輸變電工程數字模型與物聯網集成管控平臺技術研究與應用*

2018-04-19 05:32:12梁軍風李穎侯偉王曉波

項目管理技術 2018年4期

梁軍風李穎侯偉王曉波

(1.國網信通產業集團北京中電普華信息技術有限公司，北京 100085；2.國網上海市電力公司，上海 200121)

0 引言

隨著我國現代化建設的不斷發展和國民生活水平的不斷提高，電網工程,尤其是中型、大型輸變電工程的建設越來越多，輸變電工程建設逐漸趨向于標準化管理，同時數字化與物聯網技術的應用也越來越廣泛。在此背景下，研究集數字模型與物聯網技術于一體的輸變電工程管控平臺，旨在將現有的系統和資源整合，充分發揮計算機技術優勢，最大限度地優化輸變電工程的項目管理，提高建設效益。

1 平臺技術分析

1.1 數字化模型

數字化模型是輸變電工程信息的可視化載體。在此基礎上開發信息輸出窗口，將模型關聯的數據(包括設計屬性、過程資料等)通過列表、圖表、窗格等一系列方式進行呈現，同時支持數據與模型的二三維聯動，實現信息的動態可視化管理。

在平臺上以非常容易觀察、探究和理解的3D環境和數字化模型為基礎，結合變更及版本管理，實時反映項目進展情況，提高各參建單位的信息溝通效率，利用現代化的信息技術有效提高工程項目管理水平，確保項目質量、安全目標的實現，真正實現了實用意義上的基于BIM的工程協同管理，并達到節約投資及工期的目標[1-2]。

1.2 圖像處理技術

針對輸變電工程設備復雜、信息維度廣的特點，平臺采用高效數字化圖像處理技術，支持大體量、復雜曲面的機電設備數字化模型快速加載和顯示，同時采用平臺搭載的模型輕量化插件，對模型中的復雜曲面和精細構件進行輕量化處理，處理后的模型體量大小僅為原模型的約1/10，大大降低了網絡傳輸的壓力。同時采用最先進的分層級視覺加載技術，根據模型瀏覽視角的變化調整模型加載的精細度，提高網絡加載的速度和效率，解決數字化模型數據處理響應慢、內存消耗高等一系列難題。

1.3 數據集成和管理

面向輸變電工程建設的管理過程，涉及多種類型、多種結構的數據信息，包括文檔資料、影像數據、地理空間信息、數字化模型、物聯網集成數據等，對這些數據進行有序管理和高效加載是平臺的關鍵技術之一。

通過面向對象的程序及多源數據管理技術和時空數據組織模型技術，實現海量異構時空數據的高效組織和管理，實現數據的快速檢索和調用，為管理應用服務提供底層支持。

1.4 開放性系統接口

工程信息化監測、監控技術已經較為成熟，在電網工程領域應用廣泛。平臺采用開放性設計，在進行方案設計與開發時，充分考慮日后的可擴展性，使系統接口具備最新國家物聯網系統接口標準，并能適配于市場上的主流物聯網設備。

支持各類物聯網傳感系統的快速數據接入，為項目管理提供線上遠程監控界面，并與三維數字化模型無損集成，實現三維數字化模型+物聯網的虛擬現實一體化管控體系，提高工程管控的信息化程度[2]。

2 總體架構

如圖1所示，該系統基于B/S架構，采用成熟的地理信息系統平臺，充分利用先進的信息技術、完善的通信網絡和數據庫技術，構建了一個大型的、功能完善的、符合項目管理需求的多層架構集成管控平臺。平臺主要包括基礎設施層、核心數據層、支撐服務層、應用層。

(1)基礎設施層。基礎設施體系主要包括網絡基礎設施、人工錄入和數據采集系統、硬件及系統軟件等系統正常運行必備的基礎設施。

(2)核心數據層。主要目標為加強信息資源的管理、開發與利用，包括各類數據資源，比如：3DGIS地圖、道路等矢量數據、ArcMap處理的數據、SketchUp、Revit等建模軟件生成的三維模型數據和BIM模型數據；系統采用5D(3D模型+1D時間+1D內容)數據庫設計，包括時間和空間組合的方式，實現項目所有數據信息按時間(包括版本信息)管理。

(3)支撐服務層。包含對整個系統的三維地理空間及綜合業務信息的支撐部分，包括空間數據構建引擎、空間數據服務引擎、空間數據承載應用等。通過各類地理空間數據的融合處理以及業務員數據的組織調用，為各類三維空間的應用提供支持。同時依托強大的二次開發接口，可以支持已有信息化建設投資的保護和繼承；支持異構系統的接入、功能子模塊的增加，以及其他特殊應用的擴展。

(4)應用層。基于3DGIS+BIM開發平臺，以需求為導向，實現為管理者提供諸如狀態管理、報警管理、進度、安全、質量管理等各類業務的管理應用[3-4]。

3 信息化應用設計

3.1 信息交互方式

利用集成管控平臺,通過綜合使用數字模型、物聯網、移動應用等新技術創新現有信息交互方式，由傳統的被動式交互方式轉變為主動及互動式交互方式。具體表現為以下幾方面：

(1)利用移動互聯網和RFID物聯網等新技術，實現輸變電工程現場數據、圖像、視頻的實時化感知、采集和傳輸，改變原來工程人員手工表單式的錄入模式，有效解決數據滯后性的問題。

(2)利用智能移動終端設備，為輸變電工程現場人員主動進行信息推送和事務提醒，消除和減輕現場人員系統使用的負擔和障礙。及時方便地為關鍵的施工工藝工序提供豐富的作業支持，有效地提高工程質量。通過定位及語音提示，預先對危險區作業進行預警，保障作業人員的人身安全[5]。

(3)利用移動終端的便捷性，現場管理人員可及時記錄實體工程質量、安全等問題并拍攝照片，直觀形象地把問題反饋給施工作業人員，并可對問題進行實時跟蹤，落實整改完成情況，隨時對問題進行閉環管理。借助新技術的互動式交互方式極大地提高雙方的溝通效率[6-7]。

3.2 流程化管控設計

由于輸變電工程管理的相似性，根據多個輸變電工程實踐經驗的總結，平臺為輸變電工程管控設計了一套標準化流程，管控過程中的協調性工作由計算機來完成，而原本作為管控主體的人則只需要接受平臺發出的提醒并按時間節點執行即可。這不僅大大提升了管控的效率，而且也為后續的同類型工程提供了數據參考，降低了新工程建設的邊際管理成本[8]。例如“現場報驗”流程，系統根據施工總進度計劃，在檢驗批施工前一段時間自動提示負責人進行施工前準備工作，負責人在平臺上可將任務分派給工作組，工作組施工完成后通過移動端進行資料、照片的上傳和報驗，監理單位收到報驗信息后去現場驗收并在移動端平臺上填寫驗收意見。整個流程絕大部分工作都在移動端完成，提高了驗收工作效率。

如表1所示，目前已實現的標準化流程包括：設計變更流程、檢驗批報驗流程、現場管理流程和現場簽證流程等，涵蓋了實際項目管理60%以上的流程。

3.3 反饋與告警機制

平臺對信息化管控應用建立了嚴格的信息反饋和告警機制，平臺發出的每一項任務指令都包含時間節點屬性。任務實施者完成任務后，平臺讀取完成信息并向管理者發出反饋，并且能夠自動判斷時間節點是否符合要求，若逾期未完成，則向各相關人員發出告警提醒。通過這種機制增加計算機智能管控的嚴密性，并且解決了傳統人為管控模式下管控力度不足的問題[9]。

4 物聯網集成

4.1 系統接入

平臺支持輸變電工程建設常用的各類物聯網傳感設備的接入，具體包括以下設備的系統接入：

(1)標識與標識設備。標識與標識設備主要有二維碼和RFID標簽，主要用于各類資源標識，對于標識的識別由各類標識設備來完成，包括身份證讀卡器、移動掃描槍、RFID讀卡器、指紋識別儀。

(2)門禁與考勤設備。門禁和考勤設備主要有人員閘機、車輛道閘和移動考勤機。主要放置于施工現場的重要關口，用來對人員、車輛的進出許可及考勤記錄。

(3)定位設備。根據原理不同，分為基于衛星定位的北斗和GPS定位、基于RFID定位、基于超寬頻實時定位的UWB定位，主要用于施工現場資源(人員、車輛、機械等)的實時定位跟蹤，通過定位數據及軌跡的分析，合理地調配現場資源。

(4)可視交互設備。分為固定式、便攜/單兵視頻監控設備和智能眼鏡設備。固定式通常用于大范圍的場區監控和出入口監控；便攜/單兵監控視頻利用其移動便捷性，通常用于重要工程節點的局部作業監控；對特定人員(如監理)可使用具備交互式功能的智能眼鏡。

(5)區域管理設備。這類設備包括電子圍欄、臨邊防護器和邊界管理器等。主要用于施工過程中對重點施工區域、高危區域進行動態管理和防護，通常與監視器、報警中心聯動使用。

(6)高危監測設備。包括深基坑監測、塔吊監測、高大支模監測和升降機監測等。主要用于對工程施工過程中有較大安全風險的工程部位和特種作業設備，進行全面實時有效監測，降低由此帶來的安全風險。

(7)綠色監控設備。主要包括PM2.5/10傳感器、TSP總懸浮物傳感器、噪聲傳感器，同時配合LED顯示屏進行實時顯示。用于施工現場的氣象(溫度、濕度、風向、風速、氣壓)、揚塵(PM2.5/10)、噪聲以及用水(生活用水、排污水)、用電情況的監測，實現施工現場綠色量化管理，減少工地對周邊空氣、環境質量的影響[10]。

4.2 系統聯動

相對于各自獨立的物聯網設備，平臺不僅可將各設備集成，而且可把設備間的數據串聯起來，形成聯動管理。如將門禁系統和人員考核系統對接，作業人員在進入施工現場時，門禁閘機能自動識別此人的考核記錄。若該人員發生3次以上的不合格操作，則禁止其進入現場，強制接受再次培訓，直到其考核系統中成績合格后，才能再次進入施工現場。

系統聯動的管理方式很好地拓展了物聯網的應用范圍，使信息技術的應用更加實效化，是工程管理大數據應用的雛形。未來可拓展為多項目、多區域間的系統聯動，真正實現大數據管理[8]。

5 案例應用

在本研究開展過程中，為驗證輸變電工程數字模型與物聯網集成管控平臺技術的有效性，國網上海電力公司以110kV博宇站作為平臺技術的應用研究對象。

上海市浦東電力公司博宇110kV變電站位于上海浦東新區，工程建筑面積約4500m2，建筑主框架采用預制鋼結構，建設全過程應用輸變電工程數字模型與物聯網集成管控平臺，系統應用具體情況見圖2～圖5。

通過該集成平臺，設計及管理部門建立了全站三維數字模型，并構建了其配套建設的全地下輸變電工程數字模型(如工井、排管、隧道、非開挖頂管等)。實現了三維數字模型在3DGIS平臺的導入、瀏覽、漫游、巡視和旋轉；實現了對工程建設過程中視頻綜合查看和智能監控，集成了人員、車輛閘機設備，對進出場區的工作人員進行有效監管；同時利用移動終端的便捷性實現了工作任務和通知的即時下達，大大提高了工作效率。