计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验.pdf

书书书第 卷 第 期年 月沈阳工业大学学报 收稿日期：基金项目：宁夏回族自治区重点基金项目（）作者简介：张爱军（），男，宁夏中卫人，高级工程师，硕士，主要从事电网规划设计等方面的研究 ：计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验张爱军，白英，邵雪瑾，王新新（河海大学 能源与电气工程学院，南京 ；宁夏宁电电力设计有限公司 变电设计中心，银川 ）摘要：针对当前电力设计行业中存在轻量化三维模型设计校验方法自动化水平较低的问题，提出了一种计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验方法 该方法基于 技术和 技术构建电网工程的三维模型，并引入了改进的 技术完成工程的点云特征拼接重建，在此基础上利用改进深度学习模型 完成三维模型节点的点云语义分割比对，从而实现模型的自动化校验 仿真实验结果表明，采用所提方法在相关模型的自动化校验中取得了较高的精度，且在校验误差方面具有较优的稳定性，因此其在电网工程轻量化三维模型的设计领域具有良好的应用前景关键词：电网工程全寿命周期；技术；技术；模型；深度学习模型；点云语义分割；自动化校验；三维模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；随着我国电力设计行业的发展，输变电工程项目设计过程中诸多创新性数字化技术也逐渐投入应用，并取得了若干探索性成果 在电力设计领域，三维设计已成为了重要的技术应用，同时也令三维交底的重要性越发凸显 国家电网公司指出，在输变电工程的建设施工阶段，以电力三维轻量化模型为代表的三维设计交底成为电力设计领域不可忽视的关键环节 但由于目前三维设计交底的校验水平不足，且缺乏自动化及数字化方法，因此在考虑电网工程全寿命周期前提下的三维设计交底实际完成情况仍不理想输变电工程的三维设计交底与其数据密切相关 电网信息模型（，）的设计标准要求在输变电工程的设计过程中，基于通用模型对电力设备设施开展精细化建模，由此促进建筑信息模型（，）得到充分利用 可以通过与电力设计数据的交互完成对输变电工程设计的数字化管控，从而实现对项目设计的合理协调 然而，仅依靠 完成三维模型校验存在获取数据成本较高且效率偏低的问题 当前主流方法是将点云与 相结合，进而辅助人工完成数据的获取并实现三维模型校验 点云主要是根据属性划分数据，提取点特征后，将所得特征内的三维几何属性输入到分类模型中进行标签分类，从而获得相应的判定结果 等 针对城市激光雷达数据，重点提取像素特征进行比较，并通过随机森林（，）分类器完成特征分类；等 采用具有混合核函数的支持向量机（，）实现对点云特征的语义分类；徐国艳等 针对驾驶障碍物检测的效率问题，通过点云过滤与分割算法完成点云缩减，并利用改进的 算法实现点云特征分类，以提高检测精度 但上述方法主要是依靠大量实验获取的先验知识来人工提取点云特征，并未考虑领域中各点间的关系，故难以避免噪声影响，由此导致结果不稳定 针对此问题，蒋腾平等 在三维点云中引入马尔可夫随机场（，），并结合残差学习（）完成特征的自动提取；而邵磊等 则在考虑多尺度体素的基础上，利用条件随机场（，）实现了点云特征的分类 然而此类方法虽然改善了分类性能，但仍依赖人工设定的规则，对于不同场景的泛化使用性能较弱，未能完全实现自动化应用的目的本文针对当前输变电工程三维设计交底过程中对三维轻量化模型自动化校验水平不足的问题，提出了一种计及电网工程全寿命周期的模型自动化校验方法 该方法在现有研究的基础上分析了三维交底数据的需求，并基于 模型构建输变电工程轻量化三维模型，通过 技术进行相关工程三维点云的拼接重建；同时设计了改进的 模型来实现点云语义的分割，且最终根据节点对比结果完成自动化校验 输变电工程三维设计交底 数据需求分析输变电工程三维设计交底是由相关工程设计单位向建管单位、施工单位进行的设计方案交底在工程全寿命周期中需要依据输变电工程建设的有关规程规范，在考虑整体设计思路、强条反措、施工标准工艺、新设备与新材料使用情况等全寿命周期设计要素的基础上，自动生成工程建设强制性条文库、质量监督检查表模板库以及标准工艺库等 技术可实现三维可视化，并将项目基础数据进行协同与共享，而工程量信息可以根据时空维度、构件类型等进行汇总、拆分及对比分析因此在进行输变电工程三维设计交底时，需要在三维场景中对关键尺寸、角度和材质等信息进行标注并作出必要施工要点的批注，进而为交底过程中数据校验的精确定位提供依据 三维模型数据的标注如图 所示图 三维模型数据标注示意图 输变电工程轻量化三维模型 模型解析技术本文引入 技术来构建相关工程的轻量化三维模型 梳理共性需求，且将可传承性的输变电工程信息加以规范，进而建立统一的模型框架及描述方式，实现不同平台的采集及应用 文件内存储了输变电工程的三维设计成果，包括三维模型和数字化参数 其中电气设备由 交互规范规定的基本图元组成，文件中具体描述了其位置空间与尺寸 变电工程三维设计成果中的土建部分以 格式存储在 文件中 但由于 文件对模型的描述没有 沈阳工业大学学报第 卷文件直观，因此需要研究其对模型位置空间尺寸的存储规则或通过在 文件中引入特殊属性描述的方式，对土建部分模型的位置空间尺寸进行描述，以实现对该部分模型的关键数据提取 三维模型轻量化输变电工程的三维模型复杂程度高且数据规模庞大，为了能在用户终端设备上快速显示三维模型，实现模型的高效浏览和交互，需要研究一种多层次的三维轻量化图形平台 该平台在保证三维模型对象可用性的前提下，还可对原始模型数据进行压缩、过滤及优化，以减少模型的规模、降低内存使用量及加快显示速度在对轻量化算法研究的基础上，为了减少模型渲染过程中的数据传输量，采用三维瓦片处理技术 在服务端将一个大场景切割成不同等级和范围的瓦片 而客户端则根据当前屏幕显示的区域与视角距离进行动态按需获取，并在客户端进行加密缓存及同步更新，从而有效解决网络传输数据量较大的问题，且对性能进行全面优化以往 模拟均依托处理过的模型进行分析，存在信息丢失的问题 而本项目使用国网公司首批试点工程形成的三维数据，并应用 模型以保证结构、模型和属性的完整 所建立的输变电工程轻量化三维模型如图 所示图 输变电工程轻量化三维模型 三维模型点云拼接重建 技术主要通过移动机器人的视觉传感器完成对未知环境的位置估计，是建立语义地图的核心，可直接影响到点云拼接重建的质量 该技术主要由 个单元渐次构成：传感器终端、前端、后端、回环检测以及语义地图 具体分析如下：）传感器终端数据获取 在视觉 中通过负载的视觉传感器终端获取数据并读取完成预处理，进而生成局部三维点云）传感器前端位姿估计 该单元的作用在于当相机发生位移时，通过帧间变换对所获取的每帧图像进行位姿估计，从而得到相机的位移轨迹，以实现即时跟踪 本文采用特征点法完成位姿估计，并通过对特征点的提取和匹配实现对 技术的改进 特征点的提取需要描述图中关键点的坐标信息以及坐标与周围像素的关联性，然后提取图像中的可辨特征，再完成特征点匹配以估计位姿，从而建立稀疏性地图，实现多视角的点云拼接）传感器后端优化 当前端通过位姿估计完成相机初试位移轨迹预测后，考虑到位移中可能存在帧间误差和噪声导致的轨迹偏移误差，采用非线性优化方法来保证位移轨迹最优，进而建立最优语义地图 采用卡尔曼滤波方法完成非线性优化假设问题具有马尔科夫性，按照某时刻输入及观察状态计算现有的后验概率，即（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为先验概率；（）与 （）分别为后验概率和似然概率 可通过后验概率实现寻优最大化，即 （）（）（）（）回环检测 该单元主要用于分析相机位移过程中是否经过同一点位，可通过对比当前与历史的图像帧进行确认 而考虑到对图像直接进行特征匹配会造成计算资源的浪费，故采用词袋结构完成回环检测 同时为了提升区分度，还利用 完成袋中节点的加权 假设总的词条数目为 ，表示某类词条出现的频次，则 可表示为（）与之对应的 为 （）词条 的权重为 与 的乘积，即 （）由此可得到表征全部词条权重的集合 （，），（，），（，）（）依照计算的相似性开展评估，若预测图像与目标图像帧的相似度超过设定值，则判断回环发生的概率较高 为了防范偶发性，还需要完成连续检测才能最终确定，并通过非线性优化消除误差）语义地图建立 在原有项目中增加自建节点，集成 技术中的 ，从而完成点云的重建并建立语义地图 利用各类标签表征物体的类型与坐标，实现精准辨识及人机交互第 期张爱军，等：计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验 三维模型自动化校验 模型原理及改进在二维图像卷积理论的基础上，对三维点云进行 卷积操作 将点云中的某点作为球心，从而构建球状卷积核，并针对核内三维坐标点进行特征整合求解，即 卷积的核心在于核函数的求解首先设定固定半径为 的球状卷积核邻域，并建立 个核心点 ，同时获得 个初始化权重 然后对于核内任意一点 ，核函数 （）可通过加权求和得到，其中求和权重满足 （）（，）（）（）式中：为 和 之间的距离；为预设常量由此，通过 卷积操作可以将输变电工程轻量化三维模型点云的空间分布纳入特征运算中，以解决空间的不连续性问题 同时令该模型获取三维模型的局部特征，进而实现对三维模型的直接性语义学习然而由于 模型在执行卷积时，可能会存在当求和权重所选取的坐标点与核心点距离稍远时衰减较快的问题，因此本文对求和权重的求解公式进行了改进 令 ，则 在（，）范围内满足 ，则式（）可以转换为（）槡（，）（）（）由式（）可知，改进后 由线性转变为二次方根性，当 （，）时，槡，即在一定范围内求和权重的衰减速率随着邻域所选点与核心点距离增加而减少，从而提升卷积核核心点对远距离点云特征的灵敏度，并增加了卷积核的空间利用率，使得输变电工程轻量化三维模型的点云语义分割更为精准 网络结构及改进 网络结构主要由编码器和解码器组成 编码器通过对残差网络进行修改得到，其包含个大小分别为 、和 的卷积模块串联结构，能够实现对输入特征的降维、变换与升维 编码器结构如图所示，图中 和 分别表示输入与输出特征的维度，则表示 卷积层输入和输出的特征维度图 模型编码器结构 解码器主要由 个串联卷积层构成，除了第 层是基于 卷积的坐标点特征提取单元之外，其余均为 卷积的 该解码器结构为：全连接层 卷积层 全连接层，可实现对输变电工程轻量化三维模型电源输入特征的降维、卷积与升维 模型解码器的分层卷积能够有效提升特征维度，在对高维特征点采样后可以基于多个全连接层进行降维，从而获取点云各点的输出特征，最后再根据单个全连接层语义分割的预测值，建立点云的语义模型 但该结构的网络参量是由执行卷积操作时的特征变换矩阵尺寸所决定的，因此当特征维度较高时，参量也将剧增，由此便会导致运算效率显著下降 所以本文对语义模型结构进行改进，采用群卷积方式将 模型的卷积层拆分为 个并行单元，从而将每个单元的输入输出维度变为 ，改进后的结构如图 所示图 模型解码器结构 沈阳工业大学学报第 卷 自动化校验在完成输变电工程三维轻量化模型的点云语义分割后，与三维可视化系统进行连接，通过对国网公司工程三维设计成果数据进行对比完成自动化校验，校验结果示例如图 所示图 自动化校验示例图 自动化校验的主要流程如下：）点云显示 将点云的三维空间映射至系统的二维界面进行展示，以便于对比观察）实景展示 模拟位移和观察视角变动，展示实景及虚拟现实效果）重建验证 基于 技术动态显示工程实景，验证重建过程）语义检测 结合改进 模型与点云显示技术，自动计算语义信息对比结果并通过可视化系统进行展示 实验分析 实验环境为了检验本文自动化校验方法的有效性，采用开源三维语义库 对所提出的改进 模型进行测试 实验数据来源于某省 年 月 年 月的输变电工程三维设计模型数据，实验硬件环境如表 所示表 实验硬件环境 硬件名称配置 内存 硬盘容量 操作系统 深度学习框架 实验结果本次实验的源码基于 版本设计，将数据集按照 的比例划分为训练集和测试集，且每训练完 个 便开始进行测试 其中，个 包含输入点云、定义标签、标签对比、计算损失函数以及反向传播 个步骤设定的模型参数如表 所示，优化器选用随机梯度下降法，分割损失函数使用负对数似然函数表 模型参数设置 参数参数值 上限 球形点云半径选点间距训练集容量 批次大小为了对比改进前后的 模型校验效果，将两种模型均交并比（，）值随迭代次数的波动情况进行对比，所得结果分别如图 、所示图 改进前 模型的性能 图 改进后 模型的性能 第 期张爱军，等：计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验由图、可以看出，改进前 模型 最大值为 ；而改进后模型 最大值则可达 通过对比可知，改进后 模型大幅减少了网络参量，提高了运算效率 而通过 最大值的对比可以看出，改进后模型相比改进前具备更优的校验精度及良好的自动化校验性能，更适用于输变电工程轻量化三维模型的自动化校验 由于 曲线与拟合曲线的对比结果可以在一定程度上表征校验误差 ，为了验证模型校验误差，将改进前后 模型的 曲线与其拟合曲线的均方根误差（）进行对比，所得结果如表 所示 由表 可以看出，改进后 模型 曲线的 低于改进前 模型 曲线的 ，表明改进后 模型的稳定性更好 所得自动化校验结果在三维可视化系统中的展示效果如图所示 从图 中能够清晰地看到三维交底效果较为理想表 模型稳定性对比 实验模型 改进前 模型 改进后 模型 图 自动化校验结果在三维可视化系统的展示图 结论本文提出了一种计及电网工程全寿命周期的轻量化三维模型自动化校验方法 通过分析基于 技术三维设计交底自动化校验的数据需求明确了数据来源，并在 模型的基础上建立了轻量化三维模型，利用改进 技术完成三维点云的拼接重建 通过改进 模型的求和权重求解方法与解码器的网络结构，实现了快速三维点云的语义分割，且最终结合可视化系统完成自动化的校验及展示 实验结果表明，所提校验方法具有良好的校验精度及效率，能够基于 技术完成相关工程轻量化三维模型的自动化校验，有助于施工前三维交底工作的顺利开展，对电网工程的三维设计具有重要意义参考文献（）：林立鹏，郭晋芳，唐继朋，等 基于变电站三维设计模型的进度造价管理 沈阳工业大学学报，（）：（，（）：）陈辰，简季，杨鑫，等 面向输变电工程三维设计模型整合研究 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