基于GIM的架空输电线路三维模型构建方法研究

陶 刚

(北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100101)

0 引言

2002年，菲利普·伯恩斯坦首次提出BIM概念。BIM在建筑行业得到了广泛应用，其涵义逐渐被扩展为BIM模型、BIM建模和建筑信息管理三个层次[1]。BIM技术的应用和推广借助了IFC标准[2]，实现了不同软件之间交换设计数据[3]，而建筑行业工业基础分类(Industry Foundation Class，IFC4)国际标准缺少电网工程相关内容[4]，不利于电网数字化建设的推广和应用。

GIM于2013年首次被提出，主要指电网工程数字化信息模型，是依托地理信息系统，将电网的组成元素数字化，以信息模型为载体，集成每个元素全寿命周期内的信息，实现信息的高效、准确、全面应用[5]。GIM是贯穿电网建设工程设计、施工、调试、运营阶段的数据标准体系，其起源于设计阶段，通过数字化正向设计技术手段，生成匹配的图形模型与属性模型数据，并在后续阶段不断丰富完善，最终实现工程的数字化移交[6-7]和应用。近年来，电网行业提出全面开展输变电工程三维设计，对设计技术的发展提出新的要求[8-9]。输变电工程三维设计起步较晚，特别是架空输电线路工程(以下简称“线路工程”)三维设计，与发电、变电工程等场站设计有所不同：一是线路工程导线、杆塔等本体三维建模的深度、便利度和共享程度要求必须与实际应用相匹配；二是本体与线路走廊地理信息有着紧密的联系[10-11]。构建线路工程三维模型是开展三维设计及其后继阶段工作的基础。本文分析GIM数据标准，研究线路工程本体的三维参数化建模方法，在此基础上，构建线路工程三维场景。

1 GIM数据模型结构

1.1 GIM模型层次结构

GIM线路工程数据模型本质上是一种按层次组织和逐级引用的文件结构。线路工程GIM定义了5个层级，1-5级依次为工程全线级，分段级，耐张段级，设备组(杆塔组、导体组、交叉跨越组)级和设备级。其结构如图1所示。

图1 架空输电线路工程模型层级结构

1.2 GIM格式文件结构

GIM标准格式文件以*GIM格式压缩为一个文件，包含文件头和存储域两部分内容，文件头存储了模型文件的元数据信息，包括：文件标识、文件名称、创建时间、版本号等；存储域是模型的数据实体。线路工程GIM标准格式文件存储的数据类型包括： *.cbm、*.dev、*.fam、*.phm、*.mod和 *.stl等，相关文件描述信息如表1所示。

表1 架空输电线路工程GIM文件类型描述

线路工程GIM标准格式文件设计采用CBM、DEV、PHM、MOD四个文件目录进行数据实体内容的存储，每一个文件夹下存储相应类型的文件，CBM文件夹存储*.cbm、*.fam，DEV文件夹存储*.dev、*.fam，PHM文件夹存储*.phm，MOD文件夹存储*.mod、*.stl。

线路工程GIM文件的层次和引用如图2所示。

图 2 架空输电线路工程模型引用结构

1) GIM文件的CBM文件夹根目录中有唯一的工程文件清单project.cbm，该文件是整个GIM模型的入口，它存储了工程信息和一级(全线级)工程模型cbm文件的引用，其他*.cbm文件包含五级系统，F1System一级全线包含若干个二级分段，F2System二级分段包含若干个三级耐张段，F3System三级耐张段包含若干个四级设备组(杆塔组、导体组、交叉跨越组)，F4System四级设备组(杆塔组、导体组、交叉跨越组)包含若干材料、设备及设施，每一级*.cbm文件都对应一个属性文件*.fam。在设备级*.cbm文件中存储了该设备的DEV文件引用。

2) DEV文件夹中包含两类文件，一是描述物理模型的文件*.dev，二是描述物理模型属性的文件*.fam。*.dev可以引用*.phm(组合模型)或其他*.dev，*.fam的文件格式和对应的设备相关，不同物理模型对应的*.fam文件存储的属性数量及字段名称不同，一般包含设计参数、设计冻结参数、产品参数、施工参数、测试参数和运检参数六大类。

3) PHM 文件夹中包括了*.phm 文件。*.phm存储了*.mod、*.stl模型文件或其他*.phm的引用，并描述了空间变换矩阵参数。

4) MOD 文件夹中包含了*.mod 文件或*.stl文件，该文件是描述几何模型单元的几何信息，包含基本图元描述和参数化描述两种类型。*.mod通过xml节点来描述相应的信息，Entity标识实体对象，实体对象包含几何图元的信息[12]。

2 架空输电线路本体三维参数化建模

线路工程本体三维建模主要指工程设备设施如导地线、杆塔、绝缘子串、基础等主要模型的构建过程。基于GIM的三维参数化建模方法，通过对不同类型本体的关键参数进行描述，由计算机生成符合设计逻辑的三维模型，效率高，真实反映设备元件之间的相互关系，且能够对已有图元模型进行组合组装，复用性强，符合当前三维设计技术倡导的正向设计流程。从满足三维设计要求的角度来说，按照模型复杂程度，电网工程三维模型分为通用模型、产品模型和装配模型三种类型[13]，具体描述如表2所示。

表2 三种类型三维模型对比说明

在输电线路工程设计过程中，主要应用通用模型和产品模型两种类型，除了绝缘子串产品模型可用*.stl文件外，其余模型均要求以*.mod格式进行参数化建模。

2.1 导地线建模

导地线建模一般通过计算生成，在线路工程中，电线是以杆塔为支持物悬挂起来的，所形成的形状为“悬链线”[14]，因此，可使用悬链线公式进行计算。

如图3所示，坐标O点位于导地线悬挂点A的弧垂点计算公式：

图3 单档不等高架空线路示意图[15]

最大弧垂计算公式：

式中：f为电线弧垂，m；β为高差角，°；x为电线各点到纵坐标的水平距离，m；y为电线各点到横坐标轴的垂直高度，m；σ0为电线各点的水平应力，N/mm2；γ为电线比载，N/m·mm2；l为档距，m；h为高差，m。

将两端点的连线划分为足够多的段，以一侧端点为原点利用式(1)依次计算每个分割点对应的弧垂点，根据式(2)求出最大弧垂点并将该点按顺序插入到弧垂点数组中，然后依次连接各节点，绘制出导地线的形状，然后根据外径尺寸，形成导地线三维模型。

2.2 杆塔建模

杆塔的通用模型和产品模型均采用参数化模型，模型原点为最长腿所在的几何中心。通用模型一般表现为杆塔单线模型，产品模型为带角钢或钢管样式信息的杆塔三维实体模型。在杆塔*mod文件中，以Body、Leg、SubLeg三个关键字分别表示杆塔的本体、接腿和长短腿，每一部分中以R、P、G 分别作为节点、杆件、挂点的标志，每个单元占一行，如表3所示。

表3 杆塔模型参数信息说明

以杆塔产品模型为例，在计算机中利用Direct3D[16]组件进行模型渲染的步骤如下(基础、绝缘子串渲染原理相似)：1)根据R找到杆件的两端点P坐标；2)根据杆件的肢宽、肢厚、肢朝向求出杆件模型的所有面顶点，以顶点号和顶点坐标的结构存储，将所有点以此形式存为顶点位置数组；3)分割杆件的所有面为三角面片，以顺时结构存储三角形顶点索引号，将所有的三角面片以此结构存储为顶点索引数组；4)将2)中的顶点位置数组和3)中的顶点索引数组信息传入Direct3D的三维模型渲染对象device中；5)device内部依次对每个顶点进行处理、裁剪、透视背面剔除、光栅化、过滤、像素处理等一系列流程，最终将三维模型在屏幕上进行显示；6)根据G，标出杆塔挂点信息并渲染显示，结果如图4所示。

图4 杆塔三维参数化建模效果

2.3 基础建模

杆塔基础一般以产品模型的形式构建，每种基础类型的外轮廓与塔脚连接部分均可以分解成若干个基本三维图元(如长方体、圆柱体等)。因此，以基础模型顶面中心为原点，对构成基础的基本图元参数进行描述，将其进行组合，生成.mod格式数据，并渲染成三维实体图形，如图5所示。

图5 基础三维参数化建模效果

2.4 绝缘子串建模

对于绝缘子串三维模型来说，线路工程初步设计阶段要求为通用模型，以整串为单位，采用参数化建模(*mod文件)。施工图设计阶段为产品模型(*stl文件)，由绝缘子和金具模型组装构成整串，模型含几何信息、连接信息和属性参数。在参数化建模过程中，以绝缘子串与杆塔连接点为原点，多挂点时原点为最高挂点所在水平面与绝缘子串挂线点中心铅锤线的交点，绝缘子串的参数化描述包括型号ID、导线分裂数、分裂信息(排列方式、间距)、串用途(导线串、地线串)、串类型(悬垂串、耐张串)、V串夹角、U串连接长度、金具长度、联数、排列方式、绝缘子信息(半径、片数、材质等)、均压环信息(个数、高度、半径、位置)、接线点信息等[12]，通过三维图形引擎读取参数并渲染效果如图6所示。

图6 绝缘子串三维参数化建模效果

3 架空输电线路三维场景构建

线路工程三维场景构建需结合三维地理信息数据、本体三维模型及其相对空间位置关系，通过“搭积木”的方式整合为一个完整的线路工程三维模型。

3.1 三维场景准备

在支持2000国家大地坐标系和1985国家高程基准的三维GIS平台上，加载线路工程走廊的基础地形地貌数据，形成线路工程三维场景。

3.2 杆塔模型搭建

对于每一基杆塔组(包含杆塔、基础、绝缘子串)，以杆塔为主要基准，根据杆塔三维模型原点的经纬度坐标和高程信息，结合杆塔北方向偏角信息，调整杆塔模型转向，将其放置于三维场景中。

3.3 基础模型搭建

遍历同杆塔组所有的基础模型数据，根据基础模型原点相对杆塔模型原点的空间变换矩阵，依次放置基础三维模型。

3.4 绝缘子串模型搭建

遍历同杆塔组所有的绝缘子串模型数据，根据金具、绝缘子相对于绝缘子串建模原点的空间变换矩阵进行绝缘子串的组装，然后根据绝缘子串模型原点相对杆塔模型原点的空间变换矩阵，依次放置绝缘子串三维模型。

3.5 导地线模型搭建

根据同一耐张段中前后两基杆塔组中对应的绝缘子串模型数据，获取每段导体组中两端的导地线挂点信息，利用2.1节相关算法计算并绘制导地线(跳线)，根据导地线(跳线)外径尺寸，形成导地线三维模型；根据小号侧杆塔模型塔位中心点为基准，结合空间变换矩阵信息放置间隔棒和防震锤三维模型。

3.6 交跨物模型搭建

在同一耐张段中，遍历所有交跨物信息(地物类型，连线节点数量、位置和连接顺序等)，按照连接顺序依次连接交跨物节点的经纬度坐标，结合高度信息，形成简单几何体的交跨物三维模型(如房屋、林木等)，根据实际需要添加纹理图片。

3.7 工程模型组织

循环执行3.1至3.6节内容，直至所有耐张段均完成，合成架空输电工程三维场景，如图7所示。

图7 基于GIM的架空输电线路工程三维场景效果

3.8 结果分析

相对于把整个线路工程作为单体来建模的方式而言，采用“搭积木”构建方式灵活性更好，相同的工程本体三维模型数据只存储一份，通过地址引用的方式读取模型文件，利用空间变换矩阵控制位置和姿态，通过相互关联关系组合使用，数据复用性更好，在渲染上需要的硬件资源更少，显示速度和效率得到提高。同时，线路工程三维模型变更为容易，局部发生变化时，可用新模型进行快速替换，不影响其他部分。

4 结语

本文从GIM标准文件的数据结构出发，对线路工程本体的三维参数化建模、模型可视化以及工程三维场景构建进行研究，在实际应用中，基于GIM标准的三维模型构建具有如下优势：一是采用参数化的方式构建三维模型，通过改变参数值的方式对模型样式进行编辑，在提高建模效率同时，减少了单个结构化模型的数据存储量；二是GIM模型标准采用层次引用结构，减少了冗余；三是GIM模型把图形数据和属性数据高度统一，有利于数据的查询检索，也便于信息的提取与共享。目前，GIM模型标准仍然存在一些不足之处，如工程量、材料量的统计及相关造价指标的关联涉及较少；标准目前更多的是面向设计阶段，对模型在施工、调试和生产运营等阶段的定义和应用深度不够，下一步可通过灵活的信息扩展，实现数据贯通，使其能够更加完善地服务电网工程全生命周期应用。