基于尺度不變特征的配網施工偏差研究

唐冬來，周 強,宋衛平，楊 平，黃 璞，葉鴻飛

(1.四川中電啟明星信息技術有限公司,四川 成都 610041; 2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著中國經濟的迅猛發展，城市化建設進程不斷推進，與之配套的配網新建工程逐年增多[1-2]。傳統的配網工程管控中，施工監理人員按照設計圖紙、工期表等資料對現場施工作業進行管理[3-5]。但施工人員的管理水平參差不齊[6]，配網設計與施工難免存在偏差。

國內外許多學者對配網設計與施工偏差分析作了大量研究。文獻[7]提出了一種基于配網信息模型的配網施工偏差分析方法，通過二維施工管理技術對配網偏差進行管控。文獻[8]提出了一種基于施工過程技術管控的配網施工偏差分析方法，采用施工甘特圖和標準化施工模板對配網偏差進行管控。文獻[9]提出了一種基于配網全過程管控的配網施工偏差分析方法，通過事前控制、事中檢查和事后分析對配網偏差進行管理。文獻[10]通過對配網的一體化分析進行配網施工偏差分析。由此可見，配網設計與施工偏差的分析管理方法多樣。但上述研究仍然采用人工對配網設計與施工進度進行分析，存在主觀因素大、分析結果準確率不高的問題。

為解決配網工程設計與施工偏差大的問題，本文提出了一種基于尺度不變特征的配網施工偏差研究方法。該方法通過配網建設時空分布模型，實現配網的網架設計、施工質量標準及配網施工工期等信息的深度融合；通過尺度不變特征算法建立圖像時空重構分析算法，實現配網施工質量、進度與設計的比較，從而提高配網施工偏差分析準確性，并進行偏差告警。

1 配網設計與施工偏差分析框架

基于三維網格的配網設計與施工偏差分析方法分為配網建設時空分布模型、配網現場圖像分析、配網施工偏差分析這三部分。配網設計與施工偏差分析框架如圖1所示。

圖1 配網設計與施工偏差分析框架圖

由圖1可知，在配網建設時空分布模型中，首先將配網二維設計文件導入系統中；然后將二維設計信息投射到配網三維空間，并采用三維網格技術建立配網線路三維網格模型；最后在模型上標注施工質量標準及施工工期計劃，并對配網施工質量與進度仿真，形成配網建設時空分布模型，模擬配網建設過程。

在配網現場圖像分析環節，首先通過布署在配網施工現場的球形攝像機采集現場的視頻數據；然后通過開運算進行圖像去噪，消除噪聲數據對于工程進度分析的影響；最后采用尺度不變特征算法對配網施工特征進行提取。

在配網施工偏差分析環節，首先進行施工質量分析，檢測現有施工是否與三維網格模型中的設計存在偏差；然后進行施工進度分析，判斷當前進度與三維網格仿真模型中的進度是否一致；最后生成配網設計與施工偏差報告。

2 配網設計與施工偏差分析模型

2.1 配網建設時空分布模型

建設配網建設時空分布模型的目的是深度融合配網的網架設計、施工質量標準及配網施工工期等信息，提供配網設計與施工分析的基礎信息。在傳統的配網設計中，配網設計單位采用計算機輔助設計(computer aided design,CAD)工具進行一次接線圖繪制。在圖形上標注了配網的桿塔位置、線路長度、配電變壓器位置等信息。為快速建立配網建設時空分布模型，本文將配網二維CAD設計圖紙轉化為特征量，以減少配網建設時空分布模型創建的工作量。

卷積遞歸神經網絡(convolutional recurrent neural network,CRNN) 是一種端到端的神經網絡[11]。本文采用CRNN在CAD識別中進行圖像范圍和圖元檢測，然后進行圖像識別，以確定每個圖元的含義。采用CRNN轉換的配網圖元特征ka為：

(1)

式中：sa為配網CAD；δ為圖像檢測轉換路徑；na為轉換的數量。

配網建設時空分布模型采用三維方式展現，三維網格是配網設計的立體圖像表現方式，根據線條在不同配網細節層次上進行網格圖像渲染，是現實配網物理世界在虛擬世界的映射。在創建中，將配網圖像通過投射轉換形成三維網格。三維網格縱、橫坐標和景深分別為ak、bk和ck，則有：

ak=cz(as-ax)ψ

(2)

式中：ax為三維模型的縱坐標的中心點；cz為景深點；ψ為轉換函數；as為圖像的任意縱坐標點。

bk=cz(bs-by)ψ

(3)

式中：by為三維模型的橫坐標的中心點；bs為圖像的任意橫坐標點。

ck=cz

(4)

在配網三維展現的基礎上，按照配網施工設計標準和工期進度安排進行三維標注。首先，按照配網工程設計中的電桿、架空線路、配電變壓器、柱上斷路器、電纜等施工工藝進行三維標注，確保三維模型中的配網施工管理與規范一致。然后，按照施工進度的工期圖建立配網施工的時間索引。最后，在配網建設時空分布模型中進行施工三維仿真。通過施工進度工期圖的時間索引，可模擬配網施工建設的過程，以便為后期的配網施工檢查建立標準對比樣本。

2.2 配網現場圖像分析

在施工現場布置球形攝像機用于圖像采集。首先，確定配網施工現場的移動目標部分。然后，調整球形攝像機的角度，以便獲得配網施工最佳的拍攝角度。最后，將照片信息通過第五代移動通信技術(5th generation mobie communication techonolgy,5G)網絡回傳至后臺的配網施工監控平臺，從而實現對配網施工現場的全面視頻監控。

配網施工現場中存在雨水、大霧、雪花等與施工不相關的噪聲數據。該類數據會影響配網施工監測的準確性。因此，需對配網施工現場采集的視頻數據進行圖像去噪。本文采用配網圖像腐蝕功能，將配網施工現場視頻數據進行過濾與縮小，從而去除配網施工現場視頻數據的噪聲數據，以更好地判別配網施工與設計是否存在偏差。腐蝕后的配網施工圖像數據Hb為：

Hb={ya,ω,r|ea?Ha}

(5)

式中：Ha為現場圖像數據；ya為圖像的幀數；ω為圖像腐蝕函數；r為卷積類型；ea為腐蝕的樣本。

尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform,SIFT)是一種圖像提取的算法[12]。該算法在配網空間尺度找極大值與極小值點，從而提取特征數據Va。

(6)

式中：dx和dy分別為圖像點的橫、縱坐標；φ為尺度數據；β為高斯模糊卷積。

2.3 配網施工偏差分析

配網施工偏差分析是為了判斷當前的配網施工質量、進度是否與設計一致。首先，將配網現場視頻采集圖像中提取的特征值與配網設計三維模型進行比較，檢驗當前施工的外觀、工藝、質量是否與設計一致。然后，根據配網設計的三維仿真模型的進度模擬，判斷當前的施工進度是否與施工工期計劃中一致。最后，根據施工現場的情況，生成配網設計與施工偏差報告。

3 算例分析

3.1 場景與參數設定

為驗證本文所提基于三維網格的配網設計與施工偏差分析方法的有效性，在某地區的配網中應用該方法。算例運行服務器處理器為Intel Xeon 6254，核心數量為18，處理器運行頻率為3.1 GHz，內存為128 GB，操作系統為Windows Server 2016。

用于比對的方法為文獻[13]中的建筑信息模型(building information modeling,BIM)。該方法在配網設計與施工偏差評估中應用廣泛，行業代表性強，具有較好的通用性。

3.2 算例運行分析

①三維網格建模準確率。

三維網格建模準確率是衡量本文所提方法有效性的核心指標，是配網設計與施工偏差分析的基礎。三維網格建模準確率計算的方式為：配網設計人員依據國家配網設計標準分析三維模型與CAD設計是否一致，若一致即為準確；三維網格建模準確數量和三維網格建模總數量比值的百分比即三維網格建模準確率。

分別選擇5 000個、8 000個、10 000個、20 000個和30 000個配網設計工程CAD的圖元文件，采用本文所提三維網格的配網設計與施工偏差分析方法與BIM方法比較三維網格建模準確率。配網設計時空分布建模準確率如表1所示。

表1 配網設計時空分布建模準確率

由表1可知，本文方法的三維建模平均準確率為99.91%，高于BIM方法的98.18%。因此，本文方法的三維建模準確率更優。

②圖像噪聲影響率。

圖像噪聲影響率用于評估現場球形攝像機獲取的配網施工現場數據與圖像特征提取成功率之間的關系。其計算方式為采用有噪聲的視頻圖像數據進行特征提取，提取錯誤的配網施工數據與總體提取數據之比即圖像噪聲影響率。

分別選擇大霧、小雨、中雨、暴雨、中雪、大雪情況下配網施工現場的視頻數據各10 000張，采用本文方法與邊緣檢測方法比較圖像噪聲影響率。配網設計圖像噪聲影響率如表2所示。

表2 配網設計圖像噪聲影響率

由表2可知，本文方法圖像噪聲平均影響率為0.43%，低于邊緣檢測方法的2.12%。因此，本文方法圖像噪聲影響更低。

③配網設計與施工偏差分析準確率。

配網設計與施工偏差分析準確率是本文的核心指標。其計算方式為：配網監理人員依據配網國家標準，將施工現場與設計圖進行比較，兩者一致即為準確；偏差分析準確的數量與總體數量之比為配網設計與施工偏差分析準確率。

分別選擇1 000個、2 000個、3 000個、4 000個、5 000個和6 000個配網設計工程組件數量，采用本文方法與BIM方法比較配網設計與施工偏差分析準確率。配網設計與施工偏差分析準確率如表3所示。

表3 配網設計與施工偏差分析準確率

由表3可見，本文方法平均分析準確率為98.3%，高于BIM方法的90.2%。因此，本文方法配網設計與施工偏差分析更準確。

4 結論

本文基于配網施工時空比對的理論，提出了一種配網設計與施工偏差分析方法，在配網設計三維網格模型上疊加工期計劃，并將現場圖像數據與三維網格模型進行比較，從而分析偏差。

算例分析結果表明：本文方法充分發揮了三維模型比對的優勢，實現了配網設計與施工偏差的精準分析。該方法提高了配網設計與施工偏差分析準確性，提升了配網工程施工管理水平。