基于可视化的塔基断面自动化成图系统的研究

乔金海，王以磊，贾士军

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 概述

电网输电线路工程项目日益增多，特别是高压、特高压送变电工程正在全面展开，对输电线路的勘测设计工作提出了更高的标准。勘测工作包括外业和内业两个方面，任务非常繁重，容易出现内业的质量问题，而特高压线路的高标准使得这一问题更加严重，因此研究内业自动化生产方法对提高工作效率、改善成果质量、节约生产成本具有重要的意义。

线路测量外业主要是线路平断面测量和塔基平断面测量，内业主要是绘制线路平断面图和塔基平断面图。可以看出，塔基断面图是线路测量工作中的一项重要内容，是合理配置铁塔高低腿、高低基础以及确定土石方开挖等的重要依据。本文立足于线路测量的需要，探讨塔基断面图自动化生产的流程和方法，研发可视化操作方式的自动化塔基断面成图系统。

2 塔基断面图现状分析

塔基断面图是高压架空送电线路测量工作的重要环节，在广泛使用长短塔腿和不等高基础的今天，为了降低造价、保护环境、减少塔位的土石方开挖量，便于正确确定施工基面、选择合适的接腿和基础形式。线路结构专业根据线路的电压等级、地形条件以及不同的塔型要求测量人员测绘塔基断面图。

塔基分为直线塔和转角塔，如图1，两者构成要素完全一致，包括：中心桩O；四个塔腿A、B、C、D；两塔腿角平分线方向AB、BC、CD、AD；线路后退方向为0度。直线塔与转角塔的不同之处在于塔腿的角度，直线塔腿角度A为45度、B为135度、C为225度、D为315度。转角塔较为复杂，原前进方向与转角后前进方向的夹角为转角a，利用角平线确定塔腿，左转则要减去转角的一半，右转与之相反，要加上转角的一半，如图1(b)表示左转，A腿角度为45-a/2；B为135-a/2；C为225-a/2；D为315-a/2。塔基断面测量时沿塔腿四个方向测地形的特征点，特高压线路要求测八个方向，除塔腿A、B、C、D四个方向外，还包括AB、BC、CD、AD四个方向。特征点相对于中心桩的距离设为x，高程差设为y，塔基断面图核心要素即是由点T(x,y)构成的折线。

图1 塔基测量构成要素

目前绘制塔基断面主要分为两种方式：纯手工方式绘制、半自动方式绘制。纯手工的绘制方式是将原始数据展绘在CAD中，人工判读或者量取特征点与中心桩的距离x和高程差y，手工记录后，然后在塔基断面图模板中依次连接各点绘制折线，完成各个方向塔基断面折线的绘制。半自动的绘制方式是通过一系列的操作，按一定格式制作中间数据文件，数据文件的主要信息即是特征点与中心桩的距离x和高程差y，然后依据特定格式的中间数据文件编制程序绘制塔基断面折线。这两种方式生成的塔基断面图距离直接出图还有很大差距，仍需要后续的工作。

纯手工的绘制方式工作量非常大，过程单调、枯燥，不但生产效率低下，而且极易出错；半自动的绘制方式虽然可以提高效率和质量，但是非常有限，特别是在制作特定格式的数据文件时需要大量的数据准备及预处理工作，制作过程步骤烦多，过于复杂，同时生成的断面图过于简单，只是塔基断面方向的几条折线，成图后需要大量的后续工作。可以看出，利用现在塔基断面的成图方式，对于测量工作者而言，要么面对大量的塔基测量数据，在判读、记录、输入等过程中难免出现差错，要么在制作特定格式的中间数据文件时进行大量的、复杂的工作，费时费力，容易留下质量隐患。

3 可视化塔基断面成图系统的开发

针对目前塔基断面成图作业模式所存在的不足，笔者提出通过可视化的操作方式自动绘制塔基断面图，开发出可视化塔基断面成图系统，生成的塔基断面图达到了勘测成品的标准，无需编辑便可直接用于工程项目出图，大大提升了成图的效率和质量。

3.1 开发工具

本系统基于AutoCAD提供的开发工具ObjectARX进行开发。ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的编程环境，提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，可直接操作AutoCAD内核数据库结构、图形系统，使开发者能够使用、定制和扩展AutoCAD功能。ObjectARX开发的程序称为ARX应用程序，与AutoCAD自身的功能没有区别，可建立与AutoCAD自身内部命令运行方式相同的新命令。与以往的AutoCAD二次开发工具 AutoLISP 和ADS不同，ARX应用程序是一个分享AutoCAD地址空间并为AutoCAD直接调用的动态链接库(DLL)，运行效率大大提高、功能大大增强。

3.2 数据

现阶段塔基外业测量的作业模式基本是RTK配合全站仪。利用RTK放样确定中心桩及塔腿位置，然后架设全站仪。利用全站仪测量塔基地形，同时RTK采用极坐标测塔基断面，此种配合方式较优。随着这些新技术、新设备的广泛应用，使得测量工作者能够更加高效的完成塔基外业测量工作。

目前，各电力设计部门的架空送电线路勘测的内业工作基本全部采用AutoCAD进行作业。CASS成图软件是基于AutoCAD的测量数据处理系统，在电力勘测中已得到了广泛应用。外业测量数据包含的基本信息是测点编号、平面位置坐标及高程，CASS提供了RTK、全站仪等测量数据导入AutoCAD的接口，利用这些接口可方便快速地将塔基测量数据展绘在AutoCAD图形环境中，以高程点的图形化数据表现。系统处理的数据即是利用CASS软件展绘的高程点数据，本文统称为测点。

3.3 系统设计

3.3.1 流程设计

系统流程设计见图2。

图2 塔基断面成图系统流程

在AutoCAD中执行TJDM命令启动塔基断面系统，此命令为系统开发自定义的命令。首先进行基本参数设置，包括：塔基名称、方向个数、A腿角度、阈值d。塔基名称用于断面图的名称及成图文件名称；方向个数的设置增强了系统的通用性，一般低电压等级只需绘制4个塔腿方向，而特高压需要8个方向；A腿角度用于计算各个塔基断面方向的角度；阈值d用于判断测点是否在塔基断面方向线上的临界值。对于基本参数的设置，系统给出常用参数作为默认设置。

测点集的选择用来确定生成断面图的数据源，是指某一塔基的所有测点。中心桩点O及BC方向点F是用来确定塔基断面各方向的空间信息，系统据此可从测点集中自动筛选出属于塔基断面不同方向的测点。测点集、中心桩点及各方向末点的选择通过鼠标在AutoCAD中进行可视化选取。

在完成参数设置和测点选择后，系统在模板文件中自动绘制塔基断面图，整个过程完全实现可视化操作。

3.3.2 工作原理

ObjectARX开发的应用程序与AutoCAD自身的功能并无差异，通过在AutoCAD中增加菜单或工具按钮运行，或者通过命令运行。启动塔基断面系统后，依次按照提示完成操作即可。系统完全实现了在AutoCAD图形环境下的可视化操作，包括：测点数据展绘；系统运行；参数设置；数据选取。

针对选择的测点集，首先进行数据类型检查，确定为高程点数据。为提高程序运行效率，对测点集一次遍历完成两项核心工作：筛选出塔基断面各个方向的测点；计算筛选出的测点与中心桩的距离x和高程差y，设为点T(x,y)，将其按距中心桩的距离依次存放在数组变量中。通过点O、点F以及塔基断面各方向的几何关系，系统自动查找出塔基断面各方向的末测点。设点O与某方向末测点构成的线段为L，对于任一测点P到线段L的距离设为Dpl，如果Dpl

依据点T构成的数组，利用ObjectARX提供的接口在模板文件中自动绘制出塔基断面折线，并完成显示参数的设置。根据A腿角度及其与其它塔基断面方向的关系计算出各方向的角度，系统将角度与塔基名称等相关信息自动填入到模板文件中，最终结果以塔基名为文件名保存在指定路径下。

模板文件是使系统生成的塔基断面图达到直接出图效果的关键，模板文件与系统存储在同一路径下，系统运行时可自动检索到模板文件。模板文件可以理解为是同一工程塔基断面图中固定不变的内容，如：工程名称、单位名称、图框以及坐标网格等。

图3 塔基断面方向末测点检索及注记

4 系统的应用

溪洛渡—浙西±800kV特高压直流输电线路工程，途经四川、贵州、湖南、江西、浙江五省，线路全长约1688.4km，输送容量约8×106kW。系统应用于该工程2标段(四川瓦房头-四川二郎镇段)，线路全长约139km。塔基外业测量采用RTK和全站仪的作业模式，通过CASS数据接口将测量数据导入AutoCAD，利用塔基断面成图系统的可视化操作便可自动生成塔基断面图，效果如图4。绘制单个塔基断面图在1分钟左右，提高工作效率20倍左右，同时显著改善了质量问题。

图4 塔基断面成果图

5 结论

RTK、全站仪这些新技术、新设备的广泛应用，使得塔基外业测量工作得以高效的完成，然而内业的工作方式没有得到相应改进，使得塔基断面成图的效率相对落后，且容易出现质量问题，本文通过对测量内外业工作的分析，提出了塔基断面图自动化生产的流程和方法，基于ObjectARX开发工具，开发了塔基断面成图系统。在AutoCAD图形化界面下，以可视化的操作方式，实现了塔基断面的自动化成图。系统在溪洛渡—浙西±800kV特高压直流输电线路工程中的应用取得了良好的效果，大大提高效率的同时，显著改善质量问题。本次研究探索了RTK+全站仪+计算机自动化成图的内外业一体化测量作业模式，认为研发基于可视化操作方式的内业自动化成图系统具有良好的应用研究价值。

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