输变电工程数字模型与物联网集成管控平台技术研究与应用*

2018-04-19梁军风李颖侯伟王晓波

项目管理技术 2018年4期

梁军风李颖侯伟王晓波

(1.国网信通产业集团北京中电普华信息技术有限公司，北京 100085；2.国网上海市电力公司，上海 200121)

0 引言

随着我国现代化建设的不断发展和国民生活水平的不断提高，电网工程,尤其是中型、大型输变电工程的建设越来越多，输变电工程建设逐渐趋向于标准化管理，同时数字化与物联网技术的应用也越来越广泛。在此背景下，研究集数字模型与物联网技术于一体的输变电工程管控平台，旨在将现有的系统和资源整合，充分发挥计算机技术优势，最大限度地优化输变电工程的项目管理，提高建设效益。

1 平台技术分析

1.1 数字化模型

数字化模型是输变电工程信息的可视化载体。在此基础上开发信息输出窗口，将模型关联的数据(包括设计属性、过程资料等)通过列表、图表、窗格等一系列方式进行呈现，同时支持数据与模型的二三维联动，实现信息的动态可视化管理。

在平台上以非常容易观察、探究和理解的3D环境和数字化模型为基础，结合变更及版本管理，实时反映项目进展情况，提高各参建单位的信息沟通效率，利用现代化的信息技术有效提高工程项目管理水平，确保项目质量、安全目标的实现，真正实现了实用意义上的基于BIM的工程协同管理，并达到节约投资及工期的目标[1-2]。

1.2 图像处理技术

针对输变电工程设备复杂、信息维度广的特点，平台采用高效数字化图像处理技术，支持大体量、复杂曲面的机电设备数字化模型快速加载和显示，同时采用平台搭载的模型轻量化插件，对模型中的复杂曲面和精细构件进行轻量化处理，处理后的模型体量大小仅为原模型的约1/10，大大降低了网络传输的压力。同时采用最先进的分层级视觉加载技术，根据模型浏览视角的变化调整模型加载的精细度，提高网络加载的速度和效率，解决数字化模型数据处理响应慢、内存消耗高等一系列难题。

1.3 数据集成和管理

面向输变电工程建设的管理过程，涉及多种类型、多种结构的数据信息，包括文档资料、影像数据、地理空间信息、数字化模型、物联网集成数据等，对这些数据进行有序管理和高效加载是平台的关键技术之一。

通过面向对象的程序及多源数据管理技术和时空数据组织模型技术，实现海量异构时空数据的高效组织和管理，实现数据的快速检索和调用，为管理应用服务提供底层支持。

1.4 开放性系统接口

工程信息化监测、监控技术已经较为成熟，在电网工程领域应用广泛。平台采用开放性设计，在进行方案设计与开发时，充分考虑日后的可扩展性，使系统接口具备最新国家物联网系统接口标准，并能适配于市场上的主流物联网设备。

支持各类物联网传感系统的快速数据接入，为项目管理提供线上远程监控界面，并与三维数字化模型无损集成，实现三维数字化模型+物联网的虚拟现实一体化管控体系，提高工程管控的信息化程度[2]。

2 总体架构

如图1所示，该系统基于B/S架构，采用成熟的地理信息系统平台，充分利用先进的信息技术、完善的通信网络和数据库技术，构建了一个大型的、功能完善的、符合项目管理需求的多层架构集成管控平台。平台主要包括基础设施层、核心数据层、支撑服务层、应用层。

(1)基础设施层。基础设施体系主要包括网络基础设施、人工录入和数据采集系统、硬件及系统软件等系统正常运行必备的基础设施。

(2)核心数据层。主要目标为加强信息资源的管理、开发与利用，包括各类数据资源，比如：3DGIS地图、道路等矢量数据、ArcMap处理的数据、SketchUp、Revit等建模软件生成的三维模型数据和BIM模型数据；系统采用5D(3D模型+1D时间+1D内容)数据库设计，包括时间和空间组合的方式，实现项目所有数据信息按时间(包括版本信息)管理。

(3)支撑服务层。包含对整个系统的三维地理空间及综合业务信息的支撑部分，包括空间数据构建引擎、空间数据服务引擎、空间数据承载应用等。通过各类地理空间数据的融合处理以及业务员数据的组织调用，为各类三维空间的应用提供支持。同时依托强大的二次开发接口，可以支持已有信息化建设投资的保护和继承；支持异构系统的接入、功能子模块的增加，以及其他特殊应用的扩展。

(4)应用层。基于3DGIS+BIM开发平台，以需求为导向，实现为管理者提供诸如状态管理、报警管理、进度、安全、质量管理等各类业务的管理应用[3-4]。

3 信息化应用设计

3.1 信息交互方式

利用集成管控平台,通过综合使用数字模型、物联网、移动应用等新技术创新现有信息交互方式，由传统的被动式交互方式转变为主动及互动式交互方式。具体表现为以下几方面：

(1)利用移动互联网和RFID物联网等新技术，实现输变电工程现场数据、图像、视频的实时化感知、采集和传输，改变原来工程人员手工表单式的录入模式，有效解决数据滞后性的问题。

(2)利用智能移动终端设备，为输变电工程现场人员主动进行信息推送和事务提醒，消除和减轻现场人员系统使用的负担和障碍。及时方便地为关键的施工工艺工序提供丰富的作业支持，有效地提高工程质量。通过定位及语音提示，预先对危险区作业进行预警，保障作业人员的人身安全[5]。

(3)利用移动终端的便捷性，现场管理人员可及时记录实体工程质量、安全等问题并拍摄照片，直观形象地把问题反馈给施工作业人员，并可对问题进行实时跟踪，落实整改完成情况，随时对问题进行闭环管理。借助新技术的互动式交互方式极大地提高双方的沟通效率[6-7]。

3.2 流程化管控设计

由于输变电工程管理的相似性，根据多个输变电工程实践经验的总结，平台为输变电工程管控设计了一套标准化流程，管控过程中的协调性工作由计算机来完成，而原本作为管控主体的人则只需要接受平台发出的提醒并按时间节点执行即可。这不仅大大提升了管控的效率，而且也为后续的同类型工程提供了数据参考，降低了新工程建设的边际管理成本[8]。例如“现场报验”流程，系统根据施工总进度计划，在检验批施工前一段时间自动提示负责人进行施工前准备工作，负责人在平台上可将任务分派给工作组，工作组施工完成后通过移动端进行资料、照片的上传和报验，监理单位收到报验信息后去现场验收并在移动端平台上填写验收意见。整个流程绝大部分工作都在移动端完成，提高了验收工作效率。

如表1所示，目前已实现的标准化流程包括：设计变更流程、检验批报验流程、现场管理流程和现场签证流程等，涵盖了实际项目管理60%以上的流程。

3.3 反馈与告警机制

平台对信息化管控应用建立了严格的信息反馈和告警机制，平台发出的每一项任务指令都包含时间节点属性。任务实施者完成任务后，平台读取完成信息并向管理者发出反馈，并且能够自动判断时间节点是否符合要求，若逾期未完成，则向各相关人员发出告警提醒。通过这种机制增加计算机智能管控的严密性，并且解决了传统人为管控模式下管控力度不足的问题[9]。

4 物联网集成

4.1 系统接入

平台支持输变电工程建设常用的各类物联网传感设备的接入，具体包括以下设备的系统接入：

(1)标识与标识设备。标识与标识设备主要有二维码和RFID标签，主要用于各类资源标识，对于标识的识别由各类标识设备来完成，包括身份证读卡器、移动扫描枪、RFID读卡器、指纹识别仪。

(2)门禁与考勤设备。门禁和考勤设备主要有人员闸机、车辆道闸和移动考勤机。主要放置于施工现场的重要关口，用来对人员、车辆的进出许可及考勤记录。

(3)定位设备。根据原理不同，分为基于卫星定位的北斗和GPS定位、基于RFID定位、基于超宽频实时定位的UWB定位，主要用于施工现场资源(人员、车辆、机械等)的实时定位跟踪，通过定位数据及轨迹的分析，合理地调配现场资源。

(4)可视交互设备。分为固定式、便携/单兵视频监控设备和智能眼镜设备。固定式通常用于大范围的场区监控和出入口监控；便携/单兵监控视频利用其移动便捷性，通常用于重要工程节点的局部作业监控；对特定人员(如监理)可使用具备交互式功能的智能眼镜。

(5)区域管理设备。这类设备包括电子围栏、临边防护器和边界管理器等。主要用于施工过程中对重点施工区域、高危区域进行动态管理和防护，通常与监视器、报警中心联动使用。

(6)高危监测设备。包括深基坑监测、塔吊监测、高大支模监测和升降机监测等。主要用于对工程施工过程中有较大安全风险的工程部位和特种作业设备，进行全面实时有效监测，降低由此带来的安全风险。

(7)绿色监控设备。主要包括PM2.5/10传感器、TSP总悬浮物传感器、噪声传感器，同时配合LED显示屏进行实时显示。用于施工现场的气象(温度、湿度、风向、风速、气压)、扬尘(PM2.5/10)、噪声以及用水(生活用水、排污水)、用电情况的监测，实现施工现场绿色量化管理，减少工地对周边空气、环境质量的影响[10]。

4.2 系统联动

相对于各自独立的物联网设备，平台不仅可将各设备集成，而且可把设备间的数据串联起来，形成联动管理。如将门禁系统和人员考核系统对接，作业人员在进入施工现场时，门禁闸机能自动识别此人的考核记录。若该人员发生3次以上的不合格操作，则禁止其进入现场，强制接受再次培训，直到其考核系统中成绩合格后，才能再次进入施工现场。

系统联动的管理方式很好地拓展了物联网的应用范围，使信息技术的应用更加实效化，是工程管理大数据应用的雏形。未来可拓展为多项目、多区域间的系统联动，真正实现大数据管理[8]。

5 案例应用

在本研究开展过程中，为验证输变电工程数字模型与物联网集成管控平台技术的有效性，国网上海电力公司以110kV博宇站作为平台技术的应用研究对象。

上海市浦东电力公司博宇110kV变电站位于上海浦东新区，工程建筑面积约4500m2，建筑主框架采用预制钢结构，建设全过程应用输变电工程数字模型与物联网集成管控平台，系统应用具体情况见图2～图5。

通过该集成平台，设计及管理部门建立了全站三维数字模型，并构建了其配套建设的全地下输变电工程数字模型(如工井、排管、隧道、非开挖顶管等)。实现了三维数字模型在3DGIS平台的导入、浏览、漫游、巡视和旋转；实现了对工程建设过程中视频综合查看和智能监控，集成了人员、车辆闸机设备，对进出场区的工作人员进行有效监管；同时利用移动终端的便捷性实现了工作任务和通知的即时下达，大大提高了工作效率。