BIM技術優化的特高壓換流站電氣安裝方法

李天佼 陳楠 王萬平

摘 要：為解決特高壓換流站電氣安裝工作量大、難度高等問題，設計了基于BIM技術的特高壓換流站電氣安裝方法。通過電力管線BIM模型創建，對安裝中的管線進行精準排布，保證特高壓換流站電氣安裝效果；結合BIM技術和遺傳算法進行安裝資源均衡優化，并選取合適的適應度函數和遺傳操作優化電氣安裝進度，實現更好的特高壓換流站電氣安裝進度控制。經實驗驗證：其能解決特高壓換流站電氣安裝中存在的各種問題，并且實時掌握安裝進度，對各個階段的安裝成本進行管控。

關鍵詞：BIM技術；特高壓換流站；電氣安裝；遺傳算法；4D模型；適應度函數

中圖分類號：TM277；TM72

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0179-05

BIM technology optimized method for electrical installation in ultra-high voltage converter stations

LI Tianjiao1，CHEN Nan2，WANG Wanping3

（1.UHV Construction Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China;

2.Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 201101，China;

3.Shanghai Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200041，China

）

Abstract：In order to solve the problems of heavy workload and high difficulty in electrical installation of UHV converter station，an electrical installation method based on BIM Technology was designed.The BIM model of power pipeline was created to accurately arrange the pipelines in installation，so as to ensure the electrical installation effect of UHV converter station.Combined with BIM Technology and genetic algorithm，the installation resource balance optimization was carried out，and the appropriate fitness function and genetic operation were selected to optimize the electrical installation progress，so as to achieve better electrical installation progress control of UHV converter station.The experimental results showed that this method could solve various problems existing in the electrical installation of UHV converter station，master the installation progress in real time，and control the installation cost of each stage.

Key words：BIM technology;UHV converter station;electrical installation;genetic galgorithm;4D model;fitness function

隨著國家配電網規模的增加，電力的全面覆蓋，電力正常運作已經成為保障居民日常生活的關鍵，肩負著國家經濟發展和居民生活水平的關鍵使命［1］。目前，用戶用電量的不斷增加、電流的不穩定性以及電源的廣泛分布，電力事故頻發。因此，需要安裝特高壓換流站電氣進行電壓控制，保證電力正常運作［2］。然而由于該設施規模龐大、散布范圍廣、結構復雜多樣，導致其安裝工作量巨大。現有的特高壓換流站安裝技術，如文獻［3］提出的特高壓柔性直流換流站直流側電氣接線方，耗費成本較高，安全性低；文獻［4］提出的基于LCC的高壓直流輸電換流站無功功率控制策略研究［4］，難以進行及時搶修，影響電力的恢復進度，已經不能發揮特高壓換流站的安裝作用。因此需在此基礎上運用新的技術完成安裝。

本文研究了基于BIM技術的特高壓換流站電氣安裝。通過對模型的構建、流程的展示為管理者提供更清晰的安裝結構，明確安裝流程及安裝進度，有效控制成本。

1 BIM技術的特高壓換流站電氣安裝方法

1.1 BIM技術的特高壓換流站電氣安裝結構

特高壓換流站電氣安裝BIM模型的建立主要由設計單位完成，經過業主方、施工方等各建模單位，根據固定的標準和BIM軟件平臺，進行BIM安裝模型維護，并且對于要安裝的特高壓換流站電氣自身特點進行信息共享與應用［1］。應用BIM技術的特高壓換流站電氣安裝時，通過建立特高壓換流站電氣安裝的BIM模型及4D模型，減少時間成本、提高效率并完善安裝計劃，完成特高壓換流站電氣安裝［2］。在進行具體安裝時從數據層開始采集特高壓換流站電氣安裝信息，通過BIM軟件平臺，建立BIM安裝模型，經過統一安裝標準的模型信息分析應用，在目標應用層實現特高壓換流站電氣安裝。基于BIM技術的特高壓換流站電氣安裝結構圖如圖1所示。

1.2 基于BIM技術的電氣安裝步驟

BIM技術應用于特高壓換流站電氣安裝具體包括BIM電氣安裝模型建立、模型信息集成、技術應用3個部分。

（1）建立BIM電氣安裝模型。在進行特高壓換流站電氣安裝時，利用數據接口對安裝數據進行互換，并將其注入由設計單位提供的符合國際標準的BIM軟件建立的模型。采用3D信息模型對特高壓換流站電氣進行安裝，該模型主要利用Tekla軟件中Tekla structures鋼結構深化模塊直接構建的［3］。采用的Tekla軟件中包含新建基礎混凝土構件、L型角鋼構件、螺栓等構成安裝關鍵部件的快捷工具欄，方便模型構建。首先需要在Tekla structures鋼結構深化模塊建立軸線，便于新建模型過程操作的工作區與視圖，再按照特高壓換流站電氣安裝圖分段建模，新建本體構建時雙擊屬性錄入電氣部件的工程參數、物理屬性等信息，各分段建好后形成包含安裝特高壓換流站電氣所有參數信息的BIM模型。

完成三維模型建立后，通過工作分解結構（WBS），得到特高壓換流站電氣安裝樹狀結構。將特高壓換流站電氣安裝計劃對應到相應節點上，就創建完成了對應的安裝成本計劃、安裝進度計劃［4］。通過BIM軟件中的WBS中的編輯功能在原有安裝模板的基礎上，完善安裝順序，并根據安裝計劃填充工序及工序節點對應的工期計劃，建立安裝進度數據庫。在3D模型中的安裝結構與安裝進度的基礎上，進行深度挖掘，構成了4D進度信息模型。具體模型如圖2所示。

特高壓換流站電氣安裝工程4D模型是在CAD圖紙的基礎上建立的。在整個安裝過程中，通過4D安裝工程模型提供安裝動態信息數據庫。數據庫中涵蓋了安裝步驟及安裝過程中需要的零部件信息、環境因素和立體圖像，并將信息實時傳輸給設計、業主方和施工方等單位［5］。各單位可以基于構建的4D模型進行協調工作，實現信息交互與共享，大大提高了安裝效率、成本管控，促進各單位協調溝通，便于解決安裝過程中存在的問題；

（2）模型信息集成。在完成BIM電氣安裝模型、4D模型建立后，需對完成的特高壓換流站電氣安裝模型進行深度信息管理，形成包含多種信息的模型，主要通過信息集成平臺進行信息集合處理，便于后期分析安裝中存在的突發問題。由于特高壓換流站電氣安裝與其他安裝工程存在較大安裝區別，因此需要不同的項目管理軟件來完成特高壓換流站電氣安裝信息集成，建立信息模型［6-7］。如BIM信息模型，可用于碰撞檢查，4D模型可對施工進度進行計劃模擬。利用BIM進行特高壓換流站電氣安裝信息集成時，通過信息集成平臺，構建一個信息集成環境，整合涉及各單位的信息模型，完成安裝工程與各參建單位之間的信息共享與數據傳輸；

（3）技術應用。對特高壓換流站電氣安裝工程各信息模型進行管理，主要通過各種軟件根據特高壓換流站電氣安裝需要和內容進行管理。本文根據現有BIM技術軟件和目前BIM技術應用現狀，主要在特高壓換流站電氣安裝工程效果、進度和成本等方面進行管控并不斷對每一個安裝步驟進行優化。

1.3 BIM電氣管線安裝及優化設計

1.3.1 電氣管線安裝

（1）在安裝特高壓換流站電氣過程中，電力設施管線布置是一項煩瑣的安裝工程，涉及多個專業領域知識，如建筑、結構和機電等專業。因此安裝特高壓換流站電氣管線需提前設計出圖紙，根據圖紙信息明確電氣管線設計分布、理念和工作布置。施工總承包單位設立以機電專業為主，通過BIM模型［8］、4D模型，了解特高壓換流站電氣管線安裝特點和設計意圖，對設計圖紙進行仔細勘察，尋找電氣管線布置不合理之處，及時提出解決方法，上報安裝單位和設計單位，進行電氣管線圖紙布置信息最終確認，為特高壓換流站電氣安裝管線做好前期準備；

（2）研究人員通過BIM技術對初始圖紙的電力管線布局進行確認的同時，對圖紙進行深化設計，對即將建模存在的問題通過多方溝通進行解決，構建BIM三維模型；

（3） 根據特高壓換電站電氣安裝設備要求的不同和安裝進度，對電氣管線圖紙進行碰撞檢查，生成三維管線綜合圖，具體如圖3所示。

1.3.2 電氣管線安裝綜合優化設計

（1）完成BIM三維管線綜合的碰撞檢測工作后，對特高壓換流站電氣安裝結構進行現場校驗，利用三維激光掃描儀掃描提取特高壓換流站電氣尺寸，對影響電氣安裝的結構偏差因素進行及時更改；

（2） 聚集各個單位負責人召開協調會議，根據BIM模型和碰撞檢測情況報告反映綜合安裝電力管線碰撞情況，談判并確定制定適合特高壓換流站電氣安裝的管線綜合調整原則，便于下一步的電氣管線綜合調整和優化工作；

（3） BIM技術深化設計人員在各單位配合下，根據管線綜合原則對管線和碰撞點進行綜合調整和管線優化。應用BIM技術可在三維數字模型下，對特高壓換流站電氣安裝的布局結構和管線走向進行清晰展示，對安裝要求進行提前布置，制定階段性管線成果報告；

（4） 模型綜合電力管線優化后，結合各單位意見，進行模型修正，對新提出的問題，繼續提出解決對策直至達到各單位要求，最終形成電力管線綜合協調模型。通過修正的模型既能滿足安裝過程中需要面對的高度問題，還能保證其使用空間的靈活性，便于后期對特高壓換流站電氣的檢測與維護。

1.4 基于BIM的電氣安裝進度控制方法

1.4.1 遺傳算法輔助BIM電氣安裝進度優化

在對特高壓換流站電氣安裝進度優化過程中，以人工智能領域中的遺傳算法為基礎，該算法的優勢是能準確求解各項進度參數。BIM技術則可以實時探測到各項進度參數的實際變化狀態［9］。若將兩種技術的優勢進行相互結合，能優化當前安裝方案。“工期固定-資源均衡”的優化是在總工期不變的基礎上，對工序作業的開始與結束時間進行修改，促使資源達到相對均衡的過程。不僅可以減少工程花費，更便于電氣安裝工作的組織與管理。衡量資源需用量不均衡程度有兩個指標，一個是方差，另一個是極差，目前應用方差作為優化指標較為常見。因此以資源的方差值最小作為目標函數，將特高壓換流站電氣安裝過程中用到的某種主要資源作為優化對象，構建資源的最小差距函數，即BIM電氣安裝進度優化數學模型［10］：

式中：T為電氣安裝總工期，R表示主要安裝資源類型，安裝工序為i（i=1，2，…，n），Rkt表示在t時刻的資源k需求量；Rk為資源k的平均需求量;Rikt為工序i所對應的資源k在t時刻的需求量;TEi、TLi、TSi分別為安裝工序i的最早開始時間、實際開始時間、最晚開始時間。

為使電氣安裝資源均衡達到最優，需注意以下前提條件：

（1）在電氣安裝過程中，從開始到結束整個安裝工序不允許間斷，需保持其連續性；

（2）安裝進度計劃中各項工作中單位時間所耗用的資源量為固定值，并且符合安裝用量；

（3）忽略施工技術、環境因素、管理水平等因素對安裝進度的影響。

1.4.2 遺傳算法電氣安裝進度優化求解

為不斷優化BIM電氣安裝進度，選取適應度函數與遺傳操作2個重要因素填充模型。特高壓換流站電氣每一個安裝步驟的選擇進化主要利用遺傳算法中的適應度函數來進行［11］，進而尋找電氣安裝進度的最優化解。電氣安裝過程中2個重要的目標：電氣安裝所耗費的總時間短、安裝過程中各步驟平均所用時間短，因此定義2個適應度函數：

f1i=1SCDiWj（6）

其中，種群規模為SCALE；資源數為WORKER；第i個個體中的第j個WORKER用Wj表示，第i個安裝步驟完成所用的總時間用SCDiWj表示。

f2i=meantimei=∑TASK±1taskTimet，iTASK（7）

式中：第i個個體完成第t個步驟時間為taskTime（t，i）;TASK為任務數推量。

特高壓換流站電氣安裝的總用時和安裝過程每一個步驟用時越短，適應度值越小，選取的適應度函數越合適，對特高壓換流站電氣安裝進度的優化效果越好。

對模型適應性的分析主要通過遺傳操作完成，該步驟也是完成特高壓換流站電氣安裝的主要流程。通過定義的2個適應度函數分別計算出種群中每個個體的選擇概率：

P1i=f1i∑SCALE±f1j（8）

P2i=f2i∑SCALE±f2j （9）

從式（8）、式（9）中選取一個作為選取模型的選擇概率，種群中包含完成特高壓換流站電氣安裝總時間較短的模型和安裝流程中每一步驟平均所用時間較短的模型，為進化BIM安裝進度優化模型提供了前提條件［12］。基于遺傳算法的安裝進度優化模型求解流程如圖4所示。通過特高壓換流站電氣安裝進度模型優化求解，獲取最佳電氣安裝進度，為電氣安裝人員提供便利。

2 實驗結果分析

2.1 安裝管理問題分析

在對特高壓換流站電氣安裝過程中，經常出現以下問題，運用選定方法后對安裝存在的問題進行解決，解決情況如表1所示。從表1中可以看出，選定方法對特高壓換流站電氣安裝中存在的問題有較好的解決辦法，不僅能解決安裝管理存在的問題，還能對安裝的成本進行有效控制，大大提高了特高壓換流站電氣安裝的效率，為日后安裝特高壓換流站電氣安裝墊定了基礎。

2.2 安裝進度分析

對特高壓換流站電氣安裝過程中的施工進度和成本管控進行分析，具體分析結果如圖5所示。

從圖5可以看出，在安裝過程中，可以準確追尋安裝進度，能清晰了解每個月的安裝情況，并且對每個月的成本進行管控，因此證明選定方法對特高壓換流站電氣安裝研究效果較好，能時刻了解工程進度及成本費用，便于管控，提高安裝效率，降低成本費用。

2.3 安裝適應度分析

為驗證遺傳算法對特高壓換流站電氣安裝進度的優化效果。設遺傳算法由21個染色體組成，種群數為58，根據遺傳操作產生的同代概率為30%，變異概率為70%。特高壓換流站電氣安裝進度優化過程中的適應度變化趨勢如圖6所示。

從圖6可以看出，當迭代次數小于30時，兩者的適應度曲線處于不穩定狀態，兩者差距較大。隨著迭代次數的遞增，二者適應度曲線波動趨于平穩，并且兩者幾乎重合。證明當迭代次數達到30時，便可獲取較小的適應度值，證明本文方法的電氣安裝進度優化效率較好，總安裝完成時間和步驟平均所用時間短，便于提高電氣安裝效率。

2.4 安裝階段滿意度效果分析

分析基于遺傳算法優化前后對特高壓換流站電氣安裝各個階段的滿意情況。選取每個專業人員各一人對其滿意情況進行評價，結果如圖7所示。

從圖7可以看出，優化前，只有竣工階段的滿意度較高，達到80%，其他階段的滿意度較低。優化后，各個階段的滿意度都大幅提升且都高于優化前各個階段，在竣工階段的滿意度達到99%。實驗證明本文方法對安裝各個階段的管控效果較好，為整個安裝工程不同階段的成本控制提供有效數據支撐，減少了工程安裝過程的各階段費用。

3 結語

近年來，國內外一些BIM三維模型產品庫在網絡上出現，為BIM技術應用提供了良好的環境。本文針對特高壓換流站電氣的安裝，首次提出了基于BIM技術的特高壓換流站電氣安裝研究。建立BIM技術的特高壓換流站電氣安裝結構圖，通過電氣管線安裝及優化設計以及電氣安裝進度控制角度分析BIM技術在特高壓換流站電氣安裝中的具體應用，并通過實驗驗證該方法在安裝問題、安裝進度、成本控制方面具有顯著優勢。由于BIM技術在特高壓換流站電氣安裝的應用剛剛起步，如何在此基礎上結合具體應用從多角度、多方位提高安裝技術，值得進一步研究。

【參考文獻】

［1］ 丁傳奇，楊秉鈞，尹中國.基于BIM技術的管線綜合和預制安裝應用研究［J］.建筑技術，2019，50（12）：1416-1419.

［2］ 邢毅，孫幫新，駱玲，等.高地震烈度地區特高壓換流站閥廳電氣布置及聯接設計［J］.南方電網技術，2019，13（1）：7-13.

［3］ 田亮，劉巖，陜華平，等.不同環境條件下特高壓換流站用絕緣子積污特性研究［J］.絕緣材料，2021，54（4）：36-40.

［4］ 劉鵬，吳澤華，程建偉，等.特高壓多端柔直換流站直流場均壓屏蔽金具電場分布仿真分析與差異化優化方法［J］.電網技術，2021，45（6）：2405-2412.

［5］ 王守江，陳欽佩.特高壓換流站變壓器滅火系統有效性模擬試驗研究［J］.消防科學與技術，2020，39（8）：1124-1127.

［6］ 楊靜雅，孫林夫，吳奇石.汽車產業鏈SaaS平臺配件庫存信息集成安全技術［J］.計算機集成制造系統，2020，265（5）：131-139.

［7］ 宋戰平，史貴林，王軍保，等.隧道工程BIM技術標準化及信息集成化管理研究［J］.地下空間與工程學報，2021，17（2）：556-566.

［8］ 張謙，雷洋.基于BIM的工程項目管理數據關系模型及應用［J］.土木工程與管理學報，2020，37（3）：67-72.

［9］ 王棟，張拓，張建平.BIM技術在電氣施工進度控制及技術交底中的應用［J］.中國設備工程，2020（15）：24-25.

［10］ 鄭雅茹.基于數學建模的控制優化問題研究［J］.自動化與儀器儀表，2022（6）：66-69.

［11］ 潘家文，錢謙，伏云發，等.模糊自適應并行遺傳算法在函數優化中的應用［J］.小型微型計算機系統，2021，42（11）：2313-2322.

［12］ 朱艷峰，曾令權.基于物聯網和灰色理論優化的BIM模型及其應用［J］.微型電腦應用，2021，37（11）：53-56.