CN113221297A - 一种电网信息模型转fbx三维模型及属性入库的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电网信息模型(Grid Information Model，GIM)转FBX三维模型及属性入库的方法。该方法包括对GIM模型文件的数据解析、参数建模、模型组装、模型优化和属性入库。本发明的方法提供了一种GIM模型到通用三维模型FBX的转换方法，完整的保留了GIM模型文件中的层级结构、空间几何和属性信息，并通过模型简化、模型复用等优化方式控制模型的存储空间大小。本发明方法的处理过程没有近似，方法具有模型分级完整、模型建模精度可控、模型复用率高、属性标准化入库等特点，可在输变电工程对GIM模型的设计、可视化与管理等领域中使用，可有效提高GIM模型的移植与共享效率。
Description
技术领域
本发明涉及电网三维建模技术领域，尤其是涉及一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法。
背景技术
电网信息模型(Grid Information Model，GIM)技术是中国国网公司借鉴BIM技术，结合电网工程不同阶段的信息需求，为满足输变电工程三维设计的需要，统一模型架构和数据交互格式，实现工程全寿命周期的数据共享。
GIM模型设计文件采用参数化模型分级表达的数据组织方式，在数字化产品移植与共享、变电站模型可视化设计、管理、运维等应用中需要对GIM模型进行几何建模、组装与可视化。但目前支持GIM标准的软件有STD(R)、金曲、Bentley 等，主要为GIM模型的设计工具，并没有考虑GIM模型的通用标准化移植、模型优化与属性入库等问题。另外一些GIS 厂商也在着力研究GIM电力模型与地理信息模型的集成，如超图、国遥实现了GIM模型的三维可视化，解决了三维建模和属性入库的问题，但都是针对于内部软件的转换格式，并不能进行通用的数据移植。张宗明等人发明了基于3DTiles输变电GIM模型轻量化显示的方法，(参考：张宗明、杨文浩、林泽锋等.基于3DTiles输变电GIM模型轻量化显示的方法: 中国,202010166139.9[P].2020-03-11.)。黄超等人发明了电网信息模型在线自动处理及共享方法及应用端，(参考：黄超、包胜、张健等.电网信息模型在线自动处理及共享方法及应用端:中国,202010654470.5[P].2020-07-09.)。上述方法将GIM 转换为3DTiles格式可以进行Web端轻量级的展示，但3DTiles 作为Cesium专用格式，接口和支持的软件单一，对于设计和二次开发人员等需要编辑电网三维模型数据的用户来说存在诸多不便，并且张宗明等人的发明中，忽略了GIM数据属性信息的存储。黄超等人的发明，虽然保留了属性信息，但是没有将3DTiles中的空间信息和数据库中的属性信息关联起来，无法进行空间和属性之间的互相查询。廖成慧等人发明了GIM 文件可视化处理方法、系统、可读存储介质及计算机，该方法将GIM结构树以中间数据格式进行参数建模后进行切片，在中间数据格式上保留了属性信息和层级关系，但是最终提供的切片数据中无法保存属性信息也不利于二次开发时将属性和空间数据相关联，(参考：廖成慧、石教坤、曾江佑等.GIM 文件可视化处理方法、系统、可读存储介质及计算机:中国， 201911366747.8[P].2019-12-26.)。
综上，GIM模型的三维建模目前仍面临着模型交换格式不通用、模型分级丢失、模型冗余、属性非标准化入库等问题。针对这些问题，本发明以目前主流的通用三维模型格式FBX 为基准，提出一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，为GIM模型向通用三维模型的转换提供一种解决方案。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，包括GIM模型文件的数据解析、参数建模、模型组装、模型优化和属性入库。实现GIM模型到通用三维模型FBX 格式的转换，同时保留GIM模型原有的分级和属性信息，成果可应用于电网模型的三维设计、可视化与管理等领域用于GIM模型的交换和信息共享。
为实现上述目的，本发明提供了一种电网信息模型转FBX 三维模型及属性入库的方法，包括如下步骤：
S1：对输入的GIM模型文件进行数据解析，得到GIM模型的原始层级结构、空间几何和属性信息并存入JSON文件；
S2：对步骤S1所得结果的JSON文件提取几何信息，并进行参数建模与模型转换，其中MOD文件采用参数建模方法， IFC和STL文件采用模型转换方法，得到用于中间存储的OBJ模型文件；
S3：对步骤S1所得结果的JSON文件提取层级结构信息，并对S2所得结果的中间模型文件进行模型组装和转换，得到一个FBX模型文件；
S4：对步骤S3所得结果的FBX模型进行优化，得到优化后的FBX模型文件；
S5：对步骤S1所得结果的JSON文件提取属性信息，将属性信息写入SQL文件。
优选的，所述步骤S1中数据解析为MOD文件解析、其他文件解析和层级结构嵌套解析，包括以下方法和步骤：
(1)MOD文件解析：GIM模型文件中的MOD文件采用 XML格式存储设备模型的实体和图元参数信息，调用 TinyXML解析库读取MOD文件中的模型参数信息，并将XML 解析出的标签元素-内容对，调用JSONCPP解析库以键-值对的结构写入JSON对象中，得到每一个MOD文件对应的JSON 对象；
(2)其他文件解析：GIM模型文件中的CBM、DEV、PHM 文件采用类似INI键值对的结构存储各级系统/部件/设备的属性信息，采用逐行读取，调用JSONCPP解析库以键值对的结构写入JSON对象中，得到每一个文件对应的JSON对象；
(3)层级结构嵌套解析：对步骤(1)、(2)中得到的每个文件对应的JSON对象，采用递归方法，以GIM模型的project.cbm 入口文件为根节点，根据GIM模型中各文件之间的调用关系逐级写入嵌套JSON对象中，各文件间的嵌套关系可大致描述为：前四级的CBM文件之间按从大到小级别嵌套调用，并在每一级CBM文件中关联若干个IFC文件；第四级CBM文件调用DEV文件；DEV文件可以调用同级DEV或调用PHM； PHM文件可进行同级PHM文件调用或调用下一级MOD、STL 文件等。最终可实现将所有单独的JSON对象嵌套成一个具有树状层级结构的整体JSON对象，并生成一个可存储GIM所有层级结构和相关几何、属性信息的JSON文件。
优选的，所述的步骤S2中参数建模是将GIM模型中MOD 文件参数化描述的几何信息完成从参数化表达到三维网格数据表达的过程，其中MOD文件中的基础图元分为简单模型和复杂模型两种类型。针对IFC和STL几何模型文件直接采用相关解析库转换为中间存储的OBJ模型文件，包括以下方法和步骤：
(1)MOD简单模型的参数建模：从JSON文件中提取MOD 简单模型的参数(包括类型、尺寸、空间变换矩阵等)，对应 GIM标准规范中定义的基础图元和钢件类型，采用OpenMesh库实现MOD简单模型的网格化建模；
(2)MOD复杂模型的参数建模：复杂模型是指具有不规则形状的图元，可由简单模型进行布尔运算得到。从JSON文件中提取MOD复杂模型的参数(包括布尔运算的类型、参与布尔运算的简单模型编号)，采用CGAL库实现MOD复杂模型的组装和网格化建模；
(3)IFC和STL模型的转换：IFC存储GIM模型中的土建模型，STL存储不规则的设备模型，这两种模型都采用了公开标准的三维模型格式进行存储，采用IFCplusplus和VTK库分别对IFC和STL模型进行解析，并以OBJ格式进行存储。
优选的，所述的步骤S3中模型的组装是指将GIM模型中的几何模型(包括MOD、IFC、STL)，根据JSON对象中解析的层级结构(模型间的组合调用关系)、空间变换矩阵、纹理等参数，组装成一个FBX模型文件的过程。具体方法描述为：以JSON中解析得到的GIM层级结构为FBX模型结构的骨骼，将JSON中解析得到的OBJ几何模型、以及对应的纹理和空间变换矩阵以节点插入的方式，采用FBX SDK库写入 FBX模型结构中。
优选的，所述的步骤S4中的模型优化是指采用三角网格优化算法对模型的简化，并对具有相同几何构造的设备模型进行模型的复用处理，包括以下方法和步骤：
(1)模型的简化：根据模型的类型和参数，在参数建模阶段可优化模型的采样点数量，如具有圆弧、球等形状特征的图元。在建模之后，采用三角网格优化算法合理的减少模型表面的三角面片数量；
(2)模型的复用：在模型组装阶段，针对几何构造相同的设备模型，每次向FBX文件写入模型的几何信息时，将其形状、参数等捏合成该几何信息的唯一标识码，查看FBX文件的所有节点中是否已有相同标识码的几何信息写入。如果是，则将该编号对应的几何信息与新的节点关联；如果否，则将当前模型作为新的几何信息写入FBX文件；最后从空间变换矩阵中提取模型的平移、旋转、缩放等信息存储在对应的节点下。所有类型的模型只存储一遍他们的几何、纹理信息，达到一次存储、多次调用的目的。
优选的，所述的步骤S5中属性入库是指将GIM模型中的属性描述信息以一种标准的形式存储到数据库中，方便后期前后端的属性查询。GIM模型中的属性信息入库分为场景空间位姿信息入库、每个层级(工程模型CBM文件/物理模型DEV 文件)本身存储的结构信息入库和该层级下部件/设备(FAM 文件)的属性信息入库，针对三类信息分别设计三张表，表间通过唯一标识码进行关联，均采用PostgreSQL数据库，以写出SQL文件的形式标准化入库，采用包括以下方法和步骤：
(1)场景空间位姿信息入库。设计位姿信息表，用来存储整个工程场景模型的空间位姿信息，主要属性字段有纬度、经度、高度、北偏向角等；
(2)结构信息入库。设计模型结构信息表，用来存储每个层级(工程模型CBM文件/物理模型DEV文件)对应的结构信息，主要属性字段有文件名，子节点名称、FAM属性文件名、文件内容等；
(3)属性信息入库。设计模型属性信息表，用来存储部件 /设备对应的FAM文件中的各类属性参数，主要属性字段有文件名、设计参数、自定义参数、设计冻结参数、产品参数、施工参数、测试参数、运检参数和其他参数等。
由上，本发明的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，将GIM转换为三维模型通用FBX格式，并对模型进行了优化，保留其完整的层级结构信息和属性信息。解决了目前电网模型与通用三维模型之间的数据交换壁垒，本发明方法的处理过程没有近似，并且可在电网模型的三维设计、可视化与管理等应用领域中使用，可有效提升GIM模型的交换和信息共享效率。
附图说明
本发明内容的描述与下面附图相结合将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法流程图；
图2为数据解析流程图；
图3为参数建模流程图；
图4为模型组装流程图；
图5为模型优化流程图。
具体实施方式
按图1所示步骤，对本发明一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法进行详细说明。
步骤S1：对输入的GIM模型文件进行数据解析，得到 GIM模型的原始层级结构、空间几何和属性信息并存入JSON 文件。如图2所示，包括以下具体步骤：
(1)MOD文件解析：调用TinyXML解析库读取MOD文件中的模型参数信息，并将XML解析出的标签元素-内容对，调用JSONCPP解析库以键-值对的结构写入JSON对象中，得到每一个MOD文件对应的JSON对象；
(2)其他文件解析：对GIM模型文件中的CBM、DEV、 PHM文件采用逐行读取，调用JSONCPP解析库以键值对的结构写入JSON对象中，得到每一个文件对应的JSON对象；
(3)层级结构嵌套解析：对步骤(1)、(2)中得到的每个文件对应的JSON对象，采用递归方法，以GIM模型的project.cbm 入口文件为根节点，根据GIM模型中各文件之间的调用关系逐级写入嵌套JSON对象中，生成一个可存储GIM所有层级结构和相关几何、属性信息的JSON文件。
步骤S2：对步骤S1所得结果的JSON文件提取几何信息，并进行参数建模与模型转换，其中MOD文件采用参数建模方法，IFC和STL文件采用模型转换方法，得到用于中间存储的 OBJ模型文件。如图3所示，包括以下具体步骤：
(1)MOD简单模型的参数建模：从JSON文件中提取MOD 简单模型的参数(包括类型、尺寸、空间变换矩阵等)，对应 GIM标准规范中定义的基础图元和钢件类型，采用OpenMesh库实现MOD简单模型的网格化建模；
(2)MOD复杂模型的参数建模：从JSON文件中提取MOD 复杂模型的参数(包括布尔运算的类型、参与布尔运算的简单模型编号)，采用CGAL库实现MOD复杂模型的组装和网格化建模；
(3)IFC和STL模型的转换：采用IFCplusplus和VTK库分别对IFC和STL模型进行解析，并以OBJ格式进行存储。
步骤S3：对步骤S1所得结果的JSON文件提取层级结构信息，并对步骤S2所得结果的中间模型文件进行模型组装和转换，得到一个FBX模型文件。如图4所示，以JSON中解析得到的GIM层级结构为FBX模型结构的骨骼，将JSON中解析得到的OBJ几何模型、以及对应的纹理和空间变换矩阵以节点插入的方式，采用FBX SDK库写入FBX模型结构中。
步骤S4：对步骤S3所得结果的FBX模型进行优化，得到优化后的FBX模型文件。如图5所示，包括以下具体步骤：
(1)模型的简化：根据模型的类型和参数，在参数建模阶段可优化模型的采样点数量，如具有圆弧、球等形状特征的图元。在建模之后，采用三角网格优化算法合理的减少模型表面的三角面片数量；
(2)模型的复用：在模型组装阶段，针对几何构造相同的设备模型，每次向FBX文件写入模型的几何信息时，将其形状、参数等捏合成该几何信息的唯一标识码，查看FBX文件的所有节点中是否已有相同标识码的几何信息写入。如果是，则将该编号对应的几何信息与新的节点关联；如果否，则将当前模型作为新的几何信息写入FBX文件；最后从空间变换矩阵中提取模型的平移、旋转、缩放等信息存储在对应的节点下。
步骤S5：对步骤S1所得结果的JSON文件提取属性信息，将属性信息写入SQL文件。GIM模型中的属性信息入库分为场景空间位姿信息入库、结构信息入库和属性信息入库.针对三类信息分别设计三张表，表间通过唯一标识码进行关联，均采用PostgreSQL数据库，以写出SQL文件的形式标准化入库，包括以下具体步骤：
(1)场景空间位姿信息入库。如表1所示，位姿信息表的主要属性字段有纬度、经度、高度、北偏向角等；
表1
(2)结构信息入库。如表2所示，模型结构信息表的主要属性字段有文件名，子节点名称、FAM属性文件名、文件内容等。
表2
| 字段名 | 字段类型 | 说明 |
| FileName | Text | 文件名(唯一) |
| ChildNode | Text | 子节点名称 |
| Fam | Text | FAM属性文件名 |
| Content | Json | CBM/DEV文件内容 |
(3)属性信息入库。如表3所示，模型属性信息表的主要属性字段有文件名、设计参数、自定义参数、设计冻结参数、产品参数、施工参数、测试参数、运检参数和其他参数等。
表3
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖本发明的包含范围之内，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对输入的GIM模型文件进行数据解析，得到GIM模型的原始层级结构、空间几何和属性信息并存入JSON文件；
S2：对步骤S1所得结果的JSON文件提取几何信息，并进行参数建模与模型转换，其中MOD文件采用参数建模方法，IFC和STL文件采用模型转换方法，得到用于中间存储的OBJ模型文件；
S3：对步骤S1所得结果的JSON文件提取层级结构信息，并对S2所得结果的中间模型文件进行模型组装和转换，得到一个FBX模型文件；
S4：对步骤S3所得结果的FBX模型进行优化，得到优化后的FBX模型文件；
S5：对步骤S1所得结果的JSON文件提取属性信息，将属性信息写入SQL文件。
2.根据权利要求1所述的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，所述步骤S1中数据解析为MOD文件解析、其他文件解析和层级结构嵌套解析，包括以下方法和步骤：
(1)MOD文件解析：GIM模型文件中的MOD文件采用XML格式存储设备模型的实体和图元参数信息，调用TinyXML解析库读取MOD文件中的模型参数信息，并将XML解析出的标签元素-内容对，调用JSONCPP解析库以键-值对的结构写入JSON对象中，得到每一个MOD文件对应的JSON对象；
(2)其他文件解析：GIM模型文件中的CBM、DEV、PHM文件采用类似INI键值对的结构存储各级系统/部件/设备的属性信息，采用逐行读取，调用JSONCPP解析库以键值对的结构写入JSON对象中，得到每一个文件对应的JSON对象；
(3)层级结构嵌套解析：对步骤(1)、(2)中得到的每个文件对应的JSON对象，采用递归方法，以GIM模型的project.cbm入口文件为根节点，根据GIM模型中各文件之间的调用关系逐级写入嵌套JSON对象中，各文件间的嵌套关系可大致描述为：前四级的CBM文件之间按从大到小级别嵌套调用，并在每一级CBM文件中关联若干个IFC文件；第四级CBM文件调用DEV文件；DEV文件可以调用同级DEV或调用PHM；PHM文件可进行同级PHM文件调用或调用下一级MOD、STL文件等。最终可实现将所有单独的JSON对象嵌套成一个具有树状层级结构的整体JSON对象，并生成一个可存储GIM所有层级结构和相关几何、属性信息的JSON文件。
3.根据权力要求1所述的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，所述的步骤S2中参数建模是将GIM模型中MOD文件参数化描述的几何信息完成从参数化表达到三维网格数据表达的过程，其中MOD文件中的基础图元分为简单模型和复杂模型两种类型。针对IFC和STL几何模型文件直接采用相关解析库转换为中间存储的OBJ模型文件，包括以下方法和步骤：
(1)MOD简单模型的参数建模：从JSON文件中提取MOD简单模型的参数(包括类型、尺寸、空间变换矩阵等)，对应GIM标准规范中定义的基础图元和钢件类型，采用OpenMesh库实现MOD简单模型的网格化建模；
(2)MOD复杂模型的参数建模：复杂模型是指具有不规则形状的图元，可由简单模型进行布尔运算得到。从JSON文件中提取MOD复杂模型的参数(包括布尔运算的类型、参与布尔运算的简单模型编号)，采用CGAL库实现MOD复杂模型的组装和网格化建模；
(3)IFC和STL模型的转换：IFC存储GIM模型中的土建模型，STL存储不规则的设备模型，这两种模型都采用了公开标准的三维模型格式进行存储，采用IFCplusplus和VTK库分别对IFC和STL模型进行解析，并以OBJ格式进行存储。
4.根据权力要求1所述的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，所述的步骤S3中模型的组装是指将GIM模型中的几何模型(包括MOD、IFC、STL)，根据JSON对象中解析的层级结构(模型间的组合调用关系)、空间变换矩阵、纹理等参数，组装成一个FBX模型文件的过程。具体方法描述为：以JSON中解析得到的GIM层级结构为FBX模型结构的骨骼，将JSON中解析得到的OBJ几何模型、以及对应的纹理和空间变换矩阵以节点插入的方式，采用FBX SDK库写入FBX模型结构中。
5.根据权力要求1所述的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，所述的步骤S4中的模型优化是指采用三角网格优化算法对模型的简化，并对具有相同几何构造的设备模型进行模型的复用处理，包括以下方法和步骤：
(1)模型的简化：根据模型的类型和参数，在参数建模阶段可优化模型的采样点数量，如具有圆弧、球等形状特征的图元。在建模之后，采用三角网格优化算法合理的减少模型表面的三角面片数量；
(2)模型的复用：在模型组装阶段，针对几何构造相同的设备模型，每次向FBX文件写入模型的几何信息时，将其形状、参数等捏合成该几何信息的唯一标识码，查看FBX文件的所有节点中是否已有相同标识码的几何信息写入。如果是，则将该编号对应的几何信息与新的节点关联；如果否，则将当前模型作为新的几何信息写入FBX文件；最后从空间变换矩阵中提取模型的平移、旋转、缩放等信息存储在对应的节点下。所有类型的模型只存储一遍他们的几何、纹理信息，达到一次存储、多次调用的目的。
6.根据权力要求1所述的一种电网信息模型转FBX三维模型及属性入库的方法，其特征在于，所述的步骤S5中属性入库是指将GIM模型中的属性描述信息以一种标准的形式存储到数据库中，方便后期前后端的属性查询。GIM模型中的属性信息入库分为场景空间位姿信息入库、每个层级(工程模型CBM文件/物理模型DEV文件)本身存储的结构信息入库和该层级下部件/设备(FAM文件)的属性信息入库，针对三类信息分别设计三张表，表间通过唯一标识码进行关联，均采用PostgreSQL数据库，以写出SQL文件的形式标准化入库，采用包括以下方法和步骤：
(1)场景空间位姿信息入库。设计位姿信息表，用来存储整个工程场景模型的空间位姿信息，主要属性字段有纬度、经度、高度、北偏向角等；
(2)结构信息入库。设计模型结构信息表，用来存储每个层级(工程模型CBM文件/物理模型DEV文件)对应的结构信息，主要属性字段有文件名，子节点名称、FAM属性文件名、文件内容等；
(3)属性信息入库。设计模型属性信息表，用来存储部件/设备对应的FAM文件中的各类属性参数，主要属性字段有文件名、设计参数、自定义参数、设计冻结参数、产品参数、施工参数、测试参数、运检参数和其他参数等。
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