基于ＢＩＭ 的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)研究

姜佩奇 伍杰 劉輝 劉志明 張社榮

摘 要：為解決水利工程ＢＩＭ 模型解析交互不流暢、外形失真、信息丟失等問題，提出一種通用性的基于ＢＩＭ 的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)。將水利工程輕量化分為ＢＩＭ 建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模型提取與轉(zhuǎn)換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個(gè)方面，按照水利工程數(shù)據(jù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，針對(duì)性地提出輕量化措施，發(fā)揮ＢＩＭ 技術(shù)的三維可視化、數(shù)據(jù)化性能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同應(yīng)用。將上述技術(shù)應(yīng)用于引漢濟(jì)渭一期工程，通過規(guī)定模型幾何構(gòu)形表示方式、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)空間、模型必要信息提取與轉(zhuǎn)換方式、模型壓縮工具和傳輸手段、模型解析工具和渲染方法等，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)模型的輕量化。輕量化后工程地質(zhì)模型的每秒傳輸幀數(shù)（ＦＰＳ）由１０ 提高到５５，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：水利工程；數(shù)字孿生；ＢＩＭ；輕量化

中圖分類號(hào)：ＴＶ５１；ＴＰ３９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０２２

引用格式：姜佩奇，伍杰，劉輝，等．基于ＢＩＭ 的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：１３３－１３７，１４４．

建筑信息模型（ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）是工程的數(shù)字化載體，承載工程幾何信息、屬性信息、特征信息等，也是數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的關(guān)鍵。ＢＩＭ 技術(shù)作為一種以信息模型為載體、以數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)、以業(yè)務(wù)管理與仿真分析為核心的包容性信息化技術(shù)，已成為數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的必備技術(shù)之一［１］ 。水利工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及專業(yè)眾多、場(chǎng)景對(duì)象種類繁多、空間關(guān)系復(fù)雜，水利工程數(shù)字模型往往呈現(xiàn)多類型、高精度、大體量等特點(diǎn)。隨著數(shù)字孿生水利工程的深化應(yīng)用，ＢＩＭ 建模軟件生成的模型數(shù)據(jù)體量和復(fù)雜度越來越高，ＢＩＭ 技術(shù)已無法滿足水利工程的應(yīng)用需求。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)ＢＩＭ 模型輕量化開展了系列研究，包括基于工業(yè)基礎(chǔ)類（ＩＦＣ） 的動(dòng)態(tài)解析、ＷｅｂＧＬ 渲染方式、圖形引擎研究等。趙菲［２］ 開展基于ＷｅｂＧＬ 的古建筑ＢＩＭ 模型輕量化研究，提出了基于ＪＳＯＮ 的輕量化解析方法；劉洋［３］ 結(jié)合ＷｅｂＧＬ 技術(shù)和Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 引擎，實(shí)現(xiàn)本地端三維模型跨平臺(tái)輕量化展示；王坭［４］ 開展了面向軌道交通的ＢＩＭ 模型Ｗｅｂ 端輕量化技術(shù)研究，提出基于Ｄｅｌａｕｎｎａｒｙ 三角剖分算法的ＢＩＭ 模型幾何數(shù)據(jù)輕量化方法；袁思林［５］ 提出一種ＢＩＭ 模型歸一化處理方法和基于多分辨率網(wǎng)格技術(shù)的瀏覽器端渲染方案，提升了ＢＩＭ 模型的解析效率。然而，上述研究方法及研究對(duì)象較為單一，沒有建立一套從建模到解析應(yīng)用全過程的輕量化方法。

近年來，水利專家開展了設(shè)計(jì)施工一體化ＢＩＭ 模型構(gòu)建研究、水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究等工作，但仍缺少更具針對(duì)性的應(yīng)用成果，模型交互性差、可移植性差等問題依然突出。在模型提取與轉(zhuǎn)換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染等方面，需要將全生命周期多要素與業(yè)務(wù)信息融合，但上述方法既不能滿足水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的需求，也很難從業(yè)務(wù)應(yīng)用角度實(shí)現(xiàn)渲染速度和模型精度之間的平衡。因此，本文提出將數(shù)字孿生水利工程輕量化分為ＢＩＭ 建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模型提取與轉(zhuǎn)換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個(gè)方面，按照水利工程數(shù)據(jù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，提供一種適用于水利行業(yè)的ＢＩＭ 輕量化技術(shù)。

１ 水利工程ＢＩＭ 需求分析及輕量化思路

１．１ ＢＩＭ 業(yè)務(wù)應(yīng)用和表達(dá)需求

為解決數(shù)字孿生水利工程建設(shè)中數(shù)據(jù)體量和模型性能之間的矛盾，提出水利工程各時(shí)期ＢＩＭ 業(yè)務(wù)應(yīng)用需求：１）規(guī)劃設(shè)計(jì)期采用ＢＩＭ 技術(shù)可提高各專業(yè)的溝通與協(xié)作能力。對(duì)復(fù)雜的專業(yè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化，并基于Ｗｅｂ 端搭建統(tǒng)一的ＢＩＭ 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，有效減少各專業(yè)之間的溝通壁壘，提高協(xié)同設(shè)計(jì)效率。２）建設(shè)期搭建水利工程施工管理ＢＩＭ 平臺(tái)，集成各項(xiàng)施工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工全過程、全方位的管理。在施工過程中利用ＢＩＭ 技術(shù)構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字孿生體，對(duì)工程項(xiàng)目的物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)虛擬映射。３）運(yùn)維期以ＢＩＭ 模型為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成、共享和可視化表達(dá)。將項(xiàng)目信息、結(jié)構(gòu)模型和構(gòu)件參數(shù)等數(shù)據(jù)全部集中于ＢＩＭ，為運(yùn)維人員工作提供便利。

實(shí)現(xiàn)ＢＩＭ 表達(dá)規(guī)范性、準(zhǔn)確性和完備性是保證ＢＩＭ 工作有序開展的前提。水利工程ＢＩＭ 表達(dá)有以下３ 個(gè)方面需求：１）語義信息的標(biāo)準(zhǔn)化。語義信息包括對(duì)ＢＩＭ 元素類別、空間位置與相關(guān)關(guān)系的描述，以及對(duì)元素基礎(chǔ)屬性及功能的定義，其是ＢＩＭ 規(guī)范化表達(dá)的基礎(chǔ)。語義信息的規(guī)范化表達(dá)可以有效提高數(shù)據(jù)檢索與提取效率，解決水利工程多專業(yè)間協(xié)同交互的難題。２）幾何表達(dá)的精確性。ＢＩＭ 設(shè)計(jì)過程是逐步完善工程幾何模型表達(dá)與屬性信息的過程，幾何模型的精確表達(dá)就是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的精確表達(dá)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是ＢＩＭ 幾何構(gòu)形的理論基礎(chǔ)，選擇適用于水利工程ＢＩＭ 幾何表達(dá)的方式對(duì)模型幾何邊界及構(gòu)造進(jìn)行合理描述，是實(shí)現(xiàn)高精度參數(shù)化建模的基礎(chǔ)。３）屬性信息的完備性。設(shè)計(jì)成果最終都以ＢＩＭ 為載體呈現(xiàn)，因此在語義規(guī)范、幾何精確的前提下，必須保證水利工程各階段各專業(yè)設(shè)計(jì)成果的完備性，即實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)結(jié)果與ＢＩＭ 模型的關(guān)聯(lián)，避免設(shè)計(jì)結(jié)果遺漏與信息丟失。因此，建立完備的屬性集空間也是ＢＩＭ 表達(dá)的關(guān)鍵。

１．２ ＢＩＭ 輕量化思路

依據(jù)水利工程ＢＩＭ 需求，提出以下５ 個(gè)方面的輕量化思路。

１）選擇合理的建模工具，優(yōu)化建模方法。水利工程涉及專業(yè)多，部分設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕９ぞ吆徒７椒ǎ瑢?duì)結(jié)構(gòu)相似或外觀相近的設(shè)施統(tǒng)一歸類，識(shí)別出ＢＩＭ 模型中重復(fù)表達(dá)的要素并統(tǒng)一處理，可有效優(yōu)化幾何信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，減小文件體積和內(nèi)存使用量。

２）建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免數(shù)據(jù)冗余。采用層次化樹狀結(jié)構(gòu)建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)繼承機(jī)制，提高ＢＩＭ 表達(dá)的規(guī)范性和效率。關(guān)聯(lián)繼承機(jī)制具有良好的可拓展性以及平臺(tái)無關(guān)性，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的分離，避免數(shù)據(jù)重復(fù)定義，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可有效提升數(shù)據(jù)解析提取性能。

３）建立面向需求的模型提取與轉(zhuǎn)換機(jī)制。水利工程模型中業(yè)務(wù)信息多，模型體量大，需要對(duì)頂點(diǎn)和片源進(jìn)行簡化，剔除無關(guān)業(yè)務(wù)信息，從而實(shí)現(xiàn)模型輕量化。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，將ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等數(shù)據(jù)格式，用于不同場(chǎng)景下ＢＩＭ 模型的輕量化解析。

４）對(duì)模型進(jìn)行高保真壓縮與流式傳輸。為支持精細(xì)化、大體量模型信息傳輸，須在保證精度的前提下對(duì)ＢＩＭ 模型的幾何信息、空間拓?fù)湫畔⒁约凹y理坐標(biāo)等屬性信息進(jìn)行壓縮，并采用流式傳輸方式在網(wǎng)絡(luò)中漸進(jìn)傳輸三維模型。

５）對(duì)模型進(jìn)行輕量化解析與渲染。遴選開源或國產(chǎn)化解析工具解析ＢＩＭ 模型，保證解析精度和解析效率。采用多細(xì)節(jié)層次（Ｌｅｖｅｌ ｏｆ Ｄｅｔａｉｌ，ＬｏＤ）技術(shù)解析幾何數(shù)據(jù)，對(duì)模型可見性及細(xì)節(jié)度進(jìn)行預(yù)先判斷，根據(jù)預(yù)先提供的可見性信息進(jìn)行渲染，保證渲染速度與應(yīng)用需求之間的平衡。

２ 輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從ＢＩＭ 建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模型提取與轉(zhuǎn)換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個(gè)方面，梳理輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

２．１ ＢＩＭ 建模

隨著ＢＩＭ 技術(shù)的深化應(yīng)用，ＢＩＭ 建模工具的發(fā)展日新月異。目前水利行業(yè)主流的建模工具以Ａｕｔｏｄｅｓｋ、Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ｄａｓｓａｕｌｔ 等公司開發(fā)的軟件為代表，例如：Ａｕ?ｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 可實(shí)現(xiàn)水利工程建筑、施工場(chǎng)地等信息模型的專業(yè)三維建模，并開展可持續(xù)設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)、施工規(guī)劃、力學(xué)分析和虛擬建造；Ｂｅｎｔｌｅｙ ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 可實(shí)現(xiàn)工程施工總布置區(qū)復(fù)雜形態(tài)的專業(yè)模型三維設(shè)計(jì)、文檔制作以及可視化呈現(xiàn)；Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ 提供變量驅(qū)動(dòng)和后參數(shù)化能力。另外，國內(nèi)ＢＩＭ 軟件有廣聯(lián)達(dá)ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、品銘ＣＣＢＩＭ 等。

２．２ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于輕量化處理后的模型最終形態(tài)產(chǎn)生影響，幾何模型格式的選取、非幾何數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)、精度等級(jí)的規(guī)定等均應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開展。ＢＩＭ 模型常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)是ＩＦＣ，ＩＦＣ 主要面向工程領(lǐng)域，具有開放性和平臺(tái)無關(guān)性的特點(diǎn)。如今，ＩＦＣ 得到了全球１５０ 個(gè)軟件應(yīng)用程序的支持，用于實(shí)現(xiàn)ＡＥＣ（建筑、工程和施工） 行業(yè)的軟件互操作。２０１９ 年４ 月發(fā)布了ＩＦＣ４．２，此版本中有３８ 個(gè)模式、８０１ 個(gè)實(shí)體、４００ 個(gè)類型和６３７ 個(gè)預(yù)定義屬性集，但缺少關(guān)于水利行業(yè)的元素表達(dá)。ＩＦＣ 擴(kuò)展是對(duì)ＩＦＣ 實(shí)體類別和屬性的自定義過程，其不受現(xiàn)有類別和屬性的影響。ＩＦＣ 擴(kuò)展技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水利工程ＢＩＭ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的有效解決方法。

２．３ 模型提取與轉(zhuǎn)換

ｂｕｉｌｄｉｎｇＳＭＡＲＴ 組織提出了用于數(shù)據(jù)交換的模型視圖定義（Ｍｏｄｅｌ Ｖｉｅｗ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ＭＶＤ）概念。一般來說，ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)具有高度冗余的特點(diǎn)，特定主體僅需要部分ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)，通過ＭＶＤ 可以實(shí)現(xiàn)工作流程的精簡和高效。ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出，即提取模型信息并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。目前商業(yè)ＢＩＭ 軟件無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展ＩＦＣ 的自定義表達(dá)和數(shù)據(jù)交換。Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 雖然提供二次開發(fā)工具來解決上述問題，但仍避免不了部分信息的丟失。對(duì)于我國水利工程ＢＩＭ 設(shè)計(jì)來說，絕大多數(shù)軟件是商用的，因此亟須研發(fā)一種利用商用軟件導(dǎo)出擴(kuò)展ＩＦＣ 的方法［６］ 。

２．４ 模型壓縮與傳輸

模型壓縮的主要途徑之一是對(duì)幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，可通過目前主流的幾何數(shù)據(jù)壓縮方法來實(shí)現(xiàn)。模型數(shù)據(jù)壓縮算法眾多，其中幾何壓縮分為三角形網(wǎng)格壓縮和多邊形網(wǎng)絡(luò)壓縮兩類，數(shù)據(jù)壓縮分為拓?fù)湫畔嚎s、幾何信息壓縮和屬性信息壓縮三類［７］ 。在模型傳輸方面，ＢＩＭ 模型以漸進(jìn)式傳輸方式為主，通過數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行控制。

２．５ 模型解析與渲染

ＢＩＭ 模型文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)模型的靈活解析，采用開源解析工具對(duì)ＢＩＭ 模型進(jìn)行自定義解析。在模型渲染方面，兼顧模型精度的同時(shí)要保證模型的精細(xì)程度，針對(duì)水利工程信息模型在Ｃｈｒｏｍｅ、Ｆｉｒｅｆｏｘ 等主流瀏覽器以及移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用要求，通常采用ＬｏＤ 技術(shù)與分布式加載相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)模型的快速渲染和動(dòng)態(tài)展示［８］ 。

３ 水利行業(yè)ＢＩＭ 模型輕量化流程及應(yīng)用

水利行業(yè)ＢＩＭ 模型輕量化技術(shù)開發(fā)須首先選定合理的建模工具和建模手段，保證模型本身輕量化。其次須從幾何層面和非幾何層面處理ＢＩＭ 模型，非幾何層面處理可采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)或ＪＳＯＮ 存儲(chǔ)的方式，幾何層面處理流程為ＢＩＭ 建模→數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化→模型提取與轉(zhuǎn)換→模型壓縮與傳輸→模型解析與渲染。

３．１ ＢＩＭ 建模

３．１．１ 建模工具及流程

幾何建模主要是借助幾何建模軟件，構(gòu)建具有幾何信息和拓?fù)湫畔⒌奈矬w三維模型。目前適用于水利工程的幾何建模軟件有Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ、Ｂｅｎｔｌｅｙ Ｍｉ?ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ、Ｔｅｋｌａ 等。ＢＩＭ 建模時(shí)，首先按照空間結(jié)構(gòu)關(guān)系劃分不同類別的構(gòu)件，并按一定規(guī)則對(duì)這些構(gòu)件命名；然后建立各個(gè)構(gòu)件的幾何模型，將構(gòu)件的關(guān)鍵參數(shù)定義為變量，以方便后期對(duì)其進(jìn)行修改，這是幾何參數(shù)化建模的核心；再對(duì)構(gòu)件添加實(shí)例屬性或類型屬性，所有構(gòu)件建立完成后形成構(gòu)件庫，按照水利工程設(shè)計(jì)要求，從構(gòu)件庫里調(diào)用相應(yīng)的構(gòu)件進(jìn)行組裝；最后建立以參數(shù)為驅(qū)動(dòng)的ＢＩＭ 模型。

３．１．２ 模型幾何構(gòu)形方式

ＢＩＭ 建模最常用的方式為幾何建模。圖形學(xué)中幾何造型系統(tǒng)包含線框、表面和實(shí)體三種模型，其中實(shí)體模型是由封閉表面包圍而成的模型，表示方法有構(gòu)造表示、邊界表示、掃描表示、分解表示等。水利工程建筑物幾何模型的用途各異，針對(duì)不同的應(yīng)用需求選擇不同的幾何構(gòu)形方式，這是保證模型輕量化的前提。表１ 列舉了各類ＢＩＭ 模型的幾何構(gòu)形方式。此外，建模精度應(yīng)符合《水利水電工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００６—２０２０）的要求。

３．２ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

由不同ＢＩＭ 建模手段得到的各專業(yè)模型數(shù)據(jù)格式各異，若要協(xié)同應(yīng)用須對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)方式，即保留原有實(shí)體的語義擴(kuò)展描述、幾何形態(tài)描述和屬性集描述。目前常用ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等通用數(shù)據(jù)格式對(duì)模型的幾何形態(tài)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述，而非幾何信息在處理過程中不可被剔除，可選擇數(shù)據(jù)庫、二進(jìn)制文件、ＪＳＯＮ 文件等進(jìn)行存儲(chǔ)。為了保證描述的規(guī)范化，通過將屬性信息從ＩｆｃＰｒｏｐｅｒｔｙＳｅｔ 和ＩｆｃＲｅｌＤｅｆｉｎｅｓＢｙＰｒｏｐｅｒｔｙ 轉(zhuǎn)移到Ｉｆｃ?ＳｔｙｌｅｄＩｔｅｍ 中，實(shí)現(xiàn)屬性集信息在各類數(shù)據(jù)格式中的存儲(chǔ)。擴(kuò)展實(shí)體的幾何形態(tài)描述和屬性集描述異構(gòu)表達(dá)見圖１。

水利工程信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)架構(gòu)應(yīng)符合《水利水電工程信息模型存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００９—２０２０）的要求，建立的數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖２。

３．３ 模型提取與轉(zhuǎn)換

模型提取主要是剔除模型中的冗余信息，從而達(dá)到模型輕量化的目的。提取要素可分為幾何信息和工程信息兩類，提取結(jié)果可分為文本信息和數(shù)據(jù)信息兩類。幾何信息涵蓋幾何結(jié)構(gòu)信息、幾何空間信息和幾何坐標(biāo)信息，工程信息涵蓋設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)要素關(guān)聯(lián)的材質(zhì)、功能、自定義標(biāo)識(shí)符、項(xiàng)目合同及資源投入情況等信息，文本信息為ＩＦＣ 文件信息，數(shù)據(jù)信息為提取入庫的信息。本文將幾何信息與工程信息中的材質(zhì)、功能、自定義標(biāo)識(shí)符以文本的方式進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，將其他工程信息以數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)記錄。

ＢＩＭ 模型關(guān)鍵信息提取與入庫流程見圖３。

ＢＩＭ 模型幾何體提取流程見圖４，主要包括數(shù)據(jù)解析、屬性剔除、關(guān)聯(lián)關(guān)系獲取、幾何表達(dá)合并、構(gòu)件合并后離散、三角面片優(yōu)化以及模型重組。

模型轉(zhuǎn)換是指將ＢＩＭ 模型轉(zhuǎn)換成通用數(shù)據(jù)格式的過程。在水利工程建設(shè)管理階段，ＢＩＭ 模型是貫穿水利工程全生命周期的核心，其主要用于三維模型的可視化展現(xiàn)、施工過程的虛擬仿真、多尺度的空間分析等。圖５ 展示了ＢＩＭ 模型頂點(diǎn)合并與轉(zhuǎn)換成通用數(shù)據(jù)格式的過程，其最左側(cè)部分為ｔｉｌｅｓｅｔ．ｊｓｏｎ 的基本結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換過程中，存儲(chǔ)在ＯＢＪ 的屬性集被自動(dòng)分配到ＢａｔｃｈＴａｂｌｅ．ｊｓｏｎ 的名稱屬性中，這個(gè)過程不會(huì)破壞原始組件結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保了屬性信息的完整性。

３．４ 模型壓縮與傳輸

ＢＩＭ 模型壓縮是對(duì)模型進(jìn)行幾何或非幾何數(shù)據(jù)壓縮處理，以大大縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，提升加載速度。模型壓縮有兩種方式，第一種與幾何無關(guān)，可直接使用壓縮工具（如Ｄｒａｃｏ、Ｍｅｓｈｏｐｔ 等）對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后保存，通常用于模擬仿真、空間分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算過程；第二種與幾何相關(guān)，是對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，需要在載入ＧＰＵ 前壓縮。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可使用ｋｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ樹重新排列點(diǎn)的順序以優(yōu)化編碼，通常用于數(shù)據(jù)集成、可視化展示、空間位置表達(dá)等。

輕量化ＢＩＭ 的Ｗｅｂ 端應(yīng)用通常包含ＢＩＭ 模型及大場(chǎng)景的ＧＩＳ 地形，涉及數(shù)據(jù)量極大，采用漸進(jìn)式數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行模型傳輸，見圖６。該模式采用數(shù)據(jù)流的形式，在保證數(shù)據(jù)不間斷傳輸?shù)臈l件下，根據(jù)需要可隨時(shí)中止傳輸，也可以延長模型傳輸時(shí)間直至顯示所有文件的細(xì)節(jié)。

３．５ 模型解析與渲染

模型解析依靠解析工具來實(shí)現(xiàn)，常見的開源解析工具有ＢＩＭＳｅｒｖｅｒ、ＸＢＩＭ、ＩＦＣ Ｅｎｇｉｎｅ ＤＬＬ、Ｏｐｅｎ ＳｏｕｒｃｅＳＴＥＰ Ｃｌａｓｓ Ｌｉｂｒａｒｙ、Ｏｐｅｎ ＩＦＣ Ｔｏｏｌｓ 以及提供ＷＥＢＧＬ支持的Ｔｈｒｅｅｊｓ、ＳｃｅｎｅＪＳ、Ｃｅｓｉｕｍ．ｊｓ 等，商業(yè)版的解析工具包括ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、ＵＮＲＥＡＬ ＥＮＧＩＮＥ、Ｕｎｉｔｙ 等，可根據(jù)這些工具的特點(diǎn)并結(jié)合需求來選用。模型渲染方式可分為前端渲染與后端渲染兩種，其中：后端渲染通常用于本地硬件資源不足、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境通暢的情況，該方法對(duì)遠(yuǎn)程云端服務(wù)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求較高；前端渲染通常用于客戶端硬件資源充分、網(wǎng)絡(luò)可能不穩(wěn)定的情況。渲染方法有ＬｏＤ 渲染優(yōu)化、可見性判斷、頂點(diǎn)緩存優(yōu)化等，根據(jù)需求采取不同渲染方式能極大程度提高渲染效率與質(zhì)量，支撐ＢＩＭ 模型輕量化實(shí)施。在開展基于數(shù)字孿生水利工程的業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，ＢＩＭ 模型在具有完整的幾何信息和必要屬性信息的前提下，工程約束、特征等信息都可以簡化或作為可選項(xiàng)存在，以滿足三維模型的工程應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)共享需求。

３．６ 輕量化技術(shù)應(yīng)用

以引漢濟(jì)渭一期工程為例，通過規(guī)定模型幾何構(gòu)形表示方式、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)空間、模型必要信息提取與轉(zhuǎn)換方式、模型壓縮工具和傳輸手段、模型解析工具和渲染方法等，實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)模型的輕量化。使用Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 進(jìn)行開發(fā)測(cè)試，工程地質(zhì)模型輕量化前后每秒傳輸幀數(shù)（ＦＰＳ）分別為１０、５５，證明了基于ＢＩＭ 的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)的可行性。

４ 結(jié)論

本文從ＢＩＭ 建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模型提取與轉(zhuǎn)換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個(gè)方面，提出了一種通用的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)，具體成果如下。

１）提出了針對(duì)不同建筑物的合理表達(dá)方式和標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)方法，保證模型信息完備，滿足工程應(yīng)用需求。

２）提出了模型信息輕量化提取方法，對(duì)原始模型中的非必要信息進(jìn)行過濾，避免信息的重復(fù)表達(dá)，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)模型在大場(chǎng)景下的輕量化展示。

３）提出一種能提高模型交互性能和解析效率的通用性方法，保證水利工程模型在不同算力情況下流暢解析。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】