基于IFC的输变电工程三维数字化管理平台研究

周亮，蔡钧，丁一波，吕征宇

（国网上海市电力公司经济技术研究院，上海　200080）

基于IFC的输变电工程三维数字化管理平台研究

周亮，蔡钧，丁一波，吕征宇

（国网上海市电力公司经济技术研究院，上海200080）

以面向服务的设计为理念，基于IFC标准和三维地理空间信息平台的集成应用思想和技术方法进行数字化平台架构设计，构建基于B/S网络架构的3DGIS+BIM数字化电力设施信息平台。该平台采用了3DGIS+BIM的尖端的无缝与信息无损集成技术，具有良好的可视化效果、便捷的可操作性和强大的数据管理能力，能够为工程的设计、施工、运维的数字化建设提供坚实的系统平台支撑。通过试点工程应用实践表明，该平台的研究成果为智能电网建设领域提供了新的理论和应用平台，真正实现了3DGIS+BIM的无缝与信息无损集成，以及从全球到局部、从地面到地下、从三维地形到三维建筑、从室外到室内、从静态目标到动态目标、从单项目管理到多项目管理、从单系统应用到多系统综合集成应用，具有广泛的应用价值。

输变电工程；BIM；3D-GIS；IFC；数字化信息平台；B/S架构网络

电力是现代生产和生活必不可少的动力，也是当代最方便、最易控制、适用范围最广泛的现代化能源［1］。对电力系统设施的设计建设而言，构建全生命周期的信息化模型，科学管理电网系统设计建设流程是构建智能电网的重要前提［2］。建筑信息建模（building information modeling，BIM）是通过将建筑信息进行数字化处理并进行存储的一种建模方法，通过BIM技术可以实现建筑工程全生命周期的协调管理和综合分析。针对不同的领域，BIM的应用需要体系化和专业化的标准［3-4］。

基于IFC数据格式的建筑信息建模标准已被广泛应用于各种建筑工程中［5］。应用发现，现有的BIM应用基本上都是面向民用建筑领域，缺乏针对基础市政工程，特别是电力设施等专业工程领域的全面应用，这给BIM在电网建设工程领域的推广带来不可逾越的障碍［6］。此外，目前市场上的三维数字化平台缺乏统一的模型格式标准，基本上全部采用自主开发的格式，很难做到模型信息的有效复用［7］。因此，本文着眼于建立基于IFC国际格式标准的数字化平台，与国际标准的接轨，建立具有统一数据模式的电力设施信息化平台。

在当前应用的数字化平台中，大多数模型只有几何形体信息和地理位置信息，缺乏相应的属性信息，如模型设备信息和其他各种专业属性信息，以及运营维护和管理信息等；因此，本次项目拟建立与电力行业IFC标准相对应的模型属性数据库，并实现与三维模型的关联。此外，鉴于当前使用的信息平台大都是基于单机或者有限的服务终端进行模型和信息共享，因此，该平台的另一个重要目标是实现基于互联网的BIM模型和数据库访问机制。

本文采用3DGIS+BIM信息融合和技术集成这一国际前沿技术，基于IFC标准和三维地理空间信息平台的集成应用思想和技术方法进行数字化平台架构设计，构建基于B/S网络架构的电力设施BIM应用网络环境，整合空间地理信息资源、电力基础设施BIM模型与属性数据资源，实现电力设施的展示、查询、检索、定位、安全管理等功能，形成一套完善的电力基础设施三维可视化综合应用系统。

1　三维模型绘制关键技术

1.1基于图形的三维重建技术

由于变电站等建筑不但外形各异，而且内部的设备和管线也千变万化，无法采用一个通用的几何模型来表达所有的建筑构件和设备构件［8］。该平台的关键技术之一，即是总结归纳各种电力行业的设备和建筑物类型，总结出几种基本的建筑或设备单元，然后根据其不同的外形特点，综合利用CSG与BRep方法对其及周边构筑物等复杂地物进行模型重建，分别对每一类建筑或设备单元采用不同的数据模型。采用三角面片拟合技术定义了基本体素，如图1所示。

图1　基本体素定义Fig.1　Definition of essential elements

1.2大容量模型三维绘制加速技术

尽管目前的三维图形硬件越来越快，终究还是有数据传输与处理的上限。对于一个数据量庞大的输变电工程模型来说，图形硬件对数据处理的限制基本上决定了场景的品质。为了改善场景绘制的已品质，必须在现有硬件水平的基础上，开发相应的加速绘制算法，这才是较为可行的解决方案。

因此，该平台采用基于视点远近和可见面的冗余数据捡选（Culling）算法，主要包括物体捡选、背向面剔除和细节层次3个方面的技术研究。该算法的基本思路为：为提高场景的渲染速度和渲染品质，系统只需要处理那些对于视点来说可见的多边形，将并不可见的多边形捡选出来，停止对它进行计算处理，从而大大减少系统需要处理的数据量，提高显示质量。此外，大规模地形绘制是三维地理信息场景基本表现载体；层次细节技术（LOD）是解决大规模地形实时渲染的有效手段，可以较好简化场景复杂度，减少图形显示失真度，满足三维地形渲染实时性要求。平台采用传统四叉树和LOD相结合的技术，通过将大规模数字高程模型（DEM）进行分块，对块内数据按分辨率的大小分层存储，建立多分辨率、多层的金字塔；客户端根据视点可见集，通过网络请求得到规则DEM网格数据，建立地形的三维模型，通过拼接技术组合DEM网格模型构建大规模三维地形。

1.3多源异构数字化数据库的建立

电力设施等基础设施工程不同于一般的工业民用建筑，往往涉及大范围区域和跨越较长的距离空间，这就需要地理信息系统（GIS）及其特有的空间分析功能的支撑，以满足电力建设工程不同空间尺度的设计施工和运维管理需要［9］。平台数据来源广泛、类型丰富、结构复杂，包括：基础地理数据、电网空间专题数据、三维设备模型数据、设计业务数据等。根据电力工程建设管理的需要，该平台在数据库设计中需考虑不同来源多种类型数据信息集成的需要，这种异构多源数据库中存储和管理的数据主要包括以下几种。

1）DEM数据。用于描述地形起伏形态和进行三维显示。

2）纹理影像数据。包括遥感数据和地面摄影影像以及其它用于纹理映射的位图数据。

3）GIS原始矢量数据。原有ZDGIS数据转换后的数据。

4）空间实体对象数据。进行三维重建后的实体数据。

5）属性数据。包括各种空间数据的属性数据。

6）元数据。元数据是有关数据的数据。它是对一个数据集的内容、质量、状况和其他特性的描述性数据。

该平台建立了完整的多源异构后台数据库，其中包含有多个数据表，不同类型的数据由不同的数据表进行存储和管理。在数据入库时将基本数据的每个表都定义为唯一的主键值，将该主健值存储在参考表中，通过参考表来定义各表之间的数据约束，并对模型的属性数据进行管理和分析。在数据建库中，最大限度减少数据迁移、整理，以降低数据集成工作量；在数据管理中，采用数据总线集成模式对多元数据进行轻量化、高耦合度的数据存储、在线发布、集成管理，保证数据完整性，提高数据集成性；基于空间四叉树原理，对空间数据进行金字塔构建，并对各类空间数据建立快速索引机制。

2　基于IFC的三维设计信息表达及融合

IFC（industry foundation classes）标准是IAI（international alliance of interoperability）组织制定的建筑工程数据交换标准。IFC标准整体的信息描述分为4个层次，从下往上分别为资源层、核心层、共享层和领域层。资源层里多是基础信息定义，例如材料、几何、拓扑等；核心层定义信息模型的整体框架，例如工程对象之间的关系、工程对象的位置和几何形状等；共享层定义跨专业交换的信息，例如墙、梁、住、门、窗等；领域层定义各自领域的信息，例如暖通领域的锅炉、风扇、节气阀等。IFC信息描述的层次图如图2所示。

图2　IFC信息描述层次体系结构Fig.2　IFC information describing hierarchical architecture

输变电工程中的构件是BIM设计信息模型的核心内容，其他的模型信息都是围绕构件模型进行定义的。该平台基于在IFC模型结构体系建立了输变电建筑结构构件描述体系，可以描述柱、梁、板、墙、基础、楼梯等结构构件，这些结构构件均派生自建筑构件实体（IfcBuildingElement）。以墙体构件为例，介绍模型中结构构件的定义，如图3所示。

图3　建筑构件模型的IFC信息表达体系Fig.3　IFC information expression system of the building component model

BIM和GIS的集成是当前国内外的研究热点和难点问题，也是该平台的核心技术优势。该平台分别采用IFC（industry foundation classes）和CityGML（city geography markup language）这2个BIM和3DGIS领域通用的国际数据模型标准作为信息融合基础语义表达进行信息融合。

由于IFC和CityGML分别使用了不同的对象几何表达方式和语义，使得两者的融合成为国际难点问题。为实现IFC与CityGML数据集成，表1中描述了两者在几何、语义等方面的区别和联系。

表1　IFC与CityGML数据表达的异同Tab.1　The similarities and differences between IFC and CityGML data

在此比较分析基础上，试图将对2种标准的语义和几何融合的讨论扩展到更加广泛的范围，为实现IFC到CityGML多尺度自动转换提供基础。图4描述了BIM实体模型到多细节层次GIS表面模型的转换模型。多层次语义信息过滤为几何信息提供过滤条件，经过语义信息过滤可获取IFC实体几何且保留IFC语义信息；经过几何信息转换为GIS的表达形式后，实现IFC到CityGML的多层次语义映射，最后进行几何语义增强得到不同LOD层级的CityGML模型。

图4　BIM实体模型到多细节层次GIS表面模型的转换Fig.4　The transformation of BIM entity model to multiple-detail level GIS surface model

3　基于网络的三维平台架构

该平台采用3DGIS+BIM信息融合和技术集成这一国际前沿技术，基于B/S架构搭建BIM应用网络环境，整合空间地理信息资源、电力基础设施BIM模型与属性数据资源，实现电力设施的展示、查询、检索、定位和安全管理等功能，形成一套完善的电力基础设施三维可视化综合应用系统。

平台架构以面向服务的设计为理念，基于IFC标准和三维地理空间信息平台的集成应用思想和技术方法进行数字化平台架构设计，构建基于B/S网络架构的3DGIS+BIM数字化电力设施信息平台。平台架构如图5所示。

4　案例应用

该平台对上海浦东新区小陆家嘴地区的电网进行了实际应用。涉及即墨、东昌2座220 kV变电站、6座35 kV变电站、10 km2地下管线（工井425个、排管1 041段39.6 km、10 kV及以上电缆220回499.7 km）以及1条220 kV电缆隧道，实现区域内所有变电站及相关隧道、排管、工井及电缆的平台管理应用，标志着目前国内最大规模的电网数字化的建立。通过该三维平台，设计及管理部门实现了电气设备信息的综合监管，包括系统、设备基本信息和属性等的查看，运行状态查询、历史运行数据的查看等；设计并建立了一个能兼容所有遵循IFC标准数据格式的三维模型的数字化展示平台，实现基于IFC格式的三维BIM模型在3DGIS平台的导入和浏览；实现基于局域网络的三维地理信息和BIM模型数据传输；实现本地三维数字化模型的浏览、漫游、巡视和旋转等；实现对电气设备信息的综合查看和监管。

图5　网络环境构建方案和技术方法Fig.5　The building scheme and technical methods of the network environment

图6　基于B/S架构的三维数字化平台界面Fig.6　The interface of 3D digital platform based on B/S architecture

5　结语

输变电工程BIM技术的应用提高了工程的设计建造效率和管理水平，实现了工程的信息化和三维现实化。该平台基于国际通用IFC标准，构建了输变电工程三维数字化平台。该平台具有良好的可视化效果、便捷的可操作性和强大的数据管理能力，能够为工程的设计、施工、运维的数字化建设提供坚实的系统平台支撑，对今后智能电网建设具有指导借鉴作用，以提高电网建设投资效益和效率。

图7　基于GIS的小陆家嘴电网设施Fig.7　Little Lujiazui power grid facilities based on GIS

图8　三维数字化平台中的地下排管和变电站BIM模型Fig.8　BIM model of the underground pipe line and the substation in the 3D digital platform

图9　三维数字化平台中的变电站及周边排管BIM模型Fig.9　BIM model of the substation and the surrounding drainage tube in the 3D digital platform

通过试点工程应用实践表明，该平台的研究成果为智能电网建设领域提供了新的理论和应用平台，真正实现了3D GIS+BIM的无缝与信息无损集成，以及从全球到局部、从地面到地下、从三维地形到三维建筑、从室外到室内、从静态目标到动态目标、从单项目管理到多项目管理、从单系统应用到多系统综合集成应用。具有广泛的应用价值，将会取得良好的社会和经济效益。下一步将继续深化其应用功能开发，并与其他业务和分析系统连通，实现数据分析、实时监测、运维管理、故障诊断一体化平台。

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Research on 3D Digital Management Platform of Power Transmission Construction Project Based on IFC

ZHOU Liang，CAI Jun，DING Yibo，LÜ Zhengyu
（State Grid Shanghai Economic Research Institute，Shanghai 200080，China）

In the perception of“Facing the Service”，and based on the integration application idea and technology the digitized platform architecture is designed and the 3DGIS+BIM（building information modeling）digitized electric equipment information platform is established based on the B/S frame.With adoption of the advanced seamless and loss-less information integration technology of the combination of 3DGIS and BIM，the platform has good visual effect，convenient operation and powerful data management ability，and it can provide solid system platform support for the design，construction，operation and maintenance of the power grid project.As the pilot project application shows，the research results of the platform provide a new theory and application platform for the construction of smart grid，and really realize the seamless and loss-less information integration of 3DGIS+BIM from global to local，from ground to underground，from the three-dimension terrain to the threedimension building，from the outdoor to indoor，from static objects to dynamic objects，from single project management to multiple project management，from single system application to multiple system integrated application and therefore it has wide application value.

power transmission and transformation project；BIM；3D-GIS；IFC；digital information platform；B/S frame

1674-3814（2015）11-0007-06

TM614

A

2015-03-02。

周亮（1980—），男，本科，工程师，从事工程设计管理工作。

（编辑董小兵）

国家自然基金资助项目（50907051）。

Project Supported by the National Natural Science Fund（50907 051）.