标；

2.3)根据道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标，确定道路中心轴线的轨迹；

3)将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，确定道路截面上所有端点坐标的移动轨迹，具体过程为：

3.1)根据待建模变电站道路的厚度、排水坡度和路缘石宽度，计算待建模变电站道路截面上所有的端点坐标；

3.2)将轨迹点在待建模变电站道路中心轴线的轨迹上按照步长移动，重复步骤3.1)，确定待建模变电站道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；

4)将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；

5)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性，具体过程为：

5.1)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度L_石：

L_石＝2(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，L_AM为道路的关键定位点A与切点M的连接线AM的长度；L_NC为切点N与关键定位点C的连接线NC的长度；L_arc为道路转弯处弧长；

5.2)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的道路体积V：

V＝S×(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，S为道路截面面积；

6)重复步骤1)～5)，直至得到待建模变电站中所有道路的三维模型，完成待建模变电站道路设施的建模。

2.如权利要求1所述的一种变电站道路设施的建模方法，其特征在于，所述步骤3.1)中待建模变电站道路截面上所有的端点坐标为：

/>

其中，P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉为构成道路截面多边形的端点；(x,y,z)为轨迹点；B为道路宽度；H为道路厚度；i为排水坡度；b为路缘石宽度；

为单位法向量。

3.如权利要求2所述的一种变电站道路设施的建模方法，其特征在于，当轨迹点(x,y,z)在道路的线段AM上移动时，单位法向量

取/>

线段AM为道路的关键定位点A(x₁,y₁,z₁)与切点M之间的连接线，切点M为关键定位点A(x₁,y₁,z₁)和关键定位点B(x₂,y₂,z₂)之间的连接线AB与转弯圆弧之间的切点，连接线AB在平面上的单位法向量

为：

当轨迹点(x,y,z)在圆弧MN上移动时，单位法向量

取/>

圆弧MN为切点M与切点N构成的圆弧，切点N为关键定位点B(x₂,y₂,z₂)和关键定位点C(x₃,y₃,z₃)之间的连接线BC与转弯圆弧之间的切点，圆弧MN上任意一点(x,y)在平面上的单位法向量为

其中，(x₀,y₀)为关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；

当轨迹点(x,y,z)在道路的线段NC上移动时，单位法向量

取/>

线段NC为切点N与道路的关键定位点C(x₃,y₃,z₃)之间的连接线，连接线BC在平面上的单位法向量

为：

4.一种变电站道路设施的建模系统，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于获取待建模变电站中某一道路的关键定位点三维坐标和道路参数，道路参数包括道路的转弯半径、厚度、排水坡度、路缘石宽度和道路宽度，关键定位点是指道路的转弯半径R＝0时，构成道路中心轴线的直线段端点；

中心轴线轨迹计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标和道路参数，计算该道路中心轴线的轨迹，所述中心轴线轨迹计算模块包括：

圆心平面坐标确定单元，用于根据道路的关键定位点三维坐标和转弯半径，确定关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标；

切点平面坐标确定单元，用于根据关键定位点三维坐标和关键定位点所在平面道路转弯圆心的平面坐标，确定道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标；

轨迹确定单元，用于根据道路关键定位点连线与转弯圆弧之间切点的平面坐标，确定道路中心轴线的轨迹；

移动轨迹确定模块，用于将轨迹点在该道路中心轴线的轨迹上移动，确定道路截面上所有端点坐标的移动轨迹，具体过程为：

3.1)根据待建模变电站道路的厚度、排水坡度和路缘石宽度，计算待建模变电站道路截面上所有的端点坐标；

3.2)将轨迹点在待建模变电站道路中心轴线的轨迹上按照步长移动，重复步骤3.1)，确定待建模变电站道路截面上所有端点坐标的移动轨迹；

道路三维模型构建模块，用于将该道路截面上所有端点坐标的移动轨迹进行连接，得到待建模变电站中该道路的三维模型；

三维模型属性计算模块，用于根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度和道路体积，作为该道路三维模型的属性，具体过程为：

5.1)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的路缘石长度L_石：

L_石＝2(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，L_AM为道路的关键定位点A与切点M的连接线AM的长度；L_NC为切点N与关键定位点C的连接线NC的长度；L_arc为道路转弯处弧长；

5.2)根据该道路的关键定位点三维坐标，计算该道路的道路体积V：

V＝S×(L_AM+L_arc+L_NC)

其中，S为道路截面面积；

变电站道路设施三维模型构建模块，用于根据待建模变电站中所有道路的三维模型，得到待建模变电站道路设施的三维模型。

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