基于BIM技術(shù)的特高壓數(shù)字化管控系統(tǒng)在變電站工程中的應(yīng)用

崔艷軍，陶 剛，丁偉翠

(1.北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120；2. 中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展與革新，對我國變電工程的施工和可視化管理提出了更高的要求[1-2]。特高壓變電站“智慧建設(shè)”是建立在高度的信息化基礎(chǔ)上，閆晗[3]等將“物聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用于施工建設(shè)的安全性和質(zhì)量等方面的研究；李云濤[4]等結(jié)合建筑工程實際案例闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧工地建設(shè)中的應(yīng)用；李建偉，李喻蒙[5]等研究數(shù)字孿生變電站利用專家知識、人工智能分析等技術(shù),研判分析傳感器采集的動態(tài)數(shù)據(jù)，實時診斷設(shè)備的健康狀態(tài)及異常發(fā)展趨勢，李偉[6]等通過精準(zhǔn)剖析輸變電工程安全管理存在的問題，構(gòu)建人員定位系統(tǒng)、現(xiàn)場管理制度機(jī)制和現(xiàn)場管理組織機(jī)構(gòu)三大部分的輸變電建設(shè)工程安全管理系統(tǒng)；姜英偉[7]等借助人工智能、BIM、RFID定位等前瞻性技術(shù)為智慧工地建設(shè)的安全管理提供了新的思路與方向；呂俞[8]等智慧建造及換流站智慧建設(shè)角度來分析某個過程的建設(shè)及應(yīng)用情況。而BIM技術(shù)在特高壓直流輸變電工程中逐步得到應(yīng)用，如昌吉.古泉±1 000 kV特高壓直流輸電工程和同里±800 kV特高壓換流站輸變電工程，但在特高壓變電工程整個施工的全過程管理方面，尚缺少被用戶普遍認(rèn)可的管理平臺和經(jīng)典案例。很多工程的實際應(yīng)用僅停留在質(zhì)量、安全或成本等方向輔助管理層面，不能有效指導(dǎo)全維度的施工，無法真正為管理者所應(yīng)用。因此一些工程中數(shù)字化平臺并未發(fā)揮出預(yù)想的效果，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)及研究的熱度在近幾年有所下降。

本文以南昌站1 000 kV變電站為實例，通過建設(shè)基于BIM技術(shù)的特高壓數(shù)字化管控系統(tǒng)，以BIM模型構(gòu)建變電站三維場景作為載體，全面應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)，以解決工程模型與應(yīng)用功能的割裂問題，降低平臺操作門檻，實現(xiàn)變電站施工過程的進(jìn)度、安全、質(zhì)量、人員和技術(shù)等要素的全生命周期管理，提出一種更符合實際便于特高壓施工現(xiàn)場管理的思路，提升特高壓工程現(xiàn)場信息化、智能化管理水平，有力支撐特高壓管控系統(tǒng)的持續(xù)完善，夯實特高壓工程管控模式，安全穩(wěn)步推進(jìn)特高壓工程建設(shè)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

依托基于BIM技術(shù)的特高壓數(shù)字化管控系統(tǒng)的建設(shè)，打造工程建設(shè)全生命周期管理的智能“大腦”，實現(xiàn)對進(jìn)度、安全、質(zhì)量、設(shè)計、物資、環(huán)水保等多方面進(jìn)行管控。對現(xiàn)場管控形成有利的支撐，持續(xù)提高特高壓工程質(zhì)量建設(shè)。其架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)圖

系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、用戶層四個層次。

1)感知層：利用各類終端采集設(shè)備解決數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)工程建設(shè)過程中各類要素信息的自動采集，實現(xiàn)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的全方位、立體式監(jiān)控。

2)網(wǎng)絡(luò)層：采用光纖、無線等多種通信技術(shù)，為基建現(xiàn)場視頻監(jiān)控、人車管理、安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場填報數(shù)據(jù)等回傳及分析提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)。

3)平臺層：分通用基礎(chǔ)服務(wù)和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，基于微服務(wù)架構(gòu)構(gòu)建各服務(wù)單元，基于三維GIS構(gòu)建數(shù)字化場景，基于視頻及物聯(lián)平臺構(gòu)建現(xiàn)場物聯(lián)數(shù)據(jù)接入、邊緣計算AI分析及視頻接入轉(zhuǎn)發(fā)等感知層數(shù)據(jù)獲取。

4)用戶層：支持移動端、PC端和網(wǎng)頁多種應(yīng)用形式相結(jié)合的應(yīng)用體系。

2 平臺功能

數(shù)字化管控系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 數(shù)字化管控系統(tǒng)功能

1)數(shù)字化場景：根據(jù)設(shè)計院GIM格式的模型建立變電站三維數(shù)字化場景，通過現(xiàn)場側(cè)各種感知設(shè)備的接入，實現(xiàn)變電站數(shù)字化場景與各個功能的聯(lián)動和交互，便于變電站形象化展示和管理賦能。

2)進(jìn)度管理：通過進(jìn)度計劃、里程碑計劃的管理和施工進(jìn)度計劃的在線填報，實現(xiàn)對項目進(jìn)度的把控。通過時間軸模擬工程從開工至竣工的全過程建設(shè)場景實現(xiàn)施工進(jìn)度可視化推演，根據(jù)報送的施工進(jìn)度模擬當(dāng)前進(jìn)度下的工程三維場景，支持對進(jìn)度進(jìn)行偏差分析和告警。

3)安全管理：實現(xiàn)對施工作業(yè)人員和工器具入場管理，通過現(xiàn)場視頻監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)違規(guī)行為的記錄，借助現(xiàn)場施工作業(yè)票實現(xiàn)對作業(yè)風(fēng)險的統(tǒng)計分析，便于業(yè)主對施工作業(yè)安全進(jìn)行可視化把控。

4)質(zhì)量管理：采集現(xiàn)場質(zhì)量檢查信息，輔助開展質(zhì)量驗評、過程驗收、實測實量等內(nèi)容，對檢查信息進(jìn)行跟蹤閉環(huán)。

5)設(shè)計管理：設(shè)計單位對變電站設(shè)計圖紙卷冊進(jìn)行上傳發(fā)布，平臺記錄圖紙的交底狀態(tài)，對變電站的設(shè)計成果進(jìn)行歸檔管理，支撐用戶對三維場景進(jìn)行瀏覽。

6)物資管理：對變電站施工的所需甲供和乙供物資進(jìn)行分析和預(yù)判，為工程施工所需物資的到貨情況進(jìn)行跟蹤，協(xié)助管理人員開展物資維護(hù)的工作。

7)環(huán)水保管理：通過環(huán)水保監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對變電站施工作業(yè)環(huán)境的精確監(jiān)控和分析，便于支持變電站進(jìn)行環(huán)水保分析，滿足對站端施工環(huán)境控制要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1) BIM技術(shù)

BIM 技術(shù)[9]是一種多維(三維空間、四維時間、五維成本、N維應(yīng)用)模型信息集成技術(shù)，在項目從概念產(chǎn)生到完全拆除的整個生命周期內(nèi)都能在模型中操作信息和在信息中操作模型，實現(xiàn)在建設(shè)項目全周期提高工作和質(zhì)量以及減少錯誤和風(fēng)險的目標(biāo)。

2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念是把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。他是以感知為前提，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[10-11]。物聯(lián)網(wǎng)是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有以下關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、智能技術(shù)和納米技術(shù)。

3)視頻智能圖像識別

圖像識別技術(shù)[12]是人工智能的一個重要領(lǐng)域，它是指對圖像進(jìn)行對象識別，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對像的技術(shù)。它是立體視覺、運動分析、數(shù)據(jù)融合等實用技術(shù)的基礎(chǔ)，在導(dǎo)航、地圖與地形配準(zhǔn)、自然資源分析、天氣預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、生理病變研究等許多領(lǐng)域重要的應(yīng)用價值。

4 實施案例

4.1 數(shù)據(jù)采集

為充分利用信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與BIM可視化優(yōu)勢，本平臺集成視頻監(jiān)控、人員車輛管理、水土保持在線監(jiān)測等系統(tǒng)，將工程現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)實時傳入系統(tǒng)后臺中進(jìn)行計算并供后臺調(diào)用，促進(jìn)施工管理數(shù)字化、智能化、可視化相關(guān)功能的實現(xiàn)。

1)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為支持現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的需求，視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前在進(jìn)出關(guān)鍵位置安裝監(jiān)控攝像頭，利用BIM+GIS技術(shù)，通過調(diào)用視頻服務(wù)器，可將工程現(xiàn)場攝像頭與平臺的三維場景進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對工程項目施工現(xiàn)場的工程質(zhì)量、現(xiàn)場操作、施工安全、環(huán)境衛(wèi)生、人員安全管理等方面進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)監(jiān)控畫面的實時播放和歷史視頻查閱。監(jiān)控系統(tǒng)可以靈活360°旋轉(zhuǎn)觀察工程各位置細(xì)節(jié)，處理隨機(jī)事件，效果如圖3所示，利用系統(tǒng)大屏可直接與各區(qū)域負(fù)責(zé)人進(jìn)行實時通訊，在業(yè)主項目部即可實現(xiàn)對人員的現(xiàn)場對講指揮。針對重點或施工危險性較高的區(qū)域可利用視頻監(jiān)控、體征監(jiān)測等技術(shù)對施工作業(yè)人員工作狀態(tài)(包括人員精神狀態(tài)、心跳、體溫等，是否佩戴安全帽或人員倒地)進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

2)人員車輛管理系統(tǒng)

通過接入現(xiàn)場人員和車輛管理系統(tǒng)，可獲取人員和車輛出入情況，在系統(tǒng)中人員車輛模塊實時顯示各監(jiān)測區(qū)域人員和車輛出入數(shù)據(jù)。并利用定位技術(shù)對工程車輛進(jìn)行實時定位、路徑記錄，支持在平臺上實現(xiàn)三維可視化管理。在施工現(xiàn)場出入口加裝車牌識別系統(tǒng)，對經(jīng)常出入工地車輛的車牌號碼及外觀進(jìn)行后臺登記到“白名單”中，并自動采集車輛出入記錄并上傳出入影像記錄至平臺，對于陌生車輛進(jìn)入施工區(qū)域可后利用自動監(jiān)測識別功能進(jìn)行報警提醒。

3)水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)

在變電站布設(shè)固定微氣象監(jiān)測設(shè)備和水土流失監(jiān)測設(shè)備，采用LoRa通信技術(shù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用公網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)實時獲取微氣象和水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)及坡度、土壤容重因子等數(shù)據(jù)，可以對整體及特殊設(shè)備安裝施工提供風(fēng)速、溫度、濕度、雨量、水土流失量、噪聲、PM2.5等超過閾值報警，報警結(jié)果在平臺上進(jìn)行展示，并將報警結(jié)果推送給相關(guān)人員，保證相關(guān)人員及時掌握現(xiàn)場環(huán)境情況。

4.2 工程應(yīng)用

本平臺管理功能旨在利用系統(tǒng)平臺以簡單、直觀、高效的方式合理組織施工，滿足指揮、調(diào)度、協(xié)調(diào)、組織、管理的功能要求，為輔助工程管理人員進(jìn)行決策做好基礎(chǔ)。

1) BIM模型與傳感信息集成

變電站及地形模型是系統(tǒng)三維可視化管理的基礎(chǔ)，結(jié)合BIM設(shè)計成果、工程影像和地形數(shù)據(jù)，采用三維數(shù)字化和GIS技術(shù)建立涵蓋工程地形和關(guān)鍵設(shè)施布置的三維模型[13-14]，三維場景如圖4所示(視頻監(jiān)控點是固定，而風(fēng)險作業(yè)點和危大部位監(jiān)測是現(xiàn)場人員使用時才出現(xiàn))，將現(xiàn)場視頻、危大部位、微氣象和水土流失監(jiān)測等物聯(lián)傳感設(shè)備跟三維場景進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與三維BIM場景的深度融合，較傳統(tǒng)工程設(shè)計方法可更好地實現(xiàn)工程設(shè)計與管理協(xié)同作業(yè)，滿足現(xiàn)場施工技術(shù)交底和方案溝通需求，為施工和設(shè)計、監(jiān)理人員建設(shè)過程中溝通匯報提供形象化的支撐。

圖4 變電站三維場景

2)進(jìn)度偏差分析

進(jìn)度偏差分析是進(jìn)度管理中重要的一環(huán)，是對前期進(jìn)度數(shù)據(jù)分析的直觀展示，是管理決策的重要支撐。根據(jù)施工進(jìn)度計劃中的重要施工時間節(jié)點要求，對比施工實際進(jìn)度現(xiàn)狀，如果發(fā)現(xiàn)實際施工進(jìn)度低于進(jìn)度計劃的臨界值，則進(jìn)行施工進(jìn)度預(yù)警，如圖5所示，針對具體工序階段以不同顏色的進(jìn)度條直觀反映工序施工進(jìn)度的正常、超前、滯后等施工狀態(tài)，加強(qiáng)計劃與進(jìn)度對比分析，便于決策者實時調(diào)整工作順序保證工程能按時完工。

圖5 進(jìn)度偏差分析

3) AI智能圖像識別

對于變電站違章施工依靠傳統(tǒng)的人工管理方式，既耗時又費勁，不能滿足新形勢下建設(shè)的需要，通過施工現(xiàn)場各類違章行為的大量圖像構(gòu)建數(shù)據(jù)樣本庫，利用智能算法提取違章行為的關(guān)鍵特征，形成違章行為的典型標(biāo)本特征。在視頻監(jiān)控過程中對視頻圖像的匹配分析，監(jiān)測現(xiàn)場是否存在違章行為，可實現(xiàn)對未穿戴工作服、抽煙、未佩戴安全帽、禁區(qū)闖入等行為進(jìn)行分析，統(tǒng)計各類違章行為的發(fā)生頻率[15]。讓管理人員能及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施工的問題，實現(xiàn)特高變電站建設(shè)智慧化和數(shù)字化管理，達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)。

4) 危大部位監(jiān)測

利用現(xiàn)場的物聯(lián)智能感知設(shè)備，對設(shè)備安裝危大部位的沉降、位移和傾角進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，平臺可實現(xiàn)分秒級預(yù)測危大部位的沉降、位移和傾角變化，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，會及時發(fā)出告警信息，以便施工人員作出相應(yīng)的補(bǔ)救措施，保證施工質(zhì)量和人身安全。其沉降監(jiān)測變化如圖6所示。

圖6 沉降監(jiān)測變化趨勢圖

5 結(jié)論

本項目基于BIM技術(shù)及物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)分析、激光掃描等先進(jìn)創(chuàng)新手段，利用設(shè)計單位BIM設(shè)計成果完成三維場景與物聯(lián)傳感的融合，提出了涵蓋進(jìn)度、安全、質(zhì)量、設(shè)計、物資、環(huán)水保等模塊的數(shù)字化管控系統(tǒng)，能讓特高壓站建設(shè)各方主動去使用該系統(tǒng)來開展現(xiàn)場側(cè)的管理工作，提升特高壓工程現(xiàn)場信息化、智能化管理水平。主要有如下優(yōu)點：1)立體展示站址周邊環(huán)境、交通道路、地下樁位、建筑、設(shè)備等，支持查看與模型關(guān)聯(lián)的物聯(lián)傳感設(shè)備的信息。2)以模型為基礎(chǔ)結(jié)合施工進(jìn)度數(shù)據(jù)在BIM數(shù)字化場景中實現(xiàn)建設(shè)過程的動態(tài)模擬。實現(xiàn)進(jìn)度偏差分析，以甘特圖方式實現(xiàn)實時進(jìn)度自動統(tǒng)計、實時進(jìn)度和偏差展示，預(yù)警關(guān)鍵路徑變化情況。3)實現(xiàn)對危大部位監(jiān)測情況，對異常情況預(yù)警。4)利用BIM設(shè)計成果開展施工交底和實現(xiàn)施工方案管理。不足之處在建設(shè)時間緊張，視頻圖像識別受環(huán)境的影響，分析效果未能實現(xiàn)最佳效果。經(jīng)工程實踐證明，該系統(tǒng)可極大地提高工程管理效率，有效提升變電工程建設(shè)及運營一體化管控能力，實現(xiàn)工程建設(shè)的精細(xì)化管理。