基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)字化管理平臺(tái)研究

白 釩，胡 杰，何 鵬，楊超凡，張 舒，唐自強(qiáng)，范 舟

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為優(yōu)化和解決傳統(tǒng)行業(yè)所面臨問(wèn)題的重要手段。而數(shù)字化是解決問(wèn)題的工具之一，它可以分析數(shù)據(jù)，協(xié)助管理者做出最優(yōu)決策[1]。數(shù)字化應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工程、電力部門和電信等[2-4]。

某種意義上，項(xiàng)目管理的進(jìn)步可以改善社會(huì)環(huán)境，提高生活質(zhì)量，保障人身安全，也可以通過(guò)成本控制預(yù)防由于系統(tǒng)故障、外部入侵引起的供電中斷[5-6]。數(shù)字化平臺(tái)使變電站的建設(shè)更加靈活，便于管理人員監(jiān)測(cè)建設(shè)的進(jìn)度；此外還可以對(duì)多個(gè)子項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行模擬管理，可以直接預(yù)測(cè)增加施工量需要多少人力資源和用工成本。

數(shù)字化平臺(tái)可以簡(jiǎn)化項(xiàng)目管理流程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，如內(nèi)部勞動(dòng)力的成本、材料、運(yùn)輸、投入和項(xiàng)目執(zhí)行的時(shí)間，通過(guò)圖像監(jiān)控施工過(guò)程，防止錯(cuò)誤安裝，優(yōu)化物資管理。數(shù)字化平臺(tái)也可以解決專業(yè)人員數(shù)量不足等問(wèn)題，由于特高壓輸電線路建設(shè)的快速發(fā)展，缺乏足夠的專業(yè)人員進(jìn)行生成管理，數(shù)字化平臺(tái)可以創(chuàng)建解決方案，促進(jìn)項(xiàng)目施工的陪同化管理[7-8]。

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的互動(dòng)變得越來(lái)越頻繁[9]。海量數(shù)據(jù)的快速積累、計(jì)算能力的大幅提升、算法模型的不斷優(yōu)化以及行業(yè)應(yīng)用的迅速崛起，極大促進(jìn)了工程監(jiān)理模式的不斷創(chuàng)新，提高了施工現(xiàn)場(chǎng)管理的智能化水平，提升了工程管理的效率和綜合效益。

本文主要目標(biāo)是建立一個(gè)數(shù)字化的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施綜合管理平臺(tái)。結(jié)合電力建設(shè)的特點(diǎn)，以施工安全為基礎(chǔ)，以工程質(zhì)量為導(dǎo)向，以數(shù)字建模、傳感器互聯(lián)、虛擬全息、增強(qiáng)交互和人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用來(lái)支撐平臺(tái)體系，從而提高現(xiàn)場(chǎng)管理和控制水平。同時(shí)結(jié)合了AI、深度學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程進(jìn)行分類，建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)，與已完成項(xiàng)目數(shù)據(jù)比較，優(yōu)化物資管理、控制項(xiàng)目成本以及監(jiān)控建設(shè)進(jìn)度。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 數(shù)字化平臺(tái)

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化管理平臺(tái)是以智慧工地為基礎(chǔ)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范的基礎(chǔ)上實(shí)施。該平臺(tái)根據(jù)電力建設(shè)的特點(diǎn)，以施工安全為基礎(chǔ)，以工程質(zhì)量為導(dǎo)向，通過(guò)整合專家知識(shí)庫(kù)，提高現(xiàn)場(chǎng)管控水平，運(yùn)用新理念、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線化、數(shù)字化、實(shí)時(shí)化的“智慧現(xiàn)場(chǎng)”，從而解決基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不徹底、數(shù)據(jù)感知能力差、人工輸入效率低和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)同共享等問(wèn)題。

該系統(tǒng)基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，以人、機(jī)、料、法、環(huán)境為核心，以電力BIM[10]為基礎(chǔ)，結(jié)合智能化機(jī)械化作業(yè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)景、超集成化、高效的智能化施工現(xiàn)場(chǎng)管理平臺(tái)。同時(shí)將監(jiān)控、定位、考勤和物料管理有效整合，更好地實(shí)現(xiàn)多方協(xié)作、多層次聯(lián)動(dòng)和管理預(yù)控，確保項(xiàng)目質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本控制等建設(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)模塊

對(duì)于電力施工現(xiàn)場(chǎng)綜合安防管理系統(tǒng)的搭建，不是各個(gè)子系統(tǒng)之間簡(jiǎn)單堆砌，而是在滿足各個(gè)子系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，尋求內(nèi)部子系統(tǒng)和其他外部智能系統(tǒng)之間的完美結(jié)合。該系統(tǒng)主要依托超融合中樞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多子模塊的統(tǒng)一管理和控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)一的管理界面、統(tǒng)一的授權(quán)和出入卡、統(tǒng)一的安全管理業(yè)務(wù)流程，其框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字化平臺(tái)系統(tǒng)框架

基于超集成的實(shí)時(shí)指揮系統(tǒng)，前端可訪問(wèn)的子系統(tǒng)包括(但不限于)超級(jí)集成的真實(shí)場(chǎng)景監(jiān)控：高點(diǎn)全景和低點(diǎn)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控、人臉識(shí)別、車輛識(shí)別、服裝和帽子識(shí)別等。

a.人員控制。它主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)名制勞動(dòng)管理、出入管理、考勤管理和人臉識(shí)別。

b.智能安全監(jiān)測(cè)。主要包括重型設(shè)備(起重機(jī)、電梯)的安全監(jiān)測(cè)、深基坑監(jiān)測(cè)、高支模監(jiān)測(cè)、腳手架監(jiān)測(cè)、VR安全披露與培訓(xùn)教育等。

c.綠色施工監(jiān)測(cè)。主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲、粉塵、噴霧和氣象(風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、大氣、壓力)等的監(jiān)測(cè)。

d.公共安全防范措施。用于施工現(xiàn)場(chǎng)的公共周界防范、火災(zāi)探測(cè)、緊急報(bào)警和公共廣播。

e.項(xiàng)目質(zhì)量和進(jìn)度管理。包括項(xiàng)目質(zhì)量和安全過(guò)程管理、混凝土測(cè)溫和養(yǎng)護(hù)提醒以及進(jìn)度分析管理。

f.技術(shù)管理。包括技術(shù)數(shù)據(jù)管理、MIB協(xié)作優(yōu)化設(shè)計(jì)。

g.采購(gòu)管理。采用“Qr碼+互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)”，幫助項(xiàng)目管理者實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、 材料和施工過(guò)程管理的信息化改造，從而實(shí)現(xiàn)信息共享，規(guī)范流程，加強(qiáng)管理提高施工效率。

此外，基于超集成實(shí)景指揮系統(tǒng)的整體解決方案支持系統(tǒng)的靈活部署，支持通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口(如OPC)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，或通過(guò)SDK接入第三方設(shè)備。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)備接入規(guī)模，包括各模塊的子系統(tǒng)類型和功能要求，可按需配置各種模塊化服務(wù)，并按需部署相應(yīng)的服務(wù)器。在統(tǒng)一平臺(tái)管理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提供精細(xì)化的分級(jí)權(quán)限管理和從總部到分支機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理。

1.3 數(shù)據(jù)安全

a.核心數(shù)據(jù)加密。系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)的數(shù)據(jù)采用分級(jí)保護(hù)機(jī)制，敏感的、重要的數(shù)據(jù)采用加密存儲(chǔ)方式。對(duì)于用戶密碼的處理，大部分軟件的處理方式是只在服務(wù)端對(duì)密碼進(jìn)行哈希存儲(chǔ)。本系統(tǒng)進(jìn)行了2次哈希處理，在用戶密碼提交到服務(wù)端之前，在客戶端首先進(jìn)行1次哈希，在服務(wù)端再次進(jìn)行哈希，好處是用戶的密碼在所有的環(huán)節(jié)中始終只是哈希值，密碼并不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上明文傳輸。

b.多點(diǎn)災(zāi)難備份。系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多點(diǎn)災(zāi)難備份，備份分布在不同的網(wǎng)段、不同的服務(wù)器。這樣即便有不可抗拒力產(chǎn)生的災(zāi)難，也能夠很快的從其他服務(wù)器的備份中及時(shí)恢復(fù)。

c.爬蟲(chóng)協(xié)議處理。Robots協(xié)議(也稱為爬蟲(chóng)協(xié)議、機(jī)器人協(xié)議等)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)排除標(biāo)準(zhǔn)”(robots exclusion protocol),網(wǎng)站通過(guò)Robots協(xié)議告訴搜索引擎哪些頁(yè)面可以抓取，哪些頁(yè)面不能抓取。系統(tǒng)只允許搜索引擎抓取用戶開(kāi)放共享的頁(yè)面，用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)不允許抓取。User-agent:系統(tǒng)會(huì)根據(jù)User-agent字段進(jìn)行判斷，只允許合法的瀏覽器終端進(jìn)行訪問(wèn)。

d.SSL/TLS全程加密。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中全程使用SSL/TLS (secure sockets layer),規(guī)避以下風(fēng)險(xiǎn)：所有信息都是加密傳播，第三方無(wú)法竊聽(tīng)，具有校驗(yàn)機(jī)制,一旦被篡,通信雙方會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)。

e.用戶操作日志。數(shù)字化平臺(tái)提供了用戶行為日志供用戶自己查看,便于用戶發(fā)現(xiàn)自己的賬號(hào)是否存在異常操作,確保用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)安全。

f.f密碼保護(hù)機(jī)制。數(shù)字化平臺(tái)中采用了用戶密碼登錄保護(hù)機(jī)制，對(duì)于連續(xù)5次密碼輸入錯(cuò)誤的用戶，會(huì)1小時(shí)內(nèi)禁止訪問(wèn)，并提示找回密碼，防止第三方進(jìn)行撞庫(kù)攻擊。

g.CSRF和XSS保護(hù)。數(shù)字化平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)提交加入了csrftoken驗(yàn)證機(jī)制和XSS保護(hù)機(jī)制，有效防止了跨站攻擊。

1.4 系統(tǒng)功能

該平臺(tái)的硬件通過(guò)服務(wù)器和存儲(chǔ)集中部署，系統(tǒng)架構(gòu)采用省、市、項(xiàng)目部三級(jí)架構(gòu)；軟件是基于C/S框架開(kāi)發(fā)的。其總體功能如下所述。

1.4.1 技術(shù)管理規(guī)范化

開(kāi)展基于BIM技術(shù)的三維建模，在建筑內(nèi)進(jìn)行三維漫游，完美展示項(xiàng)目的空間結(jié)構(gòu)，落實(shí)18項(xiàng)措施、規(guī)定和規(guī)范，提前檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙錯(cuò)、漏、撞等問(wèn)題。同時(shí)，基于BIM技術(shù)創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型(包括土建、結(jié)構(gòu)和電氣)要求設(shè)計(jì)深度不低于LOD300。在建模過(guò)程中，應(yīng)檢查設(shè)計(jì)圖紙，利用THE-BIM模型檢查各專業(yè)圖紙之間的匹配性，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)、漏、撞、缺等問(wèn)題，并形成校準(zhǔn)報(bào)告。

1.4.2 安全管理標(biāo)準(zhǔn)化

落實(shí)國(guó)家電網(wǎng)公司安全文明施工設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化配置要求，模擬現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工設(shè)施整體布局和2個(gè)項(xiàng)目部的標(biāo)準(zhǔn)化配置，協(xié)助優(yōu)化臨時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)的方案。

1.4.3 質(zhì)量管理精細(xì)化

通過(guò)手機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍照、錄音、文字記錄質(zhì)量情況，同時(shí)關(guān)聯(lián)相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、記錄留存。此外，在模型中嵌入標(biāo)準(zhǔn)工藝、質(zhì)量控制措施或工作流程指令，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量可控。

1.4.4 進(jìn)度管理可控化

該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地檢查進(jìn)度的合理性，優(yōu)化進(jìn)度時(shí)限，跟蹤施工的進(jìn)程，隨時(shí)檢查進(jìn)度偏差，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4.5 成本管理清晰化

實(shí)現(xiàn)成本預(yù)算、動(dòng)態(tài)成本管理和合同規(guī)劃等功能。根據(jù)工程量的相關(guān)信息和市場(chǎng)上的工、料、機(jī)價(jià)格，利用BIM模型，形成成本預(yù)算；通過(guò)對(duì)項(xiàng)目收入項(xiàng)目成本和實(shí)際成本進(jìn)行階段性比較和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目支出問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)成本動(dòng)態(tài)控制；認(rèn)真分析收入合同的數(shù)量級(jí)，規(guī)劃分包成本，從項(xiàng)目源頭控制成本。

1.4.6 協(xié)作管理高效化

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合，實(shí)現(xiàn)“三端一云”(PC端、Web端、移動(dòng)端和云技術(shù))的協(xié)同管理。各類人員利用手機(jī)或ipad進(jìn)行云數(shù)據(jù)的共享和協(xié)作，進(jìn)一步提高管理效率。

2 項(xiàng)目與績(jī)效分析中的實(shí)際運(yùn)用

智能化施工平臺(tái)應(yīng)用于九江桃源110 kV變電站項(xiàng)目。在該平臺(tái)中，以變電站建設(shè)、土建工程、鋼結(jié)構(gòu)廠房和電氣設(shè)備為基礎(chǔ)，建立了三維可視化模型，并與施工過(guò)程中的安全、質(zhì)量、技術(shù)和圖紙等信息相關(guān)。將進(jìn)度計(jì)劃與成本預(yù)算管理相結(jié)合，協(xié)助管理人員進(jìn)行有效決策和精細(xì)化管理，從而達(dá)到縮短工期、控制成本、規(guī)范控制以及提高管理效率的目的。

2.1 管理效率

基于智能施工現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)的管理，可以快速、準(zhǔn)確地檢查施工進(jìn)度的合理性，優(yōu)化計(jì)劃工期，工期與上一年相比，縮短了25%；通過(guò)建立項(xiàng)目的三維模型，安全事故率比上年降低75%。平臺(tái)也可以提前優(yōu)化解決各類施工中出現(xiàn)的交叉問(wèn)題，生產(chǎn)效率比上年提高45%，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程的可預(yù)測(cè)、可控制、信息共享、協(xié)同工作和組合優(yōu)化。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)優(yōu)化工期，跟蹤施工進(jìn)度，縮短了工期，提前進(jìn)行3D模擬規(guī)劃，避免了各專業(yè)工種的交叉施工，安全、質(zhì)量和技術(shù)管理要求得到有效落實(shí)。與公司2018年數(shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)濟(jì)效益、施工效率分別提高了68%、43%；安全事故發(fā)生率、建設(shè)時(shí)間分別降低了78%、33%，如圖2所示。

圖2 智慧施工與傳統(tǒng)施工對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高現(xiàn)場(chǎng)管理的智能化水平，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)基于智能施工現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化管理平臺(tái)。首先，介紹了該平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)架構(gòu)。然后，從電網(wǎng)建設(shè)管理中的技術(shù)、安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本和協(xié)同管理等6個(gè)方面介紹了平臺(tái)的整體功能。最后，根據(jù)在九江桃源110 kV變電站工程中的實(shí)際應(yīng)用效果，建設(shè)和管理的效率明顯提高，成本支出較上年大大降低。結(jié)果表明，基于智慧工地的數(shù)字化管理平臺(tái)將發(fā)揮重大作用，在電網(wǎng)基建中具有廣闊的應(yīng)用前景。