基于數(shù)字孿生的電力施工風(fēng)險作業(yè)分析研究

潘靜娟,萬 浩,吳沁林,徐浚哲,施政奇

(國網(wǎng)南通供電分公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

近年來，國內(nèi)發(fā)生的基建項目安全事故不僅造成了重大的人身傷亡，也給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響[1-3]。為此，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局加大對基建項目的監(jiān)管力度，出臺了多個安全監(jiān)管文件，以提高基建施工安全監(jiān)督管理水平[4-5]。電力施工具有高空、施工難度大、施工周期長等特點[6]。其高危風(fēng)險作業(yè)分析對于預(yù)防安全事故發(fā)生具有積極的意義。傳統(tǒng)的高危風(fēng)險作業(yè)分析依賴安全員人工進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)管，存在高危風(fēng)險作業(yè)識別率低、隱患大等問題[7-8]。因此，亟需通過信息化手段，實現(xiàn)電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析。

國內(nèi)外許多學(xué)者對電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析作了大量研究。文獻(xiàn)[9]提出了1種基于安全閉環(huán)管理的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法，通過安全質(zhì)量閉環(huán)管控，查找電力施工高危風(fēng)險。文獻(xiàn)[10]提出了1種基于風(fēng)險因素辨識的施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法，通過挖掘風(fēng)險源辨識、風(fēng)險事件辨識中的信息，建立風(fēng)險評估體系。文獻(xiàn)[11]提出了1種基于風(fēng)險管理體系的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法，通過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險管理流程對高危風(fēng)險進(jìn)行管控。文獻(xiàn)[12]提出了1種基于作業(yè)流程管控的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法，通過改進(jìn)電力施工的流程，提高了電力施工高危風(fēng)險分析能力。文獻(xiàn)[13]提出了1種基于盾構(gòu)風(fēng)險管控的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法，通過辨識盾構(gòu)風(fēng)險源，對電力施工高危風(fēng)險進(jìn)行分析。由此可見，電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法多樣，且取得了一定的成績。但上述研究中缺少對施工現(xiàn)場環(huán)境的還原，安全風(fēng)險點標(biāo)注不完整。

針對電力施工中存在的高危風(fēng)險作業(yè)能力識別率低、隱患大的問題，本文提出了1種基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法。在進(jìn)行數(shù)字孿生三維建模的基礎(chǔ)上，標(biāo)注施工安全的風(fēng)險點，并將攝像頭獲取的施工圖像數(shù)據(jù)與最佳作業(yè)條件庫的閾值進(jìn)行比較，從而在出現(xiàn)施工狀態(tài)異常時進(jìn)行告警。

1 電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析框架

電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析框架如圖1所示。

本文所述的基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析主要包括建立電力施工現(xiàn)場三維模型、標(biāo)注安全風(fēng)險點、建立最佳作業(yè)條件庫、施工人員行為分析這4個環(huán)節(jié)。

在建立電力施工現(xiàn)場三維模型環(huán)節(jié)，首先通過對電力施工現(xiàn)場實物的運行信息提取獲取電力施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)模型[14]，并以數(shù)字化檢測獲取電力施工現(xiàn)場的量測信息。然后，將數(shù)據(jù)模型和量測信息進(jìn)行融合，并對施工現(xiàn)場進(jìn)行仿真。最后，生成電力施工現(xiàn)場的三維模型。

在標(biāo)注安全風(fēng)險點環(huán)節(jié)，通過層次細(xì)節(jié)模型(level of detail,LOD)[15]對電力施工風(fēng)險的關(guān)鍵點進(jìn)行標(biāo)注。

在建立最佳作業(yè)條件庫環(huán)節(jié)，依據(jù)歷史的電力施工現(xiàn)場的施工步驟、施工安全措施、施工環(huán)境影響因素等信息，建立最佳作業(yè)條件和預(yù)警范圍。

在施工人員行為分析環(huán)節(jié)，通過施工現(xiàn)場攝像頭和施工人員安全帽提取施工人員的行為特征，并將施工人員的行為特征與最佳作業(yè)條件庫的閾值進(jìn)行比較，在出現(xiàn)風(fēng)險時作高危風(fēng)險告警。

2 電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析建模

2.1 電力施工現(xiàn)場三維模型建立

數(shù)字孿生技術(shù)是在航空航天飛機的信息鏡像模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器等數(shù)據(jù)，通過多尺度的仿真，將實體空間的物體在虛擬空間中建立映射關(guān)系。數(shù)字孿生技術(shù)可用于電力施工現(xiàn)場的安全管理[16-17]。

基于電力施工現(xiàn)場三維模型，在項目設(shè)計階段，可利用三維模型的直觀性提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙問題，并在項目開工前規(guī)避這些問題。正式開工前，通過對場地布置的三維建模，可分析項目材料的堆放、設(shè)備的進(jìn)場，得出最佳布場方案。在施工準(zhǔn)備階段，可通過碰撞檢測及凈高分析，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理的地方及各專業(yè)之間的碰撞問題，并通過施工深化設(shè)計對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，提前解決施工過程中會產(chǎn)生的問題?；谌S技術(shù)搭建協(xié)同管理平臺，并將模型與清單進(jìn)行關(guān)聯(lián)?；谌S數(shù)字化模型聯(lián)動性的特點，設(shè)計變更后通過修改模型可快速統(tǒng)計出工程量的變化。設(shè)計開發(fā)變更流程管理功能是通過平臺管理變更流程，實時掌握變更的處理情況。

電力施工現(xiàn)場三維模型建立分為5個步驟。

①電力施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)提取。

電力施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，通過降維、去噪方法，可有效提取電力施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

設(shè)電力施工現(xiàn)場的三維模型的邊分別為A、B和C，規(guī)整的路徑有n個，則時間規(guī)整的取值范圍為：

Max(|A|,|B|,|C|)≤n≤|A|+|B|+|C|

(1)

設(shè)電力施工現(xiàn)場三維模型邊坐標(biāo)為j、強度坐標(biāo)為k、動態(tài)規(guī)整路徑為Ue，則最佳的規(guī)整路徑U(j,k)為：

(2)

②電力施工現(xiàn)場數(shù)字化檢測。

通過計算、通信和控制技術(shù)的深度融合，實現(xiàn)電力施工現(xiàn)場數(shù)字化檢測。這將有利于虛擬空間的數(shù)據(jù)與物理空間的深度融合，從而實現(xiàn)電網(wǎng)施工現(xiàn)場實體的智能化。

③電力施工數(shù)據(jù)實體仿真。

從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)等電力施工的全流程進(jìn)行仿真，實現(xiàn)電力施工的信息流、施工進(jìn)度、風(fēng)險等數(shù)字化集成。

④電力施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)特征關(guān)聯(lián)。

建立電力施工現(xiàn)場內(nèi)在機理模型，實現(xiàn)電力施工現(xiàn)場的實體與虛擬空間模型的連接。

⑤電力施工三維模型建立。

采用數(shù)字孿生技術(shù)，在電力施工全生命周期中的仿真、預(yù)測和優(yōu)化流程，建立電力施工三維模型。

2.2 安全風(fēng)險點標(biāo)注

LOD模型是細(xì)節(jié)優(yōu)化模型。在電力施工三維圖形中，在不影響施工場景三維視覺效果的前提下，可采用逐層簡化施工場景細(xì)節(jié)的方式來減少電力施工現(xiàn)場的復(fù)雜性。LOD模型可有效應(yīng)用于安全風(fēng)險點的標(biāo)注[18]。

設(shè)：電力施工三維場景中的高危風(fēng)險點的三維點位為a1,a2,...,am。其中：m為高危風(fēng)險點的三維點位總數(shù)；電力施工三維的條件因子為fb。電力施工三維場景中的高危風(fēng)險點Pb為：

(3)

通過式(3)，可標(biāo)注電力施工三維場景中的高危風(fēng)險點。

2.3 最佳作業(yè)條件庫建立

建立電力施工最佳作業(yè)條件庫主要考慮在電力高危風(fēng)險作業(yè)施工前對其作業(yè)范圍進(jìn)行劃分[19]，以及電力施工人員的施工步驟、施工安全措施和施工環(huán)境影響。電力施工最佳作業(yè)條件庫如表1所示。表1中，閾值通過專家經(jīng)驗值確認(rèn)。

表1 電力施工最佳作業(yè)條件庫表

閾值的確定依據(jù)權(quán)重法，設(shè)：電力施工權(quán)重為w=(w1,w2，...,ws)，s為閾值的總數(shù)；f為聚類中心個數(shù)；Eα為聚類的中心值;kb為特征值；Ga為中心單個指標(biāo)貢獻(xiàn)度。

(4)

電力施工閾值Δa為：

(5)

2.4 施工人員行為分析

在施工人員行為分析中，結(jié)合施工人員的5G安全帽的定位位置和電力施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控確定監(jiān)控范圍[20]。平臺在三維模型的基礎(chǔ)上，通過5G安全帽定位施工人員的坐標(biāo)信息，在三維模型中標(biāo)注施工人員的位置。平臺控制攝像頭調(diào)取施工人員最佳監(jiān)控位置，從而實現(xiàn)對電力施工現(xiàn)場人員的實時監(jiān)控。

設(shè)通過施工人員5G安全帽監(jiān)控的視頻信息Zk為km×kn像素的矩陣視頻。設(shè)傾斜旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)角度后的視頻為Zs、5G安全帽監(jiān)控的視頻橫切面邊緣為Ux、視頻縱切面邊緣為Uy、電力施工現(xiàn)場視頻的幀率為θ，則經(jīng)過電力施工現(xiàn)場數(shù)字孿生模型與5G安全帽監(jiān)控視頻擬合后的數(shù)據(jù)Pv為：

(6)

擬合后的數(shù)據(jù)有效值為：

Zsj(Ux,Uy)=0≤Ux,Uy≤θ

(7)

同時，接入溫濕度、風(fēng)力等傳感器數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)、施工環(huán)境數(shù)據(jù)與最佳作業(yè)條件的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)施工人員偏離而出現(xiàn)安全隱患，系統(tǒng)會進(jìn)行高危風(fēng)險告警，并通知相關(guān)作業(yè)人員，以輔助施工現(xiàn)場安全管理。

3 仿真流程

通過對電力施工三維模型添加信息，利用三維模型對施工技術(shù)方案進(jìn)行模擬預(yù)演。這不僅可以直觀地表達(dá)設(shè)計效果，還可以檢測施工過程中高危風(fēng)險作業(yè)問題，以提前發(fā)現(xiàn)、規(guī)避問題。電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析仿真流程如圖2所示。

電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析仿真步驟如下。

①通過電力現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)建立電力現(xiàn)場施工三維模型。

②標(biāo)記電力現(xiàn)場施工的安全風(fēng)險點。

③依據(jù)歷史的電力施工現(xiàn)場的施工步驟、施工安全措施、施工環(huán)境影響因素等信息，建立最佳作業(yè)條件和預(yù)警范圍。

④將施工人員的行為特征與作業(yè)條件庫的閾值進(jìn)行比較，在出現(xiàn)風(fēng)險時進(jìn)行告警。

4 算例分析

為驗證本文所提基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法的有效性，在某地區(qū)電力現(xiàn)場施工中進(jìn)行了驗證。本文所提方法采用的計算機系統(tǒng)環(huán)境為Windows10，處理器為intel 酷睿8核2.8 GHz，內(nèi)存為16 GB。

①電力施工高危風(fēng)險作業(yè)運行時長。

電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析模型的運行時長是反映高危風(fēng)險模型處理性能的核心指標(biāo)。電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析模型的分析時長越短，則模型處理任務(wù)的速度越快。

試驗分別選擇5條、8條、10條、30條、50條、80條、100條、200條電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析數(shù)據(jù)，采用本文所提基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法與盾構(gòu)風(fēng)險模型對比模型運行時長。電力施工高危風(fēng)險作業(yè)運行時長對比如表2所示。

表2 電力施工高危風(fēng)險作業(yè)運行時長對比表

由表2可知，本文所提的基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法在風(fēng)險識別時長方面短于盾構(gòu)風(fēng)險模型。

②電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析準(zhǔn)確率。

電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析準(zhǔn)確率是風(fēng)險識別的核心指標(biāo)。其計算方式是風(fēng)險分析正確的數(shù)量與分析總數(shù)的比值。該比值越高，說明分析效果越好。

試驗分別選擇1 000條、2 000條、3 000條、5 000條、6 000條、8 000條、10 000條電力施工高危風(fēng)險數(shù)據(jù)，采用本文所提基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法與盾構(gòu)風(fēng)險模型對比識別準(zhǔn)確率。電力施工高危風(fēng)險分析準(zhǔn)確率對比如圖3所示。

由圖3可知，本文所提基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法在風(fēng)險識別準(zhǔn)確率方面優(yōu)于盾構(gòu)風(fēng)險模型。

③電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析結(jié)果。

采用本文所提基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法進(jìn)行高危作業(yè)風(fēng)險分析，可知風(fēng)險點在變電站間隔區(qū)域。

5 結(jié)論

為解決電力施工中存在的高危風(fēng)險作業(yè)識別率低、隱患大的問題，本文提出了1種基于數(shù)字孿生的電力施工高危風(fēng)險作業(yè)分析方法。首先，通過數(shù)字孿生技術(shù)建立電力現(xiàn)場的三維模型，并標(biāo)注施工安全的風(fēng)險點和建立最佳作業(yè)條件庫。然后，將施工現(xiàn)場人員5G安全帽定位傳感器信息與虛擬環(huán)境中人員三維模型進(jìn)行綁定，實時監(jiān)控施工現(xiàn)場作業(yè)人員的位置信息并進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)險時進(jìn)行告警。最后，將本文所提方法應(yīng)用在某地區(qū)電力施工現(xiàn)場，其運行結(jié)果驗證了該方法的有效性。下一步研究將結(jié)合語言技術(shù)，實現(xiàn)在電力施工高危風(fēng)險時對電力施工現(xiàn)場人員的語音提示。