人工智能技術在電力基建領域的研究與實踐

楊榮霞

摘要：本論文研究新人工智能技術在電力基建領域的應用場景，并在此基礎上建立智慧工地管控平臺。智慧工地管控平臺依托與工地現場監控要素相關的物聯網設備及技術，實時對電力工地的項目全過程、安全、質量、問題進行現場全面數據收集、分析管控，通過人工智能、大數據等信息化技術，實現電力工地現場情況實時統計、監測分析及異常管理納入常態化基建現場管理工作當中。從而降低人員投入，提高工作效率，使基建現場管理工作更具有科學性。

Abstract： This paper studies the application scenarios of new artificial intelligence technology in the field of power infrastructure， and on this basis， establishes a intelligent site management and control platform. Intelligent site management and control platform relies on Internet of Things equipment and technology related to site monitoring elements， real-time comprehensive data collection， analysis and control of the whole process， safety， quality and problems of power site projects. Through information technology such as artificial intelligence and big data， real-time statistics， monitoring analysis and abnormal management of power site situation are realized into normal state. In the field management of chemical infrastructure construction. So as to reduce personnel input， improve work efficiency， and make the management of infrastructure site more scientific.

關鍵詞：物聯網;人工智能;視頻識別;智慧工地

Key words： Internet of Things;artificial intelligence;video recognition;intelligent engineering

1? 概述

1.1 研究背景及意義

近年來，電網投資額不斷擴大，主配網施工項目不斷增加，同時對于設備物資、安全管理、施工進度、施工質量、造價信息等提出了更精細的管控要求。

在這一形勢下，傳統的人工巡視、手工紙質記錄等監管方式，已經無法滿足電力項目高質量建設的要求。

1.2 需求分析

在人員管理方面，通過視頻監控、動態人臉識別、行為識別等技術，有效解決施工隊伍流動性大、工人隨意進出、身份難以驗證、人員違章制止不及時、站班會無法監控等問題。

在現場監測方面，通過環境監測、車牌識別、智能抄表等技術，助力項目管理人員更全面、更客觀掌控工地狀態，做出更準確的管理決策。

在高風險作業監測方面，對深基坑、高支模、機械吊裝等作業部署傳感設備，實時監測機械設備數據，結合大數據統計分析和趨勢評估，提升人身、機械安全隱患防控效率。

在BIM應用方面，優化設計方案、施工人員和物料分配;開展安全技術專項方案可視化交底，提高現場安全管控水平;形成項目建設全過程完整數據資產，為資產全生命周期管理、數字化移交、智慧運維打好基礎。

在問題在線管理方面，結合平臺配套的移動應用APP，安全質量的日常巡查、發布存在問題、反饋整改進度、問題復查閉環均可在現場實時開展，有效避免安全質量管理出現“兩張皮”情況。

同時，需與“6+1”、現場移動APP等業務平臺實現了互聯互通，實現了網、省、地和項目四個層級數據的抓取、歸集、統計與呈現，可以滿足不同管理人員的運營管控需求。

1.3 研究內容及目標

本項目主要通過運用“云大物移智+BIM”等先進技術，打造了智慧工地管控平臺，實現了對施工現場人、機、物、法、環等元素實時監控、動態采集、識別預警，實現項目全周期安全、質量、進度可觀、可測、可控。建立涵蓋多個區域、電壓等級為基本粒度單位的分析工地現場管理對象，通過集成與工地現場有關的各種信息包括，對項目全過程管理、項目管理人員、勞務人員、進出車輛、現場施工人員行為、電表，水表表信息等動態信息，達到對工地人、機、物、法、環等各類信息的全面實時智能分析、監測分析、實時識別、及時告警、質量評價。

主要研究內容如下：

①建立智慧工地管控模型。

②建立智慧工地管控平臺。

2? 系統設計與實現

2.1 應用架構設計

2.2 應用功能描述

智慧項目管控平臺實現的功能包括項目總覽、環境監測、設備監測、現場監管等。

①項目管理。對項目概況、人員管理、質量管理、安全管理、監理管理、文檔管理進行高效管理，通過圖形數據，實時動態統計分析，方便管理人員實時了解項目信息，減少質量和安全隱患，掌握整個項目運轉情況。

②環境監測。通過實時監測現場溫濕度、揚塵PM值、風速、火災、噪音、天氣等施工環境，分析數據預判環境變化，自動啟動環境調節設備，保證現場人員施工環境安全。

③危大工程監測。通過實時監測并記錄塔吊、深基坑、高支模、設備資產等危大工程實施狀態信息，開展大數據統計分析和趨勢評估，超出正常值時即刻預警，提升人身、機械安全隱患防控效率。

④現場監管。利用視頻監控設備對現場視頻監控、站班會、安全行為監控、電子周界識別、車輛識別、車輛運輸監測、門閘、用水用電管理、移動安全質量監測等現場情況進行監管，實時記錄現場人員和設備行為信息，預警現場異常情況，保障人員作業安全。

⑤高級應用功能。能與相關業務系統進行數據對接，實現業務數據聯動分析、動態監控管理KPI，并集成BIM的輕量化應用。

利用VR、無人機、紅外熱成像技術、3D打印、智能機器人等智能巡檢設備實現智能應用場景管控和建設功能。

2.3 系統部署

為了適系統應用環境復雜、業務規則多變、信息多系統發布的需要，應系統平臺部署采用分布式多層結構，使系統具有更好的移植性和擴展性。主要分為采集層、通信層、主站，圖2為分布式部署框架圖。

①感知采集層。采集層由智慧工地主站、傳感器、攝像頭、算法一體智能終端等構成。其主要任務是完成現場工地數據及視頻的采集、智能識別及主站下發控制命令的執行。

②通信層。主要是通過電力通信專網與公用通信網絡，為智慧工地主站、傳感器、攝像頭、算法一體機的雙向數據傳輸提供可靠的通信信道。

③平臺主站層。智慧工地云平臺又分為采集中心、數據中心、應用中心三層以及貫穿主站層的安全及管理中心。其中采集中心負責系統的數據采集、數據資源管理、通訊資源管理、檔案資料管理、主站設備管理、以及與數據采集相關的功能。主要功能包括數據采集、參數維護、檔案管理、終端運維、終端升級、運行工況、報警處理、系統對時等功能。

數據中心基于系統所采集到的數據，具有數據處理、校對、審核以及異常分析等功能，以保證數據的準確性和完整性。主要包括遠程抄表、數據處理、換表處理、檔案審計、異常分析、工單處理、指標管理與數據發布等功能。

應用中心對工地現場日常管理工作的主要交互界面，主要包括人員管理、項目管理、現場管理、設備管理、環境管理等功能。

主站層的安全及管理中心主要提供系統的權限認證、密鑰管理、網絡平臺、服務監控以及日志查詢等系統管理功能。

2.4 軟件體系架構

為了構建安全性、可靠性、可伸縮性、高可用性和擴展性的應用系統平臺，系統采用SOA（Service-Oriented Architecture）面向服務的體系結構，避免產生信息孤島，實現系統資源最大限度利用，降低企業數據整合的成本[18]，同時也方便以后的擴展。具體實現上，在系統平臺的應用架構上通過成熟、標準J2EE（Java 2 Enterprise Edition）架構實現，在數據采集處理上采用C/C++開發。

J2EE體系結構通常包括客戶端、展示層、業務邏輯層、數據存儲層等。圖3為軟件架構圖。

①客戶端：系統的應用操作端采用瀏覽器模式（Browser），對于一些必須插件，通過JAVA Web Start技術對客戶端的自動下載、安裝和版本升級，真正實現零客戶端。②展示層：采用JavaScript、Servlet、AJAX 、HTML、JSP、taglib等展示層組件，利用展示層的常用設計模式及開發框架，客戶端界面采用HTTP/HTTPS/XMLHTTP等方式與WEB應用服務器通訊。③業務邏輯層：運行平臺采用J2EE應用服務器，業務邏輯的實現是通過J2EE核心設計模式開發邏輯組件，在J2EE應用服務器上以SOA組件的形式進行部署及運行，提供各種服務支撐系統功能。采用基于數據處理構件和JDBC、O-R mapping、CMP所組成的數據持久性框架，實現對數據層的數據進行訪問、存儲。④數據存儲層：數據庫采用ORACLE數據庫。

2.5 關鍵技術

2.5.1 大數據技術

本系統需要處理海量數據，涵蓋了我局工地的日、月、實時的海量結構化監測數據、視頻數據的統計分析，這些原始數據需要進行加工計算之后才能滿足應用的需要，因此在系統設計中，從數據庫選型、數據結構設計、數據訪問頻率、業務處理邏、數據展現輯等方面均要考慮到數據處理效率及系統的性能，因此，系統引入及借鑒了先進的數據設計及處理思想及技術。

①文件系統實現方案。針對計量數據計算等涉及對大量的數據表的復雜的關聯查詢（卡迪爾乘積非常大、涉及的庫表多）的系統應用，這些應用嚴重占用數據庫服務器的I/O及CPU、內存資源，我們引入文件系統的概念，將數據存儲到專有格式的文件中。這樣可大大加快“單表”查詢速度。

②實時數據庫實現方案。針對客戶節點需要常態訪問的參數和實時數據的應用，我們引入了實時數據庫服務器的概念，將這些客戶節點需要訪問的參數和實時數據和需長期保留的各類服務實時存在應用服務器內存中，把大部分業務應用對數據庫的訪問轉變為對應用服務器的實時數據庫的訪問，把對硬盤等存儲設備的讀寫操作轉為對內存的讀寫操作，減少了對數據服務器的壓力，大大提高了系統整體性能，增強了系統的穩定性和可用性。

2.5.2 數據挖掘技術

①采用成熟的商用報表工具，進行多緯度、鉆取、切片、旋轉等多種方式的分析。②采用時間序列、聚類、神經網絡、決策樹、線性回歸等多種挖掘算法中進行數據挖掘和指標預測。③主題分析的數據根據實際情況進行單獨建模，可采用緯表設計等的數據存儲結構優化處理。④分析模型要充分考慮對前臺應用的響應速度，操作方式的初始化、學習和訓練過程須在后臺進行。⑤主題分析還需要滿足OLTP和即席查詢的需要。⑥根據不同分析對象的特性采用表格、圖形等多種展現方式。

2.5.3 集成技術

①信息集成技術。本系統在設計時需要根據設計的業務場景和系統環境選擇合適的信息集成技術開展設計工作，主要應用的核心技術包括：SOA技術、面向對象的、集中式信息系統設計技術等核心技術。同時在設計過程中還應注意提高相關集成應用的質量水平和安全性，提高服務的重用度和應用的交互安全，在保障信息安全的前提條件下，盡可能的降低今后信息集成建設和運維的成本。

②數據集成架構。與其他系統的接口方式主要通過WebService、中間庫、XML文件傳輸等方式。對于實時性要求不高、數據量大的數據，可以采用中間庫、XML文件等方式;對于實時性要求高、數據量小的數據，主要采用WebService實時接口數據通訊等方式。

③主數據管理技術。主數據是指IT系統之間需要共享的、不會頻繁變化的、描述企業關鍵業務實體的數據。信息集成中非常關鍵的問題就是實現數據源的唯一性，因此本系統平臺的建設必須采用主數據管理的思路進行相應的建設。本項目遵循南方電網公司主數據管理的技術路線，實現對組織機構、人員信息、設備臺帳、工地臺賬、電網拓撲等核心主數據的集中存儲和管理，避免數據多頭管理、多點提供和多系統保存等問題。以全網統一的網省兩級數據資源管理平臺為基礎，為系統提供核心主數據服務。

2.5.4 人工智能技術

①人臉檢測抓拍。在監控畫面中出現人臉時，可以自動檢測到人臉，然后對人臉進行摳圖處理并以元數據的方式上傳。在智能網絡攝像機的WEB頁面中，可以實時觀看對應檢測到的人臉以長方形框框出。

當同一個人臉在畫面中持續出現時，攝像機會根據要求扣取一張質量最好的小圖以元數據的方式上傳，所謂的質量最好一般是提供給平臺端人臉對比或識別使用，一般認為正面可看到雙瞳、圖像清晰。與系統備案的人員圖像比對，完成人員的身份、權限識別。

②車牌識別。當車輛經過畫面視野時，車牌識別算法先對車輛進行檢測并跟蹤，在跟蹤過程中定位出車牌的位置，具體的車牌定位出來之后，對車牌進行預處理，如車牌的去模糊化、車牌的矯正處理等等，最后再進行車牌識別，幾個步驟相輔相成，每一個步驟都有會車牌識別的召回率及準確率。

③安全帽識別。當監控畫面中持續出現時，系統會根據要求扣取一張質量最好的小圖以元數據的方式上傳，所謂的質量最好一般是提供給平臺端人臉對比或識別使用，一般認為正面可看到雙瞳、圖像清晰。

安全帽識別算法先對人員的安全帽進行檢測并跟蹤，在跟蹤過程中定位出沒戴安全帽的人員位置，具體的人員定位出來之后，對人員進行預處理，如人員的去模糊化、人員的矯正處理等等，最后再進行人員識別，幾個步驟相輔相成，每一個步驟都有安全帽的召回率及準確率。

④電子周界檢測。在整個視頻區域中由用戶自行設置的感興趣區域可以是矩形或者多邊形，當監控范圍內的目標在感興趣區域內，并且目標的像素變化超過預設的范圍時觸發快速移動檢測告警，同時使用告警框進行標識，并對物體運動的軌跡加以描述，提醒相關人員注意。

3? 應用成效

在廣州供電局指導下，穗能通公司智慧工地整體解決方案目前已在500千伏楚庭隧道、220千伏橄欖站、110千伏藝苑站成功應用，實現了項目管理工作數字化、智能化、在線化，節約了成本，大大提升了管理效益和管理能力。

4? 展望

“云大物移智”等先進技術已深刻改變了人們的工作、生活方式，也為基建項目管理走向科學智能、集成高效創造了無限可能。我們期望，通過智慧工地整體解決方案，讓每一個施工者安全作業，讓每一個管理者高效從容，讓每一個項目圓滿建成，助力電力基建走向智慧、走向更好的未來！

參考文獻：

[1]曾凝霜，劉琰，徐波，等.基于BIM的智慧工地管理體系框架研究[J].施工技術，2015，44（10）：96-100.

[2]趙波，黃超.淺談云存儲技術在數字工地中的應用[C].第七屆中國智慧城市建設技術研討會論文集，2012：102-106.

[3]郭冬建.智慧工地涵義新解[J].施工企業管理，2014（10）：78.