关于VR 数字技术在输电线路设计中的研究

摘要：输电线路 VR 数字技术是对传统输电线路设计的一次飞跃式的技术升级，大大解放、提高了生产力，同时体现了和谐设计、环保设计和可持续设计的先进设计理念。本文主要研究以下几个方面：通过VR 数字化平台建立线路 VR 模型，进行出线规划、对线路路径进行优化。关键词：输电线路；VR 数字技术；三维设计

0 引言

虚拟现实（VirtualReality，简称 VR）也称虚拟环境或人工现实是一种由计算机生成的高级人机交互系统，即构成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境。演练者通过专门的设备可在这个环境中实现观察、触摸、操练、检测等试验，有一种“ 身临其境”之感。VR 技术使设计者处在自已想象的设计空间，如同亲临现场对产品和工程进行设计和布置，这样能够充分发挥设计者的聪明才智，使设计进行的尽善尽美。因此将可视化设计思想运用到架空输电线路设计中是行之有效的。

1.虚拟现实技术软件

现阶段国内广泛使用的三维设计软件是根据电力系统的设计特点，参照国家电网三维设计标准，由三维建模系统、出图管理系统、设备管理系统、项目管理系统、协同设计系统、平台配置系统六大部分组成，对线路等专业提供了快速建模、专业计算、碰撞检查材料统计、标注出图等功能，符合国网公司三维数字交付标准。实现输电线路各专业全三维、真三维协同设计，为输电线路的设计、施工、运维全生命周期管理提供支撑。

2.架空线路设计

2.1 出线规划设计

基于 VR 数字技术，结合远期规划、通道障碍情况，可对线路走廊进行统一规划，明确线路交叉跨越，节约走廊资源，为本、远期线路节约投资，符合国网公司“ 两型三新一化” 的要求。与传统方法利用 ₁： 10000 或1：50000 地形图做的出线规划相比，VR 出线规划具有障碍物全面及直观性的优点，对外沟通方面因其直观性更能取得对方的理解与信任。

2.2 路径的选择及优化

借助无人机摄影技术，地质和水文等资料对障碍物进行标绘。基于三维数字化设计平台，建立了本工程路径方案。利用三维平台上的方案比较功能，可快速实现优化方案与可研方案的线路长度、地形比例、铁塔数量、机械化施工临时道路修筑长度等工程量指标统计对比，进而判断出方案的优劣，方便快捷，准确性高。

2.3 铁塔建模及放样

铁塔模型是指包含杆塔节点信息、杆件信息、挂点信息，并满足《架空输电线路三维设计建模规范》中对模型数据格式要求的三维立体模型。

3.VR 展示模块

3.1 数据导入模块

通过开发软件接口，将三维设计成果进行建模，然后将模型转化为面片模型，再导入虚拟装配环境中，在虚拟装配环境中以这个模型为基础定义交互行为。VR 展示交互模块以信息集成方案为基数核心，利用虚拟装配系统，并利用外设头盔显示器对模型进行立体显示。

3.2 数据处理模块

对于工程敏感点（钻越 500kV 线路、跨越高速等），在系统平台上通过数据处理接口，将敏感点原始数据与谷歌卫片相结合，精细化模拟工程现场地物信息，且在交互设计过程中对线路走向的敏感点进行控制，准确获取线路中线、左右边线、危险点、风偏点等所在位置的精确坐标数据和高程数据。

3.3VR 展示校验模块

在完成线路初步设计后，对线路的难点敏感点进行校验，以确保线路走廊的可行性和合理性，为设计评审阶段提供科学依据。通过三位一体平台软件接口，读取三维设计成果输出的多边形面片模型，再进行装配设计与分析，再利用提供的 VR 设备接收设计成果。

4.关键技术（地形处理前后）

由于地理信息的多样性和复杂性所用数据量极大，三维真实感地图的生成对计算机的图形处理能力提出了很高的要求，基于 PC 机快速生成真实感的三维地图是计算机图形领域的一个挑战性课题。三维真实感地形图的生成所用的原始数据是 DTM 数据，通常的 DTM 坐标系与可视化显示子系统（OpenGL）的坐标系是不同的。因此三维地形图的生成要进行空间三维坐标转换，即将大地坐标的地形数据转换为观察坐标空间的数据。可视化技术和虚拟现实技术的研究，包括软件平台的选择。对图形软件及地理信息系统软件的研究，包括对纹理映射、光照和材质效果、雾化效果以及 OpenGL 显示表等新技术的研究。

5.VR 数字技术在架空输电线路设计中的应用现状

在以往的电力工程设计中，大多以二维图设计为标准，这也导致设计、计算以及绘图不够全面，或出现严重的偏差，导致整体施工不够合理。不过在虚拟现实技术的应用后提高了电力工程设计效率，同时借助虚拟环境改善设计过程中的问题，确保电力工程更符合实际需求，并减少设计过程中的差错。目前来看虚拟现实技术使用非常广泛，相比二维图设计更加直观和明确，更容易满足用户的设计需求，不存在漏改、漏洞等问题，整体设计非常规范，在质量上有很大提高。

6.相比较三维设计，VR 技术的优势

VR 技术能够模拟真实的自然环境，包括风速、覆冰等条件，使业主能够直观地看到导线在不同工况下的表现，以及设计成果的整体效果。无需到达现场即可进行预交桩，避免了因现场环境、天气等因素造成的延误，大大节省了设计时间节省。VR 技术可以突出显示杆塔周围的重点难点区域，帮助施工团队更好地理解设计意图。

VR 技术可以存储设计数据，并与实际运维过程中收集的数据进行对比，帮助运维团队快速发现可能存在的问题和隐患。基于 VR 数字技术实现了测量数据和现实的交汇，模拟了现场实际情况，通过声音、全面感受设计成果，空间感、距离感都会更有层次，这种沉浸感是三维设计难以比拟的。

利用 VR 数字技术设计将克服二维设计和三维设计不直观、作业周期长、工作量大等缺点，提供一种全新的设计方式大大减轻工作人员的工作量、节约投资。VR 数字技术辅助设计的研究与应用必将加速线路勘测设计一体化、智能化的进程，推动线路设计的高速发展。目前我国虚拟现实技术呈现出良好的发展趋势，应用在不同行业和领域中，未来该技术的推广也会更加宽泛。从实际应用来看虚拟现实技术的作用明显，对电力系统发展可以产生深远影响，同时带来一系列的提高、优化。因此虚拟现实技术与电力系统的结合，也将成为其主要的发展方向并实现电力数字化目标，为我国电力行业提供更多发展动力。

参考文献：

[1]管明文，关于三维数字技术在架空输电线路设计中的应用研究

[2]朱岚康，基于三维设计、倾斜摄影、VR 三位一体输电线路设计的研究

[3]王金委，曾学贵，李家稳，张海燕，铁路线路设计中三维可视化辅助设计系统研究

[4]赵常辛，虚拟现实 VR 技术在煤矿安全管理中的应用分析

作者简介：

徐海伟（1983－），男高级工程师，线路电气设计。

张荣铮（1996－），男助理工程师，线路电气设计。

王海滨（1989－），男助理工程师，线路电气设计。