全過程數字化技術在電纜排管工程質量監測中的應用

袁奇, 劉子琦, 王裕東

(國網上海市電力公司電纜分公司, 上海 200072)

0 引言

隨著城市建設步伐的不斷加快,城市空間資源的緊缺,有效利用地下空間進行線路敷設成為當前最主要的方式,其中電纜排管是一種較常用的電纜敷設形式。電纜排管工程中涉及的物料資源、施工參與方眾多,施工人員與機械設備管理是否合理、電纜排管各分項工程的實施情況均對電纜排管工程質量具有重要影響。電纜排管工程質量與后期維護具有直接關系,因此如何對電纜排管工程全過程進行有效監測、提高工程質量、加快工程進度是本文重點關注的問題。

袁太平[1]采用遞階結構模型建立了電力工程質量管理標準化評價指標體系,結合科學的評價方法對電力工程實際開展實踐分析,組織專家評估了所建立的電力工程質量管理標準化評價體系。林鈺杰等[2]對基于數據監測的配電網基礎數據質量標準化管理進行了分析,在正確的配網數據下可進行高質量的調度工作,最終為電能質量高級規劃的實現提供了數據支持和技術保障。徐建軍等[3]提出了基于廣義隨機Petri網的全過程質量控制方法完成對鐵路四電工程的質量監測,該方法在研究工序質量與工期的基礎上構建全過程質量控制模型,依據工程質量控制流程實現工程質量監測,但被該方法控制后的工程質量等級不高,某些工序的施工誤差較高。周子龍等[4]分析了BIM技術基礎上的電纜及橋架的計算機語言編輯方法,以及電纜敷設中的最短路徑算法,開發了一款自動敷設系統。王小寧等[5]通過分析質量控制理論,將BIM技術應用到平塘特大橋的設計與施工過程中,實現了工程質量的有效控制,但該方法的質量控制結果存在較大偏差。魏永等[6]以移動采集、數據貫通、專題管理為切入點,推進了地下電纜的采集高效化和管理精益化。

全過程數字化技術是以施工的整個過程為指導,結合先進的數字化技術而衍生的。本文運用全過程數字化技術對電纜排管工程質量進行監測,并對電纜排管工程質量進行評價,保證電纜排管工程質量。

1 電纜排管工程質量監測

1.1 電纜排管工程全過程質量監測總體結構設計

電纜排管工程建設全過程貫穿于電纜排管工程決策及工程項目實施的各個階段,包括電纜排管工程設計、施工、完工驗收、后期維護等階段[7]。因此,可將電纜排管工程建設全過程劃分為3個階段,分別為電纜排管施工前期、施工階段以及施工后期。利用電纜排管機器人對電纜排管工程施工前、中、后全過程的施工情況實施監測,并采用模糊綜合評價法對電纜排管工程質量進行評價,確保電纜排管工程高質量完工。基于全過程的電纜排管工程質量監測總體結構如圖1所示。

圖1 基于全過程的電纜排管工程質量監測總體結構圖

1.2 電纜排管機器人

電纜排管機器人由作業機器人、牽引設備、遙控裝置、監控系統構成,利用LabVIEW軟件實現遠程監控。系統框架如圖2所示。

圖2 電纜排管機器人的監控系統框架

在監控系統中,地面監控點為客戶端,以電纜排管機器人作為服務器,在電纜排管機器人上安裝溫度、傾角傳感器及圖像采集設備,由傳感器獲取電纜管道信息,利用TCP/IP協議通過無線/有線兩種手段傳輸信息給地面監控點。利用TMS320DM6446攜帶的無線Wi-Fi模塊實現信息傳輸,由電纜管道內的路由器接收信息,地面監控點利用無線網卡與路由器相連,完成電纜管道信息的獲取。當無線技術無法實現信息通暢傳輸或遇到某種特殊情形時,電纜排管機器人則通過有線方式與路由器建立連接來傳輸數據。

1.3 基于模糊綜合評價法的電纜排管工程質量評價

1.3.1 電纜排管工程質量評價指標體系

對電纜排管工程進行全面評價是衡量工程質量的有效手段[8]。用指標編號A表示目標指標--電纜排管工程質量。基于電纜排管機器人監測獲取的電纜排管工程施工全過程數據,將電纜排管工程施工內容進行細分,將其劃分為8個不同項目,構建30個評價指標完成電纜排管工程質量監測。表1為構建的電纜排管工程質量評價指標體系。

表1 電纜排管工程質量評價指標體系

1.3.2 基于改進層次分析法(AHP)的指標權重確定

保證電纜排管工程質量評價結果具有較高精準度的前提是準確確定各級指標權重[9],因此本文采用改進AHP方法對各級指標權重進行求解[10]。各級指標權重確定流程如下。

(1) 求解比較矩陣。判斷矩陣采用九級標度法進行構建,其公式為

(1)

其中,i、j為兩個指標,二者比較的結果表示為zij(i,j∈n)。

(2) 對排序指數進行求解。以準則層的隨機元素為基準[11],計算i指標對該元素重要程度的比較結果,再將全部結果相加,即可確定排序指數,其表達式為

(2)

(3) 對判斷矩陣進行構建。Hij表示判斷矩陣,其內元素表示為hij,Hij可通過ri得到,hij可通過下式進行求解:

(3)

其中,k=rmax(rmin)-1,rmax=max(ri),rmin=min(ri)。

(4)

(5)

其中,W={w1,w2,…,wm}為獲得指標權重向量。

1.3.3 評價指標集

評價指標集由影響電纜排管工程質量評價結果的各因素構成,表示為U,其中具有象征性的單元素表示為ui,i=1,2,…,m,由此可將評價指標集表示為U={u1,u2,…,um}。

1.3.4 評語集的構建

令V表示電纜排管工程質量評價評語集,根據質量評價等級進行構建,可將其描述為V={v1,v2,…,vn},其中各指標因子表示為vi,一個電纜排管工程質量評價等級僅用一個評語進行描述。將電纜排管工程質量等級劃分為“優質”“稍好”“低劣”,各類別對應的隸屬度值分別為[0.45-0.6]、(0.2-0.45)、[0.1-0.2]。

1.3.5 單因素評價模糊矩陣確定

令決定電纜排管工程質量的因素表示為ui,對于指標因子vj,其隸屬度可用fij描述。F為電纜排管工程質量評價集,由各個工程質量影響因素相對的評價等級構成。F可用下式進行描述:

(6)

對工程質量因素集中各個因素ui的指標因子vj的評判,可由專家座談來評定。具體做法是任意固定一個因素,進行單因素評價,聯合所有單因素評價得到單因素評價矩陣F,以一級指標B2模板工程質量為例:F=[0.55 0.46 0.33 0.28]。

1.3.6 綜合評價模糊矩陣確定

由于電纜排管工程質量的影響因素有很多,各因素對評價結果的重要性不同,因此基于電纜排管工程質量評價指標集,對權重模糊子集進行構建,表示為S=(s1,s2,…,sm)。對于工程質量評價因素ui,該因素對評價結果的重要性可表示為si。B為模糊綜合評價集,可通過權重模糊子集S與單因素質量評價集F相乘獲得,公式描述為

(7)

其中,bj(j=1,2,…,n)表示電纜排管工程與其評價等級的隸屬關系。根據模糊綜合評價指標,與bj極大值相對的評語集中的評價等級即為電纜排管工程質量評價結果。

2 實驗分析

以某地區的電纜排管工程為研究對象,采用本文方法對電纜排管工程進行監測,并對工程質量進行評價,分析本文方法的應用效果。

采用電纜排管機器人對模擬電纜排管管道進行監測,獲取電纜排管內的圖像信息,實驗結果如圖3所示。由圖3可知,圖像清晰度高,機器人檢測到的管道缺陷明顯,具有較高的辨識度,白色方框標注區域是鉆下的圓形孔洞及管道裂縫。實驗結果表明,應用本文方法可監測電纜排管工程施工情況。

圖3 電纜排管圖像

為對電纜排管工程質量進行評價,需準確計算電纜排管工程各級指標權重,采用本文方法獲得的各級指標權重如表2所示。

表2 電纜排管工程各級指標權重

由表2可知,電纜排管工程質量評價由7個一級指標、21個二級指標構成。在獲取各級指標權重的基礎上,計算各級指標對電纜排管工程質量等級的重要性,其隸屬度結果如表3所示。

表3 電纜排管工程質量評價指標隸屬度

運用式(7)求解得到電纜排管工程的模糊綜合評價結果為{0.4886,0.3286,0.1829},其中隸屬度極大值為0.4886,由此可確定電纜排管工程質量評價結果為“優質”。根據模糊綜合評價結果可對表3中的二級指標所屬評價等級進行分析,得出回填工程質量指標仍有改善空間,可針對此處提出針對性意見,提高回填工程質量,使電纜排管工程質量更優。

為驗證本文方法質量評價結果的精準度,將本文方法與文獻[3]的基于廣義隨機Petri網的質量監測方法、文獻[5]的基于BIM質量控制方法進行比較,通過均方誤差曲線分析評價效果,實驗結果如圖4所示。由圖4可知,當采用本文方法對電纜排管工程質量進行評價時,均方誤差在5%以內,文獻[3]方法均方誤差在5%～17%范圍內波動,文獻[5]方法則在7%～14%范圍內變化。實驗結果表明,采用本文方法的工程質量評價誤差較小,更具應用性。

圖4 3種方法評價效果分析

3 總結

應用電纜排管機器人全過程監測電纜排管內的質量缺陷,以此評價電纜排管工程質量。通過工程案例驗證了應用本文提出的電纜排管工程質量評價方法的效果較優,獲得的電纜排管工程質量等級為“優質”,評價均方誤差低于5%。