集成BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力工程智能監(jiān)管系統(tǒng)

蔣成，劉新，周勇，吳小虎

(1. 湖南電力工程咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410007；2. 紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京100084)

0 引言

在電力工程基建期間, 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管的主要目的是保證建設(shè)過程按照預(yù)定進(jìn)度安全進(jìn)行, 保障施工質(zhì)量符合要求[1]。高效、智能化的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管工作,需要結(jié)合傳感技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能分析識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及共享技術(shù)、BIM 技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等, 實(shí)現(xiàn)基建期間現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備、人員、工器具、環(huán)境的狀態(tài)感知, 通過獲取的信息進(jìn)行分析、評(píng)估、預(yù)警、處理整治, 做到閉環(huán)化管理。各類技術(shù)的集成和共同可視化展現(xiàn), 是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管最重要、最經(jīng)濟(jì)的手段, BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成是其中重要的一環(huán)。

1 BIM 與物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM (Building Information Modeling) 即建筑信息模型[2], 是對(duì)設(shè)施的物理和功能特征進(jìn)行數(shù)字展示的方法。BIM 模型可以包含各類物理信息、工程信息、進(jìn)度信息、造價(jià)信息、運(yùn)維信息等, 可以支持設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期[3]。BIM 自2003 年引入國(guó)內(nèi), 最先在工程建設(shè)行業(yè)使用, 主要被設(shè)計(jì)公司用于最終效果的直觀展示, 較難形成工程建設(shè)真正的生產(chǎn)力[4]。設(shè)計(jì)BIM 模型往往存在一定問題: 精度不高、僅為滿足效果展現(xiàn)需要；各專業(yè)信息統(tǒng)計(jì)不完善, 三維模型存在較多錯(cuò)誤；設(shè)計(jì)單位所提交的模型只是簡(jiǎn)單建模, 未考慮在實(shí)際建設(shè)階段、運(yùn)維階段的使用[5]；設(shè)計(jì)階段的BIM使用特定軟件, 需專業(yè)人員進(jìn)行處理, 費(fèi)用高昂,培訓(xùn)工作巨大, 很難供施工單位、監(jiān)理單位直接使用。這些現(xiàn)狀也限制了BIM 技術(shù)在電力工程建設(shè)階段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管中的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things) 概念最早是指利用RFID (Radio Frequency Identification) 等傳感技術(shù), 根據(jù)需求將大量傳感器安裝于目標(biāo)物體之上,實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)物體上管理人員所重視的有用信息,再用通信技術(shù), 將采集信息傳輸至數(shù)據(jù)庫和展示系統(tǒng)[6]。并利用數(shù)據(jù)自動(dòng)分析技術(shù), 對(duì)關(guān)注的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)化的監(jiān)控和智能化的控制。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM 技術(shù)的融合, 開始于RFID技術(shù)與BIM 的聯(lián)合應(yīng)用[7]。RFID 技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)物體的位置和基本信息, 并可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中, 便于歷史查詢。BIM 與RFID 的結(jié)合,可以在平臺(tái)端直觀展示目標(biāo)物體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 便于管理。隨著BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用, BIM也逐漸與視頻系統(tǒng)、GPS、GIS、通信技術(shù)等融合,嘗試在全生命周期內(nèi)的應(yīng)用。張建平等[8]利用BIM和IFC 技術(shù), 形成民建設(shè)施在設(shè)計(jì)、施工、物業(yè)運(yùn)行階段共同應(yīng)用的智能物業(yè)管理系統(tǒng)；張乃祿等[9]基于BIM、監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等開發(fā)加油站綜合信息監(jiān)控系統(tǒng), 形成一套包含物聯(lián)網(wǎng)感知、網(wǎng)絡(luò)層、Web 程序發(fā)布三個(gè)層級(jí)的加油站綜合信息監(jiān)控, 用于提高加油站信息化和管理水平；劉軍等[5]基于 BIM、GPS 定位、GIS、IC 卡管理、視頻監(jiān)控系統(tǒng), 開發(fā)加油站運(yùn)維集成管理系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)加油站運(yùn)維階段物流管理、安全管理、實(shí)物資產(chǎn)管理、IC 卡管理于一體的智能管控。

BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成, 難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)共享, 這需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、規(guī)范數(shù)據(jù)接口。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織推出CGB 架構(gòu) (CAD-GIS-BIM), 在此基礎(chǔ)上可使空間信息和微觀信息依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和共享[10]。BIM 專業(yè)軟件與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合, 以及與Web 端平臺(tái)的結(jié)合, 涉及不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換, 為避免轉(zhuǎn)換和對(duì)接過程中的數(shù)據(jù)缺失, 建筑行業(yè)發(fā)布了數(shù)據(jù)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn), 即IFC標(biāo)準(zhǔn) (Industry Foundation classes)[11]。數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間進(jìn)行交換時(shí), 滿足IFC 標(biāo)準(zhǔn)即可。

2 電力工程基建期BIM 建模與物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

2.1 電力工程基建期現(xiàn)場(chǎng)管控存在問題

電力工程建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜過程, 包含土建、電氣安裝、試運(yùn)行等多個(gè)階段。施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)管控產(chǎn)生大量資料, 施工過程中涉及人機(jī)料法環(huán)和質(zhì)量、進(jìn)度、安全管理。傳統(tǒng)以人工采集為主的數(shù)據(jù)采集方式, 導(dǎo)致各處數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范, 無法做到自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ), 無法達(dá)到數(shù)據(jù)一次采集、規(guī)范化存儲(chǔ)的要求。

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)和BIM 集成及應(yīng)用存在的主要問題有: ①數(shù)據(jù)信息集成度低, 關(guān)聯(lián)度小, 各類數(shù)據(jù)不共享, 各前端采集設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和管理文件需要重復(fù)錄入；②BIM 需要用專門的軟件來查看,現(xiàn)場(chǎng)管控中產(chǎn)生的圖像、傳感器數(shù)據(jù)等有各自的展現(xiàn)途徑, 現(xiàn)場(chǎng)人員需要頻繁在各類平臺(tái)及系統(tǒng)間進(jìn)行切換, 效率低且無法及時(shí)將信息反饋。

2.2 BIM 模型構(gòu)建

基建期BIM 管理包括BIM 模型和業(yè)務(wù)架構(gòu)兩方面。BIM 模型以設(shè)計(jì)階段的CAD 圖為標(biāo)準(zhǔn), 包含建筑物基礎(chǔ)及主體、電纜溝、照明系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、電氣設(shè)備等內(nèi)容。不同的電力工程BIM 模型不同, 以實(shí)際建設(shè)為主, 數(shù)據(jù)采用IFC 標(biāo)準(zhǔn)。除各組成部分的三維建模外, 還可以進(jìn)行施工模擬、各專業(yè)碰撞檢查、進(jìn)度模擬、全站巡游視頻等。管理業(yè)務(wù)包含組織架構(gòu)、工程總體進(jìn)度及各分部工程進(jìn)度。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)采集層建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、施工過程、各類設(shè)備及人員具體參數(shù)的感應(yīng)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 設(shè)置各類前端采集設(shè)備, 確保采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、準(zhǔn)確性、有效性。采集層采用圖像采集技術(shù)、傳感器采集技術(shù)、定位系統(tǒng)采集技術(shù)。圖1 為物聯(lián)網(wǎng)與BIM 融合變電工程智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)與BIM 融合變電工程智慧工地系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.3.1 圖像采集技術(shù)

圖像采集技術(shù)主要指視頻監(jiān)控技術(shù)。視頻監(jiān)控是現(xiàn)場(chǎng)管控中最重要、最直接的手段, 作為監(jiān)管的重要技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要, 重點(diǎn)部位布置攝像頭, 站內(nèi)設(shè)置硬盤錄像機(jī), 構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng), 可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控, 并將全過程記錄在硬盤錄像機(jī)和服務(wù)器內(nèi), 作為追蹤證據(jù)；在現(xiàn)場(chǎng)與對(duì)講機(jī)等方式進(jìn)行結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)可視化及互動(dòng)操作, 形成監(jiān)督、指揮、實(shí)時(shí)糾偏模式。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。在建設(shè)階段高清攝像頭全天候工作, 電量消耗較大, 需要24 V 直流供電。變電站內(nèi)固定位置安裝的攝像頭采用市電供電, 為方便控制, 每個(gè)攝像頭單獨(dú)配備配電箱, 配備AC220V-DC24V 適配電源, 將市電轉(zhuǎn)變?yōu)閿z像頭所需穩(wěn)定電壓。在建設(shè)階段變電站場(chǎng)地內(nèi)施工情況復(fù)雜, 為避免施工場(chǎng)地內(nèi)施工機(jī)械將網(wǎng)線挖斷造成通信中斷的情況, 視頻監(jiān)控設(shè)備選用無線網(wǎng)橋局域網(wǎng)方式通信。高清攝像機(jī)內(nèi)置RJ45 接口, 通過短距離網(wǎng)線連接網(wǎng)橋發(fā)射端, 網(wǎng)橋發(fā)射端與相應(yīng)的網(wǎng)橋接收端通過2.4G 寬頻段進(jìn)行通信, 通信協(xié)議為802.11AC。網(wǎng)橋接收端通過短距離網(wǎng)線連接交換機(jī), 實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)與硬盤錄像機(jī)和服務(wù)器間的通信連接, 并最終通過平臺(tái)端進(jìn)行展示。

2.3.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是指可以輸出特定信號(hào)的裝置, 可以按照一定的規(guī)律將感知到的信息轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可使用的信號(hào), 并通過有線或者無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器?；诨ㄆ趶?fù)雜的施工環(huán)境, 無線傳輸?shù)膫鞲衅鞲鼮閷?shí)用。無線傳感器利用微機(jī)電系統(tǒng)、窄帶通信、單片機(jī)采集、低功耗嵌入等技術(shù), 并通過特定傳輸協(xié)議組成無線網(wǎng)絡(luò), 性價(jià)比高且安裝簡(jiǎn)單。傳感器類型的選擇, 主要根據(jù)變電站基建期施工現(xiàn)場(chǎng)的業(yè)務(wù)需要。

微氣象監(jiān)測(cè)傳感器可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量(PM10、PM2.5)、環(huán)境狀況 (噪音、輻射)、氣象信息 (溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、雨量) 等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 滿足建設(shè)過程中對(duì)施工環(huán)境的全過程管控。

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器用于電氣安裝階段室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。該類傳感器可監(jiān)測(cè)空氣中細(xì)顆粒物PM2.5、二氧化碳、總揮發(fā)性有機(jī)化合物 (TVOC)、甲醛、濕度、溫度等參數(shù)。主要用于1 000 kV、500 kV、110 kV 主變壓器安裝、GIS 安裝區(qū)域, 以及1 000 kV 和500 kV 繼電小室等對(duì)環(huán)境要求高的作業(yè)面進(jìn)行局部監(jiān)測(cè)。

邊坡位移傳感器用于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)周圍的邊坡位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集, 主要用于坡度大于45°、易發(fā)生滑坡垮塌事故的坡體上。位移傳感器可以檢測(cè)邊坡運(yùn)動(dòng)微位移, 對(duì)異常邊坡進(jìn)行提前警示。位移傳感器系統(tǒng)由位移傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成, 采用局域網(wǎng)方式進(jìn)行通信。位移節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間為無線通信, 通信頻率2.4 GHz, 若中間有阻隔, 可增加中繼器, 網(wǎng)關(guān)內(nèi)配置4G 網(wǎng)卡, 通過4G公網(wǎng)傳輸至服務(wù)器。傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置可拆卸鋰電池, 單次充電可持續(xù)工作24 個(gè)月, 可滿足大部分變電工程建設(shè)期監(jiān)測(cè)需求, 若建設(shè)時(shí)間超過單塊電池供電時(shí)長(zhǎng), 將電池更換即可。無線網(wǎng)關(guān)通過市電供電, 配置配電箱和24 V 適配電源。

電氣監(jiān)測(cè)傳感器主要用于監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全, 對(duì)總配電箱、分配電箱、末級(jí)配電箱進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)。剩余電量傳感器可以對(duì)電纜上剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè), 報(bào)警閾值一般在300 ～500 mA, 此數(shù)值是在過濾掉線路正常工作時(shí)固有泄漏電流之后的剩余值。接觸式溫度傳感器主要布設(shè)于電氣線路中的接頭部位, 采用熱敏電阻制成, 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的溫度, 在溫升變化大、電纜超溫運(yùn)行時(shí)發(fā)出警報(bào), 避免因電路溫度過高造成電氣火災(zāi)。電流傳感器可對(duì)電纜的真實(shí)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 避免因負(fù)荷過大而形成電氣火災(zāi)。電氣監(jiān)測(cè)各類傳感器可對(duì)關(guān)鍵部位的漏電情況、負(fù)荷情況、溫度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 并對(duì)各類超標(biāo)閾值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行調(diào)整,對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)判斷和及時(shí)報(bào)警, 將事故消滅在未發(fā)生或萌芽狀態(tài), 有效杜絕電氣安全事故的發(fā)生。用電監(jiān)測(cè)傳感器可通過有線和無線網(wǎng)關(guān)兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選擇。電氣傳感器安裝于各級(jí)配電箱內(nèi), 使用配電箱內(nèi)電源供電。單個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器通過RS485 方式與每個(gè)配電箱內(nèi)的探測(cè)器的相應(yīng)接口線連接, 探測(cè)器與站內(nèi)電氣監(jiān)測(cè)主機(jī)通過無線通信模塊組成局域網(wǎng), 通信方式為 Rola, 通信協(xié)議為IEEE 802.15.4 g。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)匯總至電氣監(jiān)測(cè)主機(jī)處, 再通過網(wǎng)線或者光纖傳輸至服務(wù)器。

2.3.3 自動(dòng)識(shí)別及追蹤技術(shù)

常用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包含條形碼技術(shù)、RFID、生物特征識(shí)別技術(shù) (指紋、人臉)、光學(xué)識(shí)別技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)等。定位追蹤技術(shù)可對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的人、物品、機(jī)械等進(jìn)行定位和追蹤。定位追蹤技術(shù)包括 GPS (Global Positioning System)、室內(nèi)UWB (Ultra-Wide band) 超寬帶定位技術(shù)、ZigBee短距離定位技術(shù)、RFID 射頻定位技術(shù)。為降低電力工程現(xiàn)場(chǎng)管控成本, 符合輕資產(chǎn)化需求, 可使用集識(shí)別功能和定位功能于一體的RFID 射頻設(shè)備。

射頻設(shè)備用于對(duì)重點(diǎn)關(guān)注人員、車輛、施工機(jī)械等的定位, 可以在地圖上顯示關(guān)注點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置和歷史軌跡。RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽 (Tag)、閱讀器 (網(wǎng)絡(luò)讀卡器)、定位基站、位置服務(wù)器 (含定位算法) 四部分組成。電子標(biāo)簽與閱讀器之間使用電磁反向散射耦合方式通信, 基于雷達(dá)原理, 網(wǎng)絡(luò)讀卡器發(fā)射電磁波, 碰到目標(biāo)電子標(biāo)簽后反射,同時(shí)攜帶目標(biāo)信息, 依據(jù)電磁波空間傳播規(guī)律。電子標(biāo)簽與網(wǎng)絡(luò)讀卡器之間頻率為2.4 GHz, 通信協(xié)議為IEEE 802.15.4。網(wǎng)絡(luò)讀卡器與定位基站間采用433 無線通信, 將定位信息傳送給定位基站, 并通過位置服務(wù)器內(nèi)置算法獲得電子標(biāo)簽位置信息。電子標(biāo)簽自帶鋰電池, 可滿足24 個(gè)月建設(shè)期監(jiān)測(cè)需求。閱讀器、定位基站工作電壓為10 ～12 V, 通過配電箱及電源適配器采用市電供電。位置服務(wù)器安裝于監(jiān)控室, 采用監(jiān)控室內(nèi)市電供電。位置服務(wù)RFID 系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 RFID 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)

智能監(jiān)管系統(tǒng)工地物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)、場(chǎng)地內(nèi)視頻設(shè)備信號(hào)傳輸和其他采集設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸, 需要依托于穩(wěn)定、全場(chǎng)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。通信傳輸網(wǎng)絡(luò)大體可分為全無線、光纖+無線和全光纖[12]。光纖具有傳輸穩(wěn)定、不易干擾的特點(diǎn), 而在基建期施工現(xiàn)場(chǎng), 現(xiàn)場(chǎng)施工人員眾多、作業(yè)面大, 相互之間不協(xié)調(diào), 很容易造成光纖損壞, 重新鋪設(shè)需耗費(fèi)大量人力物力。因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況, 采用光纖+自建無線的方式最為適用。自建無線目前多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(多點(diǎn))、LTE 等技術(shù)[13-14]。TD-LTE 技術(shù)采用1.8G 專網(wǎng), 具有安全、穩(wěn)定等特點(diǎn), 但設(shè)備覆蓋距離短, 功耗大, 且核心網(wǎng)、基站、通信終端等均需固定配置, 兼容性較差, 不太適用于電力工程現(xiàn)場(chǎng)管控感知層設(shè)備多樣的情況。因此, 從兼容性、適配性、經(jīng)濟(jì)性及數(shù)據(jù)安全性考慮, 覆蓋全站的5.8G/2.4G 兼容的自建無線專網(wǎng)為最佳選擇。全站W(wǎng)iFi 的覆蓋, 有利于施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)和信息交流。土建及電氣施工階段, 移動(dòng)監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)端掃描構(gòu)件二維碼或者實(shí)物ID、場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)端語音巡檢信息的錄入等, 均需要全站獨(dú)立WiFi 的支持。智能監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)架如圖3 所示。

圖3 全站5.8G/2.4 G 兼容自建無線專網(wǎng)拓?fù)鋱D

3 BIM 與物聯(lián)網(wǎng)集成

BIM 與物聯(lián)網(wǎng)的集成, 是指將物聯(lián)網(wǎng)中的前端感知設(shè)備, 如視頻、傳感器、定位追蹤系統(tǒng)所采集的實(shí)時(shí)信息和經(jīng)過智能判斷的警示信息, 與BIM相結(jié)合, 做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可在三維模型中展示和定位。二者的集成總體上分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和交互層 (展示層) 三個(gè)層次的集成。

3.1 集成流程

3.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的核心, 數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)融合共享和系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。系統(tǒng)四大核心數(shù)據(jù)庫為BIM模型庫、施工工藝數(shù)據(jù)庫、前端采集數(shù)據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、視頻非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。三維建筑信息模型數(shù)據(jù)形成BIM 模型數(shù)據(jù)庫, 以文件形式存儲(chǔ), 位置位于Web 服務(wù)器目錄下, 旨在BIM 模型被Web 服務(wù)器發(fā)布給前端瀏覽器。用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)庫查詢具體的BIM 模型, 在系統(tǒng)中進(jìn)行瀏覽。施工工藝數(shù)據(jù)庫以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ), 包括施工過程中的管理性資料和施工指導(dǎo)數(shù)據(jù)。用戶同樣采取查詢方式調(diào)閱施工工藝過程和施工過程中的管理數(shù)據(jù)。各類傳感器、定位追蹤系統(tǒng)所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以不同表單形式存儲(chǔ)于MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為非關(guān)系型數(shù)據(jù), 在系統(tǒng)中可通過攝像頭的角度和放大縮小倍數(shù)獲取鏡頭位置信息, 在硬盤錄像機(jī)和服務(wù)器中獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3.1.2 服務(wù)層

服務(wù)層主要用于連接前端用戶響應(yīng)和后端數(shù)據(jù)處理, 是整個(gè)系統(tǒng)核心層。前端應(yīng)用發(fā)送請(qǐng)求后,以JSON 格式發(fā)送給Web 服務(wù)器, Web 服務(wù)器解析JSON 請(qǐng)求內(nèi)容, 讀取、更新或者查詢統(tǒng)計(jì)后端數(shù)據(jù)庫, 返回給前端處理結(jié)果。前端接收到處理結(jié)果后更新頁面顯示, 以JavaScript 庫為基礎(chǔ)重繪BIM三維模型。

3.1.3 交互層

交互層主要包括攝像頭交互、BIM 模型交互、移動(dòng)應(yīng)用交互、傳感器及定位設(shè)備交互四種。

攝像頭交互模塊通過?？低旿avaScript 二次開發(fā)包獲取攝像頭運(yùn)行姿態(tài), 將視角范圍以JSON格式發(fā)送給Web 處理器, Web 處理器接收到 “視角調(diào)整” 命令后, 通知前端BIM 模型調(diào)整視角范圍, 達(dá)到與攝像頭視域同步效果。

BIM 模型交互包括攝像頭視域同步、基本BIM模型三維瀏覽、施工工藝模擬、標(biāo)記信息交互等五個(gè)子模塊?；綛IM 三維模型瀏覽包括模型放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)三維瀏覽功能。工藝模擬則是將施工工藝按時(shí)間順序組織管理, 系統(tǒng)通過讀取施工工藝庫, 根據(jù)時(shí)間和工藝屬性控制BIM 模型不同構(gòu)件在不同時(shí)間段的可見度, 模擬建筑物生長(zhǎng), 動(dòng)態(tài)演練工藝實(shí)施過程。標(biāo)記信息交互可由用戶在電腦和移動(dòng)端動(dòng)態(tài)添加信息標(biāo)記、富文本信息(包括圖片、視頻、鏈接等)。標(biāo)記具有三維坐標(biāo)信息, 標(biāo)記圖標(biāo)可附加在三維模型構(gòu)件上, 可指示各類物聯(lián)傳感設(shè)備、信息發(fā)生和關(guān)聯(lián)的位置, 實(shí)現(xiàn)信息一鍵三維導(dǎo)航, 用于設(shè)計(jì)意見收集、現(xiàn)場(chǎng)問題提報(bào)、工程協(xié)調(diào)會(huì)議匯報(bào), 相當(dāng)于施工現(xiàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)三維電子沙盤。

移動(dòng)應(yīng)用交互實(shí)施重點(diǎn)在于以二維碼展示板[15]形式標(biāo)注BIM 重要構(gòu)件, 手機(jī)客戶端在施工現(xiàn)場(chǎng)掃描二維碼后, 會(huì)根據(jù)二維碼內(nèi)容定位到BIM構(gòu)件位置, 瀏覽構(gòu)件詳細(xì)信息, 查看三維和二維設(shè)計(jì)電子圖紙, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無紙化、三維化信息傳遞與共享。移動(dòng)應(yīng)用交互還包括可使用智能手機(jī)瀏覽器, 對(duì)發(fā)生的問題和事件, 在三維模型上進(jìn)行標(biāo)注, 并將坐標(biāo)和數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)端。

定位設(shè)備交互重點(diǎn)在于將定位信息和被定位對(duì)象的屬性信息與BIM 中的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng), 通過數(shù)據(jù)庫讀取, 在三維模型中實(shí)時(shí)展現(xiàn)關(guān)注對(duì)象的實(shí)際位置。傳感器類數(shù)據(jù)交互重點(diǎn)在于將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)判斷結(jié)果直觀展示在BIM 模型中。定位設(shè)備交互由BIM 標(biāo)記信息交互實(shí)現(xiàn)。

3.2 集成技術(shù)路線及效果

總體上采用B/S 結(jié)構(gòu), J2EE 技術(shù)架構(gòu), 后端Web 服務(wù)器采用 Tomcat7.0, 前端采用 HTML5,BIM 三維可視化引擎采用Autodesk Forge JavaScript庫, 攝像頭視角解析采用海康威視JavaScript 二次開發(fā)包, 數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫。前端和后端通信采用Ajax 技術(shù)交互, 通信協(xié)議采用JSON 格式, 即前端以JSON 文本格式發(fā)送Ajax 請(qǐng)求, 后端處理Ajax 請(qǐng)求后, 以JSON 協(xié)議格式返回處理結(jié)果。BIM 信息交互采用點(diǎn)云技術(shù), 關(guān)鍵核心采用基于WebGL 著色器技術(shù)和GLSL ES 語言代碼實(shí)現(xiàn),可實(shí)現(xiàn)在GPU 上直接運(yùn)行, 顯著提高運(yùn)行性能。據(jù)測(cè)試, 可在瀏覽器加載的復(fù)雜輕量化三維模型上, 添加上十萬以上標(biāo)記圖標(biāo), 同時(shí)渲染顯示, 運(yùn)行和操作流暢。

3.2.1 視頻視域解析及BIM 模型同步

攝像頭視域解析主要為實(shí)現(xiàn)?？低晹z像頭視角姿態(tài)快速解析, 實(shí)時(shí)通知服務(wù)器, 作為同步BIM模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在BIM 模型端, 接收服務(wù)器發(fā)送的視角同步命令, 基于Autodesk Forge 二次開發(fā)包開發(fā)BIM 模型視域同步功能。最終的成果為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像頭與BIM 模型的同視域展示。

3.2.2 施工工藝模擬與標(biāo)記交互集成

以BIM 模型構(gòu)件為基本單元, 設(shè)計(jì)施工工藝錄入數(shù)據(jù)結(jié)果, 形成數(shù)據(jù)錄入標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以定量描述工程工藝階段?；贏utodesk Forge 二次開發(fā), 按時(shí)間序列動(dòng)態(tài)控制BIM 模型構(gòu)件可見性表達(dá)施工工藝過程。

高效率的輕量化模型進(jìn)度模擬動(dòng)畫播放, 標(biāo)記信息按時(shí)間軸和甘特圖任務(wù)條篩選顯示, 標(biāo)記內(nèi)容包括文本 (不同字體和顏色)、圖片和音視頻混合、鏈接、表格等富文本形式。應(yīng)用場(chǎng)景上, 工程現(xiàn)場(chǎng)人員可通過瀏覽器在三維模型上標(biāo)記各類說明信息, 記錄發(fā)現(xiàn)的問題 (通過H5 可在智能移動(dòng)設(shè)備上使用), 編制4D 時(shí)空進(jìn)度計(jì)劃, 在各種協(xié)調(diào)溝通會(huì)議時(shí)使用, 如同三維電子沙盤。

3.2.3 采集端信息三維展示

將BIM 施工工藝數(shù)據(jù)庫、BIM 模型數(shù)據(jù)庫與存儲(chǔ)傳感器和定位設(shè)備數(shù)據(jù)及判斷閾值的MySQL數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián), 以BIM 模型數(shù)據(jù)庫中各構(gòu)件、傳感器或者定位設(shè)備的安裝位置、監(jiān)測(cè)時(shí)間為聯(lián)合主鍵, 將采集端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在BIM 三維模型中進(jìn)行展示, 設(shè)備狀態(tài)信息作為新的屬性加入BIM 模型中, 通過顏色等的改變來展示預(yù)警信息?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備所產(chǎn)生的預(yù)警信息也可以在BIM 三維視圖中準(zhǔn)確展現(xiàn)預(yù)警位置和預(yù)警結(jié)果, 管理人員可清晰獲得故障發(fā)生的準(zhǔn)確位置。

4 應(yīng)用實(shí)踐

物聯(lián)網(wǎng)及BIM 的集成管控, 在北京±500 kV 柔性直流變電站和望城500 kV 變電站新建工程上進(jìn)行使用, 取得了一定成效。

1) 機(jī)器旁站輔助人工旁站。由高空、低空、移動(dòng)式攝像頭組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng), 可以在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全天候無死角監(jiān)控, 一名監(jiān)理人員即可在室內(nèi)展示端看到所有監(jiān)控畫面, 減少了人員投入, 提高了工作效率, 降低了監(jiān)理工作量, 也提升了工作環(huán)境舒適度。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在以上工程應(yīng)用中, 有50%的現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量問題是通過視頻監(jiān)控和物聯(lián)傳感系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的。

2) BIM 與物聯(lián)網(wǎng)的輕量化集成, 可以將二者無縫對(duì)接, 避免了大部分用戶在多個(gè)系統(tǒng)和軟件間登錄和打開, 提升了用戶體驗(yàn)。二者的集成也大大減少了專業(yè)三維軟件購(gòu)買量, 降低信息系統(tǒng)運(yùn)行使用成本。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在以上工程應(yīng)用中, 經(jīng)常使用輕量化BIM 的用戶數(shù)達(dá)200 多名, 這些用戶使用瀏覽器和移動(dòng)平臺(tái)即可操作和使用BIM, 大大減少了BIM 專業(yè)軟件開支。

3) BIM 與傳感器設(shè)備、射頻設(shè)備和視頻采集前端設(shè)備相集成后, 可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像頭和BIM 模型的同步, 增加信息維度。也可以將各關(guān)注設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)、具體位置直觀展現(xiàn), 可以使監(jiān)管人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全面把控, 指揮有關(guān)人員快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理問題。

4) 北京 ± 500 kV 柔性直流換流站、瀏陽500 kV變電站、望城500 kV 變電站工程, 在其智能監(jiān)管系統(tǒng)工地平臺(tái)上, 應(yīng)用了 BIM 信息交互技術(shù)。如在北京柔性直流換流站等工程的系統(tǒng)調(diào)試有關(guān)協(xié)調(diào)會(huì)上, 各方在統(tǒng)一的BIM 輕量化平臺(tái)三維模型上, 標(biāo)記設(shè)備調(diào)試和驗(yàn)收問題、意見、設(shè)備信息2 000 多條, 記錄了所有信息位置, 使用富文本和照片詳細(xì)描述, 有效匯總各方面信息, 減少重復(fù)記錄。同時(shí)在會(huì)后很容易進(jìn)行匯總和編寫有關(guān)報(bào)告, 方便在現(xiàn)場(chǎng)使用移動(dòng)手機(jī)對(duì)照問題進(jìn)行定位和查找。特別是后期還開發(fā)了富文本報(bào)告內(nèi)嵌的三維視域鏈接功能, 將文字表達(dá)和4D 視域同步,表現(xiàn)力和解釋力強(qiáng)大, 得到應(yīng)用各方的喜愛和好評(píng)。

5 結(jié)語

本文提出了一套在電力工程基建現(xiàn)場(chǎng)智能管控中BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)和集成的方法。該方案可以提高數(shù)據(jù)共享水平, 增加現(xiàn)場(chǎng)管控人員維度,提高管理效率, 降低對(duì)人員投入的需求, 同時(shí)很好地避免了數(shù)據(jù)重復(fù)錄入、平臺(tái)重復(fù)建設(shè)、各類軟件重復(fù)投入等問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM 技術(shù)的集成,是電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)在基建期發(fā)揮作用的一個(gè)很好切入點(diǎn)。對(duì)于增強(qiáng)電力工程建設(shè)的過程化智能管控能力、提高電力工程建設(shè)的信息化水平具有重要意義。