输变电组塔工程施工仿真系统研究与应用.docxVIP

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输变电组塔工程施工仿真系统研究与应用

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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ProE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3DMax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