基于GIM 的三維設(shè)計成果全過程處理關(guān)鍵技術(shù)研究

王向上 李春林 徐鯤 董鉥濤 張建廣

（北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

電網(wǎng)信息模型（grid information model, GIM）的概念于2013 年于國內(nèi)首次提出，是依托地理信息系統(tǒng)，將電網(wǎng)的組成元素數(shù)字化，以信息模型為載體，集成每個元素全壽命周期內(nèi)的信息，實(shí)現(xiàn)信息的高效、準(zhǔn)確、全面的應(yīng)用[1]。同時也是為滿足輸變電工程三維設(shè)計成果在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞、共享的需要，推出的一種數(shù)字化交互標(biāo)準(zhǔn)格式[2-3]。根據(jù)電網(wǎng)公司相關(guān)工作要求，加快推進(jìn)三維設(shè)計成果與基建各專業(yè)融合貫通，GIM相關(guān)應(yīng)用工作從2019 年開始進(jìn)入了井噴式的業(yè)務(wù)應(yīng)用期。隨著GIM數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用，同時也暴露出了GIM數(shù)據(jù)的相關(guān)問題，如圖元復(fù)雜無法正?？梢暬?、廠家移交的GIM數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)體量大無法快速加載顯示，因此完善完成各類GIM數(shù)據(jù)處理流程，形成統(tǒng)一的三維設(shè)計成果全過程處理機(jī)制顯得非常關(guān)鍵和必要。本文重點(diǎn)研究了GIM的數(shù)據(jù)解析、自動化校核、快速可視化、一鍵式發(fā)布等相關(guān)工作，梳理出一套完整的GIM數(shù)據(jù)全過程處理流程，為GIM數(shù)據(jù)在電網(wǎng)工程建設(shè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用上提供有效的支撐。

1 GIM 數(shù)據(jù)解析

輸變電工程三維設(shè)計模型（*.GIM）是以輸變電工程各相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用三維數(shù)字化技術(shù)建立的工程信息集合，具備完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、唯一性、擴(kuò)展性等特點(diǎn)，滿足可視化、可分析、可編輯、可出圖等工程全壽命周期應(yīng)用需求[2-3]。三維設(shè)計模型包括物理模型和邏輯模型，GIM的原始數(shù)據(jù)為參數(shù)化表達(dá)形式，同時包含有大量的STL、IFC 等外源模型數(shù)據(jù)。GIM模型主要分為電氣設(shè)備和土建設(shè)備兩大類，其中電氣設(shè)備主要通過參數(shù)化形式表達(dá)，對一些特殊模型可以通過鏈接外源的stl 模型進(jìn)行表達(dá)，土建設(shè)備則通過鏈接外源數(shù)據(jù)IFC 模型進(jìn)行表達(dá)。針對不同的數(shù)據(jù)形式，采用不同的模型解析策略，能實(shí)現(xiàn)較好的模型解析效果。

1.1 電氣設(shè)備模型

依據(jù)《輸變電工程三維設(shè)計模型交互規(guī)范》的規(guī)定，變電工程三維設(shè)計模型參數(shù)化基本圖元共計25 類，包括立方體、棱柱、圓柱、球體等一些簡單基本圖元和臺型墊片、方形墊片、端子板、拉伸體等一些復(fù)雜圖元。針對參數(shù)化模型，需要根據(jù)模型參數(shù)進(jìn)行三維表面建模形成下游可用的三維數(shù)據(jù)格式，難點(diǎn)在于參數(shù)化的布爾運(yùn)算，布爾運(yùn)算是數(shù)字符號化的邏輯推演法，包括聯(lián)合、相交、相減。在三維模型處理操作中引用了這種邏輯運(yùn)算方法，以使簡單的基本圖元組合產(chǎn)生新的三維模型。對于簡單圖元自主實(shí)現(xiàn)圖元對象的構(gòu)建，用于模型可視化。對于復(fù)雜圖元在圖元構(gòu)建的過程中包含大量的布爾運(yùn)算，使用一般表面建模的算法無法構(gòu)建出模型對象。因此借助開源的算法引擎OpenCasCade（簡稱：OCC）實(shí)現(xiàn)圖元模型的構(gòu)建（圖1）。

圖1 端子板預(yù)覽圖

1.2 土建IFC 模型

IFC 文件是用Industry Foundation Classes 文件格式創(chuàng)建的模型文件，可以使用BIM程序打開瀏覽。IFC 文件格式即包含三維建筑物或設(shè)施，也包括空間的元素、材料和形狀[4]。IFC 文件通常用于BIM程序之間信息的交互。在GIM數(shù)據(jù)當(dāng)中土建設(shè)施模型基本上全是IFC 格式的數(shù)據(jù)。IFC 模型同樣為參數(shù)化定義，若直接用于可視化建模，頂點(diǎn)信息展開之后數(shù)據(jù)量呈幾何倍數(shù)增長，數(shù)據(jù)量巨大。因此需研究IFC 模型內(nèi)部的層級關(guān)系，找出圖元實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，優(yōu)化模型層級結(jié)構(gòu)[5]?；赬BIM、IFCEngine 等IFC 模型解析庫，對IFC 模型進(jìn)行簡化重組，提取有效信息，過濾冗余信息，有效減少了IFC 模型的數(shù)據(jù)存儲量。

2 GIM 數(shù)據(jù)自動化校核

GIM作為一種三維設(shè)計成果的交互數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)組成與來源、導(dǎo)出流程因不同三維設(shè)計軟件的差異而有所區(qū)別，同時GIM 數(shù)據(jù)質(zhì)量也與三維設(shè)計過程中的具體操作強(qiáng)關(guān)聯(lián)。從當(dāng)前開展的相關(guān)GIM可視化收資數(shù)據(jù)情況看，GIM數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，目前只能初步滿足可視化需求，但是針對模型設(shè)備顆粒度、屬性應(yīng)用、關(guān)聯(lián)關(guān)系等方面還存在很多問題，對于下游業(yè)務(wù)應(yīng)用支持度比較有限。本文基于《輸變電工程三維設(shè)計模型交互規(guī)范》和《輸變電工程三維設(shè)計建模規(guī)范》開展GIM數(shù)據(jù)校核工作，指導(dǎo)數(shù)據(jù)修正，從GIM數(shù)據(jù)完整性、規(guī)范性、冗余性等三個方面建立GIM 數(shù)據(jù)校核體系，具體包括以下層面：

2.1 數(shù)據(jù)完整性檢測

檢測分析文件引用是否有效與完整；

檢測分析文件是否包含規(guī)定的屬性，如文件標(biāo)示、屬性文件等，以及部分關(guān)鍵屬性值是否完整；

檢測分析GIM設(shè)備（部件）是否包含規(guī)范規(guī)定的屬性（.fam），部分關(guān)鍵屬性值是否完整。

2.2 數(shù)據(jù)規(guī)范性檢測

檢測分析GIM文件編碼是否規(guī)范，包括工程模型層級、設(shè)備（設(shè)施）及部件種類；

檢測分析GIM圖元參數(shù)定義是否規(guī)范；

檢測分析規(guī)范約束的內(nèi)容GIM數(shù)據(jù)是否按照規(guī)范輸出，如文件標(biāo)示、數(shù)據(jù)類型、分隔符等。

2.3 數(shù)據(jù)冗余性檢測

單個文件層面，檢測分析文件是否存在規(guī)范之外的冗余字段，為空、為0 等無效信息；

整體GIM 層面，檢測分析是否存在未被引用的冗余文件。

同時，建立GIM數(shù)據(jù)缺陷分級設(shè)計，將GIM數(shù)據(jù)檢測結(jié)果按照缺陷嚴(yán)重性劃分為致命缺陷、嚴(yán)重缺陷、一般缺陷、微小缺陷等四個等級，并依次將有數(shù)據(jù)缺陷逐級劃分、歸類、統(tǒng)計，出具校核檢測分析意見，最終形成完整的GIM數(shù)據(jù)校核報告（表1）。

表1 GIM 文件缺陷數(shù)據(jù)量統(tǒng)計結(jié)果

3 GIM 數(shù)據(jù)可視化編輯

盡管通過GIM數(shù)據(jù)校核能夠提出具體的GIM數(shù)據(jù)修改意見，但是由于目前GIM數(shù)據(jù)來源于不同的三維設(shè)計平臺，數(shù)據(jù)的修改只能返回設(shè)計院協(xié)調(diào)修改，GIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率比較低下，所以需要結(jié)合GIM原始數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)編輯工作。編輯工作主要包括兩個方面：

三維設(shè)計相關(guān)信息編輯，結(jié)合可視化的設(shè)備/部件與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備編碼、屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系等校核結(jié)果，開展GIM數(shù)據(jù)編輯工作，并且編輯的結(jié)果能夠保存到原始GIM文件中，保證在數(shù)據(jù)不返回設(shè)計院的情況下完成大部分非圖形問題數(shù)據(jù)的編輯工作。

補(bǔ)充屬性信息錄入編輯，結(jié)合其他非三維設(shè)計業(yè)務(wù)需求，增加GIM設(shè)備部件的屬性錄入工作，并且編輯的結(jié)果能夠保存到原始GIM文件中。

4 GIM 數(shù)據(jù)快速可視化

4.1 模型分塊

在變電工程三維場景漫游時，對于一個給定的視點(diǎn)位置和視線方向，通常只有一部分范圍可見。因此，在對整個場景進(jìn)行可視化前，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)位置及視線方向等參數(shù)對場景中的模型進(jìn)行揀選，只渲染在當(dāng)前視野范圍內(nèi)模型數(shù)據(jù)。為了能夠快速地訪問多分辨率的模型數(shù)據(jù)，必須建立快速的空間索引機(jī)制。

根據(jù)變電站平面結(jié)構(gòu)圖作為劃分原則，將整個站區(qū)等分為若干個大小統(tǒng)一的正方形單元格（Cell），單元格的大小可以根據(jù)主要設(shè)備大小中位數(shù)確定，由此可以劃分出m*n 個邏輯Cell 單位，涵蓋所有站區(qū)的模型；然后遍歷GIM模型中所有的設(shè)備，檢查每個設(shè)備模型外包盒與Cell 相交情況，如果相交則將該設(shè)備放入此Cell 設(shè)備列表；反之，則繼續(xù)遍歷下一個Cell。如果遇到同一個設(shè)備從屬多個Cell 的情況，按照設(shè)備包圍盒投影面積占比Cell 網(wǎng)格比例的大小確定從屬關(guān)系，即劃分到占比較大的Cell 網(wǎng)格中。利用該技術(shù)可以極大減少場景中模型的載入頻率，提高了模型的調(diào)度效率（圖2）。

圖2 模型分塊效果圖

4.2 動態(tài)裁剪

三維場景中存在著大量的模型塊數(shù)據(jù)，但是由于屏幕空間范圍有限，在繪制場景前不是所有數(shù)據(jù)都需要直接進(jìn)行繪制，需要提前判斷模型塊數(shù)據(jù)的可見性。模型塊動態(tài)裁剪即是在三維場景渲染前或者過程中將三維場景中不適合渲染的模型塊從內(nèi)存或者渲染列表中剔除，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)三維場景的快速、高效渲染。當(dāng)前客戶端動態(tài)裁剪主要包含視錐體裁剪、遮擋裁剪、背面剔除。

4.3 LOD

層次細(xì)節(jié)技術(shù)（Level of Detail，簡稱LOD）對于加快模型顯示速度，及降低場景復(fù)雜度非常有效[6]。對于同一事物，由于受到人眼的視覺特征的影響，位于遠(yuǎn)近不同位置的物體，目視所能夠看到的物體的細(xì)節(jié)程度是完全不一樣的。根據(jù)人眼視覺差異的這一特點(diǎn)，對于場景中同一物體，LOD 技術(shù)便會依據(jù)詳細(xì)程度的不同創(chuàng)建一組幾何模型。在場景渲染的過程當(dāng)中，根據(jù)物體所在的位置選擇相應(yīng)詳細(xì)程度的模型載入場景。即當(dāng)視點(diǎn)距離物體較近時載入在視口內(nèi)的較精細(xì)的模型部分，反之，當(dāng)視點(diǎn)距離物體較遠(yuǎn)時載入在視口內(nèi)的較粗糙的模型部分。根據(jù)LOD 技術(shù)，在GIM模型處理的過程中，生成一組不同精細(xì)程度的模型，在場景當(dāng)中根據(jù)視點(diǎn)范圍動態(tài)加載，有效地提高了渲染效率（圖3）。

圖3 不同細(xì)節(jié)層次的電氣設(shè)備模型

4.4 實(shí)例化

實(shí)例化技術(shù)是一種批量渲染技術(shù)，當(dāng)三維模型中具有多個相同幾何形狀但是空間位置不同的物體時，采用實(shí)例化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)使用一個模型數(shù)據(jù)，繪制多個模型實(shí)例的效果。該技術(shù)在增加同類物體數(shù)量的情況下而不增加實(shí)際多邊形數(shù)量，這樣既節(jié)省系統(tǒng)的內(nèi)存空間和磁盤存儲空間，還可以改善實(shí)時系統(tǒng)的處理性能。GIM模型中，存在大量的組件化方法建模，以設(shè)備模型為基礎(chǔ)，采用設(shè)備組裝的方式構(gòu)建整體模型，因而這種模型組織結(jié)構(gòu)十分切合實(shí)例化技術(shù)的要求。

采用實(shí)例化技術(shù)渲染GIM模型，在進(jìn)行模型渲染前，結(jié)合模型塊復(fù)用機(jī)制，不同空間位置但設(shè)備模型相同的多個模型，只需在內(nèi)存中加載一次網(wǎng)格資源和不同設(shè)備的引用矩陣信息，從而創(chuàng)建多個模型實(shí)例信息，一次性提交給GPU，實(shí)現(xiàn)一次性全部渲染完成，大大提高了電網(wǎng)模型的渲染效率。

5 GIM 數(shù)據(jù)一鍵式發(fā)布

云服務(wù)器ECS（Elastic Compute Service）是阿里云提供的性能卓越、穩(wěn)定可靠、彈性擴(kuò)展的IaaS（Infrastructure as a Service）級別云計算服務(wù)。采用ECS 作為一鍵式發(fā)布程序的后臺服務(wù)器，免去了采購IT 硬件的前期準(zhǔn)備，可以便捷、高效地使用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)計算資源的即開即用和彈性伸縮。

將GIM數(shù)據(jù)的下載解壓、模型解析、數(shù)據(jù)校核、可視化建模、切片發(fā)布統(tǒng)一集成到一鍵式發(fā)布系統(tǒng)當(dāng)中，并部署到阿里云服務(wù)器上。為用戶搭建前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以支持GIM文件上傳、校核報告下載、可視化預(yù)覽等功能。用戶只需通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)將GIM數(shù)據(jù)上傳至后臺云服務(wù)器，后臺的一鍵式發(fā)布系統(tǒng)自動接收用戶上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成后將結(jié)果及時反饋給前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)。使用戶可以實(shí)時上傳，實(shí)時預(yù)覽，無需等待（圖4）。

圖4 GIM 一鍵式發(fā)布架構(gòu)圖

6 結(jié)論

本文從GIM 數(shù)據(jù)全過程處理出發(fā)，對GIM模型的完整性解析、自動化校核、快速可視化、一鍵式發(fā)布等進(jìn)行了研究，總結(jié)出一套簡潔、高效的數(shù)據(jù)處理流程。通過GIM數(shù)據(jù)一鍵式發(fā)布系統(tǒng)可以實(shí)時對三維數(shù)字化成果的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證了移交成果的準(zhǔn)確性和完整性，為GIM數(shù)據(jù)在輸變電工程的數(shù)字化建設(shè)工作提供有效的技術(shù)支撐。同時，通過在線的GIM數(shù)據(jù)一鍵式發(fā)布系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計單位之間的協(xié)同合作，為設(shè)計單位的數(shù)字化移交工作提供新的思路。