基于GIM的架空輸電線路三維模型構建方法研究

陶 剛

(北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100101)

0 引言

2002年，菲利普·伯恩斯坦首次提出BIM概念。BIM在建筑行業得到了廣泛應用，其涵義逐漸被擴展為BIM模型、BIM建模和建筑信息管理三個層次[1]。BIM技術的應用和推廣借助了IFC標準[2]，實現了不同軟件之間交換設計數據[3]，而建筑行業工業基礎分類(Industry Foundation Class，IFC4)國際標準缺少電網工程相關內容[4]，不利于電網數字化建設的推廣和應用。

GIM于2013年首次被提出，主要指電網工程數字化信息模型，是依托地理信息系統，將電網的組成元素數字化，以信息模型為載體，集成每個元素全壽命周期內的信息，實現信息的高效、準確、全面應用[5]。GIM是貫穿電網建設工程設計、施工、調試、運營階段的數據標準體系，其起源于設計階段，通過數字化正向設計技術手段，生成匹配的圖形模型與屬性模型數據，并在后續階段不斷豐富完善，最終實現工程的數字化移交[6-7]和應用。近年來，電網行業提出全面開展輸變電工程三維設計，對設計技術的發展提出新的要求[8-9]。輸變電工程三維設計起步較晚，特別是架空輸電線路工程(以下簡稱“線路工程”)三維設計，與發電、變電工程等場站設計有所不同：一是線路工程導線、桿塔等本體三維建模的深度、便利度和共享程度要求必須與實際應用相匹配；二是本體與線路走廊地理信息有著緊密的聯系[10-11]。構建線路工程三維模型是開展三維設計及其后繼階段工作的基礎。本文分析GIM數據標準，研究線路工程本體的三維參數化建模方法，在此基礎上，構建線路工程三維場景。

1 GIM數據模型結構

1.1 GIM模型層次結構

GIM線路工程數據模型本質上是一種按層次組織和逐級引用的文件結構。線路工程GIM定義了5個層級，1-5級依次為工程全線級，分段級，耐張段級，設備組(桿塔組、導體組、交叉跨越組)級和設備級。其結構如圖1所示。

圖1 架空輸電線路工程模型層級結構

1.2 GIM格式文件結構

GIM標準格式文件以*GIM格式壓縮為一個文件，包含文件頭和存儲域兩部分內容，文件頭存儲了模型文件的元數據信息，包括：文件標識、文件名稱、創建時間、版本號等；存儲域是模型的數據實體。線路工程GIM標準格式文件存儲的數據類型包括： *.cbm、*.dev、*.fam、*.phm、*.mod和 *.stl等，相關文件描述信息如表1所示。

表1 架空輸電線路工程GIM文件類型描述

線路工程GIM標準格式文件設計采用CBM、DEV、PHM、MOD四個文件目錄進行數據實體內容的存儲，每一個文件夾下存儲相應類型的文件，CBM文件夾存儲*.cbm、*.fam，DEV文件夾存儲*.dev、*.fam，PHM文件夾存儲*.phm，MOD文件夾存儲*.mod、*.stl。

線路工程GIM文件的層次和引用如圖2所示。

圖 2 架空輸電線路工程模型引用結構

1) GIM文件的CBM文件夾根目錄中有唯一的工程文件清單project.cbm，該文件是整個GIM模型的入口，它存儲了工程信息和一級(全線級)工程模型cbm文件的引用，其他*.cbm文件包含五級系統，F1System一級全線包含若干個二級分段，F2System二級分段包含若干個三級耐張段，F3System三級耐張段包含若干個四級設備組(桿塔組、導體組、交叉跨越組)，F4System四級設備組(桿塔組、導體組、交叉跨越組)包含若干材料、設備及設施，每一級*.cbm文件都對應一個屬性文件*.fam。在設備級*.cbm文件中存儲了該設備的DEV文件引用。

2) DEV文件夾中包含兩類文件，一是描述物理模型的文件*.dev，二是描述物理模型屬性的文件*.fam。*.dev可以引用*.phm(組合模型)或其他*.dev，*.fam的文件格式和對應的設備相關，不同物理模型對應的*.fam文件存儲的屬性數量及字段名稱不同，一般包含設計參數、設計凍結參數、產品參數、施工參數、測試參數和運檢參數六大類。

3) PHM 文件夾中包括了*.phm 文件。*.phm存儲了*.mod、*.stl模型文件或其他*.phm的引用，并描述了空間變換矩陣參數。

4) MOD 文件夾中包含了*.mod 文件或*.stl文件，該文件是描述幾何模型單元的幾何信息，包含基本圖元描述和參數化描述兩種類型。*.mod通過xml節點來描述相應的信息，Entity標識實體對象，實體對象包含幾何圖元的信息[12]。

2 架空輸電線路本體三維參數化建模

線路工程本體三維建模主要指工程設備設施如導地線、桿塔、絕緣子串、基礎等主要模型的構建過程。基于GIM的三維參數化建模方法，通過對不同類型本體的關鍵參數進行描述，由計算機生成符合設計邏輯的三維模型，效率高，真實反映設備元件之間的相互關系，且能夠對已有圖元模型進行組合組裝，復用性強，符合當前三維設計技術倡導的正向設計流程。從滿足三維設計要求的角度來說，按照模型復雜程度，電網工程三維模型分為通用模型、產品模型和裝配模型三種類型[13]，具體描述如表2所示。

表2 三種類型三維模型對比說明

在輸電線路工程設計過程中，主要應用通用模型和產品模型兩種類型，除了絕緣子串產品模型可用*.stl文件外，其余模型均要求以*.mod格式進行參數化建模。

2.1 導地線建模

導地線建模一般通過計算生成，在線路工程中，電線是以桿塔為支持物懸掛起來的，所形成的形狀為“懸鏈線”[14]，因此，可使用懸鏈線公式進行計算。

如圖3所示，坐標O點位于導地線懸掛點A的弧垂點計算公式：

圖3 單檔不等高架空線路示意圖[15]

最大弧垂計算公式：

式中：f為電線弧垂，m；β為高差角，°；x為電線各點到縱坐標的水平距離，m；y為電線各點到橫坐標軸的垂直高度，m；σ0為電線各點的水平應力，N/mm2；γ為電線比載，N/m·mm2；l為檔距，m；h為高差，m。

將兩端點的連線劃分為足夠多的段，以一側端點為原點利用式(1)依次計算每個分割點對應的弧垂點，根據式(2)求出最大弧垂點并將該點按順序插入到弧垂點數組中，然后依次連接各節點，繪制出導地線的形狀，然后根據外徑尺寸，形成導地線三維模型。

2.2 桿塔建模

桿塔的通用模型和產品模型均采用參數化模型，模型原點為最長腿所在的幾何中心。通用模型一般表現為桿塔單線模型，產品模型為帶角鋼或鋼管樣式信息的桿塔三維實體模型。在桿塔*mod文件中，以Body、Leg、SubLeg三個關鍵字分別表示桿塔的本體、接腿和長短腿，每一部分中以R、P、G 分別作為節點、桿件、掛點的標志，每個單元占一行，如表3所示。

表3 桿塔模型參數信息說明

以桿塔產品模型為例，在計算機中利用Direct3D[16]組件進行模型渲染的步驟如下(基礎、絕緣子串渲染原理相似)：1)根據R找到桿件的兩端點P坐標；2)根據桿件的肢寬、肢厚、肢朝向求出桿件模型的所有面頂點，以頂點號和頂點坐標的結構存儲，將所有點以此形式存為頂點位置數組；3)分割桿件的所有面為三角面片，以順時結構存儲三角形頂點索引號，將所有的三角面片以此結構存儲為頂點索引數組；4)將2)中的頂點位置數組和3)中的頂點索引數組信息傳入Direct3D的三維模型渲染對象device中；5)device內部依次對每個頂點進行處理、裁剪、透視背面剔除、光柵化、過濾、像素處理等一系列流程，最終將三維模型在屏幕上進行顯示；6)根據G，標出桿塔掛點信息并渲染顯示，結果如圖4所示。

圖4 桿塔三維參數化建模效果

2.3 基礎建模

桿塔基礎一般以產品模型的形式構建，每種基礎類型的外輪廓與塔腳連接部分均可以分解成若干個基本三維圖元(如長方體、圓柱體等)。因此，以基礎模型頂面中心為原點，對構成基礎的基本圖元參數進行描述，將其進行組合，生成.mod格式數據，并渲染成三維實體圖形，如圖5所示。

圖5 基礎三維參數化建模效果

2.4 絕緣子串建模

對于絕緣子串三維模型來說，線路工程初步設計階段要求為通用模型，以整串為單位，采用參數化建模(*mod文件)。施工圖設計階段為產品模型(*stl文件)，由絕緣子和金具模型組裝構成整串，模型含幾何信息、連接信息和屬性參數。在參數化建模過程中，以絕緣子串與桿塔連接點為原點，多掛點時原點為最高掛點所在水平面與絕緣子串掛線點中心鉛錘線的交點，絕緣子串的參數化描述包括型號ID、導線分裂數、分裂信息(排列方式、間距)、串用途(導線串、地線串)、串類型(懸垂串、耐張串)、V串夾角、U串連接長度、金具長度、聯數、排列方式、絕緣子信息(半徑、片數、材質等)、均壓環信息(個數、高度、半徑、位置)、接線點信息等[12]，通過三維圖形引擎讀取參數并渲染效果如圖6所示。

圖6 絕緣子串三維參數化建模效果

3 架空輸電線路三維場景構建

線路工程三維場景構建需結合三維地理信息數據、本體三維模型及其相對空間位置關系，通過“搭積木”的方式整合為一個完整的線路工程三維模型。

3.1 三維場景準備

在支持2000國家大地坐標系和1985國家高程基準的三維GIS平臺上，加載線路工程走廊的基礎地形地貌數據，形成線路工程三維場景。

3.2 桿塔模型搭建

對于每一基桿塔組(包含桿塔、基礎、絕緣子串)，以桿塔為主要基準，根據桿塔三維模型原點的經緯度坐標和高程信息，結合桿塔北方向偏角信息，調整桿塔模型轉向，將其放置于三維場景中。

3.3 基礎模型搭建

遍歷同桿塔組所有的基礎模型數據，根據基礎模型原點相對桿塔模型原點的空間變換矩陣，依次放置基礎三維模型。

3.4 絕緣子串模型搭建

遍歷同桿塔組所有的絕緣子串模型數據，根據金具、絕緣子相對于絕緣子串建模原點的空間變換矩陣進行絕緣子串的組裝，然后根據絕緣子串模型原點相對桿塔模型原點的空間變換矩陣，依次放置絕緣子串三維模型。

3.5 導地線模型搭建

根據同一耐張段中前后兩基桿塔組中對應的絕緣子串模型數據，獲取每段導體組中兩端的導地線掛點信息，利用2.1節相關算法計算并繪制導地線(跳線)，根據導地線(跳線)外徑尺寸，形成導地線三維模型；根據小號側桿塔模型塔位中心點為基準，結合空間變換矩陣信息放置間隔棒和防震錘三維模型。

3.6 交跨物模型搭建

在同一耐張段中，遍歷所有交跨物信息(地物類型，連線節點數量、位置和連接順序等)，按照連接順序依次連接交跨物節點的經緯度坐標，結合高度信息，形成簡單幾何體的交跨物三維模型(如房屋、林木等)，根據實際需要添加紋理圖片。

3.7 工程模型組織

循環執行3.1至3.6節內容，直至所有耐張段均完成，合成架空輸電工程三維場景，如圖7所示。

圖7 基于GIM的架空輸電線路工程三維場景效果

3.8 結果分析

相對于把整個線路工程作為單體來建模的方式而言，采用“搭積木”構建方式靈活性更好，相同的工程本體三維模型數據只存儲一份，通過地址引用的方式讀取模型文件，利用空間變換矩陣控制位置和姿態，通過相互關聯關系組合使用，數據復用性更好，在渲染上需要的硬件資源更少，顯示速度和效率得到提高。同時，線路工程三維模型變更為容易，局部發生變化時，可用新模型進行快速替換，不影響其他部分。

4 結語

本文從GIM標準文件的數據結構出發，對線路工程本體的三維參數化建模、模型可視化以及工程三維場景構建進行研究，在實際應用中，基于GIM標準的三維模型構建具有如下優勢：一是采用參數化的方式構建三維模型，通過改變參數值的方式對模型樣式進行編輯，在提高建模效率同時，減少了單個結構化模型的數據存儲量；二是GIM模型標準采用層次引用結構，減少了冗余；三是GIM模型把圖形數據和屬性數據高度統一，有利于數據的查詢檢索，也便于信息的提取與共享。目前，GIM模型標準仍然存在一些不足之處，如工程量、材料量的統計及相關造價指標的關聯涉及較少；標準目前更多的是面向設計階段，對模型在施工、調試和生產運營等階段的定義和應用深度不夠，下一步可通過靈活的信息擴展，實現數據貫通，使其能夠更加完善地服務電網工程全生命周期應用。