三維智能輔助設計及其AIM信息模型構建技術研究

龔堅剛 何凱軍 俞辰穎 丁小蔚 周盈

（1.國網浙江省電力公司經濟技術研究院 浙江省杭州市 310000 2.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司 浙江省杭州市 310000）

全球進入互聯網和數字經濟時代，新的生產關系和經濟形態正在形成，互聯網逐步成為價值再造的核心要素與經濟發展的新動能。同時，隨著電網的不斷發展，特別是特高壓網架的形成，國家電網公司創造性提出“三型兩網、世界一流”戰略目標。“三型兩網”戰略的本質是基于互聯網思維，發揮電網的樞紐作用，推動堅強智能電網與泛在電力物聯網協同并進，構成能源互聯網平臺，帶動產業鏈上下游和全社會共享發展成果，全面體現了開放、合作、共贏的新思維、新理念。電網三維數字化設計以設計為龍頭，以數據為基礎，以模型為載體貫穿設計、建設、運維、退役全生命周期內各個階段，將各階段碎片化數據整合為完整的信息模型，推進了工程建設技術的不斷創新，提高工程建設質量及工作效率，是建設泛在電力物聯網的基礎數據支撐，同時對三維數字化設計形成的三維信息模型提出更高要求，基于全壽命周期管理理念的三維電網信息模型AIM （Artificial Intelligence Model 或 All Information Model）理念應運而生。

1 電網企業數字化設計[1]

2014年前后電網企業開展了數字化設計構想，建立了企業內部數字化框架體系，出臺輸變電工程三維設計模型交互規范、三維設計導則、三維數字化移交、設計評審管理等系列技術標準和管理標準，重點放在工程前期、設計評審、前期管理、后期數字化移交方面，并開展了多項數字化設計管理、評審工作嘗試，取得了很大的成績，35kV 及以上變電站及輸電線路工程全面推廣數字化設計。

但根據調研情況，國內數字化建設起步較早，但大部分電網設計單位數字化發展進度非常緩慢，其主要原因如下：

（1）沒有對數字化設計技術內涵深入理解，傳統設計影響較深，認為三維數字化就是一個展示功能，思想觀念還停留在二維設計階段。

（2）沒有對三維設計流程進行深入研究，不理解“協同”思想，沒有實現全專業、全過程的設計協同，不能最大限度地進行資源利用，效率低下。

（3）輸變電工程中主要的設備包括桿塔、絕緣子串、導地線、基礎、變電電氣、變電土建等，這些設備模型類型多，而且整體工程中的用量非常大。

（4）數字化主要應用模塊功能基本完善，但最后一公里用戶應用層操作復雜，建模效率低下，這是制約數字化應用的最大障礙。

（5）三維信息模型智能化不足，無法滿足日益需求增大的智能化設計。

（6）三維信息模型屬性信息主要反映設計意志，模型顆粒度無法滿足現行的5G、VR（Virtual Reality）等新型技術，不能更好滿足后端施工模擬、工程運維等階段，其價值在全壽命周期管理中發揮價值尚不夠充分。

2 電力行業三維信息模型

輸變電工程三維模型現行模型分類，根據工程性質，主要分為架空輸電線路、電纜線路工程、變電站（換流站）等三種類型。架空輸電線路工程主要建模模型包括[2]：導地線（含OPGW）、金具、絕緣子、桿塔、基礎、交叉跨越物等；電纜線路工程主要建模模型包括：光電纜及其附件、構筑物、電纜附件、固定金具及材料、附屬設施、監控裝置、終端塔（桿、站）等；變電站（換流站）工程[3]主要建模模型包括：專用幾何體（套管/絕緣子、絕緣子串、端子板、法蘭）、設備（電氣一次設備、電氣二次設備）、材料、土建（總圖、建筑物、構筑物及基礎、水工暖通設備）等。

架空輸電線路工程、電纜線路工程、變電站（換流站）等不同專業建模及應用主要發生在設計階段，包括初步設計階段、施工圖設計階段、竣工圖編制階段，不同設計階段對模型完善度要求不一，重復性建模工作量較大，模型的“自適應”、 “自動重生”等智能化不足，無法滿足需求日趨加重的智能化設計。同時，模型所包含屬性信息、模型顆粒度等主要應用于設計階段，通過設計完成的模型在后續工程施工階段、運維階段等全壽命周期環節中應用度較低。

另外，由于模型建模工作量大、建模難度高，導致增加較多設計工作量和設計成本。某設計院對輸電三維試點工程設計成本測試，得出采用三維設計后在初步設計階段增加工作量約16.7%；施工圖設計階段增加工作量約22.8%，詳見表1。工作量的增加主要來自于大量的模型建模，如何在不增加太多設計工作量和設計成本的情況解決三維設計時大量模型快速構建是三維設計應用的關鍵，同時三維信息模型能否在全壽命周期中充分發揮其自身價值，亦是輸變電工程采用三維數字化設計后整體效益是否提升的關鍵。

表1：采用三維數字化設計相對傳統二維設計工作量變化表

同時，為滿足運維對模型需求，相關運維管理部門下發《330kV及以上電壓等級變電站（換流站）三維建模技術規范》用于指導變電站（換流站）三維模型精細化和普通精度的建模工作，實現電網運檢智能化分析管控系統規范接入三維模型，保證建模成果在規范、復用、擴展原則下應用效果最大化。該規范對模型交付格式規定為3dmax，在現行gim 模型基礎上再次提高模型精細化程度，但對于工程全壽命周期來說，無疑再次增加了重復建模工作量。

鑒于以上原因，對滿足智能化設計、施工模擬、智慧運維等信息化模型的需求日趨強烈。

3 AIM理念的提出

3.1 概念解釋

隨著人工智能技術的發展，電網工程三維智能輔助設計技術是必然趨勢，對支撐三維設計的信息模型提出更高要求[4]。三維信息模型構建應具有傳承、替換、重生、多用途、多屬性等全要素特征或人工智能特征，為智能輔助分析奠定良好基礎，并為工程項目全壽命周期管理創造條件[5]，因此提出AIM （全稱為All Information Model 全要素信息模型或Artificial Intelligence Model 人工智能模型）。AIM 將在GIM、EIM 的基礎上賦有模型設計條件、工程設計條件、電氣連接映射數據、設備安裝映射數據、真實化顆粒度等，更好滿足設計、施工、運維各環節的需求。

3.2 理念優勢

3.2.1 建模快速化

AIM 模型主要建模方式為裝配式，主題思想為“搭積木”模式，通過標準化“積木”，標準“積木”組裝方式實現快速構建三維信息模型，大大減輕三維數字化設計所面臨的建模工作量大的窘境。“搭積木”快速構建模型如圖1所示。

圖1：“搭積木”快速構建模型

3.2.2 模型全屬性化

AIM（All Information Model）模型在現有GIM、EIM 等電網模型基礎上，通過調研增加施工環節、運維環節等所需屬性信息及模型格式，通過其屬性的“包容性”及格式的“兼容性”來充分發揮其在電網工程全壽命管理周期中的價值。“全信息”AIM 模型如圖2所示。

圖2：“全信息”AIM 模型

3.2.3 模型智能化

AIM（Artificial Intelligence Model）人工智能模型，在具備完整屬性前提下，在初步設計階段、施工圖設計階段、竣工圖設計階段AIM 模型從抽象、具象、真像三個層次可實現自動替換，屬性自動補充，大大減少模型重復建模工作量，提高設計效率；在模型中增加屬性邏輯，使其更適合于未來的人工智能化三維設計平臺：該平臺具有專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷的能力，從而達到設計智能化的目的。智能化AIM 模型服務全壽命周期管理如圖3所示。

圖3：智能化AIM 模型服務全壽命周期管理

3.2.4 模型真實化

5G 時代的到來，使“萬物互聯”成為可能。5G 的“超級聯接”使價值傳輸、大數據、AI 等新技術低成本簡易武裝到每個主體，使每個主體自適應性快速提高。而日趨真實的三維模型，可結合視頻系統、傳感系在施工階段，對隱蔽工程、高邊坡等重點質量控制部位進行全過程質量控制，同時實現對不同設備、不同部位上的運行參數進行在線監測，提高生產管控監測效率[6]。真實化模型應用于VR 如圖4所示。

圖4：真實化模型應用于VR

4 AIM模型的構建

AIM 模型的構建主要基于3dmax 格式及GIM 模型屬性并補充相應智能化屬性，可分為ABS.AIM（Abstait AIM，抽象）、REP.AIM（Representational AIM，具象）、真象（Real AIM，真象），其中真象根據模型顆粒度可分為HReal.AIM（高度真實模型）與LReal.AIM（低度真實模型）。抽象級別以符號表示，用于可行性研究階段，具象級別反映模型輪廓線等，用于初步設計階段，真象達到產品模型級別應用于施工圖設計階段，低度真實模型除紋理等細節外基本與現場模型一致可用于施工圖及竣工圖設計，高度真實模型完全與現場模型細節一致可用于運維階段。AIM 模型分類示意圖如圖5所示。

圖5：AIM 模型分類示意圖

AIM 模型建模優勢在于一次建模，工程全壽命周期應用。根據專用幾何體、設備、材料等現實模型，在3dmax 中進行實景建模與渲染，分別形成模型文件即HReal.AIM 及材質報表文件，在后續設計過程中，可通過3dmax 軟件將模型輕量化處理形成LReal.AIM或REP.AIM 并導出DWG，導出的模型及HReal.AIM 級別材質報表文件共同用于其它平臺如Revit 進行三維設計。三維設計完畢后，設計成果包括材質報表文件可通過DWG 或FBX 格式導入3dmax軟件進行自動渲染，方便后續施工、運維等階段應用。AIM 模型貫穿工程建設示意圖如圖6所示。

圖6：AIM 模型貫穿工程建設示意圖

故此，采用AIM 理念構建模型，實現一次建模，同時滿足設計、施工、運維等不同階段不同部門需求，大大減輕重復建模工作量，節省工程整體造價。

5 AIM模型工程應用

在國家電網公司三維試點工程中，某單位采用基于三維信息模型AIM 電網全壽命周期管理理念從設計龍頭抓起，通過智能化設計延伸到基于泛在電力物聯網的BIM5D 施工[7]，包含全過程信息的竣工三維模型無縫移交運維單位，在“一個模型，一個數據”框架下，堅持底層數據全過程貫通，在整個工程建設全壽命周期過程中保持數據的唯一性。

5.1 AIM支撐智能化設計

基于三維信息模型AIM 電網全壽命周期管理理念開展智能化設計，并兼容后延施工、運維等階段數字化移交要求。主要流程如圖7。

圖7：基元AIM 模型開展智能化設計

5.2 AIM支撐智能化施工

施工階段是輸變電工程項目管理中的基礎，基于三維信息模型AIM 的三維數字化設計成果作為其基本數據支撐，從施工培訓、路網統籌規劃、關鍵方案模擬、場地優化、本體施工等多方面輔助全過程機械化施工，同時三維設計成果與現場施工有效融合，實時交互模擬，指導施工方從宏觀上控制施工機械和資源調配方式，從微觀上細化運輸方案、場地布置、工藝模擬，全面高效助推全過程機械化施工，保證施工質量，縮短施工周期。利用模型所含“積木”開展施工模擬如圖8所示。

圖8：利用模型所含“積木”開展施工模擬

5.3 AIM支撐智能化運檢

智能化運檢是建立在海量真實數據的基礎上進行自動判別和運行的，因此三維數字化移交成果是智能化運檢平臺的可靠數據來源。基于AIM 三維模型設計成果包含整個建設周期資料，同時與GIS、PMS、調度信息系統等系統數據貫通，確保相關數據能夠實時反映到AIM 模型上，能夠支持運檢平臺進行設備信息可視化、飛行瀏覽、實時監控、各種故障分析、危險點管理等計算、分析模擬操作等杜絕運維單位失誤操作[8]，實現遠程自動化、高效精準運維。AIM 三維設計成果助力智能化運檢如圖9所示。

圖9：AIM 三維設計成果助力智能化運檢

6 結束語

隨著國內互聯網的高速發展，結合“三型兩網”、泛在電力物聯網的大力推進，對輸變電工程三維數字化設計提出了更高的要求，同時，鑒于全壽命周期管理追求的是資產全壽命周期內效益最大化，而并不是局部和階段最優化的要求，對三維設計成果“一套模型，全壽命周期”的理念追求更為強烈。

鑒于此，本文在分析現有三維模型屬性不足、格式不兼容、智能化不足等前提下，提出滿足智能化設計、智能化施工、智能化運檢的基于電網全壽命周期管理理念三維信息模型AIM ，同時給出AIM 在某典型工程中的實用案例，以期指導后期輸變電三維數字化設計及其在全壽命周期管理中的價值應用。