一种面向GIM的参数化建模方法与流程 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术一种面向gim的参数化建模方法技术领域1.本发明属于参数化三维建模领域，具体地说，涉及一种面向gim的参数化建模方法。背景技术：2.随着三维建模的应用普及和信息化服务的需求日益增加，三维建模逐渐在电力行业中得到应用。三维模型能够直观、立体、全面的呈现出电力设备的结构和空间位置，有利于输变电工程的精细化设计、智能化管理、及时维护等，对于我国智能电网建设具有重大意义。3.输变电三维建模存在着数据获取难、建模要素复杂、建模场景大等难点，目前关于其三维建模的方法主要有手工三维建模、激光扫描三维建模以及参数化三维建模等。手工三维建模（王刚，阎平.变电站不同三维建模方法的比较[j].电力勘测设计，2021（05）：67-71）是指利用三维建模软件如autocad、3dsmax等进行人机交互建模，这种建模方法操作简单，模型精度可控，但建模效率较低、时间和人工成本较高，难以满足大范围快速建模的需求，且后期修改麻烦，模型的可复用性差；激光扫描三维建模（龙丽娟，夏永华，黄德.一种基于三维激光扫描点云数据的变电站快速建模方法[j].激光与光电子学进展，2020，57（20）：361-370）是指利用激光扫描仪等设备采集物体的空间位置和纹理等信息，通过点云数据分类、纹理映射等流程构建三维模型，虽然能快速、大面积构建三维模型，但是点云数据的获取成本较高，且模型精度受到点云数据精度的限制。而参数化三维建模（陶刚.基于gim的架空输电线路三维模型构建方法研究[j].电力勘测设计，2021（07）：63-70）是一种快速、精细的建模方法，应用范围较广，它是指用一组参数来精确地确定对象的形状特征，通过调整参数来控制对象的尺寸和几何形状，一般都是先对组成实体的构件进行建模，再通过图形变换、布尔运算等对构件进行组合安装。[0004]目前参数化三维建模广泛应用于铁路、桥梁、地下管线、建筑物等的模型构建中。关于参数化三维建模的研究主要基于现有三维参数化建模软件进行建模，例如基于revit建立构件族库（王晓东，喻钢，吴惠明.基于revit的盾构管片参数化建模应用[j].隧道建设（中英文），2018，38（02）：249-254；黄莹，李雷，蒋明轩，余波.基于revit的铁路构件三维建模方法研究与应用[j].铁道科学与工程学报，2021，18（07）：1732-1739），还有相关研究根据三维实体的特征归纳出建模参数，再基于一定的平台如revit、catia、autocad等进行二次开发（王存. 基于revit二次开发的拱桥bim参数化建模[d].华中科技大学，2017；陈靖芯，徐晶，陆国民，蔡兰.基于catia的三维参数化建模方法及其应用[j].机械设计，2003（08）：48-50；许俊，杜新喜，孟仲永，陈宝林.基于autocad的空间复杂曲面结构参数化建模[j].工业建筑，2014，44（s1）：383-387+391）。除此之外，有些研究提出了相应的参数化建模算法，如中心线平移法（梁其洋，潘瑜春，郝星耀，吴保国.一种农田灌溉渠系三维参数化建模方法[j].测绘科学，2020，45（05）：175-181+188）、横断面放样法等（程耀东，王堃，张丽萍.桥梁三维参数化建模研究[j].公路工程，2015，40（04）：74-77+121）。[0005]2013年电力行业借助建筑信息模型（building information modeling，bim）提出了电网信息模型（grid information model，gim），2019年国家电网公司发布了《输变电工程三维设计模型交互规范》，规范规定了gim模型层次结构、gim文件结构、基本图元及其驱动参数等内容，基于该规范建立的电网信息模型有助于解决信息孤岛问题。gim模型采用参数化三维建模的方法，根据一组参数确定构件的几何形状，但规范只给出了图元的一系列驱动参数，并没有涉及如何实现，现有平台无法根据所给定的参数直接构建模型。[0006]有鉴于此特提出本发明。。技术实现要素：[0007]本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种面向gim的参数化建模方法。[0008]为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种面向gim的参数化建模方法，包括如下步骤：步骤一：将gim规范中的基本图元划分等级，最终构成一种分级树状结构；其中，基本图元的等级划分包括一级图元、二级图元和三级图元，其中一级图元由基础图元构成，较高级别的图元由较低级别的图元通过复合运算构成，复合运算包括平移、旋转、平移扫描、布尔运算，平移指将某一对象沿着某一方向进行移动一定的距离得到另一对象；旋转是指将某一对象绕某一点旋转一定的角度得到另一对象，平移扫描是指将线或者面沿着一定的路径平移得到一个实体，该路径通常是一条直线或者曲线；布尔运算包括求并集、求交集以及求补集；步骤二：根据基本图元上下级的构成关系，构建索引并存储相关信息；步骤三：根据输入基本图元的类型定位在分级树状结构的位置，然后追踪该图元，得到基本图元到基础图形的路径path；其中，追踪图元是由最高等级图元向前一级图元复合运算，并逐步向前一级图元运算，直至追踪到基础图形，基础图形包括圆角矩形、三角形、菱形、长方形、多边形、圆、椭圆；路径查找过程包括：s01：判断输入基本图元的级别r，初始化栈path；s02：将当前结点的子结点入栈，当前访问位置移动到其子结点；s03：将当前结点所有子结点的个数赋予vexsize，初始化访问位置i=1；s04：如果r=1，即输入基本图元是一级图元，进入s05；如果r》1，进入s06；s05：如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，并入栈，i=i+1，进入s05；如果i》 vexsize，结束本次循环；s06：如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，r=r-1，进入s02，i=i+1，进入s06；如果i》 vexsize，结束本次循环；步骤四：根据基本图元参数值计算出基础图形所需要的参数值，再根据追踪路径path逐级通过复合运算构建基本图元，然后继续构建上一级别即dev，直至完成整个gim模型的构建；其中，单个mod模型所包含的基本图元构建完成后即实现了单个mod模型的构建，单个phm模型所包含的mod模型构建完成后即实现了单个phm模型的构建；根据路径path构建基本图元的过程如下：1），初始化栈elemnet，用来存放图元；初始化栈temp，用来辅助图元进行复合运算；2），判断path是否为空，如果为空，结束；否则，进入3）；3），判断path栈顶元素是否是基础图形；如果是，path栈顶元素出栈并压入temp中，进入2）；否则，将temp栈顶元素的图元级别赋予rank，进入4）；4）temp栈顶元素出栈并压入element中；5）判断temp栈顶元素的图元级别是否等于rank，如果是，进入4）；否则，path栈顶元素出栈，将element栈中的所有元素进行复合运算后再压入temp中，进入2）。[0009]采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果，当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以下所述的所有优点：本发明提供一种面向gim的参数化建模方法，基于gim规范所给定的基本图元的参数，可以实现自底向上的gim模型构建。将gim规范中的基本图元进行分级，较高级别的图元由较低级别的图元通过复合运算构成，最终构成一种分级树状结构，构建索引并存储相关信息，从而根据输入基本图元定位其数据结点，从该结点追踪该图元到前一级别图元经过的复合运算以及前一级别的图元，直至追踪到基础图形，由此得到基本图元到基础图形的路径，最后根据该路径自底向上逐级构建基本图元。当一个mod模型所包含的基本图元构建完成后即实现了mod模型的构建，然后继续上一级别即phm模型的构建，直至完成整个gim模型的构建。[0010]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。附图说明[0011]下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：图1为本发明实施例平移扫描复合运算示意图。[0012]图2为本发明实施例布尔运算示意图。[0013]图3为本发明实施例的基本图元分级示意图。[0014]图4为本发明实施例的路径查找流程图。[0015]图5为本发明实施例的基本图元构建流程图。[0016]图6为本发明实施例的基本图元示意图。[0017]图7为本发明实施例的基本图元建模效果图。[0018]图8为本发明实施例的cbm模型建模效果图。[0019]需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。实施方式[0020]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。[0021]为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于gim规范所给定的基本图元的参数，实现自底向上的gim模型构建方法。输变电gim三维模型总共由4个模块组成，分别为：工程模型（cbm）、物理模型（dev）、组合模型（phm）以及几何模型（mod）。这四个模块存在逐级引用包含的父子关系，整个关系可被描述为一个树结构。其中cbm模块包含多个dev子节点；dev节点是phm的父节点，可包含多个phm子节点；而mod则是叶子节点，父节点为phm；几何模型mod则由多个基本图元构成，这些基本图形能够进一步分解成更少参数控制的、更为简单的图形。[0022]实施例一：请参阅图1-8所示，在本实施例中提供了一种面向gim的参数化建模方法，包含以下过程：步骤一，将gim规范中的基本图元划分为一级图元、二级图元和三级图元，它们存在着逐级构成的关系，较高级别的图元由较低级别的图元通过复合运算构成，并存在着一定的比例关系，其中一级图元由基础图形构成；最终构成一种分级树状结构，其中，复合运算包括平移、旋转、平移扫描、布尔运算。平移指将某一对象沿着某一方向进行移动一定的距离得到另一对象；旋转是指将某一对象绕某一点旋转一定的角度得到另一对象；平移扫描是指将线或者面沿着一定的路径平移得到一个实体，该路径通常是一条直线或者曲线；布尔运算包括求并集、求交集以及求补集。基础图形包括圆角矩形、三角形、菱形、长方形、多边形、圆、椭圆；步骤二，根据基本图元上下级的构成关系，构建索引并存储相关信息；步骤三，根据输入基本图元的类型定位在分级树状结构的位置，然后从上而下追踪该图元到前一级别图元经过的复合运算以及前一级别的图元类型，直至追踪到基础图形，由此得到基本图元到基础图形的路径path；路径查找过程如下：s01，判断输入基本图元的级别r，初始化栈path；s02，将当前结点的子结点入栈，当前访问位置移动到其子结点；s03，将当前结点所有子结点的个数赋予vexsize，初始化访问位置i=1；s04，如果r=1，即输入基本图元是一级图元，进入s05，如果r》1，进入s06；s05，如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，并入栈，i=i+1，进入s05，如果i》 vexsize，结束本次循环；s06，如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，r=r-1，进入s02，i=i+1，进入s06，，如果i》 vexsize，结束本次循环；最终得到的path即为基本图元到基础图形的索引路径；步骤四，根据基本图元参数值计算出基础图形所需要的参数值，从下到上根据追踪路径path逐级通过复合运算构建基本图元，单个mod模型所包含的基本图元构建完成后即实现了单个mod模型的构建，单个phm模型所包含的mod模型构建完成后即实现了单个phm模型的构建，然后继续构建上一级别即dev，直至完成整个gim模型的构建；其中，根据路径path构建基本图元的过程如下：1），初始化栈elemnet，用来存放图元；初始化栈temp，用来辅助图元进行复合运算；2），判断path是否为空，如果为空，结束；否则，进入3）；3）判断path栈顶元素是否是基础图形，如果是，path栈顶元素出栈并压入temp中，进入2）；否则，将temp栈顶元素的图元级别赋予rank（基础图形相当于零级图元），进入4）；4）temp栈顶元素出栈并压入element中；5）判断temp栈顶元素的图元级别是否等于rank，如果是，进入4）；否则，path栈顶元素（为复合运算）出栈，将element栈中的所有元素进行复合运算后再压入temp中，进入2）。[0023]将path遍历完后，element栈中只剩下一个元素，即为所需要的基本图元。[0024]本发明面向gim提出了一种基本图元构建的分级树状结构，并定义了一系列的复合运算，较高级别的图元由较低级别的图元进行复合运算得到，根据该结构可以实现基本图元到基础图形的索引查找进而实现基础图形到基本图元的逐级构建。[0025]实施例二：。[0026]实施例采用本发明的方法，基于c++开发的开源的面向对象的类库open cascade，实现了gim规范中基本图元的建模，进而实现了cbm模型的建模。[0027]本发明实施例提供的一种面向gim的参数化建模方法包含以下过程：步骤a1，将gim规范中的基本图元划分为一级图元、二级图元和三级图元，它们存在着逐级构成的关系，较高级别的图元由较低级别的图元通过复合运算构成，并存在着一定的比例关系，其中一级图元由基础图形构成。最终构成一种分级树状结构；步骤a2，根据基本图元上下级的构成关系，构建索引并存储相关信息；步骤a3，根据输入基本图元的类型定位在分级树状结构的位置，然后从上而下追踪该图元到前一级别图元经过的复合运算以及前一级别的图元类型，直至追踪到基础图形，由此得到基本图元到基础图形的路径path；步骤a4，根据基本图元参数值计算出基础图形所需要的参数值，从下到上根据追踪路径path逐级通过复合运算构建基本图元，单个mod模型所包含的基本图元构建完成后即实现了单个mod模型的构建，单个phm模型所包含的mod模型构建完成后即实现了单个phm模型的构建，然后继续构建上一级别即dev，直至完成整个gim模型的构建。[0028]为便于参考实施起见，提供实施例具体流程设计如下：步骤1，基于简单图形可以通过一定的图形运算方法形成更为复杂的图形，定义一系列的复合运算。[0029]实施例中具体的复合运算包括平移、旋转、平移扫描、布尔运算。平移指将某一对象沿着某一方向进行移动一定的距离得到另一对象；旋转是指将某一对象绕某一点旋转一定的角度得到另一对象；上述两种操作不改变对象形状。平移扫描（如图1所示）是指将线或者面沿着一定的路径平移得到一个实体，该路径通常是一条直线或者曲线；布尔运算（如图2所示）包括求并集、求交集以及求补集。假设a、b是两个实体，则a与b的并集（a∪b）是指在a中和b中的所有点的集合；交集（a∩b）是指同时在a和b中的所有点的集合；补集是指只在a中而不在b中的所有点的集合（a-b）或者只在b中而不在a中的所有点的集合（b-a）。[0030]步骤2，针对gim规范中的26个基本图元，根据所定义的复合运算，考虑基本图元之间存在的潜在关系，将基本图元划分为不同的级别，其中，高级图元由低级图元通过复合运算得到。[0031]实施例中将gim规范中的基本图元划分为一级图元、二级图元和三级图元。一级图元有圆角长方体、三棱柱、长方体、圆柱、圆台、矩形环、球体、旋转椭球体、棱台、偏移矩形台、拉伸体、圆环、偏心圆台、椭圆环；二级图元有圆角方形垫片、切角方形垫片、端子板、圆形垫片、安装圆形开孔板、安装矩形开孔板、弯折圆柱、台型垫片、绝缘子、锥形瓷套；三级图元包括v型绝缘子串和绝缘子串。其中，一级图元由基础图形构成。它们之间的构成关系可用如图3所示的结构表示。高级图元和低级图元之间通过复合运算连接，两者之间存在着一定的比例关系，例如，一个锥形瓷套由2n+1各圆台通过布尔求并运算得到，其中，n为基本图元的参数。基础图形和一级图元中的球体和椭球体不能再分解，有相应的属性值，同时，复合运算中的旋转、平移也有属性，旋转属性为旋转角度θ，平移属性为平移向量。这些属性值可以由基本图元的参数值计算得到。[0032]步骤3，根据图3所示的结构，在计算机上构建索引存储相关信息。其中，基本图元和基础图形只存储一次，每个基本图元对应存储一次复合运算以及相应的图元比例。基本图元、基础图形和复合运算均作为一个数据结点，复合运算结点同时存储它所连接的两个图元的比例。[0033]步骤4，根据输入基本图元的类型定位其数据结点，然后从该结点追踪该图元到前一级别图元经过的复合运算以及前一级别的图元，直至追踪到基础图形，由此得到基本图元到基础图形的路径path。[0034]本发明提出，由输入的基本图元查找到基础图形的路径的方法为：（1）判断输入基本图元的级别r，初始化栈path；（2）将当前结点的子结点入栈，当前访问位置移动到其子结点；（3）将当前结点所有子结点的个数赋予vexsize，初始化访问位置i=1；（4）如果r=1，即输入基本图元是一级图元，进入（5）；如果r》1，进入（6）；（5）如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，并入栈，i=i+1，进入（5）；如果i》 vexsize，结束本次循环；（6）如果i≤vexsize，访问当前结点的第i个子结点，r=r-1，进入（2），i=i+1，进入（6），如果i》 vexsize，结束本次循环。[0035]该过程如图4所示，最终得到的path即为基本图元到基础图形的索引路径。[0036]本实施例中，输入基本图元是锥形瓷套，它属于二级图元，由图3看出，锥形瓷套由2n+1个圆台通过布尔求并通过布尔求并运算得到，其中，n为基本图元的参数，而圆台由两个圆经过平移扫描得到。则路径path为锥形瓷套→布尔求并→圆台→平移扫描→圆。[0037]具体实施时，输入图元可以是基本图元中的任意一种。[0038]步骤5，根据基本图元参数值计算出基础图形所需要的参数值。[0039]图6为锥形瓷套图示，它由圆台主体和圆台形状的大、小伞裙构成，规范中给出了顶部和底部的大、小伞裙的下底半径，其它则由插值计算得到。圆台主体的上底半径为tr，下底半径为br，高为h，顶部大伞裙的下底半径为tr1，底部大伞裙的下底半径为br1，顶部小伞裙的下底半径为tr2，底部小伞裙的下底半径为br2，n为大伞裙或小伞裙的数量。则构成圆台主体的圆形圆心坐标和半径分别为（0，0，0）、br和（0，0，h）、tr；构成小伞裙的圆形圆心坐标和半径分别为（0，0，h/n*i）、br2-i*（br2-tr2）/（n-1）和（0，0，h/n*i+h/4n）、br-（4i+1）（br-tr）/4n，其中，i=1，2，…n；构成大伞裙的圆形圆心坐标和半径分别为（0，0，h/n*i+h/2n）、br1-i*（br1-tr1）/（n-1）和（0，0，h/n*i+3h/4n）、br-（4i+3）（br-tr）/4n，其中，i=1，2，…n。[0040]实施例中，锥形瓷套的参数取值如下：h=1000，br=210，tr=125，br1=350，br2=290，tr1=255，tr2=210，n=5。[0041]步骤6，根据path结点数据构建基本图元。本发明提出，根据追踪路径构建基本图元的方法为：s101，初始化栈elemnet，用来存放图元；初始化栈temp，用来辅助图元进行复合运算；s102，判断path是否为空，如果为空，结束；否则，进入s103；s103，判断path栈顶元素是否是基础图形，如果是，path栈顶元素出栈并压入temp中，进入s102；否则，将temp栈顶元素的图元级别赋予rank（基础图形相当于零级图元），进入s104；s104，temp栈顶元素出栈并压入element中；s105，判断temp栈顶元素的图元级别是否等于rank，如果是，进入s104；否则，path栈顶元素（为复合运算）出栈，将element栈中的所有元素进行复合运算后再压入temp中，进入s102。[0042]该过程如图5所示，将path遍历完后，element栈中只剩下一个元素，即为所需要的基本图元。本实施例构建的锥形瓷套如图7所示。[0043]步骤7，构建单个mod模型所包含的基本图元即实现单个mod模型的构建，再构建单个phm模型所包含的mod模型即实现单个phm模型的构建，然后继续构建上一级别即dev，直至完成整个gim模型的构建。[0044]本实施例是一个cbm模型，参见图8，它所包含的基本图元有圆柱、长方体、圆环、瓷套、圆台等，各基本图元通过布尔运算进行组合。[0045]通过以上具体实施例可以看出，本发明基于gim基本图元提出的一种gim基本图元的分级树状结构，根据该结构可以实现基本图元到基础图形的索引查找进而实现基础图形到基本图元的逐级构建，进一步可以实现mod模型、phm模型、dev模型的构建，最后完成gim模型的构建。[0046]本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。









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