王向上 李春林 徐鲲 董鉥涛 张建广

（北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120）

电网信息模型（grid information model, GIM）的概念于2013 年于国内首次提出，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、全面的应用[1]。同时也是为满足输变电工程三维设计成果在规划、设计、施工、运维等环节数据传递、共享的需要，推出的一种数字化交互标准格式[2-3]。根据电网公司相关工作要求，加快推进三维设计成果与基建各专业融合贯通，GIM相关应用工作从2019 年开始进入了井喷式的业务应用期。随着GIM数据的深化应用，同时也暴露出了GIM数据的相关问题，如图元复杂无法正常可视化建模、厂家移交的GIM数据不符合标准、数据体量大无法快速加载显示，因此完善完成各类GIM数据处理流程，形成统一的三维设计成果全过程处理机制显得非常关键和必要。本文重点研究了GIM的数据解析、自动化校核、快速可视化、一键式发布等相关工作，梳理出一套完整的GIM数据全过程处理流程，为GIM数据在电网工程建设的业务应用上提供有效的支撑。

1 GIM 数据解析

输变电工程三维设计模型（*.GIM）是以输变电工程各相关信息数据为基础，采用三维数字化技术建立的工程信息集合，具备完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性等特点，满足可视化、可分析、可编辑、可出图等工程全寿命周期应用需求[2-3]。三维设计模型包括物理模型和逻辑模型，GIM的原始数据为参数化表达形式，同时包含有大量的STL、IFC 等外源模型数据。GIM模型主要分为电气设备和土建设备两大类，其中电气设备主要通过参数化形式表达，对一些特殊模型可以通过链接外源的stl 模型进行表达，土建设备则通过链接外源数据IFC 模型进行表达。针对不同的数据形式，采用不同的模型解析策略，能实现较好的模型解析效果。

1.1 电气设备模型

依据《输变电工程三维设计模型交互规范》的规定，变电工程三维设计模型参数化基本图元共计25 类，包括立方体、棱柱、圆柱、球体等一些简单基本图元和台型垫片、方形垫片、端子板、拉伸体等一些复杂图元。针对参数化模型，需要根据模型参数进行三维表面建模形成下游可用的三维数据格式，难点在于参数化的布尔运算，布尔运算是数字符号化的逻辑推演法，包括联合、相交、相减。在三维模型处理操作中引用了这种逻辑运算方法，以使简单的基本图元组合产生新的三维模型。对于简单图元自主实现图元对象的构建，用于模型可视化。对于复杂图元在图元构建的过程中包含大量的布尔运算，使用一般表面建模的算法无法构建出模型对象。因此借助开源的算法引擎OpenCasCade（简称：OCC）实现图元模型的构建（图1）。

图1 端子板预览图

1.2 土建IFC 模型

IFC 文件是用Industry Foundation Classes 文件格式创建的模型文件，可以使用BIM程序打开浏览。IFC 文件格式即包含三维建筑物或设施，也包括空间的元素、材料和形状[4]。IFC 文件通常用于BIM程序之间信息的交互。在GIM数据当中土建设施模型基本上全是IFC 格式的数据。IFC 模型同样为参数化定义，若直接用于可视化建模，顶点信息展开之后数据量呈几何倍数增长，数据量巨大。因此需研究IFC 模型内部的层级关系，找出图元实体之间的关联关系，优化模型层级结构[5]。基于XBIM、IFCEngine 等IFC 模型解析库，对IFC 模型进行简化重组，提取有效信息，过滤冗余信息，有效减少了IFC 模型的数据存储量。

2 GIM 数据自动化校核

GIM作为一种三维设计成果的交互数据格式，数据组成与来源、导出流程因不同三维设计软件的差异而有所区别，同时GIM 数据质量也与三维设计过程中的具体操作强关联。从当前开展的相关GIM可视化收资数据情况看，GIM数据质量参差不齐，目前只能初步满足可视化需求，但是针对模型设备颗粒度、属性应用、关联关系等方面还存在很多问题，对于下游业务应用支持度比较有限。本文基于《输变电工程三维设计模型交互规范》和《输变电工程三维设计建模规范》开展GIM数据校核工作，指导数据修正，从GIM数据完整性、规范性、冗余性等三个方面建立GIM 数据校核体系，具体包括以下层面：

2.1 数据完整性检测

检测分析文件引用是否有效与完整；

检测分析文件是否包含规定的属性，如文件标示、属性文件等，以及部分关键属性值是否完整；

检测分析GIM设备（部件）是否包含规范规定的属性（.fam），部分关键属性值是否完整。

2.2 数据规范性检测

检测分析GIM文件编码是否规范，包括工程模型层级、设备（设施）及部件种类；

检测分析GIM图元参数定义是否规范；

检测分析规范约束的内容GIM数据是否按照规范输出，如文件标示、数据类型、分隔符等。

2.3 数据冗余性检测

单个文件层面，检测分析文件是否存在规范之外的冗余字段，为空、为0 等无效信息；

整体GIM 层面，检测分析是否存在未被引用的冗余文件。

同时，建立GIM数据缺陷分级设计，将GIM数据检测结果按照缺陷严重性划分为致命缺陷、严重缺陷、一般缺陷、微小缺陷等四个等级，并依次将有数据缺陷逐级划分、归类、统计，出具校核检测分析意见，最终形成完整的GIM数据校核报告（表1）。

表1 GIM 文件缺陷数据量统计结果

3 GIM 数据可视化编辑

尽管通过GIM数据校核能够提出具体的GIM数据修改意见，但是由于目前GIM数据来源于不同的三维设计平台，数据的修改只能返回设计院协调修改，GIM数据的应用效率比较低下，所以需要结合GIM原始数据开展数据编辑工作。编辑工作主要包括两个方面：

三维设计相关信息编辑，结合可视化的设备/部件与其相关联的设备编码、属性、关联关系等校核结果，开展GIM数据编辑工作，并且编辑的结果能够保存到原始GIM文件中，保证在数据不返回设计院的情况下完成大部分非图形问题数据的编辑工作。

补充属性信息录入编辑，结合其他非三维设计业务需求，增加GIM设备部件的属性录入工作，并且编辑的结果能够保存到原始GIM文件中。

4 GIM 数据快速可视化

4.1 模型分块

在变电工程三维场景漫游时，对于一个给定的视点位置和视线方向，通常只有一部分范围可见。因此，在对整个场景进行可视化前，应该根据当前视点位置及视线方向等参数对场景中的模型进行拣选，只渲染在当前视野范围内模型数据。为了能够快速地访问多分辨率的模型数据，必须建立快速的空间索引机制。

根据变电站平面结构图作为划分原则，将整个站区等分为若干个大小统一的正方形单元格（Cell），单元格的大小可以根据主要设备大小中位数确定，由此可以划分出m*n 个逻辑Cell 单位，涵盖所有站区的模型；然后遍历GIM模型中所有的设备，检查每个设备模型外包盒与Cell 相交情况，如果相交则将该设备放入此Cell 设备列表；反之，则继续遍历下一个Cell。如果遇到同一个设备从属多个Cell 的情况，按照设备包围盒投影面积占比Cell 网格比例的大小确定从属关系，即划分到占比较大的Cell 网格中。利用该技术可以极大减少场景中模型的载入频率，提高了模型的调度效率（图2）。

图2 模型分块效果图

4.2 动态裁剪

三维场景中存在着大量的模型块数据，但是由于屏幕空间范围有限，在绘制场景前不是所有数据都需要直接进行绘制，需要提前判断模型块数据的可见性。模型块动态裁剪即是在三维场景渲染前或者过程中将三维场景中不适合渲染的模型块从内存或者渲染列表中剔除，通过该方法可以实现三维场景的快速、高效渲染。当前客户端动态裁剪主要包含视锥体裁剪、遮挡裁剪、背面剔除。

4.3 LOD

层次细节技术（Level of Detail，简称LOD）对于加快模型显示速度，及降低场景复杂度非常有效[6]。对于同一事物，由于受到人眼的视觉特征的影响，位于远近不同位置的物体，目视所能够看到的物体的细节程度是完全不一样的。根据人眼视觉差异的这一特点，对于场景中同一物体，LOD 技术便会依据详细程度的不同创建一组几何模型。在场景渲染的过程当中，根据物体所在的位置选择相应详细程度的模型载入场景。即当视点距离物体较近时载入在视口内的较精细的模型部分，反之，当视点距离物体较远时载入在视口内的较粗糙的模型部分。根据LOD 技术，在GIM模型处理的过程中，生成一组不同精细程度的模型，在场景当中根据视点范围动态加载，有效地提高了渲染效率（图3）。

图3 不同细节层次的电气设备模型

4.4 实例化

实例化技术是一种批量渲染技术，当三维模型中具有多个相同几何形状但是空间位置不同的物体时，采用实例化技术可以实现使用一个模型数据，绘制多个模型实例的效果。该技术在增加同类物体数量的情况下而不增加实际多边形数量，这样既节省系统的内存空间和磁盘存储空间，还可以改善实时系统的处理性能。GIM模型中，存在大量的组件化方法建模，以设备模型为基础，采用设备组装的方式构建整体模型，因而这种模型组织结构十分切合实例化技术的要求。

采用实例化技术渲染GIM模型，在进行模型渲染前，结合模型块复用机制，不同空间位置但设备模型相同的多个模型，只需在内存中加载一次网格资源和不同设备的引用矩阵信息，从而创建多个模型实例信息，一次性提交给GPU，实现一次性全部渲染完成，大大提高了电网模型的渲染效率。

5 GIM 数据一键式发布

云服务器ECS（Elastic Compute Service）是阿里云提供的性能卓越、稳定可靠、弹性扩展的IaaS（Infrastructure as a Service）级别云计算服务。采用ECS 作为一键式发布程序的后台服务器，免去了采购IT 硬件的前期准备，可以便捷、高效地使用服务器，实现计算资源的即开即用和弹性伸缩。

将GIM数据的下载解压、模型解析、数据校核、可视化建模、切片发布统一集成到一键式发布系统当中，并部署到阿里云服务器上。为用户搭建前端业务系统，可以支持GIM文件上传、校核报告下载、可视化预览等功能。用户只需通过业务系统将GIM数据上传至后台云服务器，后台的一键式发布系统自动接收用户上传的数据并进行数据处理，处理完成后将结果及时反馈给前端业务系统。使用户可以实时上传，实时预览，无需等待（图4）。

图4 GIM 一键式发布架构图

6 结论

本文从GIM 数据全过程处理出发，对GIM模型的完整性解析、自动化校核、快速可视化、一键式发布等进行了研究，总结出一套简洁、高效的数据处理流程。通过GIM数据一键式发布系统可以实时对三维数字化成果的数据校验，保证了移交成果的准确性和完整性，为GIM数据在输变电工程的数字化建设工作提供有效的技术支撑。同时，通过在线的GIM数据一键式发布系统还可以实现不同设计单位之间的协同合作，为设计单位的数字化移交工作提供新的思路。