CN114419227A - 一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法 - Google Patents

一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，该方法包括：基建运行数据贯通；对基建运行数据贯通的评估。所述的基建运行数据贯通包括基建三维模型的几何转化以及基建三维模型的材质优化。所述的基建三维模型的几何转化包括截面挤出类型构件转换和线缆或软管类型构件转换。与现有技术相比，本发明具有普遍适应性、便捷通用、标准化、统一化和系统化等优点。

Description

一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法
技术领域
本发明涉及基建运行领域，尤其是涉及一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法。
背景技术
数字孪生城市理念自提出以来，在各界引起广泛关注，掀起研究和建设热潮，数字孪生城市已成为各地政府推进智慧城市建设的主流模式选择，产业界也将其视为技术创新的风向标、发展的新机遇，数字孪生应用已在部分领域率先展开。同时为了建立数字孪生的“智慧电网”，建设“由实入虚、虚实结合”的统一的电网信息模型，通过模型的静态及动态数据实现电网的智能化控制，而目前在电网智能化控制中，电网建设及运营方式已经落后，因此急需将电网基建运行和数字孪生技术结合起来。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，该方法包括：
基建运行数据贯通；
对基建运行数据贯通的评估。
所述的基建运行数据贯通包括基建三维模型的几何转化以及基建三维模型的材质优化。
所述的基建三维模型的几何转化包括截面挤出类型构件转换和线缆或软管类型构件转换。
所述的截面挤出类型构件转换具体为：
在BIM模型中，构件的生成方式与max中的挤出命令相同，依照构件生成长短的差异，Revit导出编辑多边形构件面数位3ds Max软件中以同样方式生成的可编辑多边形面数的数倍至数百倍，则有：
(1)依照模型结构及名称，获取挤出类型构件第一段字符，并输入Script脚本中，由脚本选出所有挤出类型构件；
(2)依次选择单个构件，转换为可编辑多边形，然后删除首尾两端以外的其他面，并使用桥接或挤出命令对模型进行重新构建；
(3)对所有优化后的构件重新设定平滑组。
所述的线缆或软管类型构件转换具体为：
在Revit导出模型中，线性构件被转换为可编辑多边形，Revit导出编辑多边形构件面数为3ds Max软件中以样条线方式生成的可编辑多边形面数的数十倍至数万倍，则有：
(1)测量线性构件截面直径获得数据R，依照线性构件转折处顶点数值，定义线性构件线缆转折处最小顶点数值N，测量线性构件转折点之间的距离，定义最小转折距离阈值L；
(2)将线性构件几何体由可编辑网格转换为可编辑多边形；
(3)索引几何体元素的所有顶点集，依照距离首顶点的距离进行排序；
(4)从顶点集中依次选出转折处顶点中心值；
(5)依照算法获取到的转折处顶点中心值集，选择相互之间距离大于L的点，重新生成样条线；
(6)设置样条线的长度、分段和材质。
从顶点集中依次选出转折处顶点中心值的判断依据为：
顶点集合中相互之间距离不大于R且集合中元素数量不小于N的子顶点集。
所述的基建三维模型的材质优化包括材质对应转换以及BIM材质转换 Standard材质球。
所述的材质对应转换具体为：
在BIM模型导出模型中，所有几何体的材质类型均为Autodesk Material类型，其材质信息中包含材质球名称，据此在BIM模型导入3ds MAX软件后，在3ds MAX 软件中建立材质库，并根据材质球名称建立对照关系，在进行标准命名后，批量根据材质球名称，使用材质库中的材质球替换导入材质球，并重新赋予几何体UVW 贴图坐标，以达到提升模型美观度的效果。
所述的BIM材质转换Standard材质球具体为：
对其他未进行标准命名且无法进行材质自动化替换的材质球，为保证BIM模型色彩效果在max中正常展示，对材质球中的RGB色值进行提取，并使用新提取到的色值生成3dsMAX所使用的Standard材质或者对应特定的纹理贴图，进一步结合BIM模型的属性信息读取对象的特征信息来精确对应纹理贴图。
所述的评估基建运行数据贯通包括数据贯通效率、基建运行移交数据以及基建运行数据融合工具，所述的基建运行数据融合工具具体包括三维设计模型结构重构插件、三维设计模型材质优化插件以及三维设计模型几何优化插件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明具有普遍适应性，对于数据贯通技术具有便捷性、通用性，为贯通技术和成果的推广奠定了坚实的基础，数据贯通技术及标准不仅能够为未来数字孪生应用提供全生命周期的数据支撑，也可以提升模型数据自身在数字孪生电网中的建设水平，增强模型数据的标准化、统一化和系统化，同时，对于整个电力行业的数字孪生数据都有积极的借鉴价值和指导意义。
二、本发明具有广泛的应用推广价值，能够取得良好的社会和经济效益，为数字孪生技术的基建运行数据贯通提供模板和示范作用，从而促进数字孪生技术在电网系统内的普及应用，此外，本发明还可以大大提高数据贯通的工作效率，减少不必要的重复和返工，同时具有良好的社会示范效应。
附图说明
图1为本发明的方法构架图。
图2为三维设计模型结构重构插件的运行图。
图3为三维设计模型材质优化插件的运行图。
图4为三维设计模型几何优化插件的运行图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
2017年，Grieves教授将数字孪生定义为：数字孪生是一组虚拟信息结构的集合，能够从微观原子层级到宏观几何层级上完整描述某一潜在的或实际制造的物理产品，在理想状态下，数字孪生能够包含反映其物理产品的所有信息。
该定义中数字孪生特指数字孪生产品或数字孪生体，数字孪生体分为两种类型：数字孪生样机(Digital Twin Prototype，DTP)和数字孪生实例(Digital Twin Instance，DTI)，数字孪生体的仿真运行需要有产品所处的物理环境的数字化镜像——数字孪生环境(Digital Twin Environment，DTE)的支撑，数字孪生体和数字孪生环境共同构成了数字孪生空间(Digital Twin Space)，与虚体空间基本同义。
如图1所示，本发明提供一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，该方法主要包括以下内容：
一、基建数据的差异性分析
基建模型与运行模型在几何、材质、数据部分的表达式相同，基建模型运用至运行模型时根据使用需求不同，需进行转换与加工，模型数据承载的信息不同，基建侧重设计与施工数据，运行侧重设备模型的外形与连接关系。模型深度不同，基建模型中没有设定运行中的工作标识，由于使用的软件不同，造成模型格式不同而难以相互编辑。
1.1基建阶段三维设计模型数据分析
(1)基建阶段的模型信息完整，在项目建设全过程中均有对应步骤的数据补充，是数字电网获取基本信息的重要来源。在运行过程中有必要进行维护和传递，以完成项目全寿命周期的使用。
(2)基建阶段的模型条理清晰、分类合理、设备型号及技术参数完整，且经过设计、评审、施工、交付等多道环节的层层把关，数据源头可追溯，具有保障性和可靠性。
(3)基建阶段的模型在几何、材质及数据格式上的表达方法一致，除了现阶段应用的软件及格式差异以外，各阶段均可正确读取。
(4)基建阶段模型根据应用环境不同，模型外观、数据应用方向及模型深度均有区别，需补足与衔接相关技术标准。
1.2运行阶段三维模型数据分析
运行阶段三维模型与三维设计模型在几何外观有相似之处，但由于基建部以图元方式建模有以下几点不同，一是三维设计模型基础图元不含点线面、二是复杂的几何体无法用图元展现、三是三维设计模型不考虑复杂的现场直观的纹理、四是相较于三维设计模型能够承载大量的三维建模对象本身的属性信息，运行阶段三维建模无法直接包含大量数据信息。
1.3对比分析基建运行三维数据
数字化设计模型多使用以Revit为代表的BIM软件建模，其模型构建是一个参数化的过程，模型主要目的为信息管理，定位为整合工程生命周期中所需求的信息展示，便于工程设计及建设期间进行材料用料管理，工程造价评估等工程数据验算，在材质纹理方面，Revit建模软件使用的是Autodesk Material材质，数字化设计模型可以直接导出多边形格式的模型，但是导出后模型面数较多，材质无法识别，在模型展示时流畅度及美观度与数字化输变电管理模型差距巨大，数字化输变电管理模型多使用以3ds Max为代表的多边形建模软件，(本发明实现过程依托3ds Max 软件Script脚本，)模型以展示外观为主，不具备信息管理的功能，但模型细节可控性强，在管控展示平台中，数字化输变电生产管理模型可以流畅运行，模型外观与现实场景保持一致，便于管控平台用户使用，因此，在不考虑模型展示效果的前提下，着重优化模型面数和材质是能够实现快速将数字化设计模型导入管控展示平台中，实现在生产、运维和检修阶段中进行使用。
二、模型格式及数据贯通方法
2.1基建运行数据贯通方法
2.1.1基建三维模型的几何转化
A.截面挤出类型构件转换
在BIM模型中，有许多构件的生成方式类似于max中的挤出命令，依照构件生成长短的差异，Revit导出编辑多边形构件面数往往是3ds Max软件中以同样方式生成的可编辑多边形面数的数倍甚至数百倍。
在大量优化过程中发现，挤出类型的构件在优化过程中仍有规律可循，其特点如下：
1、构件命名中第一段字符一致者，其生成方式基本一致。
2、在转换为可编辑多边形后，在多边形层级命令下。挤出构件首尾两端，面 ID分别是1和2。
挤出构件首尾两端的多边形结构规整，可依两端多边形重新构建模型。依据以上特点，可制定优化方案如下：
1)依照模型结构及名称，罗列挤出类型构件第一段字符，并输入Script脚本中，由脚本选出所有挤出类型构件；
2)依次选择单个构件，转换为可编辑多边形，然后删除首尾两端以外其他的面，并使用桥接或挤出命令对模型进行重新构建；
3)对所有优化后的构件重新设定平滑组。
B.线缆或软管类型构件
在Revit导出模型中，有许多线性构件也会被转换为可编辑多边形。线性构件由于其特殊性，Revit导出编辑多边形构件面数会是3ds Max软件中以样条线方式生成的可编辑多边形面数的数十倍甚至数万倍。而在3ds Max软件中使用可渲染样条线方式制作的线性对象可以根据需要动态修改横截面，以达到最流畅的展示效果。
1、在进行线性构件优化过程中发现，Revit软件生成的线性模型其特点如下：
2、线性构件内所有顶点生成呈随机性分布，无顺序可言。但构成构件的第一个顶点一般位于线性构件的首端面。
3、复合线性构件，每条线为一个标准可编辑多边形元素。
4、一般情况下，线性构件几何体的两个端面，分别由24个顶点构成。
5、在构成线性构件端面多边形的顶点集中，任何一个顶点到其他顶点距离的最大值为该线性部件的线径。
6、转换为可编辑多边形后，在线性部件转折处截面顶点数大于其他非转折处截面顶点数。
依据以上特点，可制定优化方案如下：
1)测量线性构件截面直径获得数据R，依照线性构件转折处顶点数值，定义线性构件线缆转折处最小顶点数值N。测量线性构件转折点之间的距离，定义最小转折距离阈值L。
2)将线性构件几何体由可编辑网格转换为可编辑多边形。
3)索引几何体元素的所有顶点集，依照距离首顶点的距离进行排序。
4)从顶点集中依次选出转折处顶点中心值。(判断依据为：顶点集合中相互之间距离不大于R且集合中元素数量不小于N的子顶点集。)
5)依照算法获取到的转折处顶点中心值集，选择相互之间距离大于L的点，重新生成样条线。
6)设置样条线的长度、分段、材质、UV。
2.1.2基建三维模型材质自动优化
A.材质对应转换
BIM模型导出模型中，所有几何体的材质类型均为Autodesk Material类型的材质，其材质信息中包含材质球名称。因此，在BIM模型导入3ds MAX软件中后，可在3ds MAX软件中建立材质库，并根据材质球名称建立对照关系。这也对在Revit 软件中建模时材质的设定提出了新的命名要求。在标准的命名规范下，则可以批量根据材质球名称，自动使用材质库中的材质球替换导入材质球，并重新赋予几何体 UVW贴图坐标，以达到提升模型美观度的效果。
B.BIM材质转换Standard材质球
对其他未进行标准命名的材质球，则无法进行材质自动化替换。因此在研究过程中，为保证BIM模型色彩效果在max中正常展示。则需要对材质球中的RGB 色值进行提取，并使用新提取到的色值生成3ds MAX所使用的Standard材质或者对应特定的纹理贴图，更进一步可以结合BIM模型的属性信息读取对象的特征信息(水泥墙、砖墙、水泥路、铺砖路面)来精确对应特定的纹理贴图。在以往的工作中，这些工作是由人工完成，替换材质球的工作量庞大，且替换过程中容易出错。
2.2评估确立基建运行数据贯通方法
2.2.1数据贯通效率
基于数字孪生技术的数据贯通技术在数字化设计模型向数字化输变电管理模型转换的工作过程中极大的减轻了人工优化的工作量，提升了转换工作的效率，使得数字化设计模型能够快速在生产、运维和检修阶段中进行使用。从一定程度上提升电网运维管理，检修过程中的安全性。在经济效益上面，利用数字化设计成果进行基于数字孪生技术的数据贯通，所需的建模成本较人工优化大幅度降低。同时基于数字孪生技术的数据贯通在数字化设计模型向数字化输变电管理模型转换的工作过程的大量应用，必将会在电力行业产生深远的影响，带来极为特殊的意义。
2.2.2基建运行移交数据
基建运行移交数据模块面向基建平台与设备平台之间的自动化数据移交，属于横向数据贯通应用场景。基建运行移交数据模块在移交数据全面性、及时性、数据流向追踪上开展优化。
在数据全面性上，基建运行移交数据既包括项目信息、标段信息等结构化基建数据，同时包括过程文档、设计模型等非结构化文件数据。
在移交数据及时性上，通过基建运行移交数据模块与设备部数字化移交系统集成，可实现基建运行数据定时、实时移交，提升横向数据贯通及时性。
在移交数据流程追踪上，基建平台可从物资推送接口获取到的构件设计ID与实物ID的关联关系表，并导入到基建平台设计评审管控模块，从而使生成的设计数字模型数据和竣工数字模型数据包含构件的实物ID，设计单位在基建全过程系统的施工图评审模块上传的设计数字模型文件及竣工交付模块上传的竣工数字模型文件都包含构件的实物ID。基建运行移交数据模块向数据中台推送的移交数据可以有力的支撑数字孪生的实现。
2.2.3基建运行数据融合插件
基建运行数据融合建模插件主要从三分方面对三维设计模型进行半自动化优化，以满足基建运行数据的融合。一是三维设计模型与运行台帐在数据结构组织上有较大差异，通过插件可以帮助缺乏电力专业知识的建模人员快速解读三维设计模型并重构成三维运行模型；二是三维设计模型更注重表达模型属性信息，模型本身缺乏真实的模型材质，但设三维计模型有一套成熟可靠的模型材质库，通过基建运行模型材质库的映射，可以高效完成从基建到运行的三维模型材质库转换，插件可以极大缩短优化时间，并能使基建运行模型数据的材质信息互通；三是减面插件，三维设计模型与三维运行模型在构建部分几何体时，所使用几何算法有差异，导致在做数据融合时容易产生冗余的三角面，通过插件减面能够有效降低不必要的三角面的产生，并提高三维运行模型的渲染效率，使得重量级的三维设计模型也可以被运用到设备运行三维应用中，实现基建运行数据融合。
(1)三维设计模型结构重构插件
如图2所示，三维设计模型结构重构插件的使用过程如下：
点击“加载台帐”按钮，加载设备台帐信息(准备运行的设备台账数据)；
打开并载入三维设计模型(准备数据融合的三维设计模型，格式从rvt转换到fbx)；
点击“自动关联台帐”按钮，将设备台站数据重构到加载的三维设计模型上(通过插件实现从基建到运行的模型数据的融合)；
由于其它不可抗力因素(逻辑关系问题以及数据质量问题)，可能存在部分台帐数据可能未被关联，可以点击“显示未关联”高亮显示，可提示建模人员人工处理。
点击“自动结构树”按钮，将三维设计模型以设备台帐结构方式进行部分重构，(通过插件实现从基建到运行的模型结构的融合)；
由于其它不可抗力因素(逻辑关系问题以及数据质量问题)，可能存在部分台帐结构可能未被重构，可以点击“显示未处理结构”高亮显示，可提示建模人员人工处理。
最后通过点击“树结构检查”，可以对整个三维设计模型结构重构和数据融合进行检查，并在三维建模软件的监听器显示整个工序检查结果，完成三维设计模型结构的重构。
(2)三维设计模型材质优化插件
如图3所示，三维设计模型材质优化插件的使用过程如下：
打开并载入三维设计模型(准备数据融合的三维设计模型，格式从rvt转换到fbx)；
点击“加载材质库配置”(通过数字孪生贯通项目解读了2个电站的BIM模型材质库，确定了大概30个左右的三维设计模型常用材质，选取部分具有代表性的材质，如水泥、草地、金属、玻璃、绝缘子，与运行三维模型的公共纹理库进行比对映射来完成三维设计模型的纹理优化工作。考虑到不同电站三维模型材质纹理多样性，可由建模人员事先调整材质库配置文件，然后插件通过加载材质库配置文件灵活优化模型纹理)；
点击“一键转化材质”(实现三维模型材质的有基建到运行的融合，通过配套的模型和材质库配置文件还可以将运行三维模型的纹理映射回三维设计模型)；
部分插件无法识别的三维设计模型材质可以通过点击“将转换失败的材质导入材质编辑器”按钮高亮显示，可提示建模人员人工在建模软件中的材质编辑器中进行处理。
遇到部分需要合并的模型材质，可以选中需要合并的多个材质球，单击“合并类似材质”完成合并处理。
(3)三维设计模型几何优化插件
如图4所示，三维设计模型几何优化插件的使用过程如下：
三维设计模型几何体的优化不同的几何面涉及到不同优化算法，所以为不同的三维设计模型几何设计了不同的优化方案；
首先点击“添加”按钮，选择需要优化的模型(切记不要将不同类型的几何体一同选中)；多余的几何体可以选中并点击“删除”剔除；
插件为三维设计模型设计了6类不同的优化方案“线性部件优化”、“柱状部件优化”、“自动UV优化”、“可实例化部件梳理”、“暴力计算”、“模型实例化”，此六类几何优化方案基本可以满足建模遇到的大部分三维设计模型几何减面优化问题，通过高效的插件减面，使重量化的三维设计模型也可以被运用到设备运行三维应用中；
考虑到三维设计模型几何减面优化的繁琐，当建模人员面对几何类型不复杂的三维设计模型，可以直接点击“一键转换(慎用)”按钮来进行减面优化。
实施例
本发明在全生命周期数字孪生应用包括变电站建设、变电设备状态管理应用、电站仿真培训应用、电站仿真培训、输电线路状态管理、架空输电线路六防、线路重要交跨管理。
3.1变电站建设方面的应用
3.1.1变电站选址应用
在变电站设计选址过程中，将野外实景环境在中进行仿真，变电站址多方案比选、设计成果三维展示。设计人员可方便地以二维、三维方式查看和关注区域的地形地貌，结合规划资料等约束条件进行变电站和电源站址的多方案比选，提高工作的可行性和精确性。同时，可以在三维地图上直接叠加土地利用总体规划图等相关资料，直观展示各种规划限制地区，满足在选址过程中，所选站址对其它部门如交通、油田、居民区等规划布局的要求。可在三维环境下直接测量备选站址与各规划区边界的距离，在站址三维地形地貌上叠加显示变电站、电源围墙、架构、进场道路等的相关信息，并可直接基于备选站址进行精确的土石方平衡分析和高精度的规划与设计工作等。
3.1.2变电站建设三维可视化应用
建立变电站三维可视化建设孪生体，孪生模拟变电站及站内设备，实现对变电站设备的物理结构、设备参数等信息的管理，实现电站建设阶段的数字孪生可视化管理。对于变电站，相对于传统的图纸、报告与电子文件，成果移交可实现全数字化、系统模块化、三维可视化等多种独特的形式，提供一套完整的数据管理与分发服务系统，同时将设计用的基础测绘资料、设备信息、设备设施三维模型等数据与信息一并移交给运行单位，使运行单位即刻拥有一套针对变电站的信息管理系统，实现设计与管理的无缝交接。
3.2变电设备状态管理应用
3.2.1设备状态跟踪定位
通过各类设备传感器、环境监测装置以及图像识别等方式，跟踪设备主人关注的电网设备设施，以生命周期为时间轴，在数字孪生体上汇总设备从投运开始，到设备退役状态发生的故障、缺陷、预警、告警、评价、检修等全部大事件的信息。用户可以跟踪到千里之外的电网设备状态。
3.2.2运行风险预警
通过定期触发数字孪生体的自动扫描功能，对变电站数字孪生体内部及外部存在的风险进行扫描，分析得到可能出现的缺陷设备、劣化状态设备、在线监测异常设备、重载设备、老化设备，实时发布这些隐患预判信息，并以多种平台预警方式提醒设备主人密切注意并及时消除真实电网中即将面临的安全隐患，确保真实世界中的电网运行安全稳定。
3.2.3考核指标提醒
根据系统配置的国家电网公司或省公司的生产考核指标，实时扫描数字孪生体将要超时和超标的指标项，自动生成简报并第一时间发送到指标设备主人的移动设备进行提醒，避免发生由于工作紧急而忽略的指标项被考核的情况。并在每月形成考核指标报告，对超标、超时等情况进行汇总分析。
3.2.4专业辅助管理
依据运检专业日常管理工作需求，平台从各应用系统中钻取实时数据,根据定制的模型进行智能统计和自动分析，并调用固化在系统中的专用模板，快速生成完整详实的运行分析报告.将管理人员从繁锁的数据分析工作中解放出米，提高工作效率。
3.2.5操作票验证
在现有系统中制定电站操作规则，并与站内实时数据平台数据互联，实现数字孪生体中的开关状态、设备带电情况与现场完全一致。在每次现场执行操作票之前，可方便的在孪生场景中模拟执行操作票步骤，系统自动根据当前运行方式进行运算，实现对操作步骤正确性的校验以及未来电站设备数字孪生体运行状态动态展示，实现检修方案精准操作票推演，辅助优化检修方案。
3.2.6安措布控环境
利用数字孪生技术能够高度还原真实电网现场环境的特点，在数字孪生中进行工作票作业内容模拟布控以及抢修方案的制定，可实现方案“零成本”预演，有效提高作业人员安全防范能力。同时还可借助构建的孪生场景，辅助管理层掌控检修、抢修现场作业点的设备部署、设备运行状态、气象灾害等真实现场环境信息，提高预演真实性，降低运维安措布控成本。
3.2.7移动作业
在日常设备巡检过程中，利用移动作业设备结合数字孪生体及时了解设备基本信息、历史缺陷信息，备品备件信息，支撑在现场的设备主人与系统、现场作业人员与远程指挥人员的互动。
3.3电站仿真培训应用
3.3.1仿真培训
利用高度还原的三维场景，可实现对换流站新进员工对于设备的认知熟识。可在两票验证模块中对人员进行运检操作模拟培训，以防误操作。利用沉浸式穿戴设备，可逼真还原电网环境，达到真实模拟要求。
3.3.2VR/AR/MR
基于虚拟现实(VR)技术，研发换流站(特高压站)精细化管理系统，搭建三维场景与电网设备物理信息、运行信息、在线监测信息等的实时关联功能，通过配戴VR设备，进行虚拟漫游巡检，远程实时了解电网设备运行状态。
基于虚拟现实(AR)技术和混合现实(MR)技术，研发在实地巡检过程中通过MR智能眼镜扫描电力设备的特定识别图后，叠加显示对应的设备信息或者三维模型的功能。
3.4输电线路状态管理应用
输电线路的运行状态是指整条输电线路在自然环境中全天候耐受正常电力负荷和允许最高输送电力负荷的全工况运行状态。输电线路的状态管理主要包括基础状态管理、杆塔状态管理、导地线状态(缺陷)管理、绝缘子状态管理及附属设施状态管理。
目前为止，输电线路状态管理方面仍采用企业管理、经验管理来开展输电线路的状态管理，欠缺高效率的管理体系与方法。如果使用BIM技术以项目各项相关信息数据作为模型基础，建立输电线路状态管理模型，具有协调、可视、模拟、优化功能，利用其在三维模拟、可视化检查、工程量精确计算等优势，能优化输电线路状态管理效率。
BIM技术应用步骤如下：
输电线路状态管理BIM技术应用分为模型建立、数据集成、技术应用三个主要步骤。(1)模型建立。导入应用国际IFC标准的BIM软件建立的模型，通过数据接口进行交换，一般BIM模型的建立含有关输电线路所有参数信息的三维模型。将3D模型构件与定期扫描时间关联，形成4D进度模型。(2)信息集成。模型建立后，通过信息集成平台对已建立的3D和4D模型进行信息集成，形成多种信息模型，以不同的3D和4D项目管理软件来完成信息集成，实现工程信息共享与数据访问。(3)技术应用。根据项目管理需要和内容，基于BIM技术软件和目前 BIM技术集成的3D和4D模型对输电线路状态进行监控分析，应用在输电线路状态管理上，可建立全息可视的数据档案。
3.4.1基础状态管理
以数字孪生体数据为基础，根据实际情况确定土层、预制件、护坡等情况的变动情况，实现可视化管理。
至今为止，都采用平面2D的管理资料方式。有了计算机以后，可以把平面2D 的表格、图等资料存放到计算机的硬盘中给我们带来了很多便利，但这种2D的管理资料方式没有充分发挥计算机的数据化管理的优势。另一方面，当前的检测主要依靠巡检过程中的目视方法，看基础是否存在开裂或结构性损伤，以此判断基础状态，评估风险。这种方式存在一定的主观性，并且不能准确反映基础的形变过程，也较难做到与基础初始状态的对比，只有在基础发生较为明显变化的情况下，才有可能观察到基础状态存在问题。虽然BIM技术三维地质建模是一个尚不成熟的领域，但可进行简单地形模拟。
3.4.2杆塔状态管理
以数字孪生体数据为基础，与实际情况进行对比，标明杆件完整情况、杆塔倾斜情况、塔材腐蚀、是否有鸟窝及位置等情况，实现可视化管理。
常规电力线路巡视技术主要包括人工巡视和直升机巡视两种方式。人工巡视方式为由巡视人员手持摄像机、红外热成像仪等设备，步行或驱车至每个杆塔处依据巡视手册规定的内容进行输电线路运行状态的监视记录。一般含日常巡视作业、红外测温作业、防污闪特训作业、防风防汛特训作业等。直升机巡视是指直升飞机沿输电线路飞行，工作人员用肉眼或机载摄像设备观测和记录沿线异常点的情况。
以上的巡检质量主要取决于工作人员专业技能。我国对于电能需求量较高，同时我国大多数城市正在积极创建中，城市化建设不断深入性开展，造成我国架空输电线路所拥有数量在快速提高，这种情况下架空输电线路巡视工作量及难度在快速提高。要是还使用传统人工巡视工作方式，架空输电线路日常工作难以得到有效保证，最为有效的方式就是将先进科学技术引入到架空输电线路检测中。为解决巡线难题，人工巡视或直升机巡视时，利用BIM技术对杆塔建立全息可视化数据档案。
3.4.3导地线状态(缺陷)管理
以数字孪生体数据与实际情况进行对比，标明导地线断股的位置、导地线防振锤滑移情况等，实现可视化管理。
导地线的状态由若干个状态量决定，这些状态量的重要程度各不相同。导地线共7个基本状态量：架空输电线路断股数情况；地线损伤锈烛情况；导地线弧垂偏差情况；导地线相间弧垂偏差情况；同相子导线弧垂偏差情况；导线连接器和地线连接器情况；导地线强度试验值情。
3.4.4绝缘子状态管理
基于数字孪生体与实际情况进行对比，标明玻璃绝缘子残锤位置、合成绝缘子及金具情况等，实现可视化管理。
绝缘子的状态由若干个状态量决定，这些状态量的重要程度各不相同。绝缘子共6个基本状态量：绝缘子表面情况；爬电比距是否符合污秽等级下的爬电比距数值要求情况；瓷质绝缘子零值率和自爆率情况；合成绝缘子破损、龟裂、老化情况；锁紧销情况；钢脚弯曲松动情况。
利用BIM技术对输电线路建立输电线路及绝缘子的3D全线绝缘子状态模型，当发现玻璃绝缘子残锤及合成绝缘子破损、龟裂、老化、金具损坏等情况时，可在 3D导地线状态模型上标定受损绝缘子及金具损坏的位置及地理位置，在后台的可视化可浏览的画面标明受损绝缘子及金具的位置及地理位置，实现可视化管理。
(2)维修、改造前和维修、改造过程中每个阶段都用BIM技术记录改造过程的数据，需要重新建立4D模型，更新数据记录，并保留大修、改造记录。通过长期的信息的收集及量化可评估维修、改造后的状态。
3.4.5附属设施状态管理
基于设计提交的扫描结果，与实际情况进行对比，标明杆号牌情况、地面警示标志、防撞设施等情况，实现可视化管理。
3.5在架空输电线路“六防”中的应用
针对特高压重点通道需要做好线路风险管理的相关工作，尤其是密集输电通道更是线路专业管理的重中之重。
3.5.1外破(山火)风险管理
数字化设计成果中包含了通道周边状况的描述，通过对通道周边环境的建模，有助于评估发生外破(山火)防火的风险。
3.5.2风偏跳闸的风险管理
利用数字化设计成果，能够对耐张塔的跳线和直线塔的空气间隙进行建模，进而可以对线路抗风偏跳闸能力进行校验，尤其适合抗飑线风的能力计算。台风风险判断可分为两部分考虑，首先通过风速预警模型判断，由气象台提供的台风信息和风圈内可能受影响线路的设计风速进行比较判断，由于设计风速是由城市风压图确定，是线路宏观上整体上的可承受最大风速，对于是否发生风偏故障，所以还需要进行风偏角判断。
3.5.3雷击跳闸的风险管理
利用数字化设计成果，能够同时获取杆塔和地形的三维信息，因而可以更为准确的实现每基塔的防雷水平计算，进而可以对线路雷击跳闸风险进行估计。
输电线路一般穿越多种不同的地形，其遭受的雷击次数是存在显著差异性的，不仅关乎地形，地貌不同，受雷击的次数也会不同，平原地区内建筑区与植被区的雷击次数就明显不同，所以可以根据三维地形数据来进行地形坡度坡向分析，以此为基础分析雷击跳闸风险，分析结果可以作为雷击跳闸风险管理的决策依据。
3.5.4污闪的风险管理
利用数字化设计成果，能够对每基塔进行外绝缘数字化建模，进而可以对线路抗污闪能力进行校验。
本项目考虑绝缘子积污过程，以有效积污天数来作为污闪风险预报的依据。
污闪风险预报流程：分别按日雨量监测数据和旬雨量预报数据每日、每旬计算计至本日(旬)的连续雨日累计雨量,计算溶失系数k，再计算有效积污干日数数据，当某地区有效干日数达到报警值时，对该地区内线路发出相应报警信息，网格内线路进入线路风险集。
3.5.5冰害的风险管理
利用数字化设计成果，能够建立线路连续档的状态方程，进而实现线路抗冰能力的校验，结合环境建模还可以实现舞动风险的评估。
我国电力行业发布的《电力工程气象勘测技术规程》(DL/5158-2002)就是由西南电力设计院组织编制的，其中对冰区划分的原则进行了简要规定。将冰区化分为无冰区(0mm)、轻冰区(5～10mm)、中冰区(10～15mm)、重冰区(15～ 20mm)、较重冰区(20～30mm)和特重冰区(40mm以上)。DL/5158-2002中还规定了冰区划分的依据主要包括：①线各点设计冰厚及相关要素(覆冰种类、各订正参数)计算分析结果；②覆冰成因及影响覆冰的气象条件分析结果；③区域气象站、观冰站覆冰计算分析结果；④地形条件、海拔及植被分类的结果；⑤气流走向与线路走向分段归类结果；⑥沿线附近已建电力工程和邮电通信线路设计冰厚取值及运行、维护情况；⑦邻近区域冰雪灾害记录或报告中的覆冰分析结果。
3.5.6鸟害的风险管理
利用数字化设计成果，能够建立杆塔串型的鸟害模型，结合鸟类分布图，可以实现鸟害风险的评估。
3.6在线路重要交跨管理中的应用
利用数字孪生成果，可以推算架设时的应力，进而校准线路状态方程，实现弧垂的三维准确计算，支撑重要交跨的风险管理。
线路交叉跨越指架空电力线路的路径通道内有铁路、公路、电力线路、通讯线等障碍物，导地线从障碍物上方跨越或从障碍物下方穿过。
随着输变电工程设计向数字化方向发展，数字化设计成果在电力建设领域已经呈现出巨大的价值。国网上海市电力公司基建部、设备部为了落实基于数字孪生技术的基建运行数据贯通试点建设情况，将输变电工程在建设阶段的海量信息完整有效地传递到生产、运维阶段，实现输变电工程的数字化移交成果在电网全生命周期中的共享，推动输变电工程移交向着数据化、三维化、智能化的方向发展，满足电智能运维管控的需要，决定以220千伏朱松站为试点开展基于数字孪生技术的基建运行数据贯通，为未来输变电工程的数字化移交打下坚实的技术基石。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，该方法包括：
基建运行数据贯通；
对基建运行数据贯通的评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的基建运行数据贯通包括基建三维模型的几何转化以及基建三维模型的材质优化。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的基建三维模型的几何转化包括截面挤出类型构件转换和线缆或软管类型构件转换。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的截面挤出类型构件转换具体为：
在BIM模型中，构件的生成方式与max中的挤出命令相同，依照构件生成长短的差异，Revit导出编辑多边形构件面数位3ds Max软件中以同样方式生成的可编辑多边形面数的数倍至数百倍，则有：
(1)依照模型结构及名称，获取挤出类型构件第一段字符，并输入Script脚本中，由脚本选出所有挤出类型构件；
(2)依次选择单个构件，转换为可编辑多边形，然后删除首尾两端以外的其他面，并使用桥接或挤出命令对模型进行重新构建；
(3)对所有优化后的构件重新设定平滑组。
5.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的线缆或软管类型构件转换具体为：
在Revit导出模型中，线性构件被转换为可编辑多边形，Revit导出编辑多边形构件面数为3ds Max软件中以样条线方式生成的可编辑多边形面数的数十倍至数万倍，则有：
(1)测量线性构件截面直径获得数据R，依照线性构件转折处顶点数值，定义线性构件线缆转折处最小顶点数值N，测量线性构件转折点之间的距离，定义最小转折距离阈值L；
(2)将线性构件几何体由可编辑网格转换为可编辑多边形；
(3)索引几何体元素的所有顶点集，依照距离首顶点的距离进行排序；
(4)从顶点集中依次选出转折处顶点中心值；
(5)依照算法获取到的转折处顶点中心值集，选择相互之间距离大于L的点，重新生成样条线；
(6)设置样条线的长度、分段和材质。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，从顶点集中依次选出转折处顶点中心值的判断依据为：
顶点集合中相互之间距离不大于R且集合中元素数量不小于N的子顶点集。
7.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的基建三维模型的材质优化包括材质对应转换以及BIM材质转换Standard材质球。
8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的材质对应转换具体为：
在BIM模型导出模型中，所有几何体的材质类型均为Autodesk Material类型，其材质信息中包含材质球名称，据此在BIM模型导入3ds MAX软件后，在3ds MAX软件中建立材质库，并根据材质球名称建立对照关系，在进行标准命名后，批量根据材质球名称，使用材质库中的材质球替换导入材质球，并重新赋予几何体UVW贴图坐标，以达到提升模型美观度的效果。
9.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的BIM材质转换Standard材质球具体为：
对其他未进行标准命名且无法进行材质自动化替换的材质球，为保证BIM模型色彩效果在max中正常展示，对材质球中的RGB色值进行提取，并使用新提取到的色值生成3ds MAX所使用的Standard材质或者对应特定的纹理贴图，进一步结合BIM模型的属性信息读取对象的特征信息来精确对应纹理贴图。
10.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的基建运行数据贯通方法，其特征在于，所述的评估基建运行数据贯通包括数据贯通效率、基建运行移交数据以及基建运行数据融合工具，所述的基建运行数据融合工具具体包括三维设计模型结构重构插件、三维设计模型材质优化插件以及三维设计模型几何优化插件。
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