基于工程標(biāo)準(zhǔn)工藝的輸變電質(zhì)量智能檢測(cè)與分析技術(shù)研究

張富平，李志宏，王泉

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司建設(shè)分公司，甘肅蘭州 730050）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)已向高質(zhì)量發(fā)展的方向轉(zhuǎn)變，在施工過(guò)程中盡早發(fā)現(xiàn)缺陷對(duì)于質(zhì)量控制至關(guān)重要。統(tǒng)計(jì)顯示，不合格的建筑項(xiàng)目浪費(fèi)了6%～12%的建筑預(yù)算，輸變電工程的質(zhì)量關(guān)系著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。當(dāng)前在建筑工地上進(jìn)行質(zhì)量控制的方法較為耗時(shí)，且嚴(yán)重依賴于重復(fù)的數(shù)據(jù)輸入。此外，當(dāng)前的建筑質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法僅能在特定的位置和時(shí)間提供數(shù)據(jù)，來(lái)檢測(cè)與分析已完成的建筑質(zhì)量情況。這限制了對(duì)于建筑質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控效率，增大了電力行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，行業(yè)內(nèi)急需通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)改善輸變電質(zhì)量監(jiān)測(cè)的水平。

建筑信息模型（BIM）是一種建筑行業(yè)通用的模型標(biāo)準(zhǔn)，激光雷達(dá)（LiDAR）可使用多束激光準(zhǔn)確獲得場(chǎng)景內(nèi)的尺寸信息[1-3]。通過(guò)融合BIM 和LiDAR的相關(guān)信息，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物的缺陷，其效率與準(zhǔn)確性遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)方法[4]。

文中開(kāi)發(fā)了一個(gè)BIM 和LiDAR 集成的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量信息實(shí)時(shí)收集和處理，從而達(dá)到施工質(zhì)量管控的目的。首先，對(duì)所提出的基于BIMLiDAR的建筑質(zhì)量控制系統(tǒng)進(jìn)行概述，包括5 個(gè)部分：基于LiDAR的實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)、基于BIM的實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。然后，該系統(tǒng)將演示飛行路徑控制和實(shí)時(shí)施工質(zhì)量偏差分析的功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地識(shí)別潛在的施工缺陷并支持實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。

1 智能檢測(cè)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該文的目的是開(kāi)發(fā)BIM 和智能檢測(cè)技術(shù)的集成系統(tǒng)，以提供實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量信息收集、處理以及施工質(zhì)量控制。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 基于激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)

該部分為實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集，其中包括3 個(gè)主要子系統(tǒng)[5]：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、飛行路徑控制系統(tǒng)和激光雷達(dá)LiDAR 系統(tǒng)。表1 顯示了檢測(cè)建筑數(shù)據(jù)的四旋翼系統(tǒng)[6]。在飛行路徑控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了3 個(gè)控制模塊：姿態(tài)控制器、航向控制器和高度控制器，其共同控制四旋翼飛機(jī)在BIM 中的預(yù)定飛行路徑上的飛行行為。LiDAR 系統(tǒng)用于掃描建成模型，并生成3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。

表1 監(jiān)控?zé)o人機(jī)參數(shù)

1.2 基于BIM模型的實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)

BIM 已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如可視化與協(xié)作、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工計(jì)劃和維護(hù)。文中使用BIM 進(jìn)行質(zhì)量管理的可視化平臺(tái)建設(shè)并制定基準(zhǔn)模型。

該節(jié)著重于的3D 數(shù)據(jù)提取和質(zhì)量偏差可視化[8]，選擇Navisworks 軟件作為基于BIM的實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。該文基于Navisworks 2013 應(yīng)用程序接口和Parrot AR.Drone 應(yīng)用程序接口開(kāi)發(fā)了兩個(gè)主要模塊[9]：1）飛行路徑確定模塊，該模塊可以自動(dòng)計(jì)算最佳路徑，以進(jìn)行施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)[10]。在實(shí)際環(huán)境中，根據(jù)特定約束生成多個(gè)潛在的飛行路徑[11]。2）飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以將預(yù)定義的飛行路徑參數(shù)轉(zhuǎn)換為巡檢無(wú)人機(jī)飛行路徑控制系統(tǒng)[12]，以使真實(shí)場(chǎng)景中的巡檢無(wú)人機(jī)與虛擬環(huán)境中的預(yù)定義飛行路徑以相同的方式飛行。

1.3 質(zhì)量控制體系

為了對(duì)不同的建筑對(duì)象（例如圓柱、梁、墻和樓板）和機(jī)械對(duì)象（例如管道、導(dǎo)管和電纜）提供質(zhì)量評(píng)估與質(zhì)量控制基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，表2 列出了某些現(xiàn)場(chǎng)澆筑結(jié)構(gòu)物體的定義質(zhì)量公差。基于實(shí)際偏差與定義的公差之間的比較，確定最終的施工缺陷評(píng)估。

表2 現(xiàn)場(chǎng)澆筑結(jié)構(gòu)物體定義質(zhì)量公差

2 基于LiDAR的建筑掃描算法

2.1 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

LiDAR 儀器能夠以大于150 kHz的采樣率快速測(cè)量建筑表面，輸出高精度地理信息參考的高程點(diǎn)（通常稱為點(diǎn)云），可用于生成建筑表面及其特征的三維表示[13]。

掃描系統(tǒng)捕獲的數(shù)據(jù)位于掃描儀確定的坐標(biāo)系中。出于質(zhì)量控制的目的，首先應(yīng)將LiDAR 生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合與BIM 中的其他數(shù)據(jù)組合的坐標(biāo)系[14]。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)系設(shè)為o-xyz，所需坐標(biāo)系設(shè)為O-XYZ。在該次的軟件程序中，應(yīng)保留形狀。引入Bursa 模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[15]。令(δx,δy,δz)為3 個(gè)平移參數(shù)，(α1,α2,α3)為3 個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，μ為比例因子。然后，從坐標(biāo)系o-xyz到坐標(biāo)系O-XYZ的坐標(biāo)變換可表示為：

為了實(shí)現(xiàn)式（1）給出的坐標(biāo)變換，需要得知7 個(gè)參數(shù)δx、δy、δz、α1、α2、α3和μ。這些參數(shù)可通過(guò)最小二乘法確定[16]：讓點(diǎn)F的坐標(biāo)在坐標(biāo)系o-xyz中為(xiyizi)，在坐標(biāo)系O-XYZ中為(XiYiZi)。其中(xiyizi)和(XiYiZi)已知，i=1,…,N，定義式（2）為：

理論上，3 個(gè)點(diǎn)足以確定這7 個(gè)參數(shù)。但由于上述最小二乘問(wèn)題是高度非線性的，無(wú)法精確求解。因此，應(yīng)引入4 個(gè)或更多點(diǎn)來(lái)減小誤差。

2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

出于質(zhì)量控制的目的，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)視施工過(guò)程，以了解產(chǎn)品滿足規(guī)格的程度。控制圖可用于例行監(jiān)視質(zhì)量。假設(shè)建筑參數(shù)服從正態(tài)分布N(μ,σ2)，其中μ是平均值，σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，均值μ為中心線。控制上限選擇為μ+3σ，控制下限選擇為μ-3σ。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合格觀測(cè)數(shù)據(jù)落入圖2 所示的陰影部分。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正態(tài)分布

使用圖3 給出的檢查流程，對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并找出異常數(shù)據(jù)，再將異常數(shù)據(jù)發(fā)送給主管質(zhì)量工程師。

圖3 檢查流程

圖3 中的流程可以實(shí)時(shí)可視化質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。若點(diǎn)云與BIM 標(biāo)準(zhǔn)差“UCL＜偏差值≤UT”或“LT≤偏差值＜LCT”，則檢測(cè)軟件輸出“低質(zhì)量”關(guān)鍵詞。若“LCL≤偏差值≤UCL”，則檢測(cè)軟件輸出“高質(zhì)量”關(guān)鍵詞。若“偏差值＞UT”或“偏差值＜LT”，則系統(tǒng)將警告使用者出現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)。此外，質(zhì)量控制圖將顯示精確的質(zhì)量數(shù)據(jù)，以得到BIM 模型。根據(jù)預(yù)定義的顏色編碼對(duì)所有施工缺陷進(jìn)行分類和可視化，以便現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)并解決缺陷。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)針對(duì)某個(gè)在建混凝土項(xiàng)目展開(kāi)，根據(jù)設(shè)計(jì)人員制定的施工計(jì)劃，測(cè)試人員使用安裝在變電站的監(jiān)控工作站上的客戶端軟件來(lái)監(jiān)控建筑建設(shè)情況。建筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 建筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

若實(shí)時(shí)監(jiān)控端軟件上顯示任何錯(cuò)誤操作，則監(jiān)控人員將使用對(duì)講機(jī)連接現(xiàn)場(chǎng)管理人員，并指導(dǎo)其糾正不當(dāng)操作。觸發(fā)警告后，警告窗口將出現(xiàn)在客戶端軟件的界面上，且警告消息將發(fā)送給負(fù)責(zé)監(jiān)督與施工的管理人員。

對(duì)120 組數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后，從中隨機(jī)選擇100 組數(shù)據(jù)。選擇的組用于分析相關(guān)性并建立模型，其余20 組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證構(gòu)建的模型。

首先，使用一個(gè)樣本的K-S（Kolmogorov-Smirnov）測(cè)試對(duì)100 組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性測(cè)試。再使用SPSS 軟件，進(jìn)行一次抽樣的K-S 測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。

表3 抽樣的K-S測(cè)試結(jié)果

表3 中，壓實(shí)道次、軋制速度、壓實(shí)厚度、水分含量和壓實(shí)度的檢驗(yàn)結(jié)果均大于0.05。結(jié)果表明，以上所有參數(shù)均服從正態(tài)分布。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)是一種測(cè)試兩個(gè)變量之間線性相關(guān)程度的方法。在該系統(tǒng)中，用于分析壓實(shí)度、壓實(shí)道次、軋制速度、壓實(shí)厚度和含水量之間的相關(guān)性。分析結(jié)果如表4 所示。

表4 檢驗(yàn)變量間的相關(guān)性分析

表4 中的結(jié)果表明，這3 個(gè)因素與緊實(shí)度之間的相關(guān)性在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性（兩尾檢驗(yàn)，P＜0.05）；這3 個(gè)因素為壓實(shí)道次（r=0.456）、壓實(shí)厚度（r=-0.526）和含水量（r=0.198），軋制速度與致密性之間沒(méi)有相關(guān)性。

使用部分相關(guān)分析來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)隨機(jī)變量之間的關(guān)聯(lián)程度，并去除一組控制隨機(jī)變量的影響。該文將其用于深入分析密實(shí)度與每個(gè)因素之間的相關(guān)性，壓實(shí)度和壓實(shí)道次、壓實(shí)厚度和含水量之間存在顯著相關(guān)性（兩尾試驗(yàn)，P＜0.05）；軋制速度與緊密度之間的相關(guān)性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不顯著（雙尾檢驗(yàn)，P＜0.05）。基于以上相關(guān)分析結(jié)果和多元回歸分析方法，建立緊湊性預(yù)測(cè)模型如下：

其中，Cd是壓實(shí)度的預(yù)測(cè)值，β0是常數(shù)項(xiàng)，βN、βTh、βMc是偏相關(guān)系數(shù)，N是壓實(shí)的實(shí)際次數(shù)，Th是實(shí)際的壓實(shí)厚度，Mc是實(shí)際的含水量。

上文提及的其余20 組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證構(gòu)建的模型。預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之間的比較，如圖5 所示。表明預(yù)測(cè)模型具有理想的精度，預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間的殘差小于1.5%，相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于1.6%。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，所建立的預(yù)測(cè)模型滿足了施工質(zhì)量控制的要求。基于實(shí)時(shí)施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，主管和施工質(zhì)量管理人員可使用該模型來(lái)預(yù)測(cè)密實(shí)度，并提供相應(yīng)的反饋。

圖5 預(yù)測(cè)值與測(cè)量值比較

4 結(jié)束語(yǔ)

由于傳統(tǒng)方法難以有效控制電力系統(tǒng)的施工質(zhì)量，因此本次尋求實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解施工質(zhì)量。基于上述目的，基于建筑特征建立了數(shù)學(xué)模型，最終形成了施工質(zhì)量控制體系。首先基于激光雷達(dá)與BIM 模型，設(shè)計(jì)建筑物實(shí)時(shí)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)分析等部分。通過(guò)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程綜合數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程進(jìn)展的監(jiān)控，未來(lái)工作的重點(diǎn)將在于對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的深入分析。