BIM技術(shù)優(yōu)化的特高壓換流站電氣安裝方法

李天佼 陳楠 王萬平

摘 要：為解決特高壓換流站電氣安裝工作量大、難度高等問題，設(shè)計(jì)了基于BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝方法。通過電力管線BIM模型創(chuàng)建，對(duì)安裝中的管線進(jìn)行精準(zhǔn)排布，保證特高壓換流站電氣安裝效果；結(jié)合BIM技術(shù)和遺傳算法進(jìn)行安裝資源均衡優(yōu)化，并選取合適的適應(yīng)度函數(shù)和遺傳操作優(yōu)化電氣安裝進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)更好的特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：其能解決特高壓換流站電氣安裝中存在的各種問題，并且實(shí)時(shí)掌握安裝進(jìn)度，對(duì)各個(gè)階段的安裝成本進(jìn)行管控。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；特高壓換流站；電氣安裝；遺傳算法；4D模型；適應(yīng)度函數(shù)

中圖分類號(hào)：TM277；TM72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0179-05

BIM technology optimized method for electrical installation in ultra-high voltage converter stations

LI Tianjiao1，CHEN Nan2，WANG Wanping3

（1.UHV Construction Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China;

2.Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 201101，China;

3.Shanghai Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200041，China

）

Abstract：In order to solve the problems of heavy workload and high difficulty in electrical installation of UHV converter station，an electrical installation method based on BIM Technology was designed.The BIM model of power pipeline was created to accurately arrange the pipelines in installation，so as to ensure the electrical installation effect of UHV converter station.Combined with BIM Technology and genetic algorithm，the installation resource balance optimization was carried out，and the appropriate fitness function and genetic operation were selected to optimize the electrical installation progress，so as to achieve better electrical installation progress control of UHV converter station.The experimental results showed that this method could solve various problems existing in the electrical installation of UHV converter station，master the installation progress in real time，and control the installation cost of each stage.

Key words：BIM technology;UHV converter station;electrical installation;genetic galgorithm;4D model;fitness function

隨著國(guó)家配電網(wǎng)規(guī)模的增加，電力的全面覆蓋，電力正常運(yùn)作已經(jīng)成為保障居民日常生活的關(guān)鍵，肩負(fù)著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的關(guān)鍵使命［1］。目前，用戶用電量的不斷增加、電流的不穩(wěn)定性以及電源的廣泛分布，電力事故頻發(fā)。因此，需要安裝特高壓換流站電氣進(jìn)行電壓控制，保證電力正常運(yùn)作［2］。然而由于該設(shè)施規(guī)模龐大、散布范圍廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，導(dǎo)致其安裝工作量巨大?，F(xiàn)有的特高壓換流站安裝技術(shù)，如文獻(xiàn)［3］提出的特高壓柔性直流換流站直流側(cè)電氣接線方，耗費(fèi)成本較高，安全性低；文獻(xiàn)［4］提出的基于LCC的高壓直流輸電換流站無功功率控制策略研究［4］，難以進(jìn)行及時(shí)搶修，影響電力的恢復(fù)進(jìn)度，已經(jīng)不能發(fā)揮特高壓換流站的安裝作用。因此需在此基礎(chǔ)上運(yùn)用新的技術(shù)完成安裝。

本文研究了基于BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝。通過對(duì)模型的構(gòu)建、流程的展示為管理者提供更清晰的安裝結(jié)構(gòu)，明確安裝流程及安裝進(jìn)度，有效控制成本。

1 BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝方法

1.1 BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝結(jié)構(gòu)

特高壓換流站電氣安裝BIM模型的建立主要由設(shè)計(jì)單位完成，經(jīng)過業(yè)主方、施工方等各建模單位，根據(jù)固定的標(biāo)準(zhǔn)和BIM軟件平臺(tái)，進(jìn)行BIM安裝模型維護(hù)，并且對(duì)于要安裝的特高壓換流站電氣自身特點(diǎn)進(jìn)行信息共享與應(yīng)用［1］。應(yīng)用BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝時(shí)，通過建立特高壓換流站電氣安裝的BIM模型及4D模型，減少時(shí)間成本、提高效率并完善安裝計(jì)劃，完成特高壓換流站電氣安裝［2］。在進(jìn)行具體安裝時(shí)從數(shù)據(jù)層開始采集特高壓換流站電氣安裝信息，通過BIM軟件平臺(tái)，建立BIM安裝模型，經(jīng)過統(tǒng)一安裝標(biāo)準(zhǔn)的模型信息分析應(yīng)用，在目標(biāo)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)特高壓換流站電氣安裝。基于BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 基于BIM技術(shù)的電氣安裝步驟

BIM技術(shù)應(yīng)用于特高壓換流站電氣安裝具體包括BIM電氣安裝模型建立、模型信息集成、技術(shù)應(yīng)用3個(gè)部分。

（1）建立BIM電氣安裝模型。在進(jìn)行特高壓換流站電氣安裝時(shí)，利用數(shù)據(jù)接口對(duì)安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行互換，并將其注入由設(shè)計(jì)單位提供的符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的BIM軟件建立的模型。采用3D信息模型對(duì)特高壓換流站電氣進(jìn)行安裝，該模型主要利用Tekla軟件中Tekla structures鋼結(jié)構(gòu)深化模塊直接構(gòu)建的［3］。采用的Tekla軟件中包含新建基礎(chǔ)混凝土構(gòu)件、L型角鋼構(gòu)件、螺栓等構(gòu)成安裝關(guān)鍵部件的快捷工具欄，方便模型構(gòu)建。首先需要在Tekla structures鋼結(jié)構(gòu)深化模塊建立軸線，便于新建模型過程操作的工作區(qū)與視圖，再按照特高壓換流站電氣安裝圖分段建模，新建本體構(gòu)建時(shí)雙擊屬性錄入電氣部件的工程參數(shù)、物理屬性等信息，各分段建好后形成包含安裝特高壓換流站電氣所有參數(shù)信息的BIM模型。

完成三維模型建立后，通過工作分解結(jié)構(gòu)（WBS），得到特高壓換流站電氣安裝樹狀結(jié)構(gòu)。將特高壓換流站電氣安裝計(jì)劃對(duì)應(yīng)到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，就創(chuàng)建完成了對(duì)應(yīng)的安裝成本計(jì)劃、安裝進(jìn)度計(jì)劃［4］。通過BIM軟件中的WBS中的編輯功能在原有安裝模板的基礎(chǔ)上，完善安裝順序，并根據(jù)安裝計(jì)劃填充工序及工序節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工期計(jì)劃，建立安裝進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù)。在3D模型中的安裝結(jié)構(gòu)與安裝進(jìn)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深度挖掘，構(gòu)成了4D進(jìn)度信息模型。具體模型如圖2所示。

特高壓換流站電氣安裝工程4D模型是在CAD圖紙的基礎(chǔ)上建立的。在整個(gè)安裝過程中，通過4D安裝工程模型提供安裝動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中涵蓋了安裝步驟及安裝過程中需要的零部件信息、環(huán)境因素和立體圖像，并將信息實(shí)時(shí)傳輸給設(shè)計(jì)、業(yè)主方和施工方等單位［5］。各單位可以基于構(gòu)建的4D模型進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)信息交互與共享，大大提高了安裝效率、成本管控，促進(jìn)各單位協(xié)調(diào)溝通，便于解決安裝過程中存在的問題；

（2）模型信息集成。在完成BIM電氣安裝模型、4D模型建立后，需對(duì)完成的特高壓換流站電氣安裝模型進(jìn)行深度信息管理，形成包含多種信息的模型，主要通過信息集成平臺(tái)進(jìn)行信息集合處理，便于后期分析安裝中存在的突發(fā)問題。由于特高壓換流站電氣安裝與其他安裝工程存在較大安裝區(qū)別，因此需要不同的項(xiàng)目管理軟件來完成特高壓換流站電氣安裝信息集成，建立信息模型［6-7］。如BIM信息模型，可用于碰撞檢查，4D模型可對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行計(jì)劃模擬。利用BIM進(jìn)行特高壓換流站電氣安裝信息集成時(shí)，通過信息集成平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)信息集成環(huán)境，整合涉及各單位的信息模型，完成安裝工程與各參建單位之間的信息共享與數(shù)據(jù)傳輸；

（3）技術(shù)應(yīng)用。對(duì)特高壓換流站電氣安裝工程各信息模型進(jìn)行管理，主要通過各種軟件根據(jù)特高壓換流站電氣安裝需要和內(nèi)容進(jìn)行管理。本文根據(jù)現(xiàn)有BIM技術(shù)軟件和目前BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，主要在特高壓換流站電氣安裝工程效果、進(jìn)度和成本等方面進(jìn)行管控并不斷對(duì)每一個(gè)安裝步驟進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 BIM電氣管線安裝及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 電氣管線安裝

（1）在安裝特高壓換流站電氣過程中，電力設(shè)施管線布置是一項(xiàng)煩瑣的安裝工程，涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，如建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電等專業(yè)。因此安裝特高壓換流站電氣管線需提前設(shè)計(jì)出圖紙，根據(jù)圖紙信息明確電氣管線設(shè)計(jì)分布、理念和工作布置。施工總承包單位設(shè)立以機(jī)電專業(yè)為主，通過BIM模型［8］、4D模型，了解特高壓換流站電氣管線安裝特點(diǎn)和設(shè)計(jì)意圖，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行仔細(xì)勘察，尋找電氣管線布置不合理之處，及時(shí)提出解決方法，上報(bào)安裝單位和設(shè)計(jì)單位，進(jìn)行電氣管線圖紙布置信息最終確認(rèn)，為特高壓換流站電氣安裝管線做好前期準(zhǔn)備；

（2）研究人員通過BIM技術(shù)對(duì)初始圖紙的電力管線布局進(jìn)行確認(rèn)的同時(shí)，對(duì)圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，對(duì)即將建模存在的問題通過多方溝通進(jìn)行解決，構(gòu)建BIM三維模型；

（3） 根據(jù)特高壓換電站電氣安裝設(shè)備要求的不同和安裝進(jìn)度，對(duì)電氣管線圖紙進(jìn)行碰撞檢查，生成三維管線綜合圖，具體如圖3所示。

1.3.2 電氣管線安裝綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）完成BIM三維管線綜合的碰撞檢測(cè)工作后，對(duì)特高壓換流站電氣安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，利用三維激光掃描儀掃描提取特高壓換流站電氣尺寸，對(duì)影響電氣安裝的結(jié)構(gòu)偏差因素進(jìn)行及時(shí)更改；

（2） 聚集各個(gè)單位負(fù)責(zé)人召開協(xié)調(diào)會(huì)議，根據(jù)BIM模型和碰撞檢測(cè)情況報(bào)告反映綜合安裝電力管線碰撞情況，談判并確定制定適合特高壓換流站電氣安裝的管線綜合調(diào)整原則，便于下一步的電氣管線綜合調(diào)整和優(yōu)化工作；

（3） BIM技術(shù)深化設(shè)計(jì)人員在各單位配合下，根據(jù)管線綜合原則對(duì)管線和碰撞點(diǎn)進(jìn)行綜合調(diào)整和管線優(yōu)化。應(yīng)用BIM技術(shù)可在三維數(shù)字模型下，對(duì)特高壓換流站電氣安裝的布局結(jié)構(gòu)和管線走向進(jìn)行清晰展示，對(duì)安裝要求進(jìn)行提前布置，制定階段性管線成果報(bào)告；

（4） 模型綜合電力管線優(yōu)化后，結(jié)合各單位意見，進(jìn)行模型修正，對(duì)新提出的問題，繼續(xù)提出解決對(duì)策直至達(dá)到各單位要求，最終形成電力管線綜合協(xié)調(diào)模型。通過修正的模型既能滿足安裝過程中需要面對(duì)的高度問題，還能保證其使用空間的靈活性，便于后期對(duì)特高壓換流站電氣的檢測(cè)與維護(hù)。

1.4 基于BIM的電氣安裝進(jìn)度控制方法

1.4.1 遺傳算法輔助BIM電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化

在對(duì)特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化過程中，以人工智能領(lǐng)域中的遺傳算法為基礎(chǔ)，該算法的優(yōu)勢(shì)是能準(zhǔn)確求解各項(xiàng)進(jìn)度參數(shù)。BIM技術(shù)則可以實(shí)時(shí)探測(cè)到各項(xiàng)進(jìn)度參數(shù)的實(shí)際變化狀態(tài)［9］。若將兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行相互結(jié)合，能優(yōu)化當(dāng)前安裝方案?！肮て诠潭?資源均衡”的優(yōu)化是在總工期不變的基礎(chǔ)上，對(duì)工序作業(yè)的開始與結(jié)束時(shí)間進(jìn)行修改，促使資源達(dá)到相對(duì)均衡的過程。不僅可以減少工程花費(fèi)，更便于電氣安裝工作的組織與管理。衡量資源需用量不均衡程度有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是方差，另一個(gè)是極差，目前應(yīng)用方差作為優(yōu)化指標(biāo)較為常見。因此以資源的方差值最小作為目標(biāo)函數(shù)，將特高壓換流站電氣安裝過程中用到的某種主要資源作為優(yōu)化對(duì)象，構(gòu)建資源的最小差距函數(shù)，即BIM電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型［10］：

式中：T為電氣安裝總工期，R表示主要安裝資源類型，安裝工序?yàn)閕（i=1，2，…，n），Rkt表示在t時(shí)刻的資源k需求量；Rk為資源k的平均需求量;Rikt為工序i所對(duì)應(yīng)的資源k在t時(shí)刻的需求量;TEi、TLi、TSi分別為安裝工序i的最早開始時(shí)間、實(shí)際開始時(shí)間、最晚開始時(shí)間。

為使電氣安裝資源均衡達(dá)到最優(yōu)，需注意以下前提條件：

（1）在電氣安裝過程中，從開始到結(jié)束整個(gè)安裝工序不允許間斷，需保持其連續(xù)性；

（2）安裝進(jìn)度計(jì)劃中各項(xiàng)工作中單位時(shí)間所耗用的資源量為固定值，并且符合安裝用量；

（3）忽略施工技術(shù)、環(huán)境因素、管理水平等因素對(duì)安裝進(jìn)度的影響。

1.4.2 遺傳算法電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化求解

為不斷優(yōu)化BIM電氣安裝進(jìn)度，選取適應(yīng)度函數(shù)與遺傳操作2個(gè)重要因素填充模型。特高壓換流站電氣每一個(gè)安裝步驟的選擇進(jìn)化主要利用遺傳算法中的適應(yīng)度函數(shù)來進(jìn)行［11］，進(jìn)而尋找電氣安裝進(jìn)度的最優(yōu)化解。電氣安裝過程中2個(gè)重要的目標(biāo)：電氣安裝所耗費(fèi)的總時(shí)間短、安裝過程中各步驟平均所用時(shí)間短，因此定義2個(gè)適應(yīng)度函數(shù)：

f1i=1SCDiWj（6）

其中，種群規(guī)模為SCALE；資源數(shù)為WORKER；第i個(gè)個(gè)體中的第j個(gè)WORKER用Wj表示，第i個(gè)安裝步驟完成所用的總時(shí)間用SCDiWj表示。

f2i=meantimei=∑TASK±1taskTimet，iTASK（7）

式中：第i個(gè)個(gè)體完成第t個(gè)步驟時(shí)間為taskTime（t，i）;TASK為任務(wù)數(shù)推量。

特高壓換流站電氣安裝的總用時(shí)和安裝過程每一個(gè)步驟用時(shí)越短，適應(yīng)度值越小，選取的適應(yīng)度函數(shù)越合適，對(duì)特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度的優(yōu)化效果越好。

對(duì)模型適應(yīng)性的分析主要通過遺傳操作完成，該步驟也是完成特高壓換流站電氣安裝的主要流程。通過定義的2個(gè)適應(yīng)度函數(shù)分別計(jì)算出種群中每個(gè)個(gè)體的選擇概率：

P1i=f1i∑SCALE±f1j（8）

P2i=f2i∑SCALE±f2j （9）

從式（8）、式（9）中選取一個(gè)作為選取模型的選擇概率，種群中包含完成特高壓換流站電氣安裝總時(shí)間較短的模型和安裝流程中每一步驟平均所用時(shí)間較短的模型，為進(jìn)化BIM安裝進(jìn)度優(yōu)化模型提供了前提條件［12］?；谶z傳算法的安裝進(jìn)度優(yōu)化模型求解流程如圖4所示。通過特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度模型優(yōu)化求解，獲取最佳電氣安裝進(jìn)度，為電氣安裝人員提供便利。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 安裝管理問題分析

在對(duì)特高壓換流站電氣安裝過程中，經(jīng)常出現(xiàn)以下問題，運(yùn)用選定方法后對(duì)安裝存在的問題進(jìn)行解決，解決情況如表1所示。從表1中可以看出，選定方法對(duì)特高壓換流站電氣安裝中存在的問題有較好的解決辦法，不僅能解決安裝管理存在的問題，還能對(duì)安裝的成本進(jìn)行有效控制，大大提高了特高壓換流站電氣安裝的效率，為日后安裝特高壓換流站電氣安裝墊定了基礎(chǔ)。

2.2 安裝進(jìn)度分析

對(duì)特高壓換流站電氣安裝過程中的施工進(jìn)度和成本管控進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在安裝過程中，可以準(zhǔn)確追尋安裝進(jìn)度，能清晰了解每個(gè)月的安裝情況，并且對(duì)每個(gè)月的成本進(jìn)行管控，因此證明選定方法對(duì)特高壓換流站電氣安裝研究效果較好，能時(shí)刻了解工程進(jìn)度及成本費(fèi)用，便于管控，提高安裝效率，降低成本費(fèi)用。

2.3 安裝適應(yīng)度分析

為驗(yàn)證遺傳算法對(duì)特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度的優(yōu)化效果。設(shè)遺傳算法由21個(gè)染色體組成，種群數(shù)為58，根據(jù)遺傳操作產(chǎn)生的同代概率為30%，變異概率為70%。特高壓換流站電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化過程中的適應(yīng)度變化趨勢(shì)如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)小于30時(shí)，兩者的適應(yīng)度曲線處于不穩(wěn)定狀態(tài)，兩者差距較大。隨著迭代次數(shù)的遞增，二者適應(yīng)度曲線波動(dòng)趨于平穩(wěn)，并且兩者幾乎重合。證明當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到30時(shí)，便可獲取較小的適應(yīng)度值，證明本文方法的電氣安裝進(jìn)度優(yōu)化效率較好，總安裝完成時(shí)間和步驟平均所用時(shí)間短，便于提高電氣安裝效率。

2.4 安裝階段滿意度效果分析

分析基于遺傳算法優(yōu)化前后對(duì)特高壓換流站電氣安裝各個(gè)階段的滿意情況。選取每個(gè)專業(yè)人員各一人對(duì)其滿意情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，優(yōu)化前，只有竣工階段的滿意度較高，達(dá)到80%，其他階段的滿意度較低。優(yōu)化后，各個(gè)階段的滿意度都大幅提升且都高于優(yōu)化前各個(gè)階段，在竣工階段的滿意度達(dá)到99%。實(shí)驗(yàn)證明本文方法對(duì)安裝各個(gè)階段的管控效果較好，為整個(gè)安裝工程不同階段的成本控制提供有效數(shù)據(jù)支撐，減少了工程安裝過程的各階段費(fèi)用。

3 結(jié)語

近年來，國(guó)內(nèi)外一些BIM三維模型產(chǎn)品庫(kù)在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)，為BIM技術(shù)應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。本文針對(duì)特高壓換流站電氣的安裝，首次提出了基于BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝研究。建立BIM技術(shù)的特高壓換流站電氣安裝結(jié)構(gòu)圖，通過電氣管線安裝及優(yōu)化設(shè)計(jì)以及電氣安裝進(jìn)度控制角度分析BIM技術(shù)在特高壓換流站電氣安裝中的具體應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法在安裝問題、安裝進(jìn)度、成本控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于BIM技術(shù)在特高壓換流站電氣安裝的應(yīng)用剛剛起步，如何在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體應(yīng)用從多角度、多方位提高安裝技術(shù)，值得進(jìn)一步研究。

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