基于变电站GIM设备模型的自动算量研究

基于变电站GIM设备模型的自动算量研究

陈海浪1，蒋海峰2

（南京理工大学自动化学院，江苏南京，210094）

摘  要：本文阐述了变电站传统的技经造价算量模式存在的弊端，介绍了基于GIM模型的工程量自动计算的优势，并基于图形学理论介绍了将GIM设备模型转换为三维算量模型解析映射的方法，总结了基于GIM设备模型实现三维自动算量的重要意义。

关键词：GIM模型；变电站；自动算量

0引言

近年来，在输变电工程技经算量和造价管理领域，行业内仍采用传统模式，即以CAD设计图纸为基准，技经人员采用手工或者EXCEL计算表等方式进行工程量计算，统计形成工程量清单，然后导入造价软件，根据计价规则生成造价清单[1]。采用该种方式，一方面工作效率较低，另一方面因为人为因素容易出错，特别是在发生设计变更时，需要人工调整和录入所有工程变更项目，这必然会降低工程量计算效率和质量。而且随着社会经济的快速发展，电网建设日益增加，传统的技经算量模式无法适应新的要求。

目前，随着BIM（Building Information Modeling,建筑信息模型）技术的快速发展，基于BIM技术进行造价算量在建筑领域得到了广范尝试。文献[2]基于IFC标准，采用两级碰撞算法，对重叠构件扣减规则进行了研究，文献[3]在Revit平台上，基于API实现技术，研制建筑工程量计算软件。文献[4]基于BIM模型，通过对Revit进行二次开发，解决房建装饰装修工程量。由此可见，在建筑领域，基于BIM模型实现工程量自动提取得到了业内广泛的关注。而在电力行业，由于三维技术起步较晚，目前业界对三维模型算量缺少研究。对此，通过开发自动算量系统，本文提出采用变电站GIM（Grid Information Modeling,电力信息模型）模型进行自动算量，实现对GIM模型的精确解析与映射，自动套取定额，对改变变电技经业务现状有较大意义。

1GIM模型理论分析

1.1 GIM模型简介

现阶段，市面上主流的变电站三维设计软件主要有Bentley和Revit，由于这两个平台之间的数据格式不同，直接进行数据交互比较困难。为了实现变电三维模型的交互，国网规定了GIM标准格式，要求设计人员在完成三维设计时，将三维设计数据转换成GIM格式并上传至工程数据中心，以此来实现变电三维数据的交互。

变电站工程级GIM数据主要包含电气和土建模型，其中电气专业模型是采用GIM格式建立存储的，而土建专业模型是采用IFC格式进行存储的。

电气设备GIM模型，由设备部件和交互标准规定的GIM基本图元组成，每个部件也由基本图元组成，所谓基本图元，是指三维建模时使用的最小几何图形单元，包括常规几何体和专用几何体，由一组控制参数进行描述。设备和部件均有电气属性，通过该方式创建的模型可实现跨平台的交互。

1.2GIM模型存储结构

通过对规范及实例工程研究可知，GIM文件包含CBM(工程模型)、DEV(物理模型)、PHM(组合模型)、MOD(几何模型)。整个GIM文件采用7Z 算法进行压缩，可额外采用加密密码，其中CBM文件文件夹主要包含整个工程的层级结构关系、层级属性信息。

GIM文件均为结构化的数据，如果想从GIM模型中提取到与算量相关的内容，则需对GIM文件进行解析，同时需要从模型中获取与算量相关的属性信息，并且能够实现与算量清单项目的准确映射。

2三维算量模型转换方法

2.1GIM模型解析

要完成GIM模型的解析，首先按照自上而下的层级创建GIM文件组织结构。在创建树的同时，将对应的属性赋予每个层级及每个节点，最后根据mod图元参数化描述对模型进行重新构建。GIM模型解析流程如下：解压GIM文件→获取P.cbm文件→遍历→创建层级树→解析属性→MOD图元重构。

读取GIM属性，创建层级树只需遍历文件夹及文件即可，而对于模型的重构，为了保证解析后的模型和设计模型形态、坐标一致，需要进行理论分析。

根据计算机图形学知识，实现对三维模型移动、拉伸、旋转等操作称之为图形变换，三维模型采用齐次坐标技术来描述空间点（x,y,z），用齐次坐标表示为（x,y,z,1），而描述三维空间中各种变换的变换矩阵采用4×4齐次方阵。

在GIM模型中，采用XML文件按行存储了组合变换矩阵，此外也存储了基本图元建模的参数描述信息，因此，只要找到基本图元的插入点信息，即可确定基本图元各点的坐标。此外，在GIM模型中，采用由图元到部件再到设备的创建过程，每一步都会产生一个插入点。在工程信息文件中存储着整个变电站的站址坐标BLHA，设备的插入点相对站址坐标存在一个变换矩阵，以此类推，部件插入点相对于设备插入点也存在一个变换矩阵，基本图元插入点相对于部件插入点也存在一个变换矩阵，由此可知，只要将以上坐标变换矩阵逐级相乘，即可得到GIM基本图元相对于站址坐标的位置形态。

在OCC中，向量和矩阵类模块通常用来定义复杂的数据结构，该模块支持实数组成的向量和矩阵的标准操作，如点乘、转置、求逆等。通过调用gp_Trsf类可在OCC中实现矩阵变换操作，采用矩阵在左的方式，变换矩阵与点的点积即可得到新的坐标点。因此，只要遍历GIM文件夹，按层级找到各变换矩阵，进行逐级相乘，即可实现GIM模型的重构。GIM模型重构矩阵相乘代码片段如下

图1所示：

图1 GIM模型矩阵查询与相乘代码

2.2电气模型与清单项目的匹配映射

电气模型解析成功后，需要和技经工程量清单进行自动匹配映射。若想实现电气模型与工程量清单项目的一对一映射，必须找到能够进行唯一标识的纽带。通过分析电气模型的信息特征可知，实现设备间区分一般有如下几种途径：设备名称、设备实物ID号、设备物料编码、设备电网工程标识编码等。

如果直接采用设备名称来实现工程量清单的自动匹配，由于设计命名习惯不同，同一设备可能会有不同的名称，这样就需要在平台资源库中存入所有可能出现的设备名称，该种方式一方面易造成库的冗余，另一方面适应性较弱。

若采用设备实物ID或物料编码来来实现工程量清单的自动匹配，由于实物ID和物料编码仅针对通用设备，对于接地、导体、金具等材料模型，并没有该标识，因此该种方式无法覆盖全部电气模型。此外，设备的实物ID或物料编码一般是在物资申报或工程建设过程中产生，现阶段，在初步设计阶段设计模型属性一般也不会定义该部分内容。

电网工程标识编码是采用KKS编码的结构，对电网工程中各系统、设备、部件按其内在联系进行统一分类、编码、标识的过程。

变电站电网工程标识编码首先通过单元码标识设备所属单元（如变压器单元、全站公用单元），系统码可以更加细致标识设备所属系统（如主变系统、220kV电气系统等），设备码即可区分具体的设备类型，部件级是更为细致的划分，通过这种层级编码的方式，可以精确区分和索引站内任一电气设备。因此，通过将电网工程标识编码中设备层级的设备码与清单项目进行匹配，通过单元、系统码组合的区别即可识别设备的数量，这样就能精确完成匹配映射。具体流程如图2所示。

图2 匹配映射流程

（1）现阶段，虽然可以通过以上手段实现电气模型与清单项目的映射，但是由于设计平台不具备一键编码的功能，设计人员需严格依据规范对设备进行逐个编码，这需要耗费大量的时间，额外增加了设计的工作量，因此需要进一步研究电气设备与清单项目快速映射匹配的方法。

（2）现阶段国网建模规范未对技经算量属性进行规定，为了实现技经算量，应加强标准化工作，丰富GIM模型算量属性，是完成GIM模型自动算量的关键。

参考文献

[1]曹红莲.基于iTWO 5D项目管理平台的BIM模型标准与算量模板研究[D].南昌:南昌大学,2017.

[2]郭文墨,邓雪原,赖华辉.基于IFC标准的多构件重叠算量扣减研究[J]. 土木工程与管理学报,2015,36(3):183-189

[3]陈新华.基于Revit的建筑工程算量系统实现研究[D]. 沈阳,沈阳建筑大学: 2014

[4]欧阳业伟.基于BIM的装饰工程量计算研究[J]. 建筑经济,2018,39(4):40-44

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作者简介 陈海浪（1990-），男，硕士研究生，研究方向为变电站数字化设计

         蒋海峰（1978-），男，副教授，博士，研究方向为控制理论与控制工程