基于AR技术的地下电力管线三维可视化应用

马晓兰，王东源，诸正彦，王裕东，边琳琳，吴辰斌

（国网上海市电力公司电缆分公司，上海 200072）

随着现代化进程的发展，我国电力需求快速、持续增长，城市电网配置也不断从架空线供电网向电力电缆供电网转变。如何将地下电力管线的各类测绘数据精准、高效地运用到现场工作中，提升地下输电电缆的运维管理能力逐渐成为上海电力公司的工作重点。近年来，上海电力公司开发了多个数据平台来整合这些数据，但展现出来的效果仍然是二维平面图形，通过图纸的形式呈现，精确度低，可视化程度差，地下电力管线的埋设深度未能体现，极易出现外破事故。同时，在进行地下管线交底时，通过图纸的相关要素来判定电力管线与地表地物的相对关系误差很大，难以做到精准定位；
在抢修工作中，运维人员经常无法快速精准定位地下管线位置及深度，使得GNSS放样等先进的定位技术无法应用，存在一定的局限性。因此，本文研究了一种精确的地下管线三维可视化应用，提高了运维人员的工作效率和管理水平，进一步推进了上海电力公司数字化电网转型工作。

目前，上海公司业务运营管理中台数据已经正式上线运行，但仍停留在原有的纸质或者二维地图的层面，对庞大的数据量的挖掘仍有局限性。因此，本文将重点在如何利用中台数据满足基层业务需要方面提出一种较为新颖的数据利用方向，实现地下电力管线的精准定位及三维可视化。

1.1 三维可视化设计思路

本文从数据梳理、三维建模、AR应用三个部分，以中台数据为基础结合跟测数据、设计数据、建模要求进行数据融合，利用Revit专用建模软件对电力管线进行三维建模并挂接相关属性数据，借助AR应用软件及定位设备，实现AR技术在电力管线日常巡视、电力管线交底、电力管线故障抢修中的应用。

1.2 数据源及预处理技术

数据主要来源于业务运营管理中台，从数据梳理的角度主要分新增和既有电力管线两类数据。对于新增电力管线，从中台提取点位、线性数据及属性数据，并同时要求外业跟测时增加边界和高程数据，结合设计数据进行三维建模；
对于既有电力管线，应从已有跟测数据中提取关键点位坐标和标高数据，结合设计资料推算电力管线的平面和高程边界，对于无法推算或者推算中存在矛盾的数据须现场进行物探校核，确保电力管线平面和高程边界准确无误后进行电力管线的三维建模，具体数据流程如图1所示。

本文主要应用Revit参数化建模方法实现底线电力管线的三维建模。根据电力管线敷设的形式可将电力管线分为直埋、排管、隧道、非开挖顶管等类型，因上海公司超高压管线多数采用排管形式敷设，所以本文主要研究排管敷设方式的管线三维建模。排管敷设的电力管线按图2所示流程建进行建模。

2.1 构筑物的建模

新建工井公制常规模型族，根据工井平立剖图纸尺寸画出构件形状并拉伸高度，建制工井垫层、底板、顶板、井壁、井盖模型，对模型尺寸添加可变参数，根据图纸尺寸，新建空心拉伸用于裁剪井壁，生成电缆空洞。再根据中台数据及其他辅助数据推算出管道方沟顶面中线，在CAD中以3Dpl线绘制，在Revit新建项目文件，将CAD线型导入项目中，利用放样的形式，根据图纸中方沟标高、尺寸、形状、走向等放样出方沟模型。最后根据图纸尺寸建立公制常规模型族，利用拉伸放样等形式创建支架模型，并放置于工井，调节支架位置和支架间距，生成支架族模型，如图3所示。

2.2 电缆的建模

电力电缆采用软管的形式建制模型，根据支架位置设置电缆节点，两节点间增加一个顶点，作为电力电缆弧形敷设形式的拉伸点。

2.3 模型的碰撞检测、查漏补缺

因建模工作大多数在一个工作集且多人协作完成，最终输出模型前需要对模型进行空间拓扑关系检查，防止模型存在叠加、交错、脱节等现象。

2.4 电力管线及附属物属性录入

根据业务运营管理中台的电力管线的属性信息结构在建模软件中创建属性表，将中台电力管线属性逐一录入。

由于建立的电力管线三维模型坐标与最终AR展示所用GNSS定位设备使用的坐标存在不同，因此需要经过坐标系转化来实现最终的AR应用。

3.1 布尔萨模型建立WGS-84与模型地理坐标系的转换

电力管线的模型一般是基于上海城建坐标系或者国家2000坐标系，而GNSS定位设备基于WGS-84坐标系，要使物理世界、GNSS设备、电力管线的模型实现融合，必须求解坐标转换关系，布尔萨模型是最经典的求解方法。要想将两坐标系完全重叠，会产生3个平移分量、3个旋转分量以及尺度因子，通过一定的点对求解方程：

得到两坐标系转换的参数。

3.2 曲面拟合建立WGS-84椭球高与吴淞高程系统的转换

因最终AR展示时需要用到基于WGS-84系统得GNSS定位设备，其高程是采用大地高（椭球高），而上海地区正常使用是正常高（吴淞高程），同一点存在高程异常，并随经纬度变化而变化，详细如图4所示。要使GNSS定位设备、电力管线三维模型、物理世界等三者统一，必须建立水准模型，将三者纳入统一的高程系统。

大地高（h）为地面点沿法线方向到参考椭球的间距；
正高（H）为地面点沿重力方向到大地水准面的间距；
高程异常（N）为似大地水准面到参考椭球面的间距；
大地高、正常高、高程异常关系式：

求解两个高程系统的关系一般通过高程系统拟合来实现，高程系统拟合方法很多，根据现有相关规范一般采用曲面拟合，其完整公式如下：

一般小范围内地形起伏不大，取公式(3)的前三项进行平面拟合即可，本实验选择试验段范围较小，且上海整体起伏不大，平面拟合完全可以满足本实验的精度要求。在本实验段周围选择3个以上点WGS-84坐标（根据实验区域的大小选择点数）在上海市测绘院平台上求解相应的吴淞高程，并建立以下回归方程：

当公共点大于3时，按间接平差原理

其中，

计算方程反求系数：α0、α1、α2

建立拟合面方程:

内插GPS点高程异常值ξi

计算GPS正常高：

综上所述，基于AR技术的地下电力管线三维可视化应用将改变传统二维纸质电力管线测绘及展示方式，为地下电力管线向智能化方向发展提供了一种可行方式，实现了物理世界、电力管线三维模型及GNSS位置信息的融合，可在电力日常巡视、现场电力管线交底、电力管线故障抢修等方面进行实际应用，使电力管线与地表地物相对关系一目了然，避免之前因地表高程变化导致管线埋深有误的情况发生，准确定位出电力管线的故障点，提升地下电力管线运维可靠性，提高供电可靠性，减少故障次数与故障时间。