基于三角网格模型的剖切轮廓自动补面方法

《装备维修技术》2019年第3期（总第171期）doi:10.16648/ki.1005-2917.2019.03.177
基于三角网格模型的剖切轮廓自动补面方法
李定林罗茜孙廷昌高彦明闫双键
（南方电网调峰调频发电有限公司，广东广州510630）
摘要：本文介绍了一种基于三角网格模型的剖切轮廓自动补面算法，包括：建立三维拓扑数据结构，记录三维模型的几何信息和拓扑信息；
在三维模型的投影面上定义切割路径和切割方向，自动生成三维模型的切割面；切割面与构成物体的三角面片进行相交运算，形成离
散的线段集；对切割面上的离散线段集进行追踪拟合，得到物体的封闭轮廓线，确定轮廓线的包含关系；对封闭轮廓线的包围区域进
行三角剖分，生成实体的剖面图。

本文的算法实现了虚拟现实环境下三维模型的实体剖面、自动补面和材质继承，既能够在虚拟现实
环境下准确可视化的描述三维模型的实体剖面，又可相对准确的继承材质纹理，且同时具有较好的实时性。

关键词：三角网格模型；网格剖切；轮廓信息
一、引言
三维模型中的三角网格模型具有许多良好的几何特性，它能
够用多个面片逼近复杂形体的表面，而且容易处理，因此三角网格模型被广泛应用于计算机图形学、机械仿真、科学计算可视化等领域[1]。

剖面轮廓线是三维模型的一个重要特征，它代表模型在某一位置处的大致轮廓和几何形状[2]，并体现三维模型的基本外观。

对三维表面模型的剖切是指直接在屏幕上对三维模型进行任意方向剖切，用户可以方便地观察模型截面的大小形状，以实现对模型截面
的宏观认识。

二、现状分析
虚拟现实环境中的三维模型由巨大的三角网格模型重构而成，现有的虚拟现实三维模型剖切[3–5]主要利用三角网格与剖切平面的空间位置关系得到模型剖切后三角网格的空间信息，现有的剖切技术主要采用空间中的面面求交运算[6]，即三角网格的三边都与剖切面进行计算。

通过对现有的技术进行研究分析，存在以下方面的问题：
（1）现有方法造成的计算量相当庞大，严重影响剖切的实时性。

（2）目前的剖切方法中，三角网格与剖切面相交并的剖切面并不考虑实体的闭合面，无闭合面即空心剖切，更不会有实体剖面补面。

剖切后的网格模型剖切面不能自动补面，用户不能很直观的从剖面上分析出来哪些是实体模型，哪些是面或壳模型，给实际培训过程会带来一些困难。

（3）文献[2]中公开了一种基于三角网格模型的剖面轮廓信息提取[2]，其采用OBJ格式的三维模型数据，利用分层切面和邻接排序算法，获得三角网格模型的剖面轮廓信息。

该方法对有拓扑错误的模型有较好的适用性，但是该方法在获得封闭的剖面轮廓环的过程中，未考虑补面时材质纹理的继承问题。

因此该问题成为了水电站三维精确模型基于虚拟现实技术的培
训系统中的一个亟待解决的重点和难点。

三、剖切轮廓自动补面算法
本文所采用的切割算法的原理为：将物体的三维模型投影在二维平面上并获取物体的投影图，在二维平面上选择定义切割路径和切割方向，然后自动生成一个三维物体的切割面；用切割面和三维物体进行一系列的相交运算，对三维物体进行切割，得到一组离散的线段，再对离散的线段进行追踪拟合，形成封闭的轮廓线，从而构成一个剖面图。

其形成的封闭轮廓线结构就是三维物体在该切割面上的内部结构，从而可以观察得到准确的三维物体的内部构成。

针对现有技术存在的问题，本文提供一种应用于虚拟现实环境下三维模型的实体剖切，首先对于虚拟现实环境下物体的三维模型，建立三维拓扑数据结构；然后在三维模型的投影面[7]上定义切割路径和切割方向，自动生成三维模型的切割面；对切割面上的离散线段集进行追踪拟合，得到物体的封闭轮廓线；最后对封闭轮廓线的包围区域进行三角剖分，生成实体的剖面图。

算法流程图和拓扑关系图如图1和图2所示。

（一）建立三维拓扑数据结构
对于虚拟现实环境下物体的三维模型，建立三维拓扑数据结构，所述三维拓扑数据结构记录三维模型的几何信息和拓扑信息，包括构建三维模型的顶点、边、面、体的数量及纹理信息；其中，顶点的信息包括顶点编号、坐标、颜色；面的信息包括构成面的顶点数量、顶点编号、面的颜色、顶点序列；体的信息包括体的面数、面编号、纹理标号、层次标号。

图1　剖切轮廓自动补面算法流程图
Figure1Flow chart of the contour auto–complement algorithm
图2　剖切轮廓自动补面算法拓扑关系图
Fig.2Topological relationship diagram of the contour automatic
complement algorithm
–203–
– 204 –
技术改造·基于三角网格模型的剖切轮廓自动补面方法
这样设置的优点是：（1） 通过建立三维拓扑数据结构，能够高效查询和检索网格几何信息，并对网格空间拓扑信息数据结构进行修改和重构。

（2） 有利于在虚拟现实环境下进行三维模型的实体剖切，并能在剖切过程中进行自动补面以及继承原模型的材质纹理。

网格信息不仅存储了网格的空间信息，同时还存储了其几何元素（如顶点、边、三角形等）之间的连接关系的拓扑信息。

在三维模型的转化过程中，按照统一标准属性和格式对每一个三维模型的几何信息、拓扑信息进行记录，获取构建三维模型的顶点、边、面、体的数量以及纹理信息，建立三维拓扑数据结构对这些空间拓扑信息进行查询、修改和重构。

通过这种信息处理的方式，在剖切的过程中利用切割平面对物体三维模型相交的点运算形成离散的交线，利用交线数组得到物体的封闭轮廓线。

同时对交线与重构的网格拓扑信息的关系进行追踪和检索、检测、计算，对得到的重构拓扑信息进行格式运算，可形成新的物体三维模型。

（二） 生成三维模型的切割面
在三维模型的投影面上定义切割路径和切割方向，自动生成三维模型的切割面。

生成三维模型的切割面的步骤具体包括：
（1） 在给定视点下，对物体的三维模型进行隐藏线、隐藏面的消除处理，得到物体的二维效果图；
（2） 在物体的二维投影平面上，定义切割路径和切割方向；（3） 将切割路径和切割方向反投影到三维空间中，形成三维模型的切割面。

这样设置的好处是：相对于现有技术中的剖面深度缓存（Z 缓存）算法或八叉树数据结构算法来说，这里采用的基于网格的切割算法的处理效率要更好，且在此基础上采用基于网格的拓扑信息进行离散线段的追踪亦保证了剖面轮廓自动补面的准确性。

（三） 形成离散的线段集
切割面与构成物体的三角面片进行相交运算，形成离散的线段集。

包括：首先确定切割面方程；然后利用二叉树结构遍历叶节点中的三角网格，判断网格是否与切割面相交，如果相交，则求出切割面与网格的交点，得到离散的线段，对离散线段的拓扑信息进行处理，将处理后信息存入上下链表；如果判断得出网格与切割面不想交，则判断网格与切割面位置，并将原信息存入上下链表。

切割算法流程如图3所示。

剖切轮廓自动补面算法中切割算法包括：
（1） 确定切割面方程；
一个平面通过的空间三个点P x y z 1111(,,) ，P x y z 2222(,,) ，P x y z 3333(,,) ，平面方程为：
x y z x y z x y z x y z 1112223
3
311
11
=0（2） 在根节点中寻找剖切到的子节点；（3） 判断该节点是否叶节点，如果是，则该节点查找完毕，继续下一步骤；如果否，则子节点中寻找剖切到的下一层子节点，再判断该下一层子节点是否叶节点；
（4） 遍历叶节点中的三角网格，判断网格是否与剖切面相交，如果是，则求出剖切面与网格的交点，对网格空间拓扑信息进行处理，将处理后信息存入上下链表；如果否，则判断网格与剖切面位置，将原信息存入上下链表。

（四） 确定轮廓线的包含关系
对切割面上的离散线段集进行追踪拟合，得到物体的封闭轮廓线，确定轮廓线的包含关系。

包括：对离散线段的拓扑信息进行查询、修改和重构，对离散线段与重构后的拓扑信息的关系进行格式运算，形成新的三维物体；
这样设置的好处是：通过三维拓扑数据结构中记录的离散线段与原三维模型关联的拓扑信息，能够在离散线段的追踪拟合过程中准确的计算出原三维模型的闭合轮廓，从而准确的进行实体剖切。

同时，在进行离散线段的拟合过程中，依据记录的离散线段的材质纹理信息的标号，对拟合的离散线段进行材质纹理信息的修改和拓扑关系的重构，使得得到的实体剖切图能够准确的继承原模型的材质纹理。

（五） 生成实体的剖面图
对封闭轮廓线的包围区域进行三角剖分，生成实体的剖面图。

四、 效果
与现有技术相比，本算法的有益效果是：（1） 实现了虚拟现实环境下三维模型的实体剖面、自动补面和材质继承，既能够在虚拟现实环境下准确可视化的描述三维模型的实体剖面，又可相对准确的继承材质纹理，且同时具有较好的实时性；
图3　切割算法示意图
Fig. 3 Schematic diagram of the cutting algorithm
（2） 采用基于网格的切割算法进行切割面与三角面片的相交运算，并基于网格的拓扑信息进行离散线段的追踪，保证了虚拟现实环境下三维模型剖切的效率和准确率；
（3） 通过建立三维拓扑数据结构，能够高效查询和检索网格几何信息，并对网格空间拓扑信息数据结构进行修改和重构，保证虚拟现实环境下三维模型实体剖切中材质纹理继承的准确性。

五、 结论
本算法的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于三角网格模型的剖切轮廓自动补面算法。

该算法实现了虚拟现实环境下三维模型的实体剖面、自动补面和材质继承，既能够在虚拟现实环境下准确可视化的描述三维模型的实体剖面，又可相对准确的继承材质纹理，且同时具有较好的实时性。

参考文献
[1] 王静亚，方亮，郝敬宾. STL 模型特征面片自适应分层算法[J].计算机
应用研究，2011（6）：367–370+374.
[2] 张小青，吴坤华，黄鹤.基于三角网格模型的剖面轮廓信息提取[J].测
绘通报，2012（9）26–28.
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《装备维修技术》2019年第3期（总第171期）doi:10.16648/ki.1005-2917.2019.03.162
试析变电站建设现场施工过程控制及工程管理
朱永建
（胜利油田瑞祥电气有限责任公司，山东东营257000）
摘要：社会生产生活水平的提升，对于电力资源需求量也在逐渐增大，这给我国电力事业的发展带来了机遇和挑战。

变电站是电力输送当中的关键环节，除了关系到供电企业经济效益外，也与用户的用电质量密切相关。

尤其是在当前变电站建设规模逐渐扩增的趋势下，应
该加强对施工现场的有效管理与控制，防止在施工中出现严重质量安全问题，确保投运后电力系统的高效运转。

应该结合变电站工程
项目的基本特点，制定针对性管理措施。

本文将对变电站建设现场施工过程控制及工程管理策略进行深入分析。

关键词：变电站；现场施工；过程控制；工程管理
变电站在保障社会用电方面发挥着至关重要的作用，尤其是在当前电网新建与改造项目当中，变电站建设是其中关键一环，其建设质量将会对供电服务质量产生直接影响。

变电站建设具有规模大、周期长等特点，因此会有多种因素对施工质量产生影响，导致后续使用中存在较大的安全隐患。

因此，应该加强对施工现场的有效勘察，以制定切实可行的施工方案，满足新时期电力事业发展的要求。

但是，由于变电站建设及其施工现场管理内容较为繁杂，在工作中也容易出现诸多问题，导致工程建设质量、进度等受到影响。

在施工当中，应该遵循因地制宜的基本原则，确保施工过程符合相关标准与规范要求，同时对施工过程及工程管理中存在的问题进行总结，保障工程建设的顺利实施。

一、变电站建设现场施工过程控制及工程管理存在的问题
首先，在工程建设中缺乏对施工流程的有效控制。

未能对变电站工程项目的整体性进行分析，缺乏对施工现象的宏观把控，导致施工各环节之间的衔接性不足，资源浪费情况较为严重[1]。

未能认识到各环节之间存在的差异性，也会使得施工管理工作效率较低。

其次，未能有效控制施工现场环境。

由于变电站的建设通常会遇到复杂的施工环境，如果缺乏对环境问题的调研与分析，将会使工程建设面临较大的风险。

未能对环境变化情况进行动态分析与评估，导致企业经济效益造成巨大损失。

最后，缺乏对施工安全的重视。

在施工管理当中，只顾眼前经济利益，缺乏对施工安全的重视，会导致人员与设备安全面临较大威胁。

安全知识宣传教育工作存在形式化严重的问题，施工人员未能按照相关标准与规范开展工作，安全控制的难度越来越大。

缺乏对施工现场安全隐含的有效排查与监
督，安全管理成为一句空口号。

二、变电站建设现场施工过程控制及工程管理策略（一）加强流程分析
在新时期电力建设工作中，变电站项目施工涉及的内容越来越繁杂，只有加强流程分析，并实现对施工现场的精细化管理，才能够降低外界因素对工程质量的影响。

通过流程的分析与优化，能够协调各环节工作的协同实施，防止在工作中出现混乱局面[2]。

管理人员应该从整体目标与规划出发，了解不同施工环节的特点及其重点、难点，采取针对性预防与处理措施。

同时，增强各环节之间的有效衔接，合理安排施工顺序，防止施工进度受到影响，提升资源
利用率。

（二）加强现场监测
施工环境的有效控制，也是当前现场监督管理中的关键工作。

管理人员应该对当前施工环境进行调研与分析，在河谷内和平坦地带的工程建设往往存在较大差异性。

应该对该区域电网运行状况及用电需求进行了解，确保变电站建设环境的合理性。

与此同时，明确施工环境当中存在的问题，比如地质状况、水文条件和气象环境
等等，降低外界环境对施工过程造成的影响。

（三）优化施工秩序
变电站施工秩序的优化，能够明确施工当中存在的问题，增强施工的规范性与系统性，确保施工管理工作有条不紊地进行[3]。

在
施工现场管理当中，应该增强施工人员的责任意识，防止仅凭施工经验开展操作的现象，避免施工现场的混乱局面。

分类管理施工现场的各施工要素，为人员组织管理和机械设备保管等制定相应的制度规范，实现对人员流动的有效掌控，防止施工机械设备故障影响施工质量与进度。

（四）强化施工安全
安全是工程建设的第一要义，加强施工现场安全管理，可以有效防止重大安全事故的发生，保障人们的生命财产安全，为工程建设的顺利实施提供保障。

变电站工程涉及内容较多，因此存在的安全隐患也有所不同。

管理人员应该在总结过往施工经验的同时，对施工中的安全隐患进行有效排查。

在管理工作当中，应该安排专业管理人员进行监督，增强现场施工人员的安全意识。

同时，定期开展安全知识宣传教育工作，使施工人员掌握先进的施工技术与方法，降低施工中的风险。

对于安全护具的穿戴情况进行严格检查，
尤其重视变电站建设中的高空作业，制定完善的安全管理制度。

（五）强化风险管理
变电站建设中的风险管理，也是施工过程控制与工程管理的重点内容，通过对风险进行有效识别、分析与评估，编制有效的风险管控方案。

明确风险的等级与类型，采取针对性规避措施。

人员风险、工期风险和物资风险等，是当前变电站工程建设中的主要风险类型。

为了增强工作开展的顺畅性，应该对施工人员的基本素养进行考核，管家工作岗位当中确保持证上岗。

同时，严格检查施工机械设备的运行性能，防止在施工中出现严重故障[4]。

应该安排专业人员对施工进度进行跟踪管理，了解施工进度及其风险发展趋势，对施工力量的分布状态进行有效调整。

三级技术管理责任制度的构建，能够有效划分不同岗位工作人员的职责，防止职责范围不清引发的质量安全问题。

对于施工现场进行定期检查和不定期抽查，现场管理人员应该定期汇报施工进展情况，防止对工期造成严重
影响。

三、结语
在电力系统的安全、稳定运行当中，变电站发挥着关键作用，其施工质量是决定社会生产生活用电效果的直接因素。

在施工当中，应该加强对施工流程与秩序的优化，强化现场监督工作与安全教育，通过合理的风险管控措施，保障工程建设项目的顺利实施。

参考文献
[1] 赵荣妹.变电站建设现场施工过程控制及工程管理探究[J].科技风，
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[6] 张小青，朱光，侯妙乐.基于四面体的不规则表面文物体积计算[J].测
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[7] 袁青.基于投影面的三维物体剖面图的自动生成算法[D].西安科技大
学，2013.
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