基于BIM的變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型*

梁 杰，姚 灝，劉 鵬

(1.廣州越秀供電局，廣東 廣州 510600；2.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣東 廣州510610；3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510600)

0 引言

隨著大型變電站施工建設(shè)的快速推進(jìn)和發(fā)展，變電站安裝工程施工規(guī)模越來越大，需要進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，構(gòu)建變電站安裝工程施工評估模型，結(jié)合對變電站安裝工程施工過程的可靠性控制和風(fēng)險大數(shù)據(jù)，進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評價和決策，構(gòu)建變電站安裝工程施工風(fēng)險評價的模糊數(shù)據(jù)集，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，進(jìn)行施工過程的可靠性控制和分析，建立變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型，在施工工程的優(yōu)化中具有很好的應(yīng)用價值[1].

傳統(tǒng)方法中，對變電站安裝工程施工風(fēng)險評估采用模糊評估方法、粗糙集評估算法、混沌分析算法等[2-3]，構(gòu)建變電站安裝工程施工風(fēng)險的模糊決策參量模型，采用可靠性數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估.文獻(xiàn)[4]中提出基于改進(jìn)層次分析法的小型水電工程施工風(fēng)險評估方法，根據(jù)小型水電工程工期短、工程量少、規(guī)模小的特征對其施工風(fēng)險因素進(jìn)行識別，在此基礎(chǔ)上篩選出具有代表性的施工風(fēng)險評估指標(biāo)，并利用改進(jìn)的層次分析法確定了各指標(biāo)對評估結(jié)果的貢獻(xiàn)率，利用所構(gòu)建的評估模型評價分析了某小型水電工程施工風(fēng)險狀況.文獻(xiàn)[5]中基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電力施工安全承載能力評估方法，通過對承載能力風(fēng)險要素的識別和評估，構(gòu)建了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對電力施工安全承載能力進(jìn)行了風(fēng)險評估和診斷，依據(jù)分析得到的結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險控制.但以上兩種方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性均較差.

為此，本文提出基于建筑信息模型(BIM)的變電站安裝工程施工風(fēng)險評估方法.首先在變電站安裝工程施工風(fēng)險數(shù)據(jù)采集和分析變電站安裝工程施工風(fēng)險特征的基礎(chǔ)上，對變電站安裝工程施工風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果，結(jié)合建筑信息模型(BIM)進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了本文方法在提高變電站安裝工程施工風(fēng)險評估能力方面的較好性能.

1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集及特征分析

1.1 變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的大數(shù)據(jù)采樣

(1)

式中：p為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估選擇的條件概率分布個數(shù)；W為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估樣本數(shù)；m為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估選擇的條件概率分布總數(shù).采用模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法，構(gòu)建變電站安裝工程施工風(fēng)險分析模型x(t)，其表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

式中:kμ(t)表示t時刻變電站安裝工程施工風(fēng)險評估統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)的采樣尺度；ΔTm(t)表示t時刻變電站安裝工程施工風(fēng)險評估統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)的量化特征集；w為自適應(yīng)權(quán)重；Θ為kμ(t)的統(tǒng)計(jì)特征分布量化集;Fμ(t)表示t時刻變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的概率條件函數(shù).

根據(jù)上述分析，進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險大數(shù)據(jù)信息融合[7]，得到變電站安裝工程施工風(fēng)險統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集公式為：

(5)

1.2 分析變電站安裝工程施工風(fēng)險特征

通過采集到的變電站安裝工程施工風(fēng)險統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到特征分布樣本集Xj(t+1)的表達(dá)式為：

(6)

式中:Xj(t)為第t時刻迭代后變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的模糊規(guī)則集；mbest為第t+1時刻迭代后變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的平均最好值；uj為樣本數(shù)據(jù)中t時間內(nèi)失效的統(tǒng)計(jì)次數(shù)[8].采用聯(lián)合關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，得到變電站安裝工程施工風(fēng)險特征的有限數(shù)據(jù)集X的表達(dá)式為：

X={x1,x2,…,xn}?Rs，

(7)

其中，變電站安裝工程施工風(fēng)險評估樣本集中含有n個樣本(樣本xi，i=1,2,…,n)，結(jié)合BIM調(diào)度方法[9]，得到變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的量化特征關(guān)系為：

(8)

式中，Mh為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)預(yù)測載荷.采用修正的支持向量機(jī)學(xué)習(xí)模型進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估和融合分量，利用多元回歸分析方法分析變電站安裝工程施工風(fēng)險特征[10]，得到風(fēng)險特征的目標(biāo)函數(shù)為：

(9)

2 變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型

2.1 變電站安裝工程施工風(fēng)險預(yù)測

在上述對變電站安裝工程施工風(fēng)險大數(shù)據(jù)采樣，并采用多元回歸分析方法分析變電站安裝工程施工風(fēng)險特征的基礎(chǔ)上，對變電站安裝工程施工風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測.在變電站安裝工程施工風(fēng)險變化k條件下，變電站安裝工程施工風(fēng)險BIM評估的轉(zhuǎn)移概率pgj(k)的表達(dá)式為：

(10)

(11)

式中:pid表示風(fēng)險預(yù)測特征量；Xmax，Xmin分別為最大風(fēng)險預(yù)測值和最小風(fēng)險預(yù)測值.

2.2 模型建立

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，結(jié)合建筑信息模型(BIM)進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，提高變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的BIM信息融合能力[11-12].采用分塊聚類方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，將BIM軟件應(yīng)用在變電站施工中.變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型由五個狀態(tài)組成，即μ=(A,B,C,D,E)，其中A為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型中的隱含狀態(tài)；B為變電站安裝工程施工風(fēng)險評估模型觀測狀態(tài)，B={Bj,j=1,2,3，…,M}，其定義式如下：

maxF(B)=(F1(B),F2(B),…,Fn(B)).

(12)

采用線性規(guī)劃模型進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險集構(gòu)造，建立變電站安裝工程施工風(fēng)險綜合評估的BIM建筑信息模型，其表達(dá)式為：

(13)

綜上分析，結(jié)合建筑信息模型(BIM)，完成變電站安裝工程施工風(fēng)險評估優(yōu)化設(shè)計(jì).實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示.

圖1 變電站安全工程的施工風(fēng)險評估實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Implementation process of construction risk assessment for substation safety engineering

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測試本文方法在實(shí)現(xiàn)變電站安裝工程施工風(fēng)險評估中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).圖2為某變電站安裝工程施工現(xiàn)場.

圖2 某變電站安裝工程施工現(xiàn)場Fig.2 Construction site of a substation installation project

將BIM軟件應(yīng)用在變電站施工過程中，結(jié)合Matlab仿真工具，WindowsXP操作系統(tǒng)，Tomcat5.5服務(wù)器，Microsoft SQL2000數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，對變電站安裝工程施工風(fēng)險評估數(shù)據(jù)的采樣長度為1 024，風(fēng)險決策的模糊度系數(shù)為0.15，測試樣本集規(guī)模為1 000，描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1.

表1 描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，得到測試數(shù)據(jù)集如圖3所示.

以圖3的數(shù)據(jù)為研究對象，進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，得到評估輸出如圖4所示.

圖3 變電站安裝工程施工風(fēng)險BIM信息集 圖4 變電站安裝工程施工風(fēng)險評估輸出Fig.3 Substation installation engineering construction risk BIM information set Fig.4 Substation installation engineering construction risk assessment output

分析圖4得知，采用本文方法能有效實(shí)現(xiàn)變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，評估輸出特征量的聚類性較好.為了驗(yàn)證本文方法的有效性，采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖5所示.

圖5 評估準(zhǔn)確性對比Fig.5 Comparison of evaluation accuracy

分析圖5得知，采用本文方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，評估準(zhǔn)確性最高可達(dá)100%；采用文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，評估準(zhǔn)確性最高可達(dá)85%；采用文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估，評估準(zhǔn)確性最高可達(dá)81%.說明采用本文方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性較高.

4 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估存在準(zhǔn)確性較差的問題，提出基于建筑信息模型的變電站安裝工程施工風(fēng)險評估方法.在構(gòu)建變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的回歸分析模型和分析變電站安裝工程施工風(fēng)險特征的基礎(chǔ)上，對變電站安裝工程施工風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合建筑信息模型(BIM)對變電站安裝工程施工風(fēng)險進(jìn)行評估.研究得知，文中方法進(jìn)行變電站安裝工程施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性較高.