Создание «интеллектуальной» 3D-модели действующей электроподстанции на основе данных наземного лазерного сканирования

Многие проектные организации, внедрившие технологию пространственного моделирования и работающие над проектами по реконструкции и модернизации промышленных площадок, сталкиваются с проблемой отсутствия необходимой исполнительной документации. Для решения подобных задач ЗАО «Геостройизыскания» успешно применяет технологию наземного лазерного сканирования. Сегодня это наиболее оперативный и точный метод сбора пространственных данных по объекту, имеющему большую площадь, сложную геометрию или насыщенному оборудованием и конструкциями. На основе полученных данных (облаков точек) мы создаем любые чертежи — от планов и разрезов до загруженных трехмерных моделей промышленных площадок.

В прошлом году к нам обратилась организация, работающая в сфере проектирования электросетевых объектов, с предложением выполнить работы по наземному лазерному сканированию территории действующей электроподстанции ПС 220кВ с целью создания ее геометрической трехмерной модели с отображением сети подземных коммуникаций и модели внутреннего устройства здания ЗРУ (закрытых распределительных устройств), которая послужит основой для проектирования и реконструкции. В процессе переговоров выяснилось, что проектировщики используют в своей работе САПР Model Studio CS ОРУ. Данный продукт предназначен для разработки компоновочных решений в трехмерном пространстве открытых распределительных устройств, содержит библиотеку оборудования и позволяет выполнять расчеты гибкой ошиновки ОРУ, выпускать проектную и рабочую документацию. От нас поступило встречное предложение: создать «интеллектуальную» трехмерную модель объекта в формате данного программного обеспечения.

Рис. 1

В первую очередь в качестве подготовки к проекту был собран материал: технические характеристики оборудования подстанции и электрические схемы, которые были необходимы на дальнейших этапах обработки данных.

Следующим шагом стали полевые измерения, которые мы традиционно начали с рекогносцировки территории объекта и создания планово­высотного геодезического обоснования. Рекогносцировочные работы заключались в ознакомлении с участком сканирования, поиске геодезических опорных пунктов, уточнении проекта сети съемочного обоснования и выборе мест стоянок сканера. Сеть планово­высотного обоснования создавалась от пунктов геодезической сети, расположенных на подстанции, чтобы привязать данные сканирования к местной системе координат.

Сканирование территории подстанции мы выполняли системой GLS­1000 фирмы Topcon (рис. 1). Управление сканером осуществлялось с помощью портативного компьютера со специализированным программным обеспечением Topcon ScanMaster. Хотелось бы отметить, что помимо оперативности сбора данных важным преимуществом использования систем наземного лазерного сканирования является выполнение измерений дистанционно, что особенно актуально на действующих подстанциях и площадках открытых распределительных устройств, где рабочий процесс протекает в непосредственной близости от опасного высоковольтного оборудования.

В устройство сканирующей системы встроена цифровая видеокамера, которая позволяет осуществлять предварительное наведение на объекты съемки, а также получать панорамные фотографии территории. Такие фотоданные могут использоваться автономно, без специализированного программного обеспечения, по ним можно провести визуальный осмотр объекта, а также, не выезжая на место, оценить состояние территории на момент съемки.

Сканирование больших объектов, как правило, выполняется в несколько сеансов, поскольку все поверхности не видны с одной точки наблюдения. В данном случае сканирование территории подстанции осуществлялось с 76 стоянок, площадь работ составляла примерно 7 га.

Места установки прибора и плотность сканирования выбирались таким образом, чтобы исключить «невидимые зоны» и при моделировании не возникло затруднений с распознаванием элементов оборудования. Для объединения отдельных сканов (скан, или облако точек, — результат одного сеанса сканирования) в единое геометрическое пространство использовались специальные мишени, установленные в зонах перекрытия. Для автоматического и точного сведения облаков точек должно быть не менее трех общих мишеней. Для привязки данных к существующей геодезической основе (к местной системе координат) координаты мишеней определили от пунктов сети созданного планово­высотного обоснования при помощи электронного тахеометра. Таким образом, сведение облаков точек в единое пространство модели происходило по координатам мишеней, полученным в результате уравнивания тахеометрических измерений. После уравнивания и сведения полевых измерений (первичная обработка данных) мы получили трехмерную модель подстанции в виде облака точек с точностью 9 мм (рис. 2).

Рис. 2

По итогам работы мы должны были представить 3D­модель не только надземной части объекта, но и сети подземных коммуникаций, поэтому в состав полевых работ входили их поиск и картирование: обследование и замеры колодцев, съемка кабелей и трубопроводов при помощи трассоискателя, координирование колодцев и поворотных точек коммуникаций при помощи электронного тахеометра.

После сбора всей необходимой информации и полевых измерений мы приступили к камеральной обработке, цель которой получить трехмерную модель подстанции с коммуникациями в программном комплексе Model Studio CS ОРУ. Данная САПР работает на базе AutoCAD, который не позволяет загрузить и обработать большое количество облаков точек, поэтому в первую очередь в программе для обработки данных сканирования мы создали трехмерные модели объектов оборудования станции: трансформаторов, масляных выключателей, разъединителей, молниеотводов, опор ЛЭП и т.д. Высокая детализация отображения устройств не требовалась, так как это могло значительно увеличить «вес» итогового файла, что затруднило бы работу с ним. Далее каждую модель оборудования мы импортировали в Model Studio CS ОРУ и наполняли необходимой информацией в соответствии с условиями технического задания: наименование оборудования, завод­изготовитель, технические характеристики и пр. Соответствующим элементам устройств назначили «узлы» — контакты для подключения проводов. Каждый вид оборудования с техническими параметрами загружался в библиотеку Model Studio, поскольку исходный каталог программы не содержал устройств, установленных на данной подстанции.

Вторым этапом обработки облаков точек было создание модели земной поверхности на территории подстанции. Элементы рельефа, растительность, дороги мы отобразили отдельными участками в виде mesh­поверхностей (сети треугольников) и разнесли по слоям. Точность построения модели рельефа соответствовала точности топографической съемки масштаба 1:500.

Рис. 3

Mesh­поверхности территории объекта мы загрузили в Model Studio и, используя созданную библиотеку, разместили параметрические модели ОРУ в соответствии с их положением в пространстве. Моделированию подлежали и закрытые распределительные устройства, установленные в одном из зданий. Далее все устройства мы соединили системой проводов с заданными техническими характеристиками (рис. 3).

В результате была получена трехмерная модель территории подстанции и внутреннего устройства ЗРУ, все элементы которой наполнены техническими параметрами оборудования и связаны между собой проводами (рис. 4).

Рис. 4

Сеть подземных коммуникаций мы моделировали отдельно в формате программы AutoCAD, отображая все элементы в виде твердых тел и передавая их геометрию и положение в пространстве (рис. 5) На последнем этапе 3D­чертеж подземных коммуникаций мы подгрузили к основной модели подстанции в Model Studio CS ОРУ (рис. 6).

Рис. 5

Рис. 6

***

Мы использовали один из наиболее эффективных, точных и оперативных методов сбора пространственной информации — метод наземного лазерного сканирования. На основе полученных данных были созданы «интеллектуальная» пространственная модель подстанции и модель подземных коммуникаций в формате ПО Model Studio CS ОРУ. Полученная трехмерная документация была адаптирована под специализированную САПР проектировщиков. Она позволяет выполнить любые геометрические измерения, сформировать и выпустить рабочую, проектную документацию, выполнить необходимые расчеты по гибким ошиновкам ОРУ, а также, если необходимо, модель может использоваться в других программных продуктах, которые позволяют работать с чертежами, созданными на базе платформы AutoCAD.

Технология лазерного сканирования применяется в России на протяжении уже нескольких лет и с каждым годом приобретает всё большую популярность, так как преимущества ее использования очевидны. А сканеры становятся всё более точными, обеспечивают большую скорость и дальность измерений. Компания ЗАО «Геостройизыскания» применяет в своей работе самое современное оборудование и программное обеспечение, разрабатывает новые решения и методики обработки данных, что позволяет снижать стоимость работ, улучшая качество и точность получаемых результатов. Итог нашей работы — это готовая к применению цифровая информация, учитывающая пожелания и потребности клиента.

САПР и графика 4`2011