輸變電工程數(shù)字模型與物聯(lián)網(wǎng)集成管控平臺技術(shù)研究與應(yīng)用*

梁軍風(fēng) 李穎 侯偉 王曉波

(1.國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 100085；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200121)

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，電網(wǎng)工程,尤其是中型、大型輸變電工程的建設(shè)越來越多，輸變電工程建設(shè)逐漸趨向于標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時數(shù)字化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。在此背景下，研究集數(shù)字模型與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體的輸變電工程管控平臺，旨在將現(xiàn)有的系統(tǒng)和資源整合，充分發(fā)揮計算機技術(shù)優(yōu)勢，最大限度地優(yōu)化輸變電工程的項目管理，提高建設(shè)效益。

1 平臺技術(shù)分析

1.1 數(shù)字化模型

數(shù)字化模型是輸變電工程信息的可視化載體。在此基礎(chǔ)上開發(fā)信息輸出窗口，將模型關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)(包括設(shè)計屬性、過程資料等)通過列表、圖表、窗格等一系列方式進(jìn)行呈現(xiàn)，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)與模型的二三維聯(lián)動，實現(xiàn)信息的動態(tài)可視化管理。

在平臺上以非常容易觀察、探究和理解的3D環(huán)境和數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，結(jié)合變更及版本管理，實時反映項目進(jìn)展情況，提高各參建單位的信息溝通效率，利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)有效提高工程項目管理水平，確保項目質(zhì)量、安全目標(biāo)的實現(xiàn)，真正實現(xiàn)了實用意義上的基于BIM的工程協(xié)同管理，并達(dá)到節(jié)約投資及工期的目標(biāo)[1-2]。

1.2 圖像處理技術(shù)

針對輸變電工程設(shè)備復(fù)雜、信息維度廣的特點，平臺采用高效數(shù)字化圖像處理技術(shù)，支持大體量、復(fù)雜曲面的機電設(shè)備數(shù)字化模型快速加載和顯示，同時采用平臺搭載的模型輕量化插件，對模型中的復(fù)雜曲面和精細(xì)構(gòu)件進(jìn)行輕量化處理，處理后的模型體量大小僅為原模型的約1/10，大大降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫?。同時采用最先進(jìn)的分層級視覺加載技術(shù)，根據(jù)模型瀏覽視角的變化調(diào)整模型加載的精細(xì)度，提高網(wǎng)絡(luò)加載的速度和效率，解決數(shù)字化模型數(shù)據(jù)處理響應(yīng)慢、內(nèi)存消耗高等一系列難題。

1.3 數(shù)據(jù)集成和管理

面向輸變電工程建設(shè)的管理過程，涉及多種類型、多種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，包括文檔資料、影像數(shù)據(jù)、地理空間信息、數(shù)字化模型、物聯(lián)網(wǎng)集成數(shù)據(jù)等，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有序管理和高效加載是平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

通過面向?qū)ο蟮某绦蚣岸嘣磾?shù)據(jù)管理技術(shù)和時空數(shù)據(jù)組織模型技術(shù)，實現(xiàn)海量異構(gòu)時空數(shù)據(jù)的高效組織和管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索和調(diào)用，為管理應(yīng)用服務(wù)提供底層支持。

1.4 開放性系統(tǒng)接口

工程信息化監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在電網(wǎng)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。平臺采用開放性設(shè)計，在進(jìn)行方案設(shè)計與開發(fā)時，充分考慮日后的可擴展性，使系統(tǒng)接口具備最新國家物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，并能適配于市場上的主流物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

支持各類物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)的快速數(shù)據(jù)接入，為項目管理提供線上遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，并與三維數(shù)字化模型無損集成，實現(xiàn)三維數(shù)字化模型+物聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實一體化管控體系，提高工程管控的信息化程度[2]。

2 總體架構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，采用成熟的地理信息系統(tǒng)平臺，充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)、完善的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建了一個大型的、功能完善的、符合項目管理需求的多層架構(gòu)集成管控平臺。平臺主要包括基礎(chǔ)設(shè)施層、核心數(shù)據(jù)層、支撐服務(wù)層、應(yīng)用層。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層。基礎(chǔ)設(shè)施體系主要包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、人工錄入和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、硬件及系統(tǒng)軟件等系統(tǒng)正常運行必備的基礎(chǔ)設(shè)施。

(2)核心數(shù)據(jù)層。主要目標(biāo)為加強信息資源的管理、開發(fā)與利用，包括各類數(shù)據(jù)資源，比如：3DGIS地圖、道路等矢量數(shù)據(jù)、ArcMap處理的數(shù)據(jù)、SketchUp、Revit等建模軟件生成的三維模型數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)；系統(tǒng)采用5D(3D模型+1D時間+1D內(nèi)容)數(shù)據(jù)庫設(shè)計，包括時間和空間組合的方式，實現(xiàn)項目所有數(shù)據(jù)信息按時間(包括版本信息)管理。

(3)支撐服務(wù)層。包含對整個系統(tǒng)的三維地理空間及綜合業(yè)務(wù)信息的支撐部分，包括空間數(shù)據(jù)構(gòu)建引擎、空間數(shù)據(jù)服務(wù)引擎、空間數(shù)據(jù)承載應(yīng)用等。通過各類地理空間數(shù)據(jù)的融合處理以及業(yè)務(wù)員數(shù)據(jù)的組織調(diào)用，為各類三維空間的應(yīng)用提供支持。同時依托強大的二次開發(fā)接口，可以支持已有信息化建設(shè)投資的保護(hù)和繼承；支持異構(gòu)系統(tǒng)的接入、功能子模塊的增加，以及其他特殊應(yīng)用的擴展。

(4)應(yīng)用層?；?DGIS+BIM開發(fā)平臺，以需求為導(dǎo)向，實現(xiàn)為管理者提供諸如狀態(tài)管理、報警管理、進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理等各類業(yè)務(wù)的管理應(yīng)用[3-4]。

3 信息化應(yīng)用設(shè)計

3.1 信息交互方式

利用集成管控平臺,通過綜合使用數(shù)字模型、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用等新技術(shù)創(chuàng)新現(xiàn)有信息交互方式，由傳統(tǒng)的被動式交互方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃蛹盎邮浇换シ绞?。具體表現(xiàn)為以下幾方面：

(1)利用移動互聯(lián)網(wǎng)和RFID物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，實現(xiàn)輸變電工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)、圖像、視頻的實時化感知、采集和傳輸，改變原來工程人員手工表單式的錄入模式，有效解決數(shù)據(jù)滯后性的問題。

(2)利用智能移動終端設(shè)備，為輸變電工程現(xiàn)場人員主動進(jìn)行信息推送和事務(wù)提醒，消除和減輕現(xiàn)場人員系統(tǒng)使用的負(fù)擔(dān)和障礙。及時方便地為關(guān)鍵的施工工藝工序提供豐富的作業(yè)支持，有效地提高工程質(zhì)量。通過定位及語音提示，預(yù)先對危險區(qū)作業(yè)進(jìn)行預(yù)警，保障作業(yè)人員的人身安全[5]。

(3)利用移動終端的便捷性，現(xiàn)場管理人員可及時記錄實體工程質(zhì)量、安全等問題并拍攝照片，直觀形象地把問題反饋給施工作業(yè)人員，并可對問題進(jìn)行實時跟蹤，落實整改完成情況，隨時對問題進(jìn)行閉環(huán)管理。借助新技術(shù)的互動式交互方式極大地提高雙方的溝通效率[6-7]。

3.2 流程化管控設(shè)計

由于輸變電工程管理的相似性，根據(jù)多個輸變電工程實踐經(jīng)驗的總結(jié)，平臺為輸變電工程管控設(shè)計了一套標(biāo)準(zhǔn)化流程，管控過程中的協(xié)調(diào)性工作由計算機來完成，而原本作為管控主體的人則只需要接受平臺發(fā)出的提醒并按時間節(jié)點執(zhí)行即可。這不僅大大提升了管控的效率，而且也為后續(xù)的同類型工程提供了數(shù)據(jù)參考，降低了新工程建設(shè)的邊際管理成本[8]。例如“現(xiàn)場報驗”流程，系統(tǒng)根據(jù)施工總進(jìn)度計劃，在檢驗批施工前一段時間自動提示負(fù)責(zé)人進(jìn)行施工前準(zhǔn)備工作，負(fù)責(zé)人在平臺上可將任務(wù)分派給工作組，工作組施工完成后通過移動端進(jìn)行資料、照片的上傳和報驗，監(jiān)理單位收到報驗信息后去現(xiàn)場驗收并在移動端平臺上填寫驗收意見。整個流程絕大部分工作都在移動端完成，提高了驗收工作效率。

如表1所示，目前已實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化流程包括：設(shè)計變更流程、檢驗批報驗流程、現(xiàn)場管理流程和現(xiàn)場簽證流程等，涵蓋了實際項目管理60%以上的流程。

3.3 反饋與告警機制

平臺對信息化管控應(yīng)用建立了嚴(yán)格的信息反饋和告警機制，平臺發(fā)出的每一項任務(wù)指令都包含時間節(jié)點屬性。任務(wù)實施者完成任務(wù)后，平臺讀取完成信息并向管理者發(fā)出反饋，并且能夠自動判斷時間節(jié)點是否符合要求，若逾期未完成，則向各相關(guān)人員發(fā)出告警提醒。通過這種機制增加計算機智能管控的嚴(yán)密性，并且解決了傳統(tǒng)人為管控模式下管控力度不足的問題[9]。

4 物聯(lián)網(wǎng)集成

4.1 系統(tǒng)接入

平臺支持輸變電工程建設(shè)常用的各類物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備的接入，具體包括以下設(shè)備的系統(tǒng)接入：

(1)標(biāo)識與標(biāo)識設(shè)備。標(biāo)識與標(biāo)識設(shè)備主要有二維碼和RFID標(biāo)簽，主要用于各類資源標(biāo)識，對于標(biāo)識的識別由各類標(biāo)識設(shè)備來完成，包括身份證讀卡器、移動掃描槍、RFID讀卡器、指紋識別儀。

(2)門禁與考勤設(shè)備。門禁和考勤設(shè)備主要有人員閘機、車輛道閘和移動考勤機。主要放置于施工現(xiàn)場的重要關(guān)口，用來對人員、車輛的進(jìn)出許可及考勤記錄。

(3)定位設(shè)備。根據(jù)原理不同，分為基于衛(wèi)星定位的北斗和GPS定位、基于RFID定位、基于超寬頻實時定位的UWB定位，主要用于施工現(xiàn)場資源(人員、車輛、機械等)的實時定位跟蹤，通過定位數(shù)據(jù)及軌跡的分析，合理地調(diào)配現(xiàn)場資源。

(4)可視交互設(shè)備。分為固定式、便攜/單兵視頻監(jiān)控設(shè)備和智能眼鏡設(shè)備。固定式通常用于大范圍的場區(qū)監(jiān)控和出入口監(jiān)控；便攜/單兵監(jiān)控視頻利用其移動便捷性，通常用于重要工程節(jié)點的局部作業(yè)監(jiān)控；對特定人員(如監(jiān)理)可使用具備交互式功能的智能眼鏡。

(5)區(qū)域管理設(shè)備。這類設(shè)備包括電子圍欄、臨邊防護(hù)器和邊界管理器等。主要用于施工過程中對重點施工區(qū)域、高危區(qū)域進(jìn)行動態(tài)管理和防護(hù)，通常與監(jiān)視器、報警中心聯(lián)動使用。

(6)高危監(jiān)測設(shè)備。包括深基坑監(jiān)測、塔吊監(jiān)測、高大支模監(jiān)測和升降機監(jiān)測等。主要用于對工程施工過程中有較大安全風(fēng)險的工程部位和特種作業(yè)設(shè)備，進(jìn)行全面實時有效監(jiān)測，降低由此帶來的安全風(fēng)險。

(7)綠色監(jiān)控設(shè)備。主要包括PM2.5/10傳感器、TSP總懸浮物傳感器、噪聲傳感器，同時配合LED顯示屏進(jìn)行實時顯示。用于施工現(xiàn)場的氣象(溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓)、揚塵(PM2.5/10)、噪聲以及用水(生活用水、排污水)、用電情況的監(jiān)測，實現(xiàn)施工現(xiàn)場綠色量化管理，減少工地對周邊空氣、環(huán)境質(zhì)量的影響[10]。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)動

相對于各自獨立的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，平臺不僅可將各設(shè)備集成，而且可把設(shè)備間的數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，形成聯(lián)動管理。如將門禁系統(tǒng)和人員考核系統(tǒng)對接，作業(yè)人員在進(jìn)入施工現(xiàn)場時，門禁閘機能自動識別此人的考核記錄。若該人員發(fā)生3次以上的不合格操作，則禁止其進(jìn)入現(xiàn)場，強制接受再次培訓(xùn)，直到其考核系統(tǒng)中成績合格后，才能再次進(jìn)入施工現(xiàn)場。

系統(tǒng)聯(lián)動的管理方式很好地拓展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍，使信息技術(shù)的應(yīng)用更加實效化，是工程管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用的雛形。未來可拓展為多項目、多區(qū)域間的系統(tǒng)聯(lián)動，真正實現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理[8]。

5 案例應(yīng)用

在本研究開展過程中，為驗證輸變電工程數(shù)字模型與物聯(lián)網(wǎng)集成管控平臺技術(shù)的有效性，國網(wǎng)上海電力公司以110kV博宇站作為平臺技術(shù)的應(yīng)用研究對象。

上海市浦東電力公司博宇110kV變電站位于上海浦東新區(qū)，工程建筑面積約4500m2，建筑主框架采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，建設(shè)全過程應(yīng)用輸變電工程數(shù)字模型與物聯(lián)網(wǎng)集成管控平臺，系統(tǒng)應(yīng)用具體情況見圖2～圖5。

通過該集成平臺，設(shè)計及管理部門建立了全站三維數(shù)字模型，并構(gòu)建了其配套建設(shè)的全地下輸變電工程數(shù)字模型(如工井、排管、隧道、非開挖頂管等)。實現(xiàn)了三維數(shù)字模型在3DGIS平臺的導(dǎo)入、瀏覽、漫游、巡視和旋轉(zhuǎn)；實現(xiàn)了對工程建設(shè)過程中視頻綜合查看和智能監(jiān)控，集成了人員、車輛閘機設(shè)備，對進(jìn)出場區(qū)的工作人員進(jìn)行有效監(jiān)管；同時利用移動終端的便捷性實現(xiàn)了工作任務(wù)和通知的即時下達(dá)，大大提高了工作效率。

圖2 三維數(shù)字模型瀏覽(截圖)

圖3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控(截圖)

圖4 集成進(jìn)出場數(shù)據(jù)(截圖)

圖5 移動端任務(wù)管理(截圖)

6 結(jié)語

集成管控平臺利用數(shù)字模型及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的輸變電工程管理過程中的信息采集、交互方式和工作流程，將輸變電工程建設(shè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、信息化。為工程帶來了更安全、更低碳的管理手段，是未來輸變電工程建設(shè)管理的主要發(fā)展方向。

[1]周亮,蔡鈞,丁一波,等.基于IFC的輸變電工程三維數(shù)字化管理平臺研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2015,31(11):7-12.

[2]陳勇.數(shù)字化變電站工程項目建設(shè)管理探究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2011,30(24):59，61.

[3]蔡鈞,王垚,史健勇.BIM技術(shù)在輸變電三維數(shù)字化管理中的應(yīng)用研究[C]//海峽論壇·2015海峽兩岸智能電網(wǎng)暨清潔能源技術(shù)研討會論文集.福州：海峽論壇組委會，2015.

[4]曾凝霜,劉琰,徐波.基于BIM的智慧工地管理體系框架研究[J].施工技術(shù),2015,44(10):96-100.

[5]鄭夏翊,李惠萍,駱王成,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在項目質(zhì)量安全管理中的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù),2013,5(2):105-110.

[6]董玉震,王振明,宋洪磊.基于物聯(lián)網(wǎng)的特高壓線路工程現(xiàn)場管理信息系統(tǒng)設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(18):122-123，291.

[7]寧欣.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑工程安全管理中的應(yīng)用[J].建筑經(jīng)濟,2014,35(12):30-33.

[8]何柳儀.輸變電工程項目施工信息化管理應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(12):71，74.

[9]朱志海.臺山輸變電工程項目進(jìn)度管理系統(tǒng)信息化研究[D].北京：華北電力大學(xué),2011.

[10]王曉波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)工程智慧工地研究與實踐[J].電力信息與通信技術(shù),2017,15(8):31-36.PMT