电气设备在BIM与GIS中的几何与语义一致性

王兴华，王彦峰，雷翔胜，许成昊，赵智尧

（1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广州 510080；2.中国能建集团广东省电力设计研究院，广州 510663）

0 引言

伴随元宇宙、虚拟现实和数字孪生等数字化技术的兴起，电力行业也在积极寻求数字化转型来提高电网服务水平、质量和效率。为了具备更强的全局感知能力、决策能力和执行能力，电网公司提出“数字电网”的概念，并明确“数字电网”具有可视化和辅助决策的特征［1］。其中可视化特征主要采用人工建模和自动半自动方法三维建模来实现［2］。基于精确和详细的三维空间模型内部和外部信息，承载设计信息的建筑信息模型（building information modeling，BIM）可为辅助决策提供强有力的支持。

BIM为电网工程提供了创建、存储和管理相关信息的手段［3］。在BIM平台上协同工作，虽然参与电网工程设计任务的各专业可以降低信息沟通的成本，但是全生命周期各阶段的数据依然相互割裂且缺乏互操作性。这导致聚焦于小空间尺度的BIM技术无法独立支撑工作，因此BIM迫切需要与地理信息系统（geographic information system，GIS）进行整合［4］。在电网工程行业，至少有80%的信息需要基于地理空间信息进行采集和分析［5-6］，BIM和GIS之间的集成可以进一步增强信息共享。GIS提供的空间位置信息、周边环境信息和地址水文信息能够在项目选址、大件运输等方面为BIM施工模拟提供帮助，同时BIM模型可以为GIS提供包含内部结构的精细三维模型，实现高效管理。BIM模型中的关键组件和GIS数据库的关键组件之间的几何与语义一致性映射是实现这两个领域集成的关键步骤。

现有的研究中已经阐明BIM领域与GIS领域存在对彼此的信息需求。GIS可以在三维空间中操作、分析、管理和展示不同类型地理空间数据，关于GIS在电网工程中的应用已经有了一些研究。错乱的材料布局会导致场地拥挤，使项目延误和成本超支，为此Su等人提出了基于GIS的建筑工地材料布局动态评估模型［6］。Simão等人使用GIS进行协作规划，以此引导利益相关方共同参与到风电场选址和风能规划中［7］。Isikdag等人研究了GIS在BIM模型选址和火灾响应方面的应用［8］。BIM模型能够丰富GIS的信息源。Benner等人使用BIM模型提出了一种提取3D建筑语义信息的方法［9］。Hijazi等人开展了以BIM模型建模参考，对3D GIS扩充建筑内部设施的研究。

工业基础类（industry foundation class，IFC）和城市地理标记语言（city geographic markup language，CityGML）分别在BIM和GIS领域中被广泛应用，因此选择它们作为两种平台的数据格式。IFC是1994年由国际互操作性联盟（international alliance for interoperability）发起的基于Express语言的开放数据标准。另一方面，CityGML是在2002年由德国的地理数据基础设施项目特别工作组（special interest group 3D，SIG 3D）开发的一个GIS标准。IFC试图捕获与建筑相关的所有信息，如建筑组件的详细几何结构和语义信息，如成本、调度和效用信息。CityGML模型通常用于根据地图或建筑物的几何形状捕捉人口信息。

变电站作为电网工程系统中的节点，其规模随着电网建设的快速发展不断地扩大。作为电压和电流进行变换、集中和分配的场所，变电站的数字化也是学术界研究的重点。本文中我们将研究范围锁定在变电站内，以站区内的电气设备作为研究对象，探索一种BIM与GIS融合场景中电气设备实现几何与语义一致性映射的方法。现有研究的映射方法主要针对于建筑物的BIM设计模型，因此我们不能采用现有的数据格式转换方法来测试。本文提出了一个IFC和CityGML之间的映射框架，该框架由两个部分组成：

1）电气设备的几何坐标转换。

2）对IFC和CityGML中的不同术语集使用图进行映射。

1 研究背景和相关工作

1.1 IFC和CityGML介绍

IFC能够表达建筑物的几何信息与丰富的语义信息［10］。BIM模型中的构件可以由边界表示（boundary representation，Brep）、扫琼体和构造立体几何（constructive solid geometry，CSG）的一种单独表示或几种的组合体表示。BRep利用边界曲面来表示物体的形状。在横扫实体中，物体的横截面将首先被定义，然后在特定的方向挤压到一个定义的长度，以显示实体形状。CSG是对象布尔运算的结果。IFC可以存储各种语义信息，如所有者信息、模型的修改历史、构建组件的成本和进度等。基于IFC的BIM模型可用于工程建设的各个阶段，如规划阶段［11］、设计阶段［12］、施工阶段［13］、运维阶段［14］。CityGML于2007年被开放地理空间联盟（open geospatial consortium， OGC）认定为数据交换标准。CityGML是第一个支持丰富语义信息的三维GIS数据格式［15］。

1.2 IFC和CityGML映射相关研究

IFC和CityGML之间映射的研究已经成为了热点研究内容。Rafiee认为BIM模型没有使用地理定位，而是使用一个阻碍环境分析的局部坐标系统，因此将BIM转化为相应的地理定位模型有助于有效地回答许多环境问题［16］。许多学者尝试建立IFC与GIS标准之间的映射，这些方法可以分为两类，一类方法基于BIM领域完成，人们试图用GML的内容扩展BIM数据标准，而GML是CityGML的基础。另一种方法侧重于扩展GIS标准，以便包含来自BIM模型的信息。然而，这两种方法只支持单向映射。它们只能允许从一种格式转换为另一种格式。这两种单向的映射方式会造成信息损失，不利于BIM和GIS的集成。

为解决BIM和GIS的数据标准映射问题，学者们提出了很多方法，比如图转换和本体论。图被认为是表示不同类型主题的合适结构，例如抽象语法树、依赖图和对象图，Tauscher等提出了图转化模型［17］。在某一领域内，本体是通过在使用一组预定义的概念以及概念之间的关系来表示知识的［18］。本体作为一种有效表现概念层次结构和语义的模型，它可以描述概念及概念之间关系，并通过概念之间的关系来描述概念的语义［20］。参考本体的设计是为了实现模式之间的互操作性或数据映射。El-Mekawy提出统一建筑模型作为转换中介，该模型可以促进IFC和CityGML之间的空间信息转换［20］。统一模型被定义为一个超集模型，它被扩展到包含IFC和CityGML建筑模型的所有特征和对象。

1.3 数字电网工程相关研究

在电网工程领域，BIM和GIS已经单独或共同参与到电网工程全生命周期中的各个阶段。GIS在电网的规划阶段已经得到广泛的应用，空间信息可以将已有线路、城市区位和地理环境相互融合在一起［21］。对电网输电线路选址选线，根据区域内负荷情况以及复杂的三维空间环境，以降低线路损耗和经济性为目的确定变电站的容量和空间位置［22］。李佳祺在500 kV数字孪生变电站建设之中，将传统的甘特图三级进度管理与BIM设计模型建立联系［23］。张广平在750 kV变电站设计中也采用BIM技术来解决平台分散和总体环境不配套的问题［24］。2013年国家电网基于BIM和GIS推出电网信息模型（grid information model， GIM）来满足电网工程三维设计阶段中不同组件的数字化和各阶段数据整合的需求［25］。GIM有三点优势，首先是GIM采用参数化建模可以减少模型的数据存储量，提升建模效率，其次是GIM模型采用层次结构可以减少冗余，最后是图形和属性一致便于查询和调用［26］。目前在电网工程中BIM与GIS之间的结合过程中重视土建部分而轻视了电气设备，因此现有三维模型主要服务设计阶段而在施工和运维阶段的应用较浅。为了加深BIM与GIS在电网工程中的融合程度，需要提出一种在两个领域之间电气设备的数据格式转换方法。

2 几何与语义一致性映射

本文提出了基于图转换的变电站电气设备IFC和CityGML文件格式的几何与语义一致性映射方法。通过该方法，变电站BIM模型中电气设备将可以导入到GIS平台中。转换规则集作为映射的核心模块，承载和转换两种数据标准的信息。通过构建变电站电气设备本体和基于实例的映射规则生成，转换过程如图1所示。

图1 数据格式转换流程图Fig.1 Workflow of data format conversion

本研究采用开源的Python工具包“IfcOpenSheel”作为IFC解析器。IfcOpenSheel可以读取IFC文件并将其解析成对象树，同时获取电气设备IFC文件的所有几何与语义信息。CityGML的解析器是CityGML4j，它是一个应用程序编程接口（API），用于读取和写入GML文件。

2.1 电气设备IFC解析

各类变电站都包含大量不同种类的电气设备。不同类型的电气设备的组件类型和组件数量都有巨大的差异，比如油浸式变压器一般会包含11类组件，而换流阀通常只由7类组件组成，因此每种电气设备都需要根据自身组件单独建立图转化规则集。在解析电力设备之前需要先明确变电站IFC文件中的电气设备类型。

与能够细化到组件信息的建筑BIM模型不同，由于IFC格式中不包含电气设备的类，因此电气设备厂商无法提供组件粒度的BIM模型。相比于建筑BIM模型已经包含组件级的关联和语义信息，电气设备的BIM模型解析则需先确认设备类型，然后按照设备所包含的组件分别进行解析。目前变电站内常见的电气设备BIM模型只表达了对象的几何形态，如图2所示，忽视了部件之间的关联性，比如变压器BIM模型中的油枕、储油柜和净油器之间就不存在任何关系。为了解决这一问题，我们需要从一个整体的电气设备BIM模型中分离出不同组件。

图2 变电站常见电气设备的BIM模型Fig.2 BIM model of common electrical equipment in substations

电气设备BIM模型通常被整体制作，设备组件只能由图元表示，同时IFC文件并未指明图元与设备组件的从属关系。每一个图元由多个IFC类进行表示，整个电气设备模型的IFC文件中会包含有大量的类需要根据组件的形态特性从IFC文件中包含的基础图元中提取出对应图元。因此我们首先对每一电气设备BIM模型所包含的类都进行了统计，如图3所示。根据统计结果，可以明显看出IfcPolyLoop、 IfcFaceOuterBound、 IfcFace、 Ifc-CartesianPoint四类是表示图元几何信息的类。

图3 电气设备BIM模型IFC类统计Fig.3 Statistical result of IFC classes including in electrical equipment BIM model

梳理电气设备模型中所包含的IFC类之间的从属关系可以将这些类划分为包含几何信息的类和语义信息的类，如表1所示。几何信息的类定义了设备模型的组成图元的尺寸、方向和空间位置，语义信息的类定义了组件的历史修改记录、场地信息和空间上下文信息。通过梳理关系可以生成IFC类之间的树状结构，图4为变压器的IFC类之间关系的一个简单示例。

图4 变压器IFC类的从属关系Fig.4 Subordination of transformer IFC classes

表1 电气设备IFC的几何与语义类Tab.1 IFC classes with geometric and semantic information

针对IFC模型的树状结构，解析器的设计通常遵循两种路线：自顶向下方法和自底向上方法。自顶向下方法首先获取IFC的根并找到它的子实体，而自底向上方法搜索不可分割的对象并从这些叶节点开始构建树。自底向上的方法对于BIM模型和GIS模型是有效的，因为它忽略了一些不必要的搜索。然而，对于复杂的设备模型，整个文件树的重构时间可能太长，因为对象之间可能存在不止一个关系。因此在我们的框架中采用的解析器策略是自顶向下的方法。解析器将通过查看这些反向属性找到IfcProject和相关的IfcBuilding，然后继续向下查找，直到访问所有组件的图元。以变压器为例，其过程如图5所示，蓝线表示语义信息解析路线，红线表示几何信息解析过程。

图5 电气设备BIM模型IFC文件解析过程

2.2 基于图的映射框架

IFC和CityGML之间的映射是基于图完成的，而图又是基于IFC和CityGML文件格式的组织结构生成的。虽然IFC和CityGML都能被用于表示空间对象的几何信息，但表现方法和对象的组织结构并不相同，比如设备的外表面在IFC中用IfcFace类来表示，而CityGML则要用Wall类来表示。通过检查IFC和CityGML中组件的不同实例，我们构建了两种组织结构之间的映射规则，如表2所示。

表2 IFC类组织结构映射规则Tab.2 Mapping rules of organization structure for IFC classes

3 几何信息转换

从IFC和CityGML进行数据转换至关重要的步骤就是将IFC的局部的相对坐标系统转换为CityGML的绝对坐标系统。CityGML中所有对象的坐标值都是绝对坐标，无需以其他对象为参考。从局部位置系统到世界坐标系统的转换可以通过坐标转换的方法实现。

式中：I为IFC的坐标；C为CityGML的坐标；下标xyz为坐标符号；M为旋转矩阵；Δ为平移量。

除了坐标系统不同之外，IFC与Citygml的几何表达方式也存在不同。例如，设备一处外表面的坐标点存储在IfcPolyLoop的下级节点中，而在CityGML中，相同的区域可能由一个坐标列表表示，如图6所示。通过制定的几何映射图将IFC中的节点空间位置逐个保存至CityGML中，如图7所示。

图6 IFC与CityGML的几何信息表达方式Fig.6 Expression of geometric information of IFC and CityGML

4 语义属性映射

电气设备的BIM模型除了几何信息还包含了建筑构件的语义信息，语义信息分为属性信息和构件的关联信息。属性信息可以直接进行映射，而构件之间的关联信息则是隐性的信息，需要从IFC中进行提取。通过阅读这些关系定义可以生成定义组件之间关系的BIM模型的树形结构，如图8（a）所示。BIM模型中，一个电气设备对应于CityGML就是一栋建筑物，因此将电气设备中的每个组件定义为建筑物中的一层楼，以此实现关联信息的构建，如图8（b）所示。

图8 IFC到CityGML语义映射图Fig.8 Semantic information mapping from IFC to CityGML

5 实验

5.1 几何与语义信息转换实验

几何信息映射的核心是将IFC的几何信息表达方式转换为CityGML的表达方式。根据上文所述的IFC文件解析方法，首先需要整理变压器IFC格式的几何信息。第一步读取IFC文件中的IfcAxis2 Placement3D类，获取所有坐标系的空间位置信息和坐标轴朝向信息，获取IfcLocalPlacement类确认坐标系之间的关系。第二步提取文件中的Ifc-CartesianPoint类，读取所有节点的三维坐标，根据局部坐标系之间的空间关系将节点的相对坐标换算为全局坐标，如图9所示。

图9 IFC格式几何信息转换至CityGMLFig.9 Conversion of geometry information from IFC to CityGML

然后读取IFC文件中变压器的属性信息。第一步，读取IfcProduct，IfcOwnerHistory可以获取设备的类型，功能和用途。第二步，读取IfcSite和IfcProject可以获取设备的安装位置和变压器模型的组成元素之间的空间关系。

其次根据梳理IFC文件中各个实例的关联关系。第一步，读取IfcshapeRepresentation实例中所包含的IfcFacetedBrep实例编号，建立所有模型组成元素之间的联系。第二步，读取每个IfcFacetedBrep实例中所包含的平面IfcFace实例编号，建立组成包络体的所有面的关联关系。第三步，读取每个IfcFace实例中所包含的节点IfcCartesianPoint实例编号，建立节点与模型边缘的关系。

5.2 IFC格式与CityGML格式对比实验

获取模型的所有顶点的空间信息与关联关系后，采用三角剖分方法，以模型的所有顶点构建三角面片以此来构建变压器的三维模型。以变压器IFC模型为例，所生成的几何体共包含57 040个三角面片，如图10（a）所示。IFC格式在三维显示时可以通过参数化建模的方法实现，如图10（b）所示。

图10 IFC和CityGML不同的三维显示方式Fig.10 Different 3D representations of IFC and CityGML

为了测试IFC和CityGML两种格式在显示效率和存储空间占用的情况，本文选择了电网工程项目中常见的10种电气设备作为测试对象。在实验中我们发现，将电气设备从IFC格式转为CityGML格式后，存储空间占用明显增大。CityGML的文件占用空间约为IFC的2～3倍，如图11（a）所示。在显示时所花费的处理时间，两者也存在很大的差别，IFC的处理时间也要明显大于CityGML，对于结构简单的电气设备，其处理时间并不存在明显的数值关系，而对于结构复杂的电气设备，IFC的处理时间约为CityGML 2倍左右。

图11 IFC和CityGML的存储空间和处理时间对比Fig.11 Comparison of IFC and CityGML memory cost and processing time

从实验结果分析得出，电气设备以IFC格式占据更少的存储空间，因此在面对大规模电气设备的存储需求时，会具有更高的经济性。CItyGML的优点则是表达形式简单，因此解析和重构速度要明显快于IFC，处理时间可以缩短约一倍，如表3所示。

表3 IFC与CityGML的对比结果Tab.3 Comparison results of IFC and CityGML

虽然目前计算机的存储空间已不是制约应用的瓶颈，但在面对海量数据并在线处理数据时，如何提高处理效率是亟须解决的问题。从对比结果中可以看出，CityGML在处理速度上比IFC格式要快近一倍。

6 结语

本文提出一种基于图映射的方法作为电气设备IFC格式化到CityGML格式的建筑模型的语义和几何转换的形式化框架。图映射方法支持从IFC到CityGML的语义映射，从这种映射生成转换过程，以实现从BIM模型到CityGML建筑模型的完整且近乎无损的映射。在BIM模型中获取几何和语义信息，以创建包含外部和内部结构的丰富语义的电气设备模型。经过转换后的电气设备将以CityGML的数据格式进行表示，同时空间内的建筑设施和周边环境也将采用CityGML进行表示，比如土地利用类型、道路、山体。首先，从数据层面打通BIM与GIS之间的障碍，为大区域内数字孪生的三维模型构建奠定基础，其次，直接将BIM模型添加于地理底图中，由于GIS分析并不支持该格式，因此无法发挥GIS的分析功能，而CityGML是标准的GIS数据，可以实现GIS的空间分析功能在BIM模型上的深度应用。

本文通过将BIM模型中的电气设备IFC格式转换为GIS系统所支持的CityGML格式，可以对未来开展的数字孪生技术在电网应用中提供三维空间分析能力，以解决目前电网信息感知能力不足，空间分析预测模型不全等问题。