王興華，王彥峰，雷翔勝，許成昊，趙智堯

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510080；2.中國能建集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

0 引言

伴隨元宇宙、虛擬現(xiàn)實和數(shù)字孿生等數(shù)字化技術的興起，電力行業(yè)也在積極尋求數(shù)字化轉(zhuǎn)型來提高電網(wǎng)服務水平、質(zhì)量和效率。為了具備更強的全局感知能力、決策能力和執(zhí)行能力，電網(wǎng)公司提出“數(shù)字電網(wǎng)”的概念，并明確“數(shù)字電網(wǎng)”具有可視化和輔助決策的特征［1］。其中可視化特征主要采用人工建模和自動半自動方法三維建模來實現(xiàn)［2］。基于精確和詳細的三維空間模型內(nèi)部和外部信息，承載設計信息的建筑信息模型（building information modeling，BIM）可為輔助決策提供強有力的支持。

BIM為電網(wǎng)工程提供了創(chuàng)建、存儲和管理相關信息的手段［3］。在BIM平臺上協(xié)同工作，雖然參與電網(wǎng)工程設計任務的各專業(yè)可以降低信息溝通的成本，但是全生命周期各階段的數(shù)據(jù)依然相互割裂且缺乏互操作性。這導致聚焦于小空間尺度的BIM技術無法獨立支撐工作，因此BIM迫切需要與地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）進行整合［4］。在電網(wǎng)工程行業(yè)，至少有80%的信息需要基于地理空間信息進行采集和分析［5-6］，BIM和GIS之間的集成可以進一步增強信息共享。GIS提供的空間位置信息、周邊環(huán)境信息和地址水文信息能夠在項目選址、大件運輸?shù)确矫鏋锽IM施工模擬提供幫助，同時BIM模型可以為GIS提供包含內(nèi)部結構的精細三維模型，實現(xiàn)高效管理。BIM模型中的關鍵組件和GIS數(shù)據(jù)庫的關鍵組件之間的幾何與語義一致性映射是實現(xiàn)這兩個領域集成的關鍵步驟。

現(xiàn)有的研究中已經(jīng)闡明BIM領域與GIS領域存在對彼此的信息需求。GIS可以在三維空間中操作、分析、管理和展示不同類型地理空間數(shù)據(jù)，關于GIS在電網(wǎng)工程中的應用已經(jīng)有了一些研究。錯亂的材料布局會導致場地擁擠，使項目延誤和成本超支，為此Su等人提出了基于GIS的建筑工地材料布局動態(tài)評估模型［6］。Sim?o等人使用GIS進行協(xié)作規(guī)劃，以此引導利益相關方共同參與到風電場選址和風能規(guī)劃中［7］。Isikdag等人研究了GIS在BIM模型選址和火災響應方面的應用［8］。BIM模型能夠豐富GIS的信息源。Benner等人使用BIM模型提出了一種提取3D建筑語義信息的方法［9］。Hijazi等人開展了以BIM模型建模參考，對3D GIS擴充建筑內(nèi)部設施的研究。

工業(yè)基礎類（industry foundation class，IFC）和城市地理標記語言（city geographic markup language，CityGML）分別在BIM和GIS領域中被廣泛應用，因此選擇它們作為兩種平臺的數(shù)據(jù)格式。IFC是1994年由國際互操作性聯(lián)盟（international alliance for interoperability）發(fā)起的基于Express語言的開放數(shù)據(jù)標準。另一方面，CityGML是在2002年由德國的地理數(shù)據(jù)基礎設施項目特別工作組（special interest group 3D，SIG 3D）開發(fā)的一個GIS標準。IFC試圖捕獲與建筑相關的所有信息，如建筑組件的詳細幾何結構和語義信息，如成本、調(diào)度和效用信息。CityGML模型通常用于根據(jù)地圖或建筑物的幾何形狀捕捉人口信息。

變電站作為電網(wǎng)工程系統(tǒng)中的節(jié)點，其規(guī)模隨著電網(wǎng)建設的快速發(fā)展不斷地擴大。作為電壓和電流進行變換、集中和分配的場所，變電站的數(shù)字化也是學術界研究的重點。本文中我們將研究范圍鎖定在變電站內(nèi)，以站區(qū)內(nèi)的電氣設備作為研究對象，探索一種BIM與GIS融合場景中電氣設備實現(xiàn)幾何與語義一致性映射的方法?，F(xiàn)有研究的映射方法主要針對于建筑物的BIM設計模型，因此我們不能采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方法來測試。本文提出了一個IFC和CityGML之間的映射框架，該框架由兩個部分組成：

1）電氣設備的幾何坐標轉(zhuǎn)換。

2）對IFC和CityGML中的不同術語集使用圖進行映射。

1 研究背景和相關工作

1.1 IFC和CityGML介紹

IFC能夠表達建筑物的幾何信息與豐富的語義信息［10］。BIM模型中的構件可以由邊界表示（boundary representation，Brep）、掃瓊體和構造立體幾何（constructive solid geometry，CSG）的一種單獨表示或幾種的組合體表示。BRep利用邊界曲面來表示物體的形狀。在橫掃實體中，物體的橫截面將首先被定義，然后在特定的方向擠壓到一個定義的長度，以顯示實體形狀。CSG是對象布爾運算的結果。IFC可以存儲各種語義信息，如所有者信息、模型的修改歷史、構建組件的成本和進度等?；贗FC的BIM模型可用于工程建設的各個階段，如規(guī)劃階段［11］、設計階段［12］、施工階段［13］、運維階段［14］。CityGML于2007年被開放地理空間聯(lián)盟（open geospatial consortium， OGC）認定為數(shù)據(jù)交換標準。CityGML是第一個支持豐富語義信息的三維GIS數(shù)據(jù)格式［15］。

1.2 IFC和CityGML映射相關研究

IFC和CityGML之間映射的研究已經(jīng)成為了熱點研究內(nèi)容。Rafiee認為BIM模型沒有使用地理定位，而是使用一個阻礙環(huán)境分析的局部坐標系統(tǒng)，因此將BIM轉(zhuǎn)化為相應的地理定位模型有助于有效地回答許多環(huán)境問題［16］。許多學者嘗試建立IFC與GIS標準之間的映射，這些方法可以分為兩類，一類方法基于BIM領域完成，人們試圖用GML的內(nèi)容擴展BIM數(shù)據(jù)標準，而GML是CityGML的基礎。另一種方法側重于擴展GIS標準，以便包含來自BIM模型的信息。然而，這兩種方法只支持單向映射。它們只能允許從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式。這兩種單向的映射方式會造成信息損失，不利于BIM和GIS的集成。

為解決BIM和GIS的數(shù)據(jù)標準映射問題，學者們提出了很多方法，比如圖轉(zhuǎn)換和本體論。圖被認為是表示不同類型主題的合適結構，例如抽象語法樹、依賴圖和對象圖，Tauscher等提出了圖轉(zhuǎn)化模型［17］。在某一領域內(nèi)，本體是通過在使用一組預定義的概念以及概念之間的關系來表示知識的［18］。本體作為一種有效表現(xiàn)概念層次結構和語義的模型，它可以描述概念及概念之間關系，并通過概念之間的關系來描述概念的語義［20］。參考本體的設計是為了實現(xiàn)模式之間的互操作性或數(shù)據(jù)映射。El-Mekawy提出統(tǒng)一建筑模型作為轉(zhuǎn)換中介，該模型可以促進IFC和CityGML之間的空間信息轉(zhuǎn)換［20］。統(tǒng)一模型被定義為一個超集模型，它被擴展到包含IFC和CityGML建筑模型的所有特征和對象。

1.3 數(shù)字電網(wǎng)工程相關研究

在電網(wǎng)工程領域，BIM和GIS已經(jīng)單獨或共同參與到電網(wǎng)工程全生命周期中的各個階段。GIS在電網(wǎng)的規(guī)劃階段已經(jīng)得到廣泛的應用，空間信息可以將已有線路、城市區(qū)位和地理環(huán)境相互融合在一起［21］。對電網(wǎng)輸電線路選址選線，根據(jù)區(qū)域內(nèi)負荷情況以及復雜的三維空間環(huán)境，以降低線路損耗和經(jīng)濟性為目的確定變電站的容量和空間位置［22］。李佳祺在500 kV數(shù)字孿生變電站建設之中，將傳統(tǒng)的甘特圖三級進度管理與BIM設計模型建立聯(lián)系［23］。張廣平在750 kV變電站設計中也采用BIM技術來解決平臺分散和總體環(huán)境不配套的問題［24］。2013年國家電網(wǎng)基于BIM和GIS推出電網(wǎng)信息模型（grid information model， GIM）來滿足電網(wǎng)工程三維設計階段中不同組件的數(shù)字化和各階段數(shù)據(jù)整合的需求［25］。GIM有三點優(yōu)勢，首先是GIM采用參數(shù)化建模可以減少模型的數(shù)據(jù)存儲量，提升建模效率，其次是GIM模型采用層次結構可以減少冗余，最后是圖形和屬性一致便于查詢和調(diào)用［26］。目前在電網(wǎng)工程中BIM與GIS之間的結合過程中重視土建部分而輕視了電氣設備，因此現(xiàn)有三維模型主要服務設計階段而在施工和運維階段的應用較淺。為了加深BIM與GIS在電網(wǎng)工程中的融合程度，需要提出一種在兩個領域之間電氣設備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方法。

2 幾何與語義一致性映射

本文提出了基于圖轉(zhuǎn)換的變電站電氣設備IFC和CityGML文件格式的幾何與語義一致性映射方法。通過該方法，變電站BIM模型中電氣設備將可以導入到GIS平臺中。轉(zhuǎn)換規(guī)則集作為映射的核心模塊，承載和轉(zhuǎn)換兩種數(shù)據(jù)標準的信息。通過構建變電站電氣設備本體和基于實例的映射規(guī)則生成，轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換流程圖Fig.1 Workflow of data format conversion

本研究采用開源的Python工具包“IfcOpenSheel”作為IFC解析器。IfcOpenSheel可以讀取IFC文件并將其解析成對象樹，同時獲取電氣設備IFC文件的所有幾何與語義信息。CityGML的解析器是CityGML4j，它是一個應用程序編程接口（API），用于讀取和寫入GML文件。

2.1 電氣設備IFC解析

各類變電站都包含大量不同種類的電氣設備。不同類型的電氣設備的組件類型和組件數(shù)量都有巨大的差異，比如油浸式變壓器一般會包含11類組件，而換流閥通常只由7類組件組成，因此每種電氣設備都需要根據(jù)自身組件單獨建立圖轉(zhuǎn)化規(guī)則集。在解析電力設備之前需要先明確變電站IFC文件中的電氣設備類型。

與能夠細化到組件信息的建筑BIM模型不同，由于IFC格式中不包含電氣設備的類，因此電氣設備廠商無法提供組件粒度的BIM模型。相比于建筑BIM模型已經(jīng)包含組件級的關聯(lián)和語義信息，電氣設備的BIM模型解析則需先確認設備類型，然后按照設備所包含的組件分別進行解析。目前變電站內(nèi)常見的電氣設備BIM模型只表達了對象的幾何形態(tài)，如圖2所示，忽視了部件之間的關聯(lián)性，比如變壓器BIM模型中的油枕、儲油柜和凈油器之間就不存在任何關系。為了解決這一問題，我們需要從一個整體的電氣設備BIM模型中分離出不同組件。

圖2 變電站常見電氣設備的BIM模型Fig.2 BIM model of common electrical equipment in substations

電氣設備BIM模型通常被整體制作，設備組件只能由圖元表示，同時IFC文件并未指明圖元與設備組件的從屬關系。每一個圖元由多個IFC類進行表示，整個電氣設備模型的IFC文件中會包含有大量的類需要根據(jù)組件的形態(tài)特性從IFC文件中包含的基礎圖元中提取出對應圖元。因此我們首先對每一電氣設備BIM模型所包含的類都進行了統(tǒng)計，如圖3所示。根據(jù)統(tǒng)計結果，可以明顯看出IfcPolyLoop、 IfcFaceOuterBound、 IfcFace、 Ifc-CartesianPoint四類是表示圖元幾何信息的類。

圖3 電氣設備BIM模型IFC類統(tǒng)計Fig.3 Statistical result of IFC classes including in electrical equipment BIM model

梳理電氣設備模型中所包含的IFC類之間的從屬關系可以將這些類劃分為包含幾何信息的類和語義信息的類，如表1所示。幾何信息的類定義了設備模型的組成圖元的尺寸、方向和空間位置，語義信息的類定義了組件的歷史修改記錄、場地信息和空間上下文信息。通過梳理關系可以生成IFC類之間的樹狀結構，圖4為變壓器的IFC類之間關系的一個簡單示例。

圖4 變壓器IFC類的從屬關系Fig.4 Subordination of transformer IFC classes

表1 電氣設備IFC的幾何與語義類Tab.1 IFC classes with geometric and semantic information

針對IFC模型的樹狀結構，解析器的設計通常遵循兩種路線：自頂向下方法和自底向上方法。自頂向下方法首先獲取IFC的根并找到它的子實體，而自底向上方法搜索不可分割的對象并從這些葉節(jié)點開始構建樹。自底向上的方法對于BIM模型和GIS模型是有效的，因為它忽略了一些不必要的搜索。然而，對于復雜的設備模型，整個文件樹的重構時間可能太長，因為對象之間可能存在不止一個關系。因此在我們的框架中采用的解析器策略是自頂向下的方法。解析器將通過查看這些反向?qū)傩哉业絀fcProject和相關的IfcBuilding，然后繼續(xù)向下查找，直到訪問所有組件的圖元。以變壓器為例，其過程如圖5所示，藍線表示語義信息解析路線，紅線表示幾何信息解析過程。

圖5 電氣設備BIM模型IFC文件解析過程

2.2 基于圖的映射框架

IFC和CityGML之間的映射是基于圖完成的，而圖又是基于IFC和CityGML文件格式的組織結構生成的。雖然IFC和CityGML都能被用于表示空間對象的幾何信息，但表現(xiàn)方法和對象的組織結構并不相同，比如設備的外表面在IFC中用IfcFace類來表示，而CityGML則要用Wall類來表示。通過檢查IFC和CityGML中組件的不同實例，我們構建了兩種組織結構之間的映射規(guī)則，如表2所示。

表2 IFC類組織結構映射規(guī)則Tab.2 Mapping rules of organization structure for IFC classes

3 幾何信息轉(zhuǎn)換

從IFC和CityGML進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至關重要的步驟就是將IFC的局部的相對坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為CityGML的絕對坐標系統(tǒng)。CityGML中所有對象的坐標值都是絕對坐標，無需以其他對象為參考。從局部位置系統(tǒng)到世界坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換可以通過坐標轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)。

式中：I為IFC的坐標；C為CityGML的坐標；下標xyz為坐標符號；M為旋轉(zhuǎn)矩陣；Δ為平移量。

除了坐標系統(tǒng)不同之外，IFC與Citygml的幾何表達方式也存在不同。例如，設備一處外表面的坐標點存儲在IfcPolyLoop的下級節(jié)點中，而在CityGML中，相同的區(qū)域可能由一個坐標列表表示，如圖6所示。通過制定的幾何映射圖將IFC中的節(jié)點空間位置逐個保存至CityGML中，如圖7所示。

圖6 IFC與CityGML的幾何信息表達方式Fig.6 Expression of geometric information of IFC and CityGML

4 語義屬性映射

電氣設備的BIM模型除了幾何信息還包含了建筑構件的語義信息，語義信息分為屬性信息和構件的關聯(lián)信息。屬性信息可以直接進行映射，而構件之間的關聯(lián)信息則是隱性的信息，需要從IFC中進行提取。通過閱讀這些關系定義可以生成定義組件之間關系的BIM模型的樹形結構，如圖8（a）所示。BIM模型中，一個電氣設備對應于CityGML就是一棟建筑物，因此將電氣設備中的每個組件定義為建筑物中的一層樓，以此實現(xiàn)關聯(lián)信息的構建，如圖8（b）所示。

圖8 IFC到CityGML語義映射圖Fig.8 Semantic information mapping from IFC to CityGML

5 實驗

5.1 幾何與語義信息轉(zhuǎn)換實驗

幾何信息映射的核心是將IFC的幾何信息表達方式轉(zhuǎn)換為CityGML的表達方式。根據(jù)上文所述的IFC文件解析方法，首先需要整理變壓器IFC格式的幾何信息。第一步讀取IFC文件中的IfcAxis2 Placement3D類，獲取所有坐標系的空間位置信息和坐標軸朝向信息，獲取IfcLocalPlacement類確認坐標系之間的關系。第二步提取文件中的Ifc-CartesianPoint類，讀取所有節(jié)點的三維坐標，根據(jù)局部坐標系之間的空間關系將節(jié)點的相對坐標換算為全局坐標，如圖9所示。

圖9 IFC格式幾何信息轉(zhuǎn)換至CityGMLFig.9 Conversion of geometry information from IFC to CityGML

然后讀取IFC文件中變壓器的屬性信息。第一步，讀取IfcProduct，IfcOwnerHistory可以獲取設備的類型，功能和用途。第二步，讀取IfcSite和IfcProject可以獲取設備的安裝位置和變壓器模型的組成元素之間的空間關系。

其次根據(jù)梳理IFC文件中各個實例的關聯(lián)關系。第一步，讀取IfcshapeRepresentation實例中所包含的IfcFacetedBrep實例編號，建立所有模型組成元素之間的聯(lián)系。第二步，讀取每個IfcFacetedBrep實例中所包含的平面IfcFace實例編號，建立組成包絡體的所有面的關聯(lián)關系。第三步，讀取每個IfcFace實例中所包含的節(jié)點IfcCartesianPoint實例編號，建立節(jié)點與模型邊緣的關系。

5.2 IFC格式與CityGML格式對比實驗

獲取模型的所有頂點的空間信息與關聯(lián)關系后，采用三角剖分方法，以模型的所有頂點構建三角面片以此來構建變壓器的三維模型。以變壓器IFC模型為例，所生成的幾何體共包含57 040個三角面片，如圖10（a）所示。IFC格式在三維顯示時可以通過參數(shù)化建模的方法實現(xiàn)，如圖10（b）所示。

圖10 IFC和CityGML不同的三維顯示方式Fig.10 Different 3D representations of IFC and CityGML

為了測試IFC和CityGML兩種格式在顯示效率和存儲空間占用的情況，本文選擇了電網(wǎng)工程項目中常見的10種電氣設備作為測試對象。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，將電氣設備從IFC格式轉(zhuǎn)為CityGML格式后，存儲空間占用明顯增大。CityGML的文件占用空間約為IFC的2～3倍，如圖11（a）所示。在顯示時所花費的處理時間，兩者也存在很大的差別，IFC的處理時間也要明顯大于CityGML，對于結構簡單的電氣設備，其處理時間并不存在明顯的數(shù)值關系，而對于結構復雜的電氣設備，IFC的處理時間約為CityGML 2倍左右。

圖11 IFC和CityGML的存儲空間和處理時間對比Fig.11 Comparison of IFC and CityGML memory cost and processing time

從實驗結果分析得出，電氣設備以IFC格式占據(jù)更少的存儲空間，因此在面對大規(guī)模電氣設備的存儲需求時，會具有更高的經(jīng)濟性。CItyGML的優(yōu)點則是表達形式簡單，因此解析和重構速度要明顯快于IFC，處理時間可以縮短約一倍，如表3所示。

表3 IFC與CityGML的對比結果Tab.3 Comparison results of IFC and CityGML

雖然目前計算機的存儲空間已不是制約應用的瓶頸，但在面對海量數(shù)據(jù)并在線處理數(shù)據(jù)時，如何提高處理效率是亟須解決的問題。從對比結果中可以看出，CityGML在處理速度上比IFC格式要快近一倍。

6 結語

本文提出一種基于圖映射的方法作為電氣設備IFC格式化到CityGML格式的建筑模型的語義和幾何轉(zhuǎn)換的形式化框架。圖映射方法支持從IFC到CityGML的語義映射，從這種映射生成轉(zhuǎn)換過程，以實現(xiàn)從BIM模型到CityGML建筑模型的完整且近乎無損的映射。在BIM模型中獲取幾何和語義信息，以創(chuàng)建包含外部和內(nèi)部結構的豐富語義的電氣設備模型。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電氣設備將以CityGML的數(shù)據(jù)格式進行表示，同時空間內(nèi)的建筑設施和周邊環(huán)境也將采用CityGML進行表示，比如土地利用類型、道路、山體。首先，從數(shù)據(jù)層面打通BIM與GIS之間的障礙，為大區(qū)域內(nèi)數(shù)字孿生的三維模型構建奠定基礎，其次，直接將BIM模型添加于地理底圖中，由于GIS分析并不支持該格式，因此無法發(fā)揮GIS的分析功能，而CityGML是標準的GIS數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)GIS的空間分析功能在BIM模型上的深度應用。

本文通過將BIM模型中的電氣設備IFC格式轉(zhuǎn)換為GIS系統(tǒng)所支持的CityGML格式，可以對未來開展的數(shù)字孿生技術在電網(wǎng)應用中提供三維空間分析能力，以解決目前電網(wǎng)信息感知能力不足，空間分析預測模型不全等問題。