摘 要：針對電網(wǎng)信息模型（Grid Information Model，GIM）利用不足、與其他平臺業(yè)務集成度低的問題，提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模方法，涵蓋三維業(yè)務模型與數(shù)字孿生構建，打通設計與建設管理環(huán)節(jié)，避免重復建模，節(jié)約成本，最終實現(xiàn)輸變電工程的投—建—運—調(diào)全周期應用管理。以200 kV變電站為實踐案例，驗證該方法在全生命周期管理中的應用效果，為電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了創(chuàng)新解決方案。

關鍵詞：GIM；全生命周期；三維數(shù)字建模

中圖分類號：TM769" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0008-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.002

0" " 引言

在數(shù)字化與智能化浪潮下，GIM模型與數(shù)字孿生技術在電力行業(yè)中潛力凸顯。GIM作為國網(wǎng)三維設計技術規(guī)范，加速了電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字孿生技術促進了電網(wǎng)運維的革新，通過建模、仿真、監(jiān)測，能夠打造電網(wǎng)全方位鏡像。GIM為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)支撐，融合靜態(tài)與動態(tài)信息，幫助精準構建電網(wǎng)鏡像。GIM模型不僅是物理世界的復刻，更是運維管理的智能助手，能提供實時、全面的數(shù)據(jù)洞察，引領電網(wǎng)運維進入智能新時代。

GIM演進受軟件平臺數(shù)據(jù)格式不兼容限制，模型重用性低，形成“信息孤島”[1]，根源在于缺乏完備的信息理論與逆向信息化技術支撐，導致“信息”與“物理”脫節(jié)。GIM側(cè)重“信息”到“物理”單向轉(zhuǎn)化，理想化設計難以完全映射現(xiàn)實；信息不對稱致模型多樣，“信息孤島”問題加劇。為破局，引入幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（Geometric Data Transformation，GDT）技術至關重要[2]，它強化“信息”與“物理”雙向互動，促進各階段信息共享。GDT將提升信息流通效率，有效融合設計與現(xiàn)實，消除電力行業(yè)“信息孤島”，推動GIM模型向更高層次發(fā)展。

針對以上問題，本文提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模方法，實現(xiàn)變電站運維全過程管理的可視化、智能化，提升管理和運維檢修效率。該方法具體將從基于GIM的變電站三維業(yè)務模型構建、變電站數(shù)字孿生業(yè)務模型構建、GIM數(shù)據(jù)與變電設備臺賬多層級結構轉(zhuǎn)換、GIM與數(shù)字孿生業(yè)務模型轉(zhuǎn)換四個部分展開研究，最終以200 kV變電站為試點，完成基于GIM模型的輸變電工程全生命周期管理應用。

1" " GIM模型工具集

構建基于GIM的輸變電工程全生命周期管理平臺，離不開四個GIM模型工具的輔助，即GIM模型擴展工具、GIM數(shù)據(jù)剝離工具、GIM數(shù)據(jù)校驗工具和GIM輕量化工具，通過四個工具集的相互協(xié)助，方可完成目標應用的構建。其具體技術路線如圖1所示。

1.1" " GIM模型擴展工具

GIM模型擴展工具結合GIM建模規(guī)程規(guī)范，制定GIM模型擴展格式，支持設備、部件間關系定義、模型展示以及屬性模板定制，并最終實現(xiàn)擴展后的GIM模型的導出。

1.2" " GIM數(shù)據(jù)剝離工具

為實現(xiàn)對工程GIM源模型的精細化管理和高效利用，增加了GIM數(shù)據(jù)剝離工具，旨在實現(xiàn)工程GIM模型的單體設備數(shù)據(jù)拆分、精準剝離及結構重組，并導出為獨立的設備GIM模型。同時，工具還將提供設備展示、篩選、定位及模型爆炸等功能，以滿足用戶全面了解和深入分析設備信息的需求。該工具能精準剝離目標設備在整體GIM模型中的相關數(shù)據(jù)，包括幾何信息、屬性信息等，并對剝離的數(shù)據(jù)進行結構重組，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。同時，也支持將剝離并重組后的數(shù)據(jù)導出為獨立的設備GIM模型，便于用戶進行后續(xù)的分析和處理。

1.3" " GIM數(shù)據(jù)校驗工具

GIM數(shù)據(jù)校驗工具，旨在對標準GIM模型及其擴展部分進行細致入微的審核和屬性檢查，確保數(shù)據(jù)的準確性和規(guī)范性。在審核和校驗過程中，工具能夠自動識別不符合規(guī)范的問題，并進行分類匯總。問題的分類包括但不限于格式錯誤、屬性缺失、數(shù)據(jù)不一致等，方便用戶快速定位問題所在。根據(jù)GIM標準規(guī)范，該工具會自動對選擇的工程GIM文件和設備GIM文件進行檢測，如圖2所示。檢測內(nèi)容包括模型完整性、準確性、一致性等方面，同步生成質(zhì)檢報告，如圖3所示，幫助用戶快速定位問題并進行修復。

1.4" " GIM輕量化工具

本工具旨在通過一系列模塊和功能，構建專業(yè)的GIM模型輕量化可視化平臺[3]，通過解析標準GIM模型文件實現(xiàn)輸變電工程三維設計模型預覽、屬性查看、漫游、測量等，實現(xiàn)三維場景下的工程GIM成果可視化應用和共享。

該工具支持地形影像數(shù)據(jù)的導入和處理，自動進行切片操作以減少冗余數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化場景。通過高效的數(shù)據(jù)處理算法，確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性，為后續(xù)的三維模型構建和展示提供堅實基礎。實際效果如圖4所示。

2" " 基于GIM的輸變電工程全生命周期應用構建

2.1" " 基于GIM的變電站三維業(yè)務模型構建

變電站GIM模型的構建，旨在突破其作為設計評審與移交基礎數(shù)據(jù)的局限，深入融合運維與檢修的實際應用場景，為運維人員提供直觀高效的仿真分析、在線監(jiān)測及故障診斷工具。為此，首先詳盡梳理變電站運維、檢修等業(yè)務流程，明確各環(huán)節(jié)操作規(guī)范與要求；隨后，綜合各流程數(shù)據(jù)需求，系統(tǒng)性地收集并整理設備本體、在線監(jiān)測、地理信息等多維度數(shù)據(jù)，運用高級數(shù)據(jù)分析技術，如統(tǒng)計、歸納與挖掘，對三維模型格式與屬性信息進行精細化分類與解析；最終，結合GIM的數(shù)據(jù)格式，考慮各種業(yè)務的特點和需求，以及數(shù)據(jù)交換的效率和準確性，實現(xiàn)GIM數(shù)據(jù)格式的擴展，以支撐各業(yè)務三維模型的精細化需求。

2.2" " 變電站數(shù)字孿生業(yè)務模型構建

2.2.1" " 基于變電站GIM三維業(yè)務模型的變電站數(shù)字孿生三維全景構建

在構建的高度精確的變電站GIM三維業(yè)務模型基礎上，充分利用GIS數(shù)據(jù)與影像地圖等豐富的變電站周邊環(huán)境信息，結合先前任務所確立的三維業(yè)務模型框架，打造一個1：1精準復刻的變電站數(shù)字孿生三維全景模型，具體包括：1）構建變電站GIM三維業(yè)務模型，并對數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)解析、簡化、切片處理，完成變電站全站精細化三維建模及可視化；2）加載變電站三維場景，通過位置偏移，使基礎地形影像場景變電站位置與變電站三維場景位置對應，加載相關監(jiān)控設備，對基礎地形影像場景、變電站三維場景、相關監(jiān)控設備進行融合配準；3）融合運行、設備等信息，將集成數(shù)據(jù)與三維模型進行融合，在三維場景內(nèi)直觀展示設備臺賬數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等。

2.2.2" " 以設備為最小單元的GIM數(shù)據(jù)剝離

為實現(xiàn)對GIM模型設備的精細化管理，使用GIM數(shù)據(jù)剝離工具對GIM模型進行數(shù)據(jù)剝離。首先，對目標設備進行詳細分類，并基于設備的層級結構和屬性信息構建出不同類別設備的標準信息結構樹，這個樹形結構將作為后續(xù)提取和分析設備數(shù)據(jù)的框架和指南；然后，從GIM模型中提取設備的幾何信息（如尺寸、形狀）、物理屬性（如材質(zhì)、重量）和工程參數(shù)（如工作電壓、功率），并根據(jù)標準信息結構樹對提取的信息進行組織和匹配，確保信息的完整性和準確性；接著，使用GIM數(shù)據(jù)校驗工具，對從GIM模型中提取的數(shù)據(jù)與標準規(guī)范要求的設備的層級結構和屬性信息進行校驗，確保提取數(shù)據(jù)的準確性和一致性；最后，根據(jù)校驗結果，對提取的信息進行必要的優(yōu)化和調(diào)整，確保模型的準確性和完整性，輸出滿足標準規(guī)范要求的設備GIM模型，該模型能準確反映設備的層級結構、屬性信息以及各種工程參數(shù)。

2.3" " GIM數(shù)據(jù)與變電設備臺賬多層級結構轉(zhuǎn)換

GIM模型設計文件采用的是參數(shù)化模型分級表達的數(shù)據(jù)組織方式，GIM模型中對整個輸變電工程進行了總站、區(qū)域、系統(tǒng)、設備及部件的明確分級，從整體到個體，從全面到部分，層級分明，邏輯緊密?，F(xiàn)階段GIM模型和電網(wǎng)管理平臺中設備臺賬的層級沒有建立明確的關聯(lián)關系，導致部分數(shù)據(jù)的共享、信息流轉(zhuǎn)受到影響，制約了數(shù)字孿生變電站的發(fā)展和應用。

本模塊開展GIM數(shù)據(jù)與變電設備臺賬多層級結構轉(zhuǎn)換技術研究，如圖5所示，通過對GIM數(shù)據(jù)和變電設備臺賬多層級結構（組成、要素、屬性等）進行深入的分析和拆解，構建數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系，將GIM數(shù)據(jù)與變電設備臺賬的多層級結構相映射，形成與變電設備臺賬多層級結構對應的GIM數(shù)據(jù)結構。并基于數(shù)據(jù)的映射關系，構建一套支持設備臺賬多層級擴展結構的GIM建模工具，該工具可將revit等常用設計平臺的GIM模型導出符合設備臺賬多層級擴展結構的GIM模型文件，方便用戶進行數(shù)據(jù)的導入和導出操作，提高工作效率和準確性。基于上述研究成果，實現(xiàn)變電站GIM模型與設備臺賬多層級結構匹配，以支持變電站運維過程中的數(shù)字化管理，提升模型數(shù)據(jù)的利用效率，支持數(shù)字孿生的深度應用。

2.4" " GIM與數(shù)字孿生業(yè)務模型轉(zhuǎn)換

本模塊致力于優(yōu)化Web數(shù)據(jù)的處理，通過將GIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高效的3DTiles格式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的輕量化與廣泛兼容性。3DTiles技術巧妙融合了LOD（多細節(jié)層級）策略，構建起一個樹狀結構的層次模型，與二維瓦片地圖相似，顯著加速了三維場景的加載與渲染流程[4-5]。該模型將三維空間分割成多個子區(qū)域，每個子區(qū)域作為樹結構中的一個節(jié)點，內(nèi)含該區(qū)域的幾何邊界信息。這些節(jié)點（即tiles）共同構成了tileset，而tileset則以JSON格式進行文件存儲，便于管理與訪問。

在tileset中，核心信息包括boundingVolume、geometricError及content等屬性。其中，boundingVolume詳細描述了節(jié)點的空間范圍，可通過region、sphere或box等子屬性具體表示，為空間定位與篩選提供了基礎；geometricError則衡量了渲染模型與理想模型間的幾何誤差，是評估屏幕空間誤差（SSE）的關鍵指標，有助于實現(xiàn)按需加載，優(yōu)化渲染性能；至于content屬性，它直接指向了當前節(jié)點所代表空間區(qū)域的模型資源URI，確保了數(shù)據(jù)的準確鏈接。

3DTiles通過模擬二維瓦片金字塔的方式，利用表面細分技術創(chuàng)建了多精度級別的模型集合。這些模型從tileset的根節(jié)點到葉節(jié)點，按精度遞增的順序排列，形成了一套高效的數(shù)據(jù)組織體系。用戶交互時，系統(tǒng)首先根據(jù)視錐體與boundingVolume的交集篩選出潛在可見的模型，隨后利用SSE評估進一步篩選，確保僅渲染那些既在視野內(nèi)又滿足當前視圖精度需求的模型，從而實現(xiàn)了高效、流暢的三維場景展示。

GIM模型轉(zhuǎn)換主要是對GIM數(shù)據(jù)進行處理后導出通用三維數(shù)據(jù)格式。GIM數(shù)據(jù)由于其本身構成三維模型的最小單元為參數(shù)模型，而大部分三維通用數(shù)據(jù)格式中模型的空間信息均以點、面的形式存儲，因此需要對GIM數(shù)據(jù)進行解析、建模、組裝、優(yōu)化、屬性入庫等操作，組裝完成后導出為通用三維數(shù)據(jù)格式，如OBJ、OFF、FBX，通用三維地理數(shù)據(jù)，如3DTiles等。

3" " 220 kV變電站試點建設

為了深入挖掘并展示GIM的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務模型在電力系統(tǒng)中的革新潛力，本文選取一座具有代表性的220 kV變電站作為研究對象。研究的核心目標是構建一套全面而詳盡的GIM數(shù)據(jù)模型框架，該框架需精準對接變電站數(shù)字孿生業(yè)務的具體需求，確保從物理世界到數(shù)字鏡像的無縫映射。

試點實驗的實施旨在初步驗證所開發(fā)工具集的實用價值和廣泛適用性，不僅檢驗其構建基于GIM的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務模型的能力，還探索其在提升變電站運維效率、增強系統(tǒng)安全性方面的實際效果。這一過程不僅是對技術創(chuàng)新的一次有力實踐，更為電力行業(yè)提供了一個可復制、可推廣的數(shù)據(jù)模型范例。

圖6所示展示了該數(shù)字孿生模型的具體建模成果，它不僅高度還原了變電站的物理布局與設備細節(jié)，還融入了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能分析預測等先進功能，為變電站的智能化管理和決策支持提供了堅實的基礎。這一成果的取得，不僅標志著變電站運維管理邁入了新的數(shù)字化、智能化階段，也為數(shù)字孿生技術在整個電力系統(tǒng)中的廣泛應用與深入發(fā)展開辟了新路徑。

4" " 結束語

本文深入探討了基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字模型的構建與應用策略，成功解決了GIM在輸變電領域應用的局限性，如模型適用性不足、跨部門間三維模型格式與屬性信息的差異，以及三維應用平臺通用性挑戰(zhàn)等問題。通過系統(tǒng)梳理并統(tǒng)一各業(yè)務部門的三維模型格式與屬性要求，本文實現(xiàn)了對GIM數(shù)據(jù)格式的有效擴展，從而確保了三維模型在輸變電工程全鏈條精細化管理中的應用，顯著減少了重復建模工作，有效降低了成本。

基于上述研究突破，本文進一步構建了涵蓋GIM數(shù)據(jù)擴展、數(shù)據(jù)剝離、數(shù)據(jù)校驗以及設備拆解等功能的GIM工具集。這一工具集不僅支持對GIM數(shù)據(jù)進行靈活的屬性擴展與數(shù)據(jù)剝離操作，還提供了模型校驗功能以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時實現(xiàn)了設備拆解過程的預演，極大地提升了數(shù)據(jù)的通用性、可重用性和可操作性。這些成果為電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了堅實的技術支撐和高效的解決方案，推動了行業(yè)向更加智能、高效的方向發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-23

作者簡介：杜浩（1987—），男，貴州松桃人，工程師，主要從事電力信息化軟件開發(fā)工作。