基于GIM的架空輸電線路三維模型構(gòu)建方法研究

陶 剛

(北京洛斯達(dá)科技發(fā)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(yè)得到了廣泛應(yīng)用，其涵義逐漸被擴(kuò)展為BIM模型、BIM建模和建筑信息管理三個(gè)層次[1]。BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣借助了IFC標(biāo)準(zhǔn)[2]，實(shí)現(xiàn)了不同軟件之間交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[3]，而建筑行業(yè)工業(yè)基礎(chǔ)分類(Industry Foundation Class，IFC4)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)缺少電網(wǎng)工程相關(guān)內(nèi)容[4]，不利于電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)的推廣和應(yīng)用。

GIM于2013年首次被提出，主要指電網(wǎng)工程數(shù)字化信息模型，是依托地理信息系統(tǒng)，將電網(wǎng)的組成元素?cái)?shù)字化，以信息模型為載體，集成每個(gè)元素全壽命周期內(nèi)的信息，實(shí)現(xiàn)信息的高效、準(zhǔn)確、全面應(yīng)用[5]。GIM是貫穿電網(wǎng)建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)營(yíng)階段的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，其起源于設(shè)計(jì)階段，通過(guò)數(shù)字化正向設(shè)計(jì)技術(shù)手段，生成匹配的圖形模型與屬性模型數(shù)據(jù)，并在后續(xù)階段不斷豐富完善，最終實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化移交[6-7]和應(yīng)用。近年來(lái)，電網(wǎng)行業(yè)提出全面開(kāi)展輸變電工程三維設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提出新的要求[8-9]。輸變電工程三維設(shè)計(jì)起步較晚，特別是架空輸電線路工程(以下簡(jiǎn)稱“線路工程”)三維設(shè)計(jì)，與發(fā)電、變電工程等場(chǎng)站設(shè)計(jì)有所不同：一是線路工程導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用相匹配；二是本體與線路走廊地理信息有著緊密的聯(lián)系[10-11]。構(gòu)建線路工程三維模型是開(kāi)展三維設(shè)計(jì)及其后繼階段工作的基礎(chǔ)。本文分析GIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，研究線路工程本體的三維參數(shù)化建模方法，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建線路工程三維場(chǎng)景。

1 GIM數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)

1.1 GIM模型層次結(jié)構(gòu)

GIM線路工程數(shù)據(jù)模型本質(zhì)上是一種按層次組織和逐級(jí)引用的文件結(jié)構(gòu)。線路工程GIM定義了5個(gè)層級(jí)，1-5級(jí)依次為工程全線級(jí)，分段級(jí)，耐張段級(jí)，設(shè)備組(桿塔組、導(dǎo)體組、交叉跨越組)級(jí)和設(shè)備級(jí)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 架空輸電線路工程模型層級(jí)結(jié)構(gòu)

1.2 GIM格式文件結(jié)構(gòu)

GIM標(biāo)準(zhǔn)格式文件以*GIM格式壓縮為一個(gè)文件，包含文件頭和存儲(chǔ)域兩部分內(nèi)容，文件頭存儲(chǔ)了模型文件的元數(shù)據(jù)信息，包括：文件標(biāo)識(shí)、文件名稱、創(chuàng)建時(shí)間、版本號(hào)等；存儲(chǔ)域是模型的數(shù)據(jù)實(shí)體。線路工程GIM標(biāo)準(zhǔn)格式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型包括： *.cbm、*.dev、*.fam、*.phm、*.mod和 *.stl等，相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)格式文件設(shè)計(jì)采用CBM、DEV、PHM、MOD四個(gè)文件目錄進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)體內(nèi)容的存儲(chǔ)，每一個(gè)文件夾下存儲(chǔ)相應(yīng)類型的文件，CBM文件夾存儲(chǔ)*.cbm、*.fam，DEV文件夾存儲(chǔ)*.dev、*.fam，PHM文件夾存儲(chǔ)*.phm，MOD文件夾存儲(chǔ)*.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(jié)構(gòu)

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(gè)GIM模型的入口，它存儲(chǔ)了工程信息和一級(jí)(全線級(jí))工程模型cbm文件的引用，其他*.cbm文件包含五級(jí)系統(tǒng)，F(xiàn)1System一級(jí)全線包含若干個(gè)二級(jí)分段，F(xiàn)2System二級(jí)分段包含若干個(gè)三級(jí)耐張段，F(xiàn)3System三級(jí)耐張段包含若干個(gè)四級(jí)設(shè)備組(桿塔組、導(dǎo)體組、交叉跨越組)，F(xiàn)4System四級(jí)設(shè)備組(桿塔組、導(dǎo)體組、交叉跨越組)包含若干材料、設(shè)備及設(shè)施，每一級(jí)*.cbm文件都對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性文件*.fam。在設(shè)備級(jí)*.cbm文件中存儲(chǔ)了該設(shè)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(duì)應(yīng)的設(shè)備相關(guān)，不同物理模型對(duì)應(yīng)的*.fam文件存儲(chǔ)的屬性數(shù)量及字段名稱不同，一般包含設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)凍結(jié)參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)、施工參數(shù)、測(cè)試參數(shù)和運(yùn)檢參數(shù)六大類。

3) PHM 文件夾中包括了*.phm 文件。*.phm存儲(chǔ)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(shù)。

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(shù)化描述兩種類型。*.mod通過(guò)xml節(jié)點(diǎn)來(lái)描述相應(yīng)的信息，Entity標(biāo)識(shí)實(shí)體對(duì)象，實(shí)體對(duì)象包含幾何圖元的信息[12]。

2 架空輸電線路本體三維參數(shù)化建模

線路工程本體三維建模主要指工程設(shè)備設(shè)施如導(dǎo)地線、桿塔、絕緣子串、基礎(chǔ)等主要模型的構(gòu)建過(guò)程?；贕IM的三維參數(shù)化建模方法，通過(guò)對(duì)不同類型本體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行描述，由計(jì)算機(jī)生成符合設(shè)計(jì)邏輯的三維模型，效率高，真實(shí)反映設(shè)備元件之間的相互關(guān)系，且能夠?qū)σ延袌D元模型進(jìn)行組合組裝，復(fù)用性強(qiáng)，符合當(dāng)前三維設(shè)計(jì)技術(shù)倡導(dǎo)的正向設(shè)計(jì)流程。從滿足三維設(shè)計(jì)要求的角度來(lái)說(shuō)，按照模型復(fù)雜程度，電網(wǎng)工程三維模型分為通用模型、產(chǎn)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(duì)比說(shuō)明

在輸電線路工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要應(yīng)用通用模型和產(chǎn)品模型兩種類型，除了絕緣子串產(chǎn)品模型可用*.stl文件外，其余模型均要求以*.mod格式進(jìn)行參數(shù)化建模。

2.1 導(dǎo)地線建模

導(dǎo)地線建模一般通過(guò)計(jì)算生成，在線路工程中，電線是以桿塔為支持物懸掛起來(lái)的，所形成的形狀為“懸鏈線”[14]，因此，可使用懸鏈線公式進(jìn)行計(jì)算。

如圖3所示，坐標(biāo)O點(diǎn)位于導(dǎo)地線懸掛點(diǎn)A的弧垂點(diǎn)計(jì)算公式：

圖3 單檔不等高架空線路示意圖[15]

最大弧垂計(jì)算公式：

式中：f為電線弧垂，m；β為高差角，°；x為電線各點(diǎn)到縱坐標(biāo)的水平距離，m；y為電線各點(diǎn)到橫坐標(biāo)軸的垂直高度，m；σ0為電線各點(diǎn)的水平應(yīng)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(diǎn)的連線劃分為足夠多的段，以一側(cè)端點(diǎn)為原點(diǎn)利用式(1)依次計(jì)算每個(gè)分割點(diǎn)對(duì)應(yīng)的弧垂點(diǎn)，根據(jù)式(2)求出最大弧垂點(diǎn)并將該點(diǎn)按順序插入到弧垂點(diǎn)數(shù)組中，然后依次連接各節(jié)點(diǎn)，繪制出導(dǎo)地線的形狀，然后根據(jù)外徑尺寸，形成導(dǎo)地線三維模型。

2.2 桿塔建模

桿塔的通用模型和產(chǎn)品模型均采用參數(shù)化模型，模型原點(diǎn)為最長(zhǎng)腿所在的幾何中心。通用模型一般表現(xiàn)為桿塔單線模型，產(chǎn)品模型為帶角鋼或鋼管樣式信息的桿塔三維實(shí)體模型。在桿塔*mod文件中，以Body、Leg、SubLeg三個(gè)關(guān)鍵字分別表示桿塔的本體、接腿和長(zhǎng)短腿，每一部分中以R、P、G 分別作為節(jié)點(diǎn)、桿件、掛點(diǎn)的標(biāo)志，每個(gè)單元占一行，如表3所示。

表3 桿塔模型參數(shù)信息說(shuō)明

以桿塔產(chǎn)品模型為例，在計(jì)算機(jī)中利用Direct3D[16]組件進(jìn)行模型渲染的步驟如下(基礎(chǔ)、絕緣子串渲染原理相似)：1)根據(jù)R找到桿件的兩端點(diǎn)P坐標(biāo)；2)根據(jù)桿件的肢寬、肢厚、肢朝向求出桿件模型的所有面頂點(diǎn)，以頂點(diǎn)號(hào)和頂點(diǎn)坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，將所有點(diǎn)以此形式存為頂點(diǎn)位置數(shù)組；3)分割桿件的所有面為三角面片，以順時(shí)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)三角形頂點(diǎn)索引號(hào)，將所有的三角面片以此結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)為頂點(diǎn)索引數(shù)組；4)將2)中的頂點(diǎn)位置數(shù)組和3)中的頂點(diǎn)索引數(shù)組信息傳入Direct3D的三維模型渲染對(duì)象device中；5)device內(nèi)部依次對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行處理、裁剪、透視背面剔除、光柵化、過(guò)濾、像素處理等一系列流程，最終將三維模型在屏幕上進(jìn)行顯示；6)根據(jù)G，標(biāo)出桿塔掛點(diǎn)信息并渲染顯示，結(jié)果如圖4所示。

圖4 桿塔三維參數(shù)化建模效果

2.3 基礎(chǔ)建模

桿塔基礎(chǔ)一般以產(chǎn)品模型的形式構(gòu)建，每種基礎(chǔ)類型的外輪廓與塔腳連接部分均可以分解成若干個(gè)基本三維圖元(如長(zhǎng)方體、圓柱體等)。因此，以基礎(chǔ)模型頂面中心為原點(diǎn)，對(duì)構(gòu)成基礎(chǔ)的基本圖元參數(shù)進(jìn)行描述，將其進(jìn)行組合，生成.mod格式數(shù)據(jù)，并渲染成三維實(shí)體圖形，如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)三維參數(shù)化建模效果

2.4 絕緣子串建模

對(duì)于絕緣子串三維模型來(lái)說(shuō)，線路工程初步設(shè)計(jì)階段要求為通用模型，以整串為單位，采用參數(shù)化建模(*mod文件)。施工圖設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品模型(*stl文件)，由絕緣子和金具模型組裝構(gòu)成整串，模型含幾何信息、連接信息和屬性參數(shù)。在參數(shù)化建模過(guò)程中，以絕緣子串與桿塔連接點(diǎn)為原點(diǎn)，多掛點(diǎn)時(shí)原點(diǎn)為最高掛點(diǎn)所在水平面與絕緣子串掛線點(diǎn)中心鉛錘線的交點(diǎn)，絕緣子串的參數(shù)化描述包括型號(hào)ID、導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂信息(排列方式、間距)、串用途(導(dǎo)線串、地線串)、串類型(懸垂串、耐張串)、V串夾角、U串連接長(zhǎng)度、金具長(zhǎng)度、聯(lián)數(shù)、排列方式、絕緣子信息(半徑、片數(shù)、材質(zhì)等)、均壓環(huán)信息(個(gè)數(shù)、高度、半徑、位置)、接線點(diǎn)信息等[12]，通過(guò)三維圖形引擎讀取參數(shù)并渲染效果如圖6所示。

圖6 絕緣子串三維參數(shù)化建模效果

3 架空輸電線路三維場(chǎng)景構(gòu)建

線路工程三維場(chǎng)景構(gòu)建需結(jié)合三維地理信息數(shù)據(jù)、本體三維模型及其相對(duì)空間位置關(guān)系，通過(guò)“搭積木”的方式整合為一個(gè)完整的線路工程三維模型。

3.1 三維場(chǎng)景準(zhǔn)備

在支持2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的三維GIS平臺(tái)上，加載線路工程走廊的基礎(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)，形成線路工程三維場(chǎng)景。

3.2 桿塔模型搭建

對(duì)于每一基桿塔組(包含桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子串)，以桿塔為主要基準(zhǔn)，根據(jù)桿塔三維模型原點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程信息，結(jié)合桿塔北方向偏角信息，調(diào)整桿塔模型轉(zhuǎn)向，將其放置于三維場(chǎng)景中。

3.3 基礎(chǔ)模型搭建

遍歷同桿塔組所有的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)模型原點(diǎn)相對(duì)桿塔模型原點(diǎn)的空間變換矩陣，依次放置基礎(chǔ)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(shù)據(jù)，根據(jù)金具、絕緣子相對(duì)于絕緣子串建模原點(diǎn)的空間變換矩陣進(jìn)行絕緣子串的組裝，然后根據(jù)絕緣子串模型原點(diǎn)相對(duì)桿塔模型原點(diǎn)的空間變換矩陣，依次放置絕緣子串三維模型。

3.5 導(dǎo)地線模型搭建

根據(jù)同一耐張段中前后兩基桿塔組中對(duì)應(yīng)的絕緣子串模型數(shù)據(jù)，獲取每段導(dǎo)體組中兩端的導(dǎo)地線掛點(diǎn)信息，利用2.1節(jié)相關(guān)算法計(jì)算并繪制導(dǎo)地線(跳線)，根據(jù)導(dǎo)地線(跳線)外徑尺寸，形成導(dǎo)地線三維模型；根據(jù)小號(hào)側(cè)桿塔模型塔位中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，結(jié)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(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置和連接順序等)，按照連接順序依次連接交跨物節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，結(jié)合高度信息，形成簡(jiǎn)單幾何體的交跨物三維模型(如房屋、林木等)，根據(jù)實(shí)際需要添加紋理圖片。

3.7 工程模型組織

循環(huán)執(zhí)行3.1至3.6節(jié)內(nèi)容，直至所有耐張段均完成，合成架空輸電工程三維場(chǎng)景，如圖7所示。

圖7 基于GIM的架空輸電線路工程三維場(chǎng)景效果

3.8 結(jié)果分析

相對(duì)于把整個(gè)線路工程作為單體來(lái)建模的方式而言，采用“搭積木”構(gòu)建方式靈活性更好，相同的工程本體三維模型數(shù)據(jù)只存儲(chǔ)一份，通過(guò)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(tài)，通過(guò)相互關(guān)聯(lián)關(guān)系組合使用，數(shù)據(jù)復(fù)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(shí)，線路工程三維模型變更為容易，局部發(fā)生變化時(shí)，可用新模型進(jìn)行快速替換，不影響其他部分。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從GIM標(biāo)準(zhǔn)文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)線路工程本體的三維參數(shù)化建模、模型可視化以及工程三維場(chǎng)景構(gòu)建進(jìn)行研究，在實(shí)際應(yīng)用中，基于GIM標(biāo)準(zhǔn)的三維模型構(gòu)建具有如下優(yōu)勢(shì)：一是采用參數(shù)化的方式構(gòu)建三維模型，通過(guò)改變參數(shù)值的方式對(duì)模型樣式進(jìn)行編輯，在提高建模效率同時(shí)，減少了單個(gè)結(jié)構(gòu)化模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；二是GIM模型標(biāo)準(zhǔn)采用層次引用結(jié)構(gòu)，減少了冗余；三是GIM模型把圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)高度統(tǒng)一，有利于數(shù)據(jù)的查詢檢索，也便于信息的提取與共享。目前，GIM模型標(biāo)準(zhǔn)仍然存在一些不足之處，如工程量、材料量的統(tǒng)計(jì)及相關(guān)造價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)涉及較少；標(biāo)準(zhǔn)目前更多的是面向設(shè)計(jì)階段，對(duì)模型在施工、調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等階段的定義和應(yīng)用深度不夠，下一步可通過(guò)靈活的信息擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通，使其能夠更加完善地服務(wù)電網(wǎng)工程全生命周期應(yīng)用。