0  引  言

变电站三维数字化及时空数据管理模型近年来成为国际电网规划的重大问题之一，基于我国北斗网格编码以及网格数据管理技术的电力时空大数据技术的发展具有迫切的需求。电网变电站作业依赖于人工现场操作，大量时间和人力花费在理解地面复杂环境、人工导航及管控方面，占用了大量的人力物力资源，严重影响变电站规划、建设以及维护的效率。基于网格技术来实现变电站数据和无人巡检的空域管控是新的发展方向。

变电站无人空域智能巡检存在于两个难点，空域环境复杂以及现有的空间目标计算方式复杂。空域环境复杂主要指无人巡检设备运行空间中数据种类多，包括各种航迹数据、场数据等；动态目标难以管理，运动的物体对空间计算的速度提出了更高的要求。现有空间目标计算方式复杂主要指大多数的空间目标相对位置计算需进行空间实体两两比对，或需要计算复杂的曲线方程；其次，各个动态目标之间都需要进行计算，随着动态目标数量的增长，计算次数将呈指数型增长；最后无人巡检设备作为高动态目标，需要保持实时计算，计算代价很大。

变电站三维数字化规划与设计系统是基于GIS系统、三维空间技术、电力BIM而构建的智能数据管理与规划系统。系统以完整的电网现有数据、地理信息为基础，充分整合现有各类规划资源，实现变电站的数据管理、智能规划、配套资源整合、无人巡检等。最终可以加快数据管理、规划设计质量，减轻管理规划的人员劳动力度，为变电站数据服务提供智能、高效和精准的辅助工具。

本研究提出一种基于地球空间剖分网格技术的变电站时空数据管理架构与无人巡检设备空间网格路径规划智能方法，对空间目标位置智能管理，并且降低无人巡检设备动态目标路径智能规划，为实现变电站无人巡检设备的自主、智能和数字化奠定了基础。

图 1 GeoSOT 全球剖分网格框架

Fig.1 GeoSOT Earth space subdivision frame

1  GeoSOT 北斗网格体系

地理空间划分在地理信息科学相关领域研究中应用非常广泛。从关注的空间区域范围来看，对地理空间的划分方法包括局部地理空间剖分方法和全球地理空间剖分方法（也称为地球剖分方法）。考虑到大数据时代背景下，空间数据具有全球覆盖的特点，且不同部门、各行业之间对空间信息共享与交换存在迫切需求，本文认为对地理空间剖分应优先采用全球统一的体系，即地球剖分方法。

北京大学程承旗等提出一整套全球剖分网格框架 (图1)：2n一维整型数组的全球经纬度剖分网格（Geographical coordinate global Subdivision grid with One-dimension-integeron Two to nth power， GeoSOT）。

 GeoSOT是以本初子午线与赤道的交点为中心，按照四叉递归剖分的方式形成的上至全球、下至厘米级单元的32级多尺度网格体系。划分过程中的3次扩展（将地球空间扩展为512° ×512°，将1°扩展为64′，将1′扩展为64″）保证了网格的整度、整分、整秒特性，因此 GeoSOT 网格体系能够最大限度地兼容国内外以经纬度组织的空间数据，具有非常好的包容性。

北京大学空天信息工程研究中心的程承旗团队在GeoSOT的基础上，进一步发展了北斗网格剖分框架，提出一种新的网格划分及编码方式（图2）。

图 2 北斗网格划分与编码方式

Fig.2 Beidou grid division and encoding mode

三维北斗网格高度域定义和划分的原则遵循《地理位置网格编码规则》（20141448-T-466）规定的高度域定义和划分方法，并且选择和地球表面 4°、30′、 15 ′、1 ′、4 ″、2 ″、1/4 ″、1/32 ″、1/256 ″、 1/2048″等 10 个基本网格作为北斗网格位置码定义大地高的中的θ，北斗网格高度维方向编码结构与代码取值如图3所示。

图 3 北斗网格高度维方向编码结构

Fig.3 Beidou grid height-dimensional encoding structure

2  北斗网格体系在国网变电站场景应用

2.1 变电站场景网格空间建模

在变电站场景模型基础上，首先进行场景地理定位，利用北斗网格对变电站场景空间建模，作为真实地理位置的数字孪生模型的基础建模（图4）。

图 4 基于北斗网格的变电站场景空间建模

Fig.4 Substation space modeling based on Beidou grid

根据变电站场景的北斗空间模型，对管控的设备赋予北斗位置编码，智能管理变电站设备，查询变电站数据时，通过北斗网格位置码，获取对应设备的网格边框，突显设备所在的真实位置，并且显示属性信息，如名称、电压等级、型号、出厂及投运时间等（图5）。

图 5 变电站基础数据管理

Fig.5 Substation facility data digital management

同样，北斗网格空间建模技术应用于野外输变电线路数字孪生系统，在地球真三维空间建模基础上，对塔杆、电缆等设备进行空间位置管控。如图6所示，根据地理空间位置，对于野外输变电线路的大型设备，如塔杆、电缆等，图中红色网格区域表示电缆，绿色网格区域为塔杆及相应高度目标，蓝色网格区域及以下表示地面信息，并利用高层级网格进行精细化编码，方便管理大型设备的局部位置故障检修等需求。

图 6 输变电线路数字孪生应用

Fig.6 Application of digital twin modelingon power transformer lines

2.2 基于 BIM 网格空间建模的变电站设备监控数字孪生应用实验

2.2.1 功能设计

数据来源于国家电网有限公司，由 BIM 模型数据、变电站设备详情（表1）两部分构成。

表 1 变电站设备详情数据样例

Tab.1 Substation equipment data samples

变电站设备监控数据孪生系统分为两个部分，如前文所述，首先基于GeoSOT全球剖分网格与变电站 BIM模型对变电站场景进行三维网格化建模，形成变电站三维网格图，然后基于三维网格图及网格编码，建立变电站设施网格编码，并创建网格索引大表，提供设备网格查询功能。同样，通过场景网格化建模，对变电站路径进行网格标定，为无人巡检数字孪生系统的路径规划提供基础，在机器人巡检过程中，基于网格关联功能，自动匹配移动机器人与周围网格设施的空间关联，并记录信息，具体功能设计如下文所述。

1）变电站三维网格图展示。变电站三维网格图是BIM网格空间建模的输出成果，是变电站各类业务场景中的数据承载底图。基于地球网格模型，对变电站所在场景进行精细化三维网格展示，根据场景管理尺度不同， GeoSOT三维网格图（图7）可包含全球网格建模、地球局部三维网格建模、变电站BIM模型三维网格建模。变电站三维网格图可提供三维模型的展示、网格的透明化比对展示，支持模型的缩放、模型的视角切换等功能。

图 7 GeoSOT 三维网格图展示

Fig.7 GeoSOT 3D Grid Diagram Model

2）设备查询。设备查询功能模块由变电站三维网格图、设备信息详情弹出框、设备列表3部分功能构成（图8）。点击变电站设备列表，显示设备所在网格边框，突出显示设备所在位置，显示设备详情信息；点击设备位置，显示设备所在网格边框，突出显示设备位置，显示设备详情、状态信息。

图 8 设备查询功能界面

Fig.8 Device query function interface

2.2.2 数据组织

BIM数据处理。首先加载BIM数据源数据并转化数据格式，由BIM建模数据转换为ifc标准格式，为数据的建模展示提供源数据。然后对BIM数据中包含的组件信息进行提取，为建模展示中组件独立显示提供源数据，包括BIM模型数据包含的设备空间位置信息、设备空间边界信息等。

基于北斗网格体系的数据查询逻辑包括以下5部分。

1）设备基础信息查询。部件数据索引码与变电站BIM模型数据索引码比对确定部件归属关系；形成基础设施网格编码索引表，如图9浅绿色箭头所示，数据存储位置对比部件详细信息表的唯一标识字段，如图9深蓝色箭头所示，来关联设备基础信息。

图 9 基于北斗网格体系的数据查询逻辑示意图

Fig.9 Data query logic diagram based on Beidou grid system

2）网格范围内设备查询。网格编码比对部件数据标识码，如图9深绿色箭头所示，确定网格与部件隶属关系；通过网格编码索引关联空间位置编码与其设施索引编码，查询该位置的关联数据。

3）部件空间位置查询。BIM数据解析获取部件的空间范围，并与部件标识码关联、编码入库，如图9浅蓝色箭头所示；根据部件标识码查找部件设备边界，根据边界进行设备位置上图展示。

4）部件网格位置查询。部件标识码即空间位置网格所在位置，直接进行网格突出的上图展示。

5）中心点周边网格范围及相关设备位置关联查询。通过中心点网格编码获取周边网格编码；对周边网格进行突出上图展示；通过网格码查询包括标识码的网格，通过标识码获取设备边界数据并进行部件空间位置查询展示；根据标识码查找部件详细信息并进行部件详细信息展示。

2.3 变电站场景无盲区机器人智能巡检应用仿真实验

1）巡检路径规划。通过变电站场景立体网格地址编码，自动建立基于空间位置的无人巡检路径数据规划，机器人巡检的路径设置包括路径选择、路径确认、巡检层级确认、开始巡检4个步骤。巡检路径设置，对巡检机器的巡检路径进行人为的勾画；巡检层级确认，设置在巡检过程中显示机器人周边多少层级网格范围的设备信息（图10）。

图 10 机器人巡检路径设置

Fig.10 Robot patrol check path Settings

2）巡检实时跟踪。根据机器人巡检路径的规划，首先对巡检路径进行网格标识与编码，然后对移动巡检机器人的网格位置变化与路径位置下附近网格中设备信息自动关联，实现变电站场景动静态设备的空间整合、规划、定位、协同和关联分析等业务支撑。巡检实时跟踪功能模型由变电站三维网格图、设备详情弹出框、巡检机器人详情弹出框、设备列表4部分内容构成。在巡检机器人巡检过程中，显示巡检机器人周边指定网格范围的设备列表，显示查询的网格范围边框，突出显示包含的设备位置；点击设备列表，显示该设备所在的网格边框，突出显示设备位置，显示该设备的详情（图12）。

图 11 机器人巡检与设备信息关联

Fig.11 Robot patrol associated with facility information

2.4 应用优势分析

1）如前文所述，通过对变电站BIM模型解析，基于GeoSOT全球剖分立体网格绘制实现任意层级经纬度高程的局部网格化建模。基于BIM模型中各个部件的坐标，直接调用GeoSOT网格绘制函数，确定层级，输入纬度、经度及高程，实现对模型部件打码。

2）绝对编码 (GeoSOT网格码) 到相对编码 (编码长度大大减少) 再到位置信息的语义编码的编码体系，这样可以极大地方便非专业人员，或者消防部件安装人员在实地快速找到目标消防栓。

3）在对模型各个部件进行打码后，以每个网格码为key，建立数据库，实现双向查询、动态增加删除部件，做到实现城市部件的精细化管理、高效化管理、实时动态管理等，如双向查询，即消防部件与业务系统数据互联互通，即在平台中点击模型中的消防部件，能够查询并弹出业务系统中对于该消防部件的信息，同理在业务系统中搜索到某消防部件，可以直接在平台中显示该消防部件。准确添加消防栓组件，单击添加组件按钮以弹出对话框。

4）通过GIS与网格化管理相结合，通过仿真模拟机器人巡检，可以通过变电站场景道路信息对巡检路径进行规划，并通过机器人目标运动位置，返回附近设备信息，为智慧消防打下基础。

3  结束语

基于电网巡检工作的快速发展对电力巡检无人机空域智能化管控的需求，本研究提出基于GeoSOT北斗空间网格编码的变电站空域数据管理及无人巡检路径管控系统，旨在减少大型变电站场景中设备信息管理和巡检的复杂性和人物力支出，形成一套基于空间的统一管理框架。GeoSOT地球立体剖分网格形成时空数据立方体的网格数据管理和规划基础，利用离散的网格空间来表达复杂的空间环境。地球剖分网格对空间中静态变电站设备和动态巡检机器人进行高效的位置计算，并且对动静态目标关联分析、协同管理。该研究有效地保障电网变电站的巡检工作安全，提高设备管理和巡检工作效率，可用于室内和野外等多个场景，有广阔的应用和发展前景。

作者简介：王强宇（1990—），男，山东枣庄人，助理研究员，博士，北京大学工学院全职博士后，主要研究方向为地球立体剖分网格、空间大数据、人工智能

E -mail：wangqy522@pku.edu.cn

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