基于計算機(jī)三維建模理論的戶內(nèi)變電站電纜敷設(shè)技術(shù)研究

周子龍 李鐵英 閻立軍

摘 要：?隨著我國工業(yè)化的不斷推進(jìn)，電力需求日益旺盛，電力運(yùn)輸過程中室內(nèi)變電站的建設(shè)也成為了重點(diǎn)研究對象。室內(nèi)變電站在建設(shè)中由于電纜分布錯綜復(fù)雜，電纜敷設(shè)技術(shù)不是十分完善，因此其后期運(yùn)營風(fēng)險巨大。為了提高電纜敷設(shè)效率 降和低后期運(yùn)營風(fēng)險，研究了BIM軟件中電纜自動敷設(shè)技術(shù)。根據(jù)電纜敷設(shè)工程的特點(diǎn)分析了BIM技術(shù)基礎(chǔ)上的電纜及橋架的計算機(jī)語言編輯方法，從電纜敷設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和合理性角度出發(fā)分析了敷設(shè)中的最短路徑算法，開發(fā)了一款自動敷設(shè)系統(tǒng)，最后將系統(tǒng)應(yīng)用于某煉油廠66 kV變電站建設(shè)中，并達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：?三維建模; 變電站; 電纜; 敷設(shè)

中圖分類號： TP 311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Cable Laying Technology of Indoor Substation

Based on Computer 3D Modeling Theory

ZHOU Zilong， LI Tieying， YAN Lijun

（State Grid Jilin Electric Power Co. Ltd.， Changchun， Jilin? 130022， China）

Abstract：?With the development of industrialization and the increasing demand of electric power， the construction of indoor substation in the process of electric power transportation has also become a key research object. In the construction of indoor substation， due to the complicated cable distribution and imperfect cable laying technology， the operation risk in the later stage is huge. In order to improve the efficiency of cable laying and reduce the operational risk in the later stage， this paper studies the automatic cable laying technology in BIM software. According to the characteristics of cable laying engineering， this paper analyzes the computer language editing method of cable and Bridge Based on BIM Technology， the paper analyzes the shortest path algorithm in cable laying from the perspective of the economy and rationality of cable laying， develops an automatic laying system， and finally applies the system to the construction of 66kV substation in a refinery， and achieves the expected results.

Key words：?3D modeling; substation; cable; laying

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，電力能源越來越被政府相關(guān)部門重視，電力在運(yùn)輸過程中需要建設(shè)不同等級的變電站以達(dá)到目標(biāo)電壓的要求，處于室內(nèi)的變電站內(nèi)部電纜類型較多，且不同電纜間交錯復(fù)雜，這給電纜敷設(shè)帶來了極大的困難[1-3]。從目前國內(nèi)的建設(shè)情況看，大部分火電廠在變電站內(nèi)的電纜敷設(shè)仍然采用經(jīng)驗的方法，變電站和電纜相關(guān)圖紙設(shè)計完成后，施工人員根據(jù)設(shè)計院提供的圖紙施工[4]，但在實際電纜敷設(shè)中，會根據(jù)現(xiàn)場情況和電纜橋架情況采取必要的手段對原圖紙進(jìn)行變更，而電纜敷設(shè)的局部變革和整體敷設(shè)是密不可分的，某一根電纜的改變都需要將其所在的電纜集進(jìn)行重新整理，這個過程極大的消耗了人力資源，影響施工效率，電纜變更后往往造成電纜長度與實際應(yīng)用不符[5]，重新下料造成材料的浪費(fèi)。因此，采用經(jīng)驗的方法敷設(shè)電纜與現(xiàn)實的矛盾突出，急需開發(fā)一款智能敷設(shè)軟件用以敷設(shè)工程的精細(xì)化管理和智能控制，提高敷設(shè)精度，節(jié)約人力物力資源。國際上已有電纜敷設(shè)軟件，基本具備較成熟的算法，但都以管道、船舶、工廠為主要對象，對于嚴(yán)格遵循電氣規(guī)則的變電站并不適用，且不具備完備的變電站三維模型，即使耗費(fèi)大量人工去建模，也不符合國內(nèi)設(shè)計要求，不兼容國內(nèi)的施工圖設(shè)計成果，操作比較復(fù)雜，不便于掌握，幾乎沒有漢化版本[6-7]。國內(nèi)電纜敷設(shè)軟件研發(fā)起步較早，在上個世紀(jì)90年代西北電力設(shè)計院曾研發(fā)基于二維拓?fù)潢P(guān)系的電纜長度測量軟件。早期電纜敷設(shè)軟件的典型代表是西北院自行開發(fā)的電纜敷設(shè)軟件，該軟件為單純的計算軟件，需要人工設(shè)定敷設(shè)節(jié)點(diǎn)和拓?fù)鋱D，能夠進(jìn)行基于二維施工圖的比較準(zhǔn)確的長度統(tǒng)計，但是會帶來較大的額外工作量，而且只能計算最短路徑，無法考慮到電纜敷設(shè)施工中復(fù)雜的現(xiàn)場情況。所有的數(shù)據(jù)需要人工輸入，效率低，準(zhǔn)確性差，人工調(diào)整困難，不可視，無數(shù)字化、無三維，不能交互修改，只能為設(shè)計提供初步參考。因此現(xiàn)有的電纜敷設(shè)軟件在變電站的三維電纜展示方面的應(yīng)用一直處于空白，無法滿足變電站三維設(shè)計和管理的需求。

1 基于BIM的三維建模分析

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的縮寫，該技術(shù)是上世紀(jì)70年代由美國Chuck教授提出，最初關(guān)于BIM的構(gòu)想是建立一個智能的建筑工程計算機(jī)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中能同步獲得工程數(shù)量、工程圖紙、工程材料等關(guān)于工程的各類信息，這是早期關(guān)于BIM技術(shù)的萌芽階段。時至今日，關(guān)于BIM還沒有統(tǒng)一的定義，目前被大家廣為認(rèn)可的BIM 是利用開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對既定項目的某個生命周期內(nèi)的各類信息用圖像、視頻或者數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)出來，以便于項目管理者制定相關(guān)決策，更好的為項目增值[8-9]。從該定義中我們可以發(fā)現(xiàn)BIM具有信息完整、信息關(guān)聯(lián)、信息一致、參數(shù)化、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性及出圖方便等特點(diǎn)。BIM的應(yīng)用給建設(shè)工程帶來了革命性的改變，描繪了BIM給建設(shè)工程帶來的改變，如圖1所示。

BIM在戶內(nèi)變電站電纜敷設(shè)中應(yīng)用的核心是在電纜敷設(shè)前將敷設(shè)過程和敷設(shè)位置，采用計算機(jī)進(jìn)行精確模擬，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，更好的指導(dǎo)電纜敷設(shè)工作，其工作流程如圖2所示。

首先工程施工人員根據(jù)施工方案建立施工模型，并根據(jù)實際情況設(shè)置施工參數(shù)，待模型建立完畢后，在系統(tǒng)內(nèi)自動模擬電纜敷設(shè)施工并得到不同施工階段的施工參數(shù)，然后將各個施工階段的設(shè)計參數(shù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，若結(jié)果一致或接近則該階段施工方案可行，并用于指導(dǎo)實際施工，若參數(shù)比較結(jié)果差距較大應(yīng)重新調(diào)整施工方案，重復(fù)該模擬過程，直至參數(shù)一致或者接近。

系統(tǒng)中的模型主要涉及到電纜橋架和電纜。電纜橋架是承重結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)來自電纜的自重，將電纜固定在橋架上，并按照一定的路線要求確定其位置，而電纜是電力傳輸?shù)拿浇?，電纜的主要屬性包括位置、直徑及類型。為了在計算機(jī)中更好的描述電纜橋架及電纜，必須用計算機(jī)語言定義其屬性，并能根據(jù)其屬性特點(diǎn)在計算機(jī)中進(jìn)行模型建立和分析。對于電纜而言，定義DLType類型。

上述表達(dá)中Layer能定義電纜在橋架中的圖層，X和Y分別代表了電纜起終點(diǎn)平面坐標(biāo)位置，上述三個參數(shù)值定義了模型中電纜中的空間屬性，D用以描述電纜的直徑，T能夠定義電纜的類型，以上五個參數(shù)值將電纜的固有屬性在計算機(jī)中用邏輯語言表達(dá)出來，為下一步電纜施工奠定語言基礎(chǔ)。

上述表達(dá)中Layer代表了橋架所在的圖層，對橋架進(jìn)行圖層劃分的目的是將橋架結(jié)構(gòu)按照工程需要分成若干個集群，方便對橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行集群管理。X和Y分別代表了電纜橋架起終點(diǎn)平面坐標(biāo)位置，H代表了橋架空間高度，T用以限定橋架材料屬性，以上邏輯語言對BIM模型中橋架的屬性做了基本描述，橋架屬性的定義使后期的模型建立有了根據(jù)。

電纜橋架和電纜的物理屬性，并不能通過上述語言定義，僅僅通過計算機(jī)語言并不能建立完整的BIM模型。從BIM的多維角度出發(fā)，上述語言并不能描述電纜類型和材料類型，即上述式子中兩個T值僅僅代表了其數(shù)字意義，并沒有物理屬性，因此需要根據(jù)工程特點(diǎn)和市場現(xiàn)有材料類型，手動輸入不同電纜類型和不同橋架的材料屬性，并對每種屬性賦予自然值，以使T值的數(shù)字具有物理屬性。利用BIM建立的電纜槽模型，如圖3所示。

2 最短路徑算法研究

電纜敷設(shè)的關(guān)鍵問題是電纜在變電站內(nèi)如何布設(shè)以達(dá)到總路徑最短，電纜用量最少的目的。針對路徑最短的算法，比較傳統(tǒng)的有迪杰斯特拉算法、Floyd算法、粒子群優(yōu)化算法和模擬退火算法[10-11]。這幾種算法都有各自的特點(diǎn)和適用條件，幾種算法的對比，如表1所示。

如表1所示，五種算法都各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，而變電站內(nèi)電纜敷設(shè)是在已有模型的基礎(chǔ)上搜索電纜的最短路徑，因此用蟻群算法能更好的解決相關(guān)問題。蟻群算法是基于螞蟻

覓食過程而提出的[12]，如圖2.1所示螞蟻在覓食時有1和2兩條路徑，路徑1的路程長度小于路徑2，螞蟻會隨機(jī)選擇路徑1和2，螞蟻爬行過程中體內(nèi)分泌到外界的荷爾蒙也會分

散到兩條路徑上，由于路徑1總路程短，在相同時間內(nèi)路徑1的分泌物含量要高于路徑2，后續(xù)螞蟻會在路徑1聚集，最后形成圖4所示效果。

根據(jù)上述原理，可將電纜敷的最短路徑問題轉(zhuǎn)化成幾何問題[13]。如圖6所示。

在給定空間內(nèi)的點(diǎn)集

合A，為了尋找集合內(nèi)若干點(diǎn)的連接路徑最短，必須引入輔助點(diǎn)集合B，在此B只是輔助集合并無實際意義。按照蟻群算法，最短路徑問題轉(zhuǎn)化成A∪B的生成樹最小。

式（1）和（2）給出了轉(zhuǎn)化后幾何問題的數(shù)值解。

螞蟻算法在實際應(yīng)用中的流程幾乎是相同的，但該算法在電纜敷設(shè)中需要根據(jù)變電站特點(diǎn)對蟻群的移動規(guī)則做相應(yīng)修改。電纜是連接各個設(shè)備的橋梁，因此需要將蟻群布設(shè)在各個設(shè)備起點(diǎn)，蟻群在選擇變電設(shè)備時有多種路徑，對于不同路徑的選擇概率是均等的，螞蟻到達(dá)某一個設(shè)備后對選擇的路徑自動保存于系統(tǒng)中，當(dāng)所有設(shè)備都連接完成后系統(tǒng)自動生成一個路線數(shù)并進(jìn)行驗證是否所有的橋架都被連接起來，在全部被連接起來后進(jìn)一步比較各個線路的長度，其驗證過程是對式（1）和式（2）計算過程的實際應(yīng)用。

3 系統(tǒng)在某煉油廠66 kV變電站建設(shè)中應(yīng)用研究

某煉油廠是吉林省規(guī)模較大的煉油廠之一，為了適應(yīng)日益增長的用電需求對原有變電站進(jìn)行了現(xiàn)代化改造。對于新的變電站內(nèi)電纜敷設(shè)按照上文原理建立了戶內(nèi)變電站電纜敷設(shè)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖7所示。

系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠?qū)?fù)雜的電纜路徑做出精確的布置。首先按照設(shè)計圖紙對變電站進(jìn)行了三維建模，在模型利用電纜敷設(shè)系統(tǒng)部署變電站原件，原件布設(shè)完成后利用系統(tǒng)的自動敷設(shè)技術(shù)計算得到了纜及橋架的布設(shè)方案，

如圖8所示。

根據(jù)敷設(shè)方案對變電站內(nèi)的電纜進(jìn)行了現(xiàn)場敷設(shè)，敷設(shè)效果如圖9所示。

4 總結(jié)

室內(nèi)變電站內(nèi)設(shè)備眾多，電纜分布錯綜復(fù)雜，變電站建設(shè)帶來了極大困難。本文以室內(nèi)變電站電纜快速鋪設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，利用計算機(jī)建模技術(shù)和最短路徑算法理論開發(fā)了變電站電纜敷設(shè)系統(tǒng)并得出了以下結(jié)論：

（1） 根據(jù)BIM理論開發(fā)了戶內(nèi)變電站建模方法和流程，并根據(jù)變電站特點(diǎn)研究了電纜及橋架屬性在系統(tǒng)中實現(xiàn)方式，開發(fā)了與之對應(yīng)的計算機(jī)語言，為電纜敷設(shè)技術(shù)奠定了理論依據(jù)。

（2） 電纜敷設(shè)的核心問題是在室內(nèi)變電站的復(fù)雜環(huán)境中找到電纜的最短路徑，本文比較了幾種常用最短路徑算法，重點(diǎn)研究了蟻群算法原理及計算方法，并根據(jù)電纜敷設(shè)技術(shù)特點(diǎn)對蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)以計算電纜的最短路徑。

（3） 電纜敷設(shè)系統(tǒng)開發(fā)完成后將其應(yīng)用于吉林省某煉油廠66kV變電站建設(shè)中，從系統(tǒng)應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)能對電纜路徑進(jìn)行合理布設(shè)，尋找最短路徑并能根據(jù)場地特點(diǎn)對電纜分樹，使電纜規(guī)則分布。

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（收稿日期： 2019.08.21）