三维智能辅助设计及其AIM信息模型构建技术研究

龚坚刚 何凯军 俞辰颖 丁小蔚 周盈

（1.国网浙江省电力公司经济技术研究院 浙江省杭州市 310000 2.浙江华云电力工程设计咨询有限公司 浙江省杭州市 310000）

全球进入互联网和数字经济时代，新的生产关系和经济形态正在形成，互联网逐步成为价值再造的核心要素与经济发展的新动能。同时，随着电网的不断发展，特别是特高压网架的形成，国家电网公司创造性提出“三型两网、世界一流”战略目标。“三型两网”战略的本质是基于互联网思维，发挥电网的枢纽作用，推动坚强智能电网与泛在电力物联网协同并进，构成能源互联网平台，带动产业链上下游和全社会共享发展成果，全面体现了开放、合作、共赢的新思维、新理念。电网三维数字化设计以设计为龙头，以数据为基础，以模型为载体贯穿设计、建设、运维、退役全生命周期内各个阶段，将各阶段碎片化数据整合为完整的信息模型，推进了工程建设技术的不断创新，提高工程建设质量及工作效率，是建设泛在电力物联网的基础数据支撑，同时对三维数字化设计形成的三维信息模型提出更高要求，基于全寿命周期管理理念的三维电网信息模型AIM （Artificial Intelligence Model 或 All Information Model）理念应运而生。

1 电网企业数字化设计[1]

2014年前后电网企业开展了数字化设计构想，建立了企业内部数字化框架体系，出台输变电工程三维设计模型交互规范、三维设计导则、三维数字化移交、设计评审管理等系列技术标准和管理标准，重点放在工程前期、设计评审、前期管理、后期数字化移交方面，并开展了多项数字化设计管理、评审工作尝试，取得了很大的成绩，35kV 及以上变电站及输电线路工程全面推广数字化设计。

但根据调研情况，国内数字化建设起步较早，但大部分电网设计单位数字化发展进度非常缓慢，其主要原因如下：

（1）没有对数字化设计技术内涵深入理解，传统设计影响较深，认为三维数字化就是一个展示功能，思想观念还停留在二维设计阶段。

（2）没有对三维设计流程进行深入研究，不理解“协同”思想，没有实现全专业、全过程的设计协同，不能最大限度地进行资源利用，效率低下。

（3）输变电工程中主要的设备包括杆塔、绝缘子串、导地线、基础、变电电气、变电土建等，这些设备模型类型多，而且整体工程中的用量非常大。

（4）数字化主要应用模块功能基本完善，但最后一公里用户应用层操作复杂，建模效率低下，这是制约数字化应用的最大障碍。

（5）三维信息模型智能化不足，无法满足日益需求增大的智能化设计。

（6）三维信息模型属性信息主要反映设计意志，模型颗粒度无法满足现行的5G、VR（Virtual Reality）等新型技术，不能更好满足后端施工模拟、工程运维等阶段，其价值在全寿命周期管理中发挥价值尚不够充分。

2 电力行业三维信息模型

输变电工程三维模型现行模型分类，根据工程性质，主要分为架空输电线路、电缆线路工程、变电站（换流站）等三种类型。架空输电线路工程主要建模模型包括[2]：导地线（含OPGW）、金具、绝缘子、杆塔、基础、交叉跨越物等；电缆线路工程主要建模模型包括：光电缆及其附件、构筑物、电缆附件、固定金具及材料、附属设施、监控装置、终端塔（杆、站）等；变电站（换流站）工程[3]主要建模模型包括：专用几何体（套管/绝缘子、绝缘子串、端子板、法兰）、设备（电气一次设备、电气二次设备）、材料、土建（总图、建筑物、构筑物及基础、水工暖通设备）等。

架空输电线路工程、电缆线路工程、变电站（换流站）等不同专业建模及应用主要发生在设计阶段，包括初步设计阶段、施工图设计阶段、竣工图编制阶段，不同设计阶段对模型完善度要求不一，重复性建模工作量较大，模型的“自适应”、 “自动重生”等智能化不足，无法满足需求日趋加重的智能化设计。同时，模型所包含属性信息、模型颗粒度等主要应用于设计阶段，通过设计完成的模型在后续工程施工阶段、运维阶段等全寿命周期环节中应用度较低。

另外，由于模型建模工作量大、建模难度高，导致增加较多设计工作量和设计成本。某设计院对输电三维试点工程设计成本测试，得出采用三维设计后在初步设计阶段增加工作量约16.7%；施工图设计阶段增加工作量约22.8%，详见表1。工作量的增加主要来自于大量的模型建模，如何在不增加太多设计工作量和设计成本的情况解决三维设计时大量模型快速构建是三维设计应用的关键，同时三维信息模型能否在全寿命周期中充分发挥其自身价值，亦是输变电工程采用三维数字化设计后整体效益是否提升的关键。

表1：采用三维数字化设计相对传统二维设计工作量变化表

同时，为满足运维对模型需求，相关运维管理部门下发《330kV及以上电压等级变电站（换流站）三维建模技术规范》用于指导变电站（换流站）三维模型精细化和普通精度的建模工作，实现电网运检智能化分析管控系统规范接入三维模型，保证建模成果在规范、复用、扩展原则下应用效果最大化。该规范对模型交付格式规定为3dmax，在现行gim 模型基础上再次提高模型精细化程度，但对于工程全寿命周期来说，无疑再次增加了重复建模工作量。

鉴于以上原因，对满足智能化设计、施工模拟、智慧运维等信息化模型的需求日趋强烈。

3 AIM理念的提出

3.1 概念解释

随着人工智能技术的发展，电网工程三维智能辅助设计技术是必然趋势，对支撑三维设计的信息模型提出更高要求[4]。三维信息模型构建应具有传承、替换、重生、多用途、多属性等全要素特征或人工智能特征，为智能辅助分析奠定良好基础，并为工程项目全寿命周期管理创造条件[5]，因此提出AIM （全称为All Information Model 全要素信息模型或Artificial Intelligence Model 人工智能模型）。AIM 将在GIM、EIM 的基础上赋有模型设计条件、工程设计条件、电气连接映射数据、设备安装映射数据、真实化颗粒度等，更好满足设计、施工、运维各环节的需求。

3.2 理念优势

3.2.1 建模快速化

AIM 模型主要建模方式为装配式，主题思想为“搭积木”模式，通过标准化“积木”，标准“积木”组装方式实现快速构建三维信息模型，大大减轻三维数字化设计所面临的建模工作量大的窘境。“搭积木”快速构建模型如图1所示。

图1：“搭积木”快速构建模型

3.2.2 模型全属性化

AIM（All Information Model）模型在现有GIM、EIM 等电网模型基础上，通过调研增加施工环节、运维环节等所需属性信息及模型格式，通过其属性的“包容性”及格式的“兼容性”来充分发挥其在电网工程全寿命管理周期中的价值。“全信息”AIM 模型如图2所示。

图2：“全信息”AIM 模型

3.2.3 模型智能化

AIM（Artificial Intelligence Model）人工智能模型，在具备完整属性前提下，在初步设计阶段、施工图设计阶段、竣工图设计阶段AIM 模型从抽象、具象、真像三个层次可实现自动替换，属性自动补充，大大减少模型重复建模工作量，提高设计效率；在模型中增加属性逻辑，使其更适合于未来的人工智能化三维设计平台：该平台具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，从而达到设计智能化的目的。智能化AIM 模型服务全寿命周期管理如图3所示。

图3：智能化AIM 模型服务全寿命周期管理

3.2.4 模型真实化

5G 时代的到来，使“万物互联”成为可能。5G 的“超级联接”使价值传输、大数据、AI 等新技术低成本简易武装到每个主体，使每个主体自适应性快速提高。而日趋真实的三维模型，可结合视频系统、传感系在施工阶段，对隐蔽工程、高边坡等重点质量控制部位进行全过程质量控制，同时实现对不同设备、不同部位上的运行参数进行在线监测，提高生产管控监测效率[6]。真实化模型应用于VR 如图4所示。

图4：真实化模型应用于VR

4 AIM模型的构建

AIM 模型的构建主要基于3dmax 格式及GIM 模型属性并补充相应智能化属性，可分为ABS.AIM（Abstait AIM，抽象）、REP.AIM（Representational AIM，具象）、真象（Real AIM，真象），其中真象根据模型颗粒度可分为HReal.AIM（高度真实模型）与LReal.AIM（低度真实模型）。抽象级别以符号表示，用于可行性研究阶段，具象级别反映模型轮廓线等，用于初步设计阶段，真象达到产品模型级别应用于施工图设计阶段，低度真实模型除纹理等细节外基本与现场模型一致可用于施工图及竣工图设计，高度真实模型完全与现场模型细节一致可用于运维阶段。AIM 模型分类示意图如图5所示。

图5：AIM 模型分类示意图

AIM 模型建模优势在于一次建模，工程全寿命周期应用。根据专用几何体、设备、材料等现实模型，在3dmax 中进行实景建模与渲染，分别形成模型文件即HReal.AIM 及材质报表文件，在后续设计过程中，可通过3dmax 软件将模型轻量化处理形成LReal.AIM或REP.AIM 并导出DWG，导出的模型及HReal.AIM 级别材质报表文件共同用于其它平台如Revit 进行三维设计。三维设计完毕后，设计成果包括材质报表文件可通过DWG 或FBX 格式导入3dmax软件进行自动渲染，方便后续施工、运维等阶段应用。AIM 模型贯穿工程建设示意图如图6所示。

图6：AIM 模型贯穿工程建设示意图

故此，采用AIM 理念构建模型，实现一次建模，同时满足设计、施工、运维等不同阶段不同部门需求，大大减轻重复建模工作量，节省工程整体造价。

5 AIM模型工程应用

在国家电网公司三维试点工程中，某单位采用基于三维信息模型AIM 电网全寿命周期管理理念从设计龙头抓起，通过智能化设计延伸到基于泛在电力物联网的BIM5D 施工[7]，包含全过程信息的竣工三维模型无缝移交运维单位，在“一个模型，一个数据”框架下，坚持底层数据全过程贯通，在整个工程建设全寿命周期过程中保持数据的唯一性。

5.1 AIM支撑智能化设计

基于三维信息模型AIM 电网全寿命周期管理理念开展智能化设计，并兼容后延施工、运维等阶段数字化移交要求。主要流程如图7。

图7：基元AIM 模型开展智能化设计

5.2 AIM支撑智能化施工

施工阶段是输变电工程项目管理中的基础，基于三维信息模型AIM 的三维数字化设计成果作为其基本数据支撑，从施工培训、路网统筹规划、关键方案模拟、场地优化、本体施工等多方面辅助全过程机械化施工，同时三维设计成果与现场施工有效融合，实时交互模拟，指导施工方从宏观上控制施工机械和资源调配方式，从微观上细化运输方案、场地布置、工艺模拟，全面高效助推全过程机械化施工，保证施工质量，缩短施工周期。利用模型所含“积木”开展施工模拟如图8所示。

图8：利用模型所含“积木”开展施工模拟

5.3 AIM支撑智能化运检

智能化运检是建立在海量真实数据的基础上进行自动判别和运行的，因此三维数字化移交成果是智能化运检平台的可靠数据来源。基于AIM 三维模型设计成果包含整个建设周期资料，同时与GIS、PMS、调度信息系统等系统数据贯通，确保相关数据能够实时反映到AIM 模型上，能够支持运检平台进行设备信息可视化、飞行浏览、实时监控、各种故障分析、危险点管理等计算、分析模拟操作等杜绝运维单位失误操作[8]，实现远程自动化、高效精准运维。AIM 三维设计成果助力智能化运检如图9所示。

图9：AIM 三维设计成果助力智能化运检

6 结束语

随着国内互联网的高速发展，结合“三型两网”、泛在电力物联网的大力推进，对输变电工程三维数字化设计提出了更高的要求，同时，鉴于全寿命周期管理追求的是资产全寿命周期内效益最大化，而并不是局部和阶段最优化的要求，对三维设计成果“一套模型，全寿命周期”的理念追求更为强烈。

鉴于此，本文在分析现有三维模型属性不足、格式不兼容、智能化不足等前提下，提出满足智能化设计、智能化施工、智能化运检的基于电网全寿命周期管理理念三维信息模型AIM ，同时给出AIM 在某典型工程中的实用案例，以期指导后期输变电三维数字化设计及其在全寿命周期管理中的价值应用。