输变电组塔工程施工仿真系统研究与应用

输变电组塔工程施工仿真系统研究与应用

周义山，彭德林

北京国电通网络技术有限公司，国网信通产业集团， 北京 100085

摘要： 输变电线路钢管塔单动臂组塔施工精度高、技术难度大、安全风险大，输电线路钢管塔本身具有高度高、结构尺寸大、重量重、施工精度和安全质量要求严格等特点，同时又受铁塔施工难度大、危险因素多、施工技术和施工设备更新速度快等因素影响，组塔前都会对施工作业人员进行统一培训。

关键词：输电线路；钢管塔；单动臂；虚拟现实仿真系统

1 前言

为积极响应国家电网公司标准化建设要求，开展1000kV输变电线路钢管塔组立施工技术的标准化和规范化研究，贯彻执行“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，确保施工人员组塔施工安全，做好重要危害点源预防、预控措施和质量通病分析及防治措施。特高压输电线路钢管塔本身具有高度高、结构尺寸大、重量重、施工精度和安全质量要求严格等特点，同时又受铁塔施工难度大、危险因素多、施工技术和施工设备更新速度快等因素影响，组塔前都会对施工作业人员进行统一培训。

2技术研究

2.1系统框架

输变电组塔工程施工仿真系统系统采用图文并茂讲解、视频动画、试题考核，虚拟现实模拟考核和仿真实验等多种手段进行培训。系统功能划分为演练培训和仿真模拟两大部分，[演练培训]从方案简介、抱杆介绍、施工准备、抱杆安装、吊装塔材、拆除抱杆、最后清理场地等整个施工过程进行演示。[仿真模拟]技术人员通过输入相关参数数值（比如起吊重物的吨位、塔台高度）便可实现由计算机自动模拟抱杆吊装场景，在可视化的三维环境中可以实时分析计算起吊绳受力、抱杆最大起重量、起立角度、不平衡力矩和塔材在空中位置等数据，通过对各数据进行分析，有效避免干涉、碰撞等风险，将抽象的概念、复杂的技术、重要的措施、规范的行为用3D虚拟仿真技术进行模拟，直观的展示给施工人员。

2.2 三维模型分析

从三维建模的角度出发，钢管塔属于较复杂的空间桁架结构。它主要由钢管、角钢、节点板、法兰等部件构成。其每个部件都相对简单，且如法兰、插板、螺栓等零件均已标准化。钢管、角钢等材料也有一定规格。所以，在铁塔零件图的基础上编制程序，将标准化的零部件做成三维图形，方便使用时可直接调用。数据库标准件的引用，大幅度减少了铁塔模型的加载。一般未使用标准件引用的铁塔模型约200M左右，引用后模型约40M左右，有效节省了系统空间。

2.3 三维模型创建

铁塔、抱杆、工器具、机具等三维模型都是利用Pro E软件严格按照1:1比例进行建模构造的。首先在参数面板中规划零部件结构（如法兰、插板、螺栓、线夹、挂板等尺寸），通过尺寸值的更改实现零部件结构的变更。然后在视图中创建矩形、圆、直线、曲线等标准基本体，通过拉伸、旋转、扫描、抽壳、打孔及创建基准轴、平面等操作修改模型。模型在装配完成之后进行孔对齐、螺纹连接、面接触等进行全局干涉、局部干涉的零件检查、修改等操作。并用3D Max软件对其进行光影跟踪、纹理和材质贴图等制作，从外观上保证模型逼真和准确。

2.4单动臂组塔分解

分解组塔脚本是以吊装塔脚板、主材、水平材、斜材、片材（包括K型，米字型等）、横担六种典型塔材为例，详细介绍了地面组装、吊点选择、补强安装、对位标识粘贴、起吊绳绑扎、起立过程、受力检查、控制绳调节塔材位置、塔材就位、塔材对接等操作步骤。

针对每种典型塔材，脚本充分考虑了安装过程中可能出现的异常情况，并提出相应合理、有效的解决方案。例如，在斜材吊装的过程中，如果斜材就位空间不足，而无法就位。此时，应首先安装斜材上部就位点处的第一个螺栓，然后使用手拉葫芦将斜材下端靠近塔身，通过调整手拉葫芦长度，缩小斜材下部插板与节点板之间的孔眼偏距。然后使用尖扳手对孔，使下端就位点孔眼对齐。最后在下端两个就位点处同时安装螺栓，完成斜材吊装。

脚本中根据抱杆型号的不同，横担安装的顺序也不完全相同。单动臂抱杆先吊装下横担，再吊装中横担，最后吊装上横担。

2.5虚拟场景设计

虚拟景观的模型设计采用分形算法，实现场景自然景观及模型的优化。在分析场景、三维地形数据等大规模数据的基础上，将单个地形以基于四叉树的金字塔层次结构形式分块，充分发挥图形处理器的性能,提高绘制效率。基于四叉树结构的三角网剖分算法，消除不同分辨率节点邻接处的裂缝，动态实现了一系列地形分块与多级LOD相结合的地形实时绘制，充分利用图形处理器的计算能力,大幅度降低了在显存和内存之间传输的地形数据量,有效地改善了中央处理器和图形处理器之间的并行处理能力,增加了每秒可绘制的三角形总数,提高了渲染效率。大数据场景建模技术是基于分形几何学理论的分形算法，主要包括切变位移法、逆傅立叶变换法、重线性细分法、随机中点迭代法等。物理模型构建算法有：L-系统（Lindenmayer系统，生成3D植被）、迭代函数系统、受限扩散凝聚模型和粒子系统，L-系统可快捷生成植物图形且数据量小。在确保地形真实感的前提下,以上关键技术的应用可以提高三维地形显示的画面质量和显示帧速率。

3.碰撞、干涉检查算法

U3D内置干涉检查算法，其中表面碰撞组件可以对不规则物体之间的干涉进行检查，完全满足干涉检查需求。但是过分进行表面碰撞检查会大量消耗计算机资源，而且不易为物体之间留出足够的安全裕度。表面碰撞组建只有在两个实体表面真正接触之后，才会发出干涉信号。

所以在实际操作中，程序使用多碰撞盒共同构建实体碰撞的方式进行碰撞检查。即在同一个实体上添加多个方形的碰撞盒，以监测不同位置的碰撞信息或检查实体之间是否已经进入安全裕度范围之内，一旦有实体进入被检查实体的安全裕度范围之内，程序就会发出警示。

碰撞盒组建内置算法为简单空间解析几何计算，运算速度快，完全满足多盒碰撞时的检查。

3 技术应用

3.1 总体设计原则

1. 安全性原则

系统建设应遵循《国家电网公司应用软件通用安全要求》的要求加强信息安全防护，系统自身须具备高安全可靠性，并通过采用多种安全机制和技术手段保障系统安全稳定运行。

2. 一致性

严格遵循国网公司信息化“四统一”原则及信息化总体架构的架构遵从原则，使信息系统建设中的设计和实现与其保持一致。

3. 易用性

设计成果能够切实简化用户的操作，增强系统的可操作性及实用性，能够让系统更加契合用户的使用需求。

6 结论

(1)开发了输变电组塔工程施工仿真系统集成与标准化建设，通过培训教室、培训考核模块，全面展示了单动臂组塔施工过程的工艺细节、安全要求、质量措施等内容，使受训人员迅速掌握交底信息，缩短受训人员从入门级到专业水准的时间，搭建了受训人员快速成长的通道。

(2)虚拟现实仿真系统开创了输变电工程可视化、交互性培训的先例，引导了输变电工程施工培训的发展方向，为实现规范化、标准化的培训奠定了基础。

参考文献：

[1] 李庆林,张伯衡,等．架空输电线路施工手册．北京．中国电力出版社,2011

[2]韩崇,吴安官,等．架空输电线路施工实用册．北京．中国电力出版社,2008

[3] 国家电网公司输变电工程标准工艺管理办法，国网基建[2012]1587号

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