利用GIM 技术开展变电站施工方案推演的探索

宋晓宁 杜 宏

（1、国网青海省电力公司，青海 西宁810008 2、北京洛斯达科技发展有限公司，北京100120）

1 概述

三维设计是三维建模、数字化协同设计、数字化设计成果移交技术与地理信息系统、现代遥感技术的集成应用，可实现工程的三维虚拟展示和信息一体化应用，达到提高设计质量、推动设计技术进步、构建数字化电网、服务工程全寿命周期价值提升的目的。

将三维设计成果，推广到后续的施工建设阶段，提升输变电工程施工的数字化和信息化，将为打造公司数据资产提供数据支撑，建设公司全业务统一数据中心，实现工程数据全寿命周期应用价值最大化创造技术条件。

国家电网有限公司借鉴BIM技术，开展了电网领域的三维设计模型GIM研究。GIM将可传承性的输变电工程信息加以规范，建立统一的模型框架和描述方式，实现不同平台的采集及应用。GIM技术以数据库为基础，研究通用的模型接口技术和统一的编码系统，建立贯穿输变电工程全过程的信息模型。

根据国家电网有限公司要求，从2018 年下半年开始，公司新建35 千伏及以上输变电工程全面应用三维设计；同步开展GIM三维设计成果在施工阶段的应用探索。借助先进的信息技术手段提升基建施工方案设计的质量，寻求更加直观、全面、高效的辅助设计手段，进一步提高基建施工方案的水平，更好地支撑电网建设。

2 进行变电站施工组织方案设计的关键技术

2.1 GIM数据预处理和三维解析

由于GIM数据标准为基于三维设计平台的通用交互格式，所以其中必然存在大量的非三维相关信息，各种模型的关联关系也与建模方式密切相关；同时参数化定义的形式在进行三维还原的时候存在较大自由度；并且其接入其他外源数据（STL、BIM等）的特性，使得需要借助其他成熟三维引擎辅助处理。综上所述，GIM数据的三维可视化是一个自由度较大、综合程度较高、处理难度较大的过程，为达到最优化、最高效的三维可视化效果，GIM原始文件数据需要经过数据结构优化、表面建模、引擎优化等多个步骤。

目前本例已实现的GIM变电站三维可视化中，需要经过一系列的数据预处理、参数化建模、数据库构建、三维引擎优化等步骤，主要流程包括原始文件解析、参数化建模、三维数据建库、设备/整站组装、模型复用、分块调度等多个步骤。

2.2 施工工序的分解和抽象

变电站施工过程是一个复杂而有序的系统工程。其中施工工序是组成各个单位工程的最小单元，由单位工程组成分项工程。整个变电站施工工程由多个分项工程组成，从而将整个施工过程抽象为“分项工程→单位工程→施工工序”的三级结构。

这是单纯由施工组织设计的角度来划分的，与GIM标准模型的划分并不能完全对应。因此需要在GIM 数据处理的基础上，结合实际的施工工序内容，来进行重新的组织和映射。根据在项目应用中的实际情况，总结了根据施工对象的类型，来对GIM模型重新进行分类和组合。

重新划分的工作，需要协调设计单位来按照划分的说明来，修改原始的设计成果。重新组合，则无需设计单位处理，只需在对GIM成果预处理过程中，对各个组成部件，进行合并处理，形成新的组合体，并对属性进行相应的处理。

图1 GIM 格式数据处理流程

表1 GIM 重新划分的类别及说明

3 进行变电站施工组织方案设计的数据准备

在分析GIM多层文件结构和引用关系的基础上，结合渲染引擎特点和GIM可视化业务需求，设计了合理高效的GIM成果模型结构和模型数据库。

在设计中充分考虑了模型的动态调度、高效渲染需求，支持模型LOD、分层分块及模型复用等。

采用轻量级数据库SQLite 存储GIM成果模型，比文件型的模型数据更具安全和保密性，同时较少文件IO，有利于模型的高效加载。

3.1 参数化模型组装

GIM 标准原始的参数化模型关联关系为CBM1-CBM2-CBM3-CBM4-DEV（多级）-PHM（多级）-MOD（多级），而CBM1-CBM2-CBM3-CBM4-DEV（前两级）这些数据是有实际物理意义的数据（按照整站- 场区- 分区- 设备- 部件等层次关系划分），按照三维可视化的需求会被入库，这些数据基本都会有属性挂接，不能简单组装合并。

具体的Mesh 在DEV 里面，存在MODELDATA 表里面；为了调度的方便，设计多加了一层Tile 的Mesh，就是分块内部的所 有 CBM4 模 型 合 并 的 Mesh 数 据，Mesh 也 是 存 在MODELDATA 表里面。

3.2 IFC 模型重组

IFC 目前是国际通用的BIM标准，在GIM中表达土建与结构。GIM模型中IFC 的数据量大，单个模型三角面可达千万级，总体数据量达2～4GB；同时IFC 的结构复杂，包含电缆沟、采暖通风、支架、爬梯、排水管道等，土建结构对变电站可视化影响较大。基于以上特点，研究IFC 内部实体模型的复用关系，通过模型复用减少模型数据量，同时减轻可视化系统的压力。

IFC 模型亦为参数化定义，直接展开数据量巨大，需要重新展开、梳理IFC 模型内部的各种层级关系，通过相同模型进行复用，简化多层级引用关系等，生成优化重组的三维模型。项目采用Xbim、IFCViewer 等开源库及工具，实现了IFC 模型文件的解析，并深入研究内部实体间的关系，成功解读出实体模型的复用关系，采用实体- 矩阵的结构，显著减少了IFC 模型的数据存储量。

图2 IFC 模型示例

3.3 整站模型组装

以设备组件对象为建模单元，通过引用矩阵关系进行整站设备模型拼装，将设备模型与其位置、属性建立统一序列标识，进而组织成完整的带有属性信息的变电站整站模型。这种模型组织方式既保留了变电站GIM模型的局部设备的独立性，也保证了全局模型的完整性。

引用关系高效复用。针对相同设备模型进行复用，简化多层级引用关系，所有数据扁平化处理为整站- 设备- 模型实体三个层级，达到最高效的模型复用关系。

设备组装。根据优化的模型复用关系，组装整站所有设备模型。

局部数据优化调整。针对局部的土建、基础、设备贴合过近容易造成闪烁效果、以及部分冗余错误数据，根据可视化的效果需要对此部分数据进行位置偏移、数据删除等处理。

4 变电站三维施工方案推演的主要步骤

施工方案推演能够更加直观、全面的对变电站项目施工方案的全过程，从而提高施工进度管理的科学性。系统通过如下五个步骤来实现方案的制定和推演。

4.1 设备选型

系统内置了常见的施工机械和设备，这些模型数据都具有各自特点的参数化属性。在系统预设的设备设施库中，选择适合施工工序的机械和设备。在选择的过程中，可以同步浏览机械和设备的属性。

图3 设备选型功能界面

4.2 施工布置

通过交互操作的方式，在三维场景中，布置各类施工要素。可以通过不同的工具，来调整施工要素的位置、朝向和尺寸。同时，可以施工要素的参数，来定制如吊车吊臂的长度和抬升的角度。调整过程中，如果与周边的设备，发生了空间上的冲突，系统将高亮来提醒用户。

图4 施工布置功能界面

4.3 工序规划

利用网状的流程图，来标示施工工序的先后顺序。通过工序节点间的连线，来建立工序间的前置后续关系。在细节面板中，设置工序节点的施工人数、施工机械、施工周期等基础参数，并建立节点与三维场景中GIM数据和施工布置数据的联系，将工序与三维场景关联起来。以网络图变电站施工工序规划方案中一级对象（单位工程）与二级对象（最小安装单元工程）在时间维度上的展现。

图5 工序规划功能界面

4.4 生成计划

根据施工节点的连线顺序，自动生成施工方案的施工计划。施工计划以甘特图的形式呈现。甘特图控件可展示工序规划方案中项目工程的层级结构，以及工序对象的先后关系。

图6 生成计划功能界面

4.5 模拟推演

通过推演功能实现变电站施工方案的动态模拟。按照施工工序中的设置，依照施工计划的进展，显示或隐藏变电站本体，或施工元素，来展示施工的过程。在推演过程中，可以随时改变观看的视角，来发现方案的设计思想，或者不合理的地方，便于优化方案。

图7 模拟推演功能界面

5 变电站三维施工组织方案设计的实际应用情况

本系统依托于青海冷湖330kV 新建变电站项目，开展研究工作，但从项目开始，就严格遵循国网GIM标准规范，因此如果其他变电站有符合GIM 标准的三维设计成果，且数据质量良好，层次分类合理，都可以应用本系统。因此系统在变电站施工建设领域具有广阔的应用前景，是利用GIM标准数据开展施工管控的通用性平台。

GIM标准，是国网从全局高度出发，制定的信息化的基础设施，其设计初衷是要成为类似BIM 的行业标准，成为电力基建行业的全生命周期的数据标准。

同时随着电力行业突飞猛进的发展，电网基建的项目也越来越向信息化、智能化的方向发展。本项目作为GIM标准在基建施工领域的领先探索，可以在后续众多的变电站工程中，提供可借鉴，可复制的经验。

但由于目前尚处于GIM标准推广的初期，在实践过程中，发现从三维设计的成果，到输出标准GIM 数据之间，还有大量的工作要做。由于本系统完全以GIM设计成果作为数据基础，因此应用成果的质量完全依赖于GIM 成果数据的质量。随着GIM标准应用的推广，数据的质量必然会随之提升，系统的实用度也会随之而提升，并进而推广到施工领域的其他专业，比如安全培训、成本估算、施工监测等场景中。

6 结论

针对目前设计阶段和施工阶段，缺乏直接快捷统一准确的数据沟通方法的问题，以及由此导致的施工组织设计无法精确进行信息化改造的问题，应用成熟先进的数据处理方法和三维空间图形显示技术，开展在GIM标准下，数据处理及可视化，以及交互式施工组织设计方法的研究，取得丰富的技术成果。

（1）通过项目实施，探索出了一条解析和处理GIM 格式三维设计数据的方法。通过解析GIM数据，能够完整准确地获得设计人员的设计意图，能够精确直观地表达设计细节，能够全面高效地反映设备设施的信息。但是GIM数据同时又具有数据庞杂，类型丰富的特点，本次项目实践，采用了层次细节模型、同类合并、模型替代等技术手段，实现了对GIM数据的清洗、结构化重组和分类入库等处理工具，极大地畅通了GIM数据应用的路径。

（2）通过项目实施，摸索出在三维设计成果的基础上，进行施工组织设计的应用方案。施工组织设计是在项目进入施工阶段后的第一项工作，同时也是关键的一步。能直接在三维设计成果的构成的场景中，直观地进行工序的规划、设计参数的查询以及施工场地布置等施工方案可视化编辑工作，这改变了施工组织设计的传统作业方式，从流水线式的模式，过渡到快速迭代试错的模式，这既降低了对施工组织设计人员的专业知识要求，缩短了设计交底和设计文件理解的过程，使设计人员的精力，更能聚焦到方案的优化过程中，从而提升施工方案的质量和效率。

（3）通过项目实施，验证了在具有设计精度的三维场景中的，利用多种空间分析工具，辅助进行施工方案优化的方法。与以展示变电站效果为主的系统不同，本系统与导入的GIM标准数据具有同等的数学精度，因此具有了在此基础上进行精确空间分析计算的可能性，系统在解决了大量计算带来的性能压力的前提下，初步试验了空间量测、碰撞分析、通过性分析等空间分析方法。这些方法为进行施工方案优化提供了有力的支撑。