一种基于数字孪生的变电站三维建模设计方法与流程

本发明涉及变电站三维建模及数字孪生，具体为一种基于数字孪生的变电站三维建模设计方法。

背景技术：

1、变电站三维建模是构建数字孪生变电站的核心环节，现有建模方法多依赖于单一类型传感器采集的激光点云或图像数据，并通过直接曲面重建或参数化建模得到变电站三维模型。这类方法难以将设备的静态结构数据与动态运行参数在统一时空基准下进行深度融合，导致生成的模型仅能反映变电设备的外形轮廓，无法表达设备间的空间拓扑约束和连接依赖关系。

2、在模型构建过程中，由于缺少对设备在变电站整体布局中重要程度和空间稀疏度的量化评估，点云采样和曲面重构往往采用全局均匀的处理策略，不能根据设备间真实的几何依赖路径自适应调整模型细节层次。这使得重构出的模型在关键连接区域出现几何失真，设备边界和对接区域的位置连续性与方向一致性难以得到保证，限制了模型在后续工程设计、干涉检测和仿真分析中的可用性。

3、此外，现有变电站三维模型普遍属于静态几何体，不具备融合温度、湿度、电磁场强度等运行环境动态信息的能力。即便能够将环境参数以独立图层或外部数据形式关联，也难以在模型空间坐标节点上与几何结构同步表达，使得模型无法直观反映设备所处工况环境的时空变化，难以满足数字孪生应用中实时状态映射和动态预测的需求。

4、针对上述缺陷，需要解决两方面问题：一是如何基于设备间的空间约束和连接关系建立层次化的几何依赖表达，并以此驱动点云的自适应采样和多尺度几何约束网络构建，从而生成几何准确、拓扑闭合的结构化模型；二是如何在已具备完整设备几何结构的基础模型上，将同步采集的环境运行动态参数按空间位置嵌入模型节点属性中，形成能够同步携带并直观显示环境动态信息的数字孪生体。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于数字孪生的变电站三维建模设计方法，旨在解决现有变电站建模方法无法有效利用设备间几何依赖关系进行差异化建模，以及生成的三维模型缺乏环境动态信息嵌入能力的问题，实现几何结构精准、空间约束一致且具备环境动态感知能力的变电站数字孪生三维模型构建。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于数字孪生的变电站三维建模设计方法，所述方法包括：

3、对变电站场景中的多源异构设备执行空间拓扑映射，将采集到的设备静态结构数据和动态运行参数同步转换为初始三维点云模型；

4、根据初始三维点云模型，提取各设备的相对空间坐标及设备间的连接关系，构建基于空间约束的层次化关联矩阵，所述关联矩阵用于定位设备之间的几何依赖路径；

5、利用所述几何依赖路径对初始三维点云模型执行动态采样调整，从采样调整后的三维点云模型中提取针对每个设备的几何特征集，并依据所述几何特征集建立多尺度几何约束网络；

6、基于所述多尺度几何约束网络，对初始三维点云模型进行逐级细化重构，生成结构化变电站三维基础模型；

7、获取变电站运行环境参数，将所述运行环境参数嵌入所述结构化变电站三维基础模型的空间坐标节点，生成包含环境动态信息的数字孪生三维模型。

8、通过在建模过程中融入层次化空间约束与多尺度几何约束，使得最终的数字孪生三维模型能够准确反映设备间的物理连接与空间依存关系，并同时承载实时运行环境信息，为变电站三维设计提供高精度、高映射一致性的数据基础。

9、作为本发明的一个优选技术方案，所述对变电站场景中的多源异构设备执行空间拓扑映射，包括：从布置于变电站场景中的激光扫描设备、图像采集设备和运行状态监测设备分别获取设备外形点云数据、设备标识图像数据以及设备实时运行参数；将所述设备外形点云数据、设备标识图像数据和设备实时运行参数按照统一时间戳对齐，并对齐后的设备外形点云数据执行空间坐标归一化，将归一化后的设备外形点云数据映射至变电站全局坐标系，生成所述初始三维点云模型。通过时序对齐融合多源异构数据，消除了时间与空间基准的不一致，提升了初始三维点云模型的信息完整性与坐标精度。

10、优选的，所述构建基于空间约束的层次化关联矩阵，包括：从初始三维点云模型中识别每一个设备对应的点云簇，并提取每个点云簇的质心坐标作为该设备的相对空间坐标；根据变电站的物理布局规则，确定各设备之间的线缆连接关系和支撑固定关系，并将所述线缆连接关系和支撑固定关系转换为设备间的连接关系；以各设备的相对空间坐标为对角元素，以设备间的连接关系为非对角元素，构建所述层次化关联矩阵，并在所述层次化关联矩阵中逐层嵌套空间距离约束和连接方向约束，形成用于定位设备之间几何依赖路径的矩阵结构。该矩阵结构深度耦合了设备间的空间拓扑与物理连接特征，为后续的几何依赖传递路径设计提供了量化依据。

11、作为本发明的一个优选技术方案，建立多尺度几何约束网络的过程包括：依据所述几何依赖路径中每一设备的重要等级和空间位置，分别确定每一设备的采样率调整系数，并根据所述采样率调整系数对初始三维点云模型中对应设备的点云执行密度增减操作，得到密度调整后的三维点云模型；从密度调整后的三维点云模型中抽取每个设备的表面曲率、棱边位置和平面法向，将所述表面曲率、棱边位置和平面法向组合为针对每个设备的几何特征集；将每一设备的几何特征集按照该设备在层次化关联矩阵中的层级位置进行分组，并依据分组后的几何特征集在不同尺度下建立设备内部几何约束和设备间相对几何约束，形成多尺度几何约束网络。根据设备的拓扑重要性和空间分布动态调整采样密度，能够在保证关键区域几何特征分辨能力的同时，有效精简非关键区域的点云冗余，提高处理效率并强化多尺度约束网络的结构表达能力。

12、确定每一设备的采样率调整系数的优选方式为：从层次化关联矩阵中提取每一设备所在层级的深度值和连接度值，将所述深度值和连接度值分别归一化后加权求和，得到每一设备的重要等级评分；根据每一设备的相对空间坐标，计算该设备与层次化关联矩阵中所有其他设备之间的空间距离平均值，并将所述空间距离平均值作为该设备的空间位置稀疏度；将每一设备的重要等级评分乘以预设的重要等级权重系数，得到第一加权系数，将该设备的空间位置稀疏度乘以预设的稀疏度权重系数，得到第二加权系数，将第一加权系数与第二加权系数相加后作为该设备的采样率调整系数。通过综合拓扑中心性与空间分布特性来量化采样需求，使得采样调整更符合变电站设备的实际几何依赖分布，提升了后续几何特征提取的针对性和精细度。

13、优选的，从密度调整后的三维点云模型中抽取几何特征集的方式为：对密度调整后的三维点云模型中每一设备对应的点云执行局部邻域搜索，在每个点的局部邻域内拟合最小二乘平面，依据拟合的最小二乘平面计算该点的主曲率和高斯曲率，并将同一设备内所有点的主曲率平均值和高斯曲率平均值作为该设备的表面曲率；高斯曲率平均值可能为正、零或负，分别对应曲面为椭圆点、抛物点或双曲点的几何特征，保留符号信息可完整表征设备的曲面凹凸性与鞍形结构；对点云执行梯度计算，提取点云中法向变化率超过预设阈值的点作为候选棱边点，并对候选棱边点进行连接线追踪，得到该设备的棱边位置；对点云执行主成分分析，提取点云协方差矩阵的最小特征值对应的特征向量作为每个点的平面法向，将同一设备内所有点的平面法向平均值作为该设备的平面法向。所获得的几何特征集完整描述了设备的曲面形态、棱边走向和朝向信息，为多尺度几何约束网络提供了高质量的输入。

14、作为本发明的一个技术方案，生成结构化变电站三维基础模型的过程包括：从多尺度几何约束网络中提取每个设备在当前尺度下的内部几何约束，依据所述内部几何约束对初始三维点云模型中对应设备的点云执行局部表面拟合，生成该设备在当前尺度下的局部细化曲面；将多尺度几何约束网络中设备间相对几何约束映射为所述局部细化曲面之间的对接边界条件，依据所述对接边界条件将所有设备的局部细化曲面拼接为整体细化曲面；对整体细化曲面执行网格化处理，生成具有拓扑连接关系的结构化网格模型。采用多尺度约束驱动逐级重构和全局拼接，能够使最终生成的三维基础模型在曲面连续性与几何相容性上满足工程设计要求，清晰表达设备本体形态及相互间的连接关系。

15、进一步地，生成局部细化曲面的过程优选包括：从多尺度几何约束网络中提取当前设备在当前尺度下的表面曲率约束、棱边位置约束和平面法向约束，并将所述表面曲率约束、棱边位置约束和平面法向约束组合为当前尺度内部几何约束集合；依据所述约束集合，从初始三维点云模型中选取当前设备对应的点云，并按照所述表面曲率约束对选取的点云进行双三次b样条曲面拟合，得到初步拟合曲面；将所述棱边位置约束和平面法向约束作为边界限制条件施加到初步拟合曲面上，通过调整初步拟合曲面的控制点坐标使曲面在棱边位置处满足位置连续性和法向连续性。通过棱边强制性约束和法向一致性控制，局部细化曲面在保持平滑过渡的同时能够准确复原设备的尖锐几何边缘，提升了设备模型的几何保真度。

16、进一步地，拼接整体细化曲面的过程优选包括：从多尺度几何约束网络中提取每两个相邻设备之间的相对位置约束和相对朝向约束，并将所述相对位置约束和相对朝向约束作为所述两个相邻设备的局部细化曲面之间的初始对接边界条件；根据初始对接边界条件，计算第一个设备的局部细化曲面的对接边界上的第一边界点序列和第二个设备的局部细化曲面的对接边界上的第二边界点序列，通过最小化第一边界点序列与第二边界点序列之间的空间距离，优化所述初始对接边界条件，得到优化后的对接边界条件；依据所述优化后的对接边界条件，将相邻局部细化曲面的对接边界进行对齐缝合，并在缝合处对网格顶点进行合并和重新三角化，逐步完成全站设备曲面的统一拼接。通过边界优化与网格重三角化，消除了拼接缝隙与拓扑不一致，使整体细化曲面具有连续的空间布线和完整的拓扑结构。

17、作为本发明的一个优选技术方案，生成包含环境动态信息的数字孪生三维模型的过程包括：从变电站部署的环境传感器中采集温度参数、湿度参数和电磁场强度参数，并将所述温度参数、湿度参数和电磁场强度参数按照采集时刻与结构化变电站三维基础模型的空间坐标节点进行时序对齐；将对齐后的温度参数、湿度参数和电磁场强度参数分别映射至结构化变电站三维基础模型中对应空间坐标节点的属性字段中，形成携带环境动态信息的节点属性集合；根据各空间坐标节点的节点属性集合，更新结构化变电站三维基础模型的显示参数，生成所述包含环境动态信息的数字孪生三维模型。由此使三维模型不仅承载几何与拓扑信息，还能实时反映变电站现场的温度、湿度和电磁场分布，实现对物理变电站运行状态的动态可视化和同步映射。

18、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

19、通过从初始三维点云模型中提取各设备的相对空间坐标及连接关系，构建基于空间约束的层次化关联矩阵，可以准确描述设备在变电站空间中的层级依赖和几何连通路径。该矩阵将空间距离约束和连接方向约束逐层嵌套，明确了每个设备在整体结构中的几何依赖路径。基于这一几何依赖路径，进一步计算出每个设备的重要等级评分和空间位置稀疏度，并据此生成采样率调整系数，对点云执行差异化的上采样或下采样操作。这种采样方式能够对处于关键连接部位且空间密集的设备保留更多几何细节，对孤立且冗余度高的设备适当简化点云，从而在提升重构效率的同时，有效避免了重要几何特征的丢失，克服了均匀采样策略下细节损失与数据冗余并存的缺陷。

20、在获得密度调整后的点云数据基础上，从每个设备的点云中抽取表面曲率、棱边位置和平面法向，组合形成几何特征集，并按照层次化关联矩阵中的层级分组建立多尺度几何约束网络。该网络分尺度定义了设备内部的曲率、棱边、法向约束以及设备间的相对位置和朝向约束。在逐级细化重构过程中，利用设备内部约束对点云进行局部双三次b样条曲面拟合，并通过棱边约束和法向约束调整控制点，保证曲面在棱边处满足位置连续性和法向连续性；再依据设备间相对几何约束，将相邻设备的局部细化曲面在对接边界上进行对齐缝合，优化边界点序列的空间距离并完成网格顶点合并与重新三角化，形成整体结构化基础模型。该过程将模型的几何精确性和设备间的拓扑一致性统一在同一多尺度约束框架内，重构得到的结构化网格模型在设备棱边、曲面过渡及设备接口处均能保持准确的几何关系，避免了常规建模方法中拼接错位和缝隙问题。

21、在结构化变电站三维基础模型之上，从部署于变电站的环境传感器中采集温度、湿度、电磁场强度等参数，并按照采集时刻与模型的空间坐标节点进行时序对齐，将环境参数分别映射到对应节点的属性字段中，更新节点显示参数。由此生成数字孪生三维模型，使得变电站的每一个空间位置节点同时携带几何形状和动态环境属性，能够实时呈现设备所处位置的工况环境变化。这种将环境动态信息深度嵌入模型空间节点的方案，使数字孪生模型具备了直接反映和可视化变电站多物理场分布的能力，可应用于状态监测、故障预测及运行仿真等场景，弥补了传统静态三维模型缺乏动态环境信息的不足。