基于智能電網大數據的三維可視化管理系統及其應用研究

徐 敏，吳彥偉，邱海江，郭付翔，曹雯琳

(1. 中國南方電網有限責任公司，廣東 廣州 510700；2. 北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100120)

0 引言

烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端交流配套工程(廣州段)是滿足廣東珠三角負荷中心尤其是東莞地區的用電負荷持續快速增長的需要。然而，該工程不僅施工周期緊張、建設進度管理等多個方面面臨著復雜的局面，各類施工進度信息的跨區域、跨部門管理及信息共享、信息展示成為工程亟待解決的問題。因此，南方電網率先提出將智能電網大數據和可視化技術相結合，開展以智能電網大數據為基礎的施工過程三維可視化管理平臺，加強工程進度計劃管理，提高工程精細化管理水平。

智能電網，即電網的智能化。與傳統的電網技術相比，智能電網具有更高速的通信、更先進的傳感技術、更智能的生產設備和更精確的控制系統[1]。

智能電網大數據指的是在智能電網的快速發展基礎上，通過聯合大數據分析手段，挖掘電網運行中潛在的有用信息，以此來提高電網運行管理水平。

2012年以來，國內外研究學者開始對智能電網大數據進行研究，涌現了很多成果。在國外，許多IT企業針對智能電網大數據進行了探索，如 IBM[2]、Oracle[3]等， C3-Energy 也針對智能電網大數據進行了進一步的分析，并構建了一個針對電網大數據的智能分析系統。國內開展了電力大數據的研究，2014年，國家科技部下達了電力大數據的相關項目[4]，支持智能電網大數據研究，隨后，國家電網有限公司、各個地方電網響應科技部的號召，也陸續開展智能電網大數據相關項目。同時，電網技術的相關研究者們也緊跟步伐，開始深入到智能電網大數據的研究。張東霞[5]等、湯勇峰[6]分別論述了智能電網大數據的研究框架和發展路線；李寶玉[7]等探討了智能電網大數據處理技術及其挑戰。然而，現有研究仍然處于起步階段，智能電網大數據的研究還有很大的發展空間，這也是一個持續而艱巨的探索任務。

隨著智能電網大數據的進一步研究以及可視化技術的發展和使用，一些國際上領先的電力企業開始嘗試利用可視化技術提升自身的運營效率和管理水平[8]。其次，三維GIS、虛擬仿真技術的發展也為電網大數據的可視化展示提供有力的支撐。

本文在響應南方電網加快應用“云大物移智”等IT新技術要求的前提下，提出將大數據、云計算、三維GIS、虛擬仿真、移動互聯網、人工智能等技術手段結合，構建一套基于智能電網大數據的三維可視化管理平臺，加強工程進度計劃管理，提高工程精細化管理水平。

1 系統設計及實現

本系統采用分布式架構模式實現多源電網數據存儲和管理，同時采用支撐層—數據層—組件層—業務層—用戶層的分層化設計思想進行系統設計。

1.1 系統架構設計

為了保證系統的可擴展性和可移植性，本系統采用分層的設計模式進行設計，總體架構圖如圖1所示。

圖1 系統總體架構

1)支撐層

支撐層提供系統運行所需的硬件和軟件資源，包括大屏、高清攝像頭、無人機、阿里云服務器、移動三防設備等。

2)數據層

數據層提供系統所需的各類數據信息，是系統各功能能夠正常運行的基礎，其負責系統數據的收集和處理、發布應用、三維建模等工作。首先，通過對無人機航拍、傾斜攝影等方式采集的數據進行處理、建模，形成結構化的數據模型；其次，針對各類數據進行分層組織和管理，建立一個便于訪問和共享的大型數據庫，為系統應用提供統一的數據存儲訪問方式。

3)組件層

組件層為系統應用提供多種功能的擴展，以插件的形式對系統功能進行擴充，方便系統各功能的開發與維護。

4)業務層

業務層直觀展示系統各個業務功能模塊。通過對系統的業務需求模塊化分析，將系統劃分為多個單獨的服務模塊，主要包括施工進度采集模塊、施工過程查看模塊、施工塔位導航模塊、施工過程統計模塊、施工工序管理模塊、施工進度統計模塊、通道數據管理模塊、施工進度預警模塊、工程三維仿真模塊、施工進度仿真模塊、施工人員管理模塊、專題數據統計模塊等。

5)應用層

應用層構建系統的軟件平臺和web網頁平臺，負責提供優質的用戶服務體驗，包括友好的用戶界面、合理的操作邏輯、快捷的數據統計、輕量級的可視化平臺。

1.2 功能架構設計

系統主要包括施工進度采集與上報系統模塊、施工進度管理與分析系統模塊、施工過程三維仿真與應用系統模塊，其詳細功能圖如圖2所示。

圖2 系統功能模塊圖

1)施工進度采集與上報系統。施工進度采集與上報系統基于移動互聯網通過移動 APP 的形式建立快速的采集與上報渠道，提供施工進度采集、通道數據展示、數據交互、微信小程序展示、遠程數據監控等功能，實現工程施工進度實時上報，提高工作與數據傳遞效率，達到降本增效的目的。

2)施工進度管理與上報系統。施工進度管理與分析系統基于互聯網，以現場上報的大量數據為基礎，通過Web 的形式建立一種創新式的施工過程管理與分析方式，提供人員部門管理、施工進度精細化管理、施工進度統計、周報月報自動生成、數據預警、短信提醒等功能，實現施工進度管理與分析，輔助業主開展項目管理，極大地減少施工過程管理中的工作量。

3)施工過程三維仿真與應用系統。施工過程三維仿真與應用系統通過構建工程直觀、立體的三維可視化場景，實現工程三維可視化宏觀展示與施工過程微觀精細化表達相結合，接入工程走廊地形數據、工程設計成果、進度上報采集數據、視頻監控等一系列數據，通過對施工過程數據的統計分析，充分整合工程各類資源及數據，實現工程施工進度以及施工過程的三維可視化仿真模擬，輔助用戶開展工程施工進度管理與決策。

1.3 多源數據管理

多源數據管理主要涉及系統建設和保證系統運行所需的各類基礎數據的預處理，如矢量化、地理配準、坐標轉換、制圖出版等工作，構建涵蓋通道走廊、交叉跨越、基礎地理、地名注記、地形地貌、施工進度等內容的專題數據庫，制定完整的收集、抽取、清洗、質檢和入庫流程，包括系統運行所需的通道清理數據、交叉跨越數據的收集、處理、建庫及各類項目資料收集整理、建庫、制圖輸出、宣傳資料制作等工作；針對施工進度相關聯的各類影像、矢量、屬性參數等結構化數據和文檔、圖片、視頻、模型等非結構化數據進行集中統一管理，具體的管理方式如圖3所示。

圖3 多源數據管理

1)數據收集與處理。針對系統建設所需的各類基礎數據進行收集與預處理，如矢量化、地理配準、坐標轉換、制圖出版等工作，包括系統運行所需的通道清理數據、交叉跨越數據的收集、處理、建庫及各類項目資料收集整理、建庫、制圖輸出、宣傳資料制作等工作；針對施工進度相關聯的各類影像、矢量、屬性參數等結構化數據和文檔、圖片、視頻、模型等非結構化數據進行集中統一管理。

2)服務生成與發布。針對工程正射影像、數字高程模型、傾斜攝影模型等數據量非常大的數據內容，需要通過切片處理后發布成瓦片地圖數據服務形式進行使用，以支撐三維可視化平臺的快速調閱與無縫瀏覽。

3)數據質檢與建庫。制定完整的收集、抽取、清洗、質檢和入庫流程，針對收集整理的圖紙檔案、三維模型等非空間類數據和基礎地理、專題信息等空間類數據采用不同的建庫流程進行質檢和入庫，構建涵蓋通道走廊、交叉跨越、基礎地理、地名注記、地形地貌、施工進度等內容的專題數據庫。

4)專題制圖與輸出。根據工程建設進度和統一管理數據情況編制工程建設指揮、施工進度管理等方面的專題圖集，支持通過添加地圖標題、指北針、圖例等圖幅整飾功能進行個性化定制輸出。

2 工程應用及效果

本系統以烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端500 kV交流配套工程(廣州段)作為試點項目，以推動施工各單位基于構建的系統開展工程施工進度管理和施工安全管理等工作，有效提高項目各階段的施工質量，確保工程保質竣工運行。

2.1 工程進度管理

施工進度采集。現場用戶一鍵完成施工進度數據上報，分為基礎開挖、基礎澆筑、接地埋設、鐵塔組立、地線架設、導線放線等工序，以包段、桿塔、工序為基礎進行施工進度填報，后臺自動記錄各工序完成時間、完成人，同時可根據實際情況上傳圖片、視頻等多媒體信息，圖片可按要求自動生成水印信息，輔助業主更好地了解現場實際情況，如圖4所示。

圖4 施工進度采集

施工過程統計。提供直觀的施工過程統計功能，用戶可在手機上實時查看所有桿塔的施工情況與施工進度，對施工單位的施工進展與業主單位的施工過程管理起到輔助作用，如圖5所示。

圖5 施工過程統計

通道數據展示。提供房屋拆遷、占地協調、林木砍伐、三線遷改等信息的可視化查看功能，并提供簡單的統計與屬性查看，如圖6所示。

圖6 通道數據展示

施工進度預警。提供進度預警功能，系統提前構建計劃進度數據庫，后臺根據實際進度與計劃進度進行對比，計算預警對象與預警等級，及時通知相關管理人員，如圖7所示。

圖7 施工進度預警

施工進度仿真。結合工程進度收資數據，實現工程施工進度指標可視化監測，加強計劃與進度對比分析，輔助用戶直觀把握工程施工進度狀態，輔助制定、修正施工進度計劃。同時，結合數字化工地成果，對施工進度進行三維數字化仿真，重點針對不同施工工序、不同施工環節結合地理位置、三維模型進行可視化表達、模型仿真、查詢追溯、統計分析，實現施工進度“一張圖”，快速反映工程及施工進度具體情況，如圖8所示。

圖8 施工進度三維仿真

2.2 工程安全管理

遠程視頻監控。為輔助用戶更好地開展工程管理工作，了解工程施工現場及建設進度，結合施工現場配備的攝像頭，通過接入工程現場視頻信號實現攝像頭拍攝視頻的快速調閱和云臺控制。用戶可通過視頻監控點列表或在三維場景中點選監控點氣泡實現對視頻信號的切換和選擇，如圖9所示。

圖9 遠程視頻監控

人工智能應用。結合無人機+高清攝像頭開展施工過程視頻/照片數據采集，利用深度學習方法針對采集數據中的電力設備缺陷(如螺栓螺帽缺失、絕緣子串破損等)進行目標識別和缺陷定位，輔助開展施工過程質量督查，提高檢查效率，減少人力成本投入，降低高空爬塔作業等安全風險隱患，杜絕安全事故發生，如圖10、圖11所示。

圖10 施工過程安全質量督查過程

圖11 施工過程安全質量智能識別

3 結語

本文基于智能電網大數據，設計并開發了一套基于輸變電工程的三維可視化管理平臺，并從實際應用中出發，展示了該系統從施工進度管理和施工安全管理等各個方面的作用，從一定程度上加強了施工進度管理，輔助了施工安全管理，規范了施工管理的各個流程。該系統目前應用在烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端500 kV交流配套工程(廣州段)，后期可能擴展到更多的項目施工現場中，進一步提升電網施工各個環節的進度，保證安全、高效生產。