集成BIM 与物联网技术的电力工程智能监管系统

蒋成，刘新，周勇，吴小虎

(1. 湖南电力工程咨询有限公司，湖南 长沙410007；2. 紫光软件系统有限公司，北京100084)

0 引言

在电力工程基建期间, 现场监管的主要目的是保证建设过程按照预定进度安全进行, 保障施工质量符合要求[1]。高效、智能化的现场监管工作,需要结合传感技术、通信技术、大数据技术、智能分析识别技术、数据库及共享技术、BIM 技术、移动互联网技术等, 实现基建期间现场各种设备、人员、工器具、环境的状态感知, 通过获取的信息进行分析、评估、预警、处理整治, 做到闭环化管理。各类技术的集成和共同可视化展现, 是现场监管最重要、最经济的手段, BIM 与物联网技术的集成是其中重要的一环。

1 BIM 与物联网集成应用现状

BIM (Building Information Modeling) 即建筑信息模型[2], 是对设施的物理和功能特征进行数字展示的方法。BIM 模型可以包含各类物理信息、工程信息、进度信息、造价信息、运维信息等, 可以支持设计、施工、运维等全生命周期[3]。BIM 自2003 年引入国内, 最先在工程建设行业使用, 主要被设计公司用于最终效果的直观展示, 较难形成工程建设真正的生产力[4]。设计BIM 模型往往存在一定问题: 精度不高、仅为满足效果展现需要；各专业信息统计不完善, 三维模型存在较多错误；设计单位所提交的模型只是简单建模, 未考虑在实际建设阶段、运维阶段的使用[5]；设计阶段的BIM使用特定软件, 需专业人员进行处理, 费用高昂,培训工作巨大, 很难供施工单位、监理单位直接使用。这些现状也限制了BIM 技术在电力工程建设阶段的现场监管中的应用。

物联网 (Internet of Things) 概念最早是指利用RFID (Radio Frequency Identification) 等传感技术, 根据需求将大量传感器安装于目标物体之上,实时获取目标物体上管理人员所重视的有用信息,再用通信技术, 将采集信息传输至数据库和展示系统[6]。并利用数据自动分析技术, 对关注的目标进行自动化的监控和智能化的控制。

物联网技术与BIM 技术的融合, 开始于RFID技术与BIM 的联合应用[7]。RFID 技术可以实时获取目标物体的位置和基本信息, 并可将数据存储于数据库中, 便于历史查询。BIM 与RFID 的结合,可以在平台端直观展示目标物体的监测数据, 便于管理。随着BIM 与物联网技术的推广应用, BIM也逐渐与视频系统、GPS、GIS、通信技术等融合,尝试在全生命周期内的应用。张建平等[8]利用BIM和IFC 技术, 形成民建设施在设计、施工、物业运行阶段共同应用的智能物业管理系统；张乃禄等[9]基于BIM、监控系统、传感器技术等开发加油站综合信息监控系统, 形成一套包含物联网感知、网络层、Web 程序发布三个层级的加油站综合信息监控, 用于提高加油站信息化和管理水平；刘军等[5]基于 BIM、GPS 定位、GIS、IC 卡管理、视频监控系统, 开发加油站运维集成管理系统, 实现加油站运维阶段物流管理、安全管理、实物资产管理、IC 卡管理于一体的智能管控。

BIM 与物联网技术的集成, 难点在于数据共享, 这需要统一数据格式、规范数据接口。国际标准组织推出CGB 架构 (CAD-GIS-BIM), 在此基础上可使空间信息和微观信息依据统一的数据交换协议实现数据交互和共享[10]。BIM 专业软件与物联网的结合, 以及与Web 端平台的结合, 涉及不同系统间的数据交换, 为避免转换和对接过程中的数据缺失, 建筑行业发布了数据表达标准, 即IFC标准 (Industry Foundation classes)[11]。数据在不同系统间进行交换时, 满足IFC 标准即可。

2 电力工程基建期BIM 建模与物联网构建

2.1 电力工程基建期现场管控存在问题

电力工程建设是一个复杂过程, 包含土建、电气安装、试运行等多个阶段。施工现场环境复杂,现场管控产生大量资料, 施工过程中涉及人机料法环和质量、进度、安全管理。传统以人工采集为主的数据采集方式, 导致各处数据标准不规范, 无法做到自动采集和数据自动存储, 无法达到数据一次采集、规范化存储的要求。

现阶段物联网和BIM 集成及应用存在的主要问题有: ①数据信息集成度低, 关联度小, 各类数据不共享, 各前端采集设备产生的数据和管理文件需要重复录入；②BIM 需要用专门的软件来查看,现场管控中产生的图像、传感器数据等有各自的展现途径, 现场人员需要频繁在各类平台及系统间进行切换, 效率低且无法及时将信息反馈。

2.2 BIM 模型构建

基建期BIM 管理包括BIM 模型和业务架构两方面。BIM 模型以设计阶段的CAD 图为标准, 包含建筑物基础及主体、电缆沟、照明系统、暖通系统、排水系统、给水系统、电气设备等内容。不同的电力工程BIM 模型不同, 以实际建设为主, 数据采用IFC 标准。除各组成部分的三维建模外, 还可以进行施工模拟、各专业碰撞检查、进度模拟、全站巡游视频等。管理业务包含组织架构、工程总体进度及各分部工程进度。

2.3 物联网采集层建设

物联网构建可以实现对施工现场的环境、施工过程、各类设备及人员具体参数的感应。通过物联网技术, 设置各类前端采集设备, 确保采集数据的实时性、连续性、准确性、有效性。采集层采用图像采集技术、传感器采集技术、定位系统采集技术。图1 为物联网与BIM 融合变电工程智慧工地系统架构。

图1 物联网与BIM 融合变电工程智慧工地系统整体架构

2.3.1 图像采集技术

图像采集技术主要指视频监控技术。视频监控是现场管控中最重要、最直接的手段, 作为监管的重要技术已得到广泛应用[1]。根据现场需要, 重点部位布置摄像头, 站内设置硬盘录像机, 构建视频监控系统, 可对现场进行24 h 实时监控, 并将全过程记录在硬盘录像机和服务器内, 作为追踪证据；在现场与对讲机等方式进行结合, 实现可视化及互动操作, 形成监督、指挥、实时纠偏模式。视频监控数据为非结构化数据。在建设阶段高清摄像头全天候工作, 电量消耗较大, 需要24 V 直流供电。变电站内固定位置安装的摄像头采用市电供电, 为方便控制, 每个摄像头单独配备配电箱, 配备AC220V-DC24V 适配电源, 将市电转变为摄像头所需稳定电压。在建设阶段变电站场地内施工情况复杂, 为避免施工场地内施工机械将网线挖断造成通信中断的情况, 视频监控设备选用无线网桥局域网方式通信。高清摄像机内置RJ45 接口, 通过短距离网线连接网桥发射端, 网桥发射端与相应的网桥接收端通过2.4G 宽频段进行通信, 通信协议为802.11AC。网桥接收端通过短距离网线连接交换机, 实现摄像机与硬盘录像机和服务器间的通信连接, 并最终通过平台端进行展示。

2.3.2 传感器技术

传感器技术是指可以输出特定信号的装置, 可以按照一定的规律将感知到的信息转化为系统可使用的信号, 并通过有线或者无线通信网络将数据传输至数据库和服务器。基于基建期复杂的施工环境, 无线传输的传感器更为实用。无线传感器利用微机电系统、窄带通信、单片机采集、低功耗嵌入等技术, 并通过特定传输协议组成无线网络, 性价比高且安装简单。传感器类型的选择, 主要根据变电站基建期施工现场的业务需要。

微气象监测传感器可以对施工现场的空气质量(PM10、PM2.5)、环境状况 (噪音、辐射)、气象信息 (温度、湿度、风力、风向、雨量) 等进行实时监测, 满足建设过程中对施工环境的全过程管控。

空气质量监测传感器用于电气安装阶段室内环境数据的监测。该类传感器可监测空气中细颗粒物PM2.5、二氧化碳、总挥发性有机化合物 (TVOC)、甲醛、湿度、温度等参数。主要用于1 000 kV、500 kV、110 kV 主变压器安装、GIS 安装区域, 以及1 000 kV 和500 kV 继电小室等对环境要求高的作业面进行局部监测。

边坡位移传感器用于对施工现场站点周围的边坡位移数据进行实时采集, 主要用于坡度大于45°、易发生滑坡垮塌事故的坡体上。位移传感器可以检测边坡运动微位移, 对异常边坡进行提前警示。位移传感器系统由位移传感器节点和无线网关构成, 采用局域网方式进行通信。位移节点与网关之间为无线通信, 通信频率2.4 GHz, 若中间有阻隔, 可增加中继器, 网关内配置4G 网卡, 通过4G公网传输至服务器。传感器节点内置可拆卸锂电池, 单次充电可持续工作24 个月, 可满足大部分变电工程建设期监测需求, 若建设时间超过单块电池供电时长, 将电池更换即可。无线网关通过市电供电, 配置配电箱和24 V 适配电源。

电气监测传感器主要用于监测施工现场临时用电安全, 对总配电箱、分配电箱、末级配电箱进行分级监测。剩余电量传感器可以对电缆上剩余电流进行监测, 报警阈值一般在300 ～500 mA, 此数值是在过滤掉线路正常工作时固有泄漏电流之后的剩余值。接触式温度传感器主要布设于电气线路中的接头部位, 采用热敏电阻制成, 可以实时监测电缆的温度, 在温升变化大、电缆超温运行时发出警报, 避免因电路温度过高造成电气火灾。电流传感器可对电缆的真实电流进行实时监测, 避免因负荷过大而形成电气火灾。电气监测各类传感器可对关键部位的漏电情况、负荷情况、温度情况进行实时监测, 并对各类超标阈值根据现场需要进行调整,对设备进行实时监测, 对异常状态进行自动判断和及时报警, 将事故消灭在未发生或萌芽状态, 有效杜绝电气安全事故的发生。用电监测传感器可通过有线和无线网关两种方式进行数据传输, 根据施工现场情况进行选择。电气传感器安装于各级配电箱内, 使用配电箱内电源供电。单个监测传感器通过RS485 方式与每个配电箱内的探测器的相应接口线连接, 探测器与站内电气监测主机通过无线通信模块组成局域网, 通信方式为 Rola, 通信协议为IEEE 802.15.4 g。监测数据通过局域网汇总至电气监测主机处, 再通过网线或者光纤传输至服务器。

2.3.3 自动识别及追踪技术

常用的自动识别技术包含条形码技术、RFID、生物特征识别技术 (指纹、人脸)、光学识别技术、语音识别技术等。定位追踪技术可对重点关注的人、物品、机械等进行定位和追踪。定位追踪技术包括 GPS (Global Positioning System)、室内UWB (Ultra-Wide band) 超宽带定位技术、ZigBee短距离定位技术、RFID 射频定位技术。为降低电力工程现场管控成本, 符合轻资产化需求, 可使用集识别功能和定位功能于一体的RFID 射频设备。

射频设备用于对重点关注人员、车辆、施工机械等的定位, 可以在地图上显示关注点的实时位置和历史轨迹。RFID 系统由电子标签 (Tag)、阅读器 (网络读卡器)、定位基站、位置服务器 (含定位算法) 四部分组成。电子标签与阅读器之间使用电磁反向散射耦合方式通信, 基于雷达原理, 网络读卡器发射电磁波, 碰到目标电子标签后反射,同时携带目标信息, 依据电磁波空间传播规律。电子标签与网络读卡器之间频率为2.4 GHz, 通信协议为IEEE 802.15.4。网络读卡器与定位基站间采用433 无线通信, 将定位信息传送给定位基站, 并通过位置服务器内置算法获得电子标签位置信息。电子标签自带锂电池, 可满足24 个月建设期监测需求。阅读器、定位基站工作电压为10 ～12 V, 通过配电箱及电源适配器采用市电供电。位置服务器安装于监控室, 采用监控室内市电供电。位置服务RFID 系统构架如图2 所示。

图2 RFID 系统及网络架构

2.4 物联网网络层建设

智能监管系统工地物联网的建设、场地内视频设备信号传输和其他采集设备数据的传输, 需要依托于稳定、全场覆盖的网络。通信传输网络大体可分为全无线、光纤+无线和全光纤[12]。光纤具有传输稳定、不易干扰的特点, 而在基建期施工现场, 现场施工人员众多、作业面大, 相互之间不协调, 很容易造成光纤损坏, 重新铺设需耗费大量人力物力。因此根据现场情况, 采用光纤+自建无线的方式最为适用。自建无线目前多采用点对点(多点)、LTE 等技术[13-14]。TD-LTE 技术采用1.8G 专网, 具有安全、稳定等特点, 但设备覆盖距离短, 功耗大, 且核心网、基站、通信终端等均需固定配置, 兼容性较差, 不太适用于电力工程现场管控感知层设备多样的情况。因此, 从兼容性、适配性、经济性及数据安全性考虑, 覆盖全站的5.8G/2.4G 兼容的自建无线专网为最佳选择。全站WiFi 的覆盖, 有利于施工现场设备互联和信息交流。土建及电气施工阶段, 移动监控设备的数据传输、场地内移动端扫描构件二维码或者实物ID、场地内移动端语音巡检信息的录入等, 均需要全站独立WiFi 的支持。智能监管系统网络层构架如图3 所示。

图3 全站5.8G/2.4 G 兼容自建无线专网拓扑图

3 BIM 与物联网集成

BIM 与物联网的集成, 是指将物联网中的前端感知设备, 如视频、传感器、定位追踪系统所采集的实时信息和经过智能判断的警示信息, 与BIM相结合, 做到实时数据可在三维模型中展示和定位。二者的集成总体上分为数据层、服务层和交互层 (展示层) 三个层次的集成。

3.1 集成流程

3.1.1 数据层

数据层是系统的核心, 数据库是数据融合共享和系统集成的基础。系统四大核心数据库为BIM模型库、施工工艺数据库、前端采集数据关系型数据库、视频非关系型数据库。三维建筑信息模型数据形成BIM 模型数据库, 以文件形式存储, 位置位于Web 服务器目录下, 旨在BIM 模型被Web 服务器发布给前端浏览器。用户可根据数据库查询具体的BIM 模型, 在系统中进行浏览。施工工艺数据库以关系型数据库形式存储, 包括施工过程中的管理性资料和施工指导数据。用户同样采取查询方式调阅施工工艺过程和施工过程中的管理数据。各类传感器、定位追踪系统所产生的实时数据以不同表单形式存储于MySQL 关系型数据库中。视频监控数据为非关系型数据, 在系统中可通过摄像头的角度和放大缩小倍数获取镜头位置信息, 在硬盘录像机和服务器中获取监控数据。

3.1.2 服务层

服务层主要用于连接前端用户响应和后端数据处理, 是整个系统核心层。前端应用发送请求后,以JSON 格式发送给Web 服务器, Web 服务器解析JSON 请求内容, 读取、更新或者查询统计后端数据库, 返回给前端处理结果。前端接收到处理结果后更新页面显示, 以JavaScript 库为基础重绘BIM三维模型。

3.1.3 交互层

交互层主要包括摄像头交互、BIM 模型交互、移动应用交互、传感器及定位设备交互四种。

摄像头交互模块通过海康威视JavaScript 二次开发包获取摄像头运行姿态, 将视角范围以JSON格式发送给Web 处理器, Web 处理器接收到 “视角调整” 命令后, 通知前端BIM 模型调整视角范围, 达到与摄像头视域同步效果。

BIM 模型交互包括摄像头视域同步、基本BIM模型三维浏览、施工工艺模拟、标记信息交互等五个子模块。基本BIM 三维模型浏览包括模型放大、缩小、平移、旋转等常规三维浏览功能。工艺模拟则是将施工工艺按时间顺序组织管理, 系统通过读取施工工艺库, 根据时间和工艺属性控制BIM 模型不同构件在不同时间段的可见度, 模拟建筑物生长, 动态演练工艺实施过程。标记信息交互可由用户在电脑和移动端动态添加信息标记、富文本信息(包括图片、视频、链接等)。标记具有三维坐标信息, 标记图标可附加在三维模型构件上, 可指示各类物联传感设备、信息发生和关联的位置, 实现信息一键三维导航, 用于设计意见收集、现场问题提报、工程协调会议汇报, 相当于施工现场的作战三维电子沙盘。

移动应用交互实施重点在于以二维码展示板[15]形式标注BIM 重要构件, 手机客户端在施工现场扫描二维码后, 会根据二维码内容定位到BIM构件位置, 浏览构件详细信息, 查看三维和二维设计电子图纸, 实现现场无纸化、三维化信息传递与共享。移动应用交互还包括可使用智能手机浏览器, 对发生的问题和事件, 在三维模型上进行标注, 并将坐标和数据传递给服务端。

定位设备交互重点在于将定位信息和被定位对象的属性信息与BIM 中的坐标相对应, 通过数据库读取, 在三维模型中实时展现关注对象的实际位置。传感器类数据交互重点在于将实时监测数据和状态判断结果直观展示在BIM 模型中。定位设备交互由BIM 标记信息交互实现。

3.2 集成技术路线及效果

总体上采用B/S 结构, J2EE 技术架构, 后端Web 服务器采用 Tomcat7.0, 前端采用 HTML5,BIM 三维可视化引擎采用Autodesk Forge JavaScript库, 摄像头视角解析采用海康威视JavaScript 二次开发包, 数据库采用MySQL 数据库。前端和后端通信采用Ajax 技术交互, 通信协议采用JSON 格式, 即前端以JSON 文本格式发送Ajax 请求, 后端处理Ajax 请求后, 以JSON 协议格式返回处理结果。BIM 信息交互采用点云技术, 关键核心采用基于WebGL 着色器技术和GLSL ES 语言代码实现,可实现在GPU 上直接运行, 显著提高运行性能。据测试, 可在浏览器加载的复杂轻量化三维模型上, 添加上十万以上标记图标, 同时渲染显示, 运行和操作流畅。

3.2.1 视频视域解析及BIM 模型同步

摄像头视域解析主要为实现海康威视摄像头视角姿态快速解析, 实时通知服务器, 作为同步BIM模型的基础数据。在BIM 模型端, 接收服务器发送的视角同步命令, 基于Autodesk Forge 二次开发包开发BIM 模型视域同步功能。最终的成果为实现现场监控摄像头与BIM 模型的同视域展示。

3.2.2 施工工艺模拟与标记交互集成

以BIM 模型构件为基本单元, 设计施工工艺录入数据结果, 形成数据录入标准。依据标准可以定量描述工程工艺阶段。基于Autodesk Forge 二次开发, 按时间序列动态控制BIM 模型构件可见性表达施工工艺过程。

高效率的轻量化模型进度模拟动画播放, 标记信息按时间轴和甘特图任务条筛选显示, 标记内容包括文本 (不同字体和颜色)、图片和音视频混合、链接、表格等富文本形式。应用场景上, 工程现场人员可通过浏览器在三维模型上标记各类说明信息, 记录发现的问题 (通过H5 可在智能移动设备上使用), 编制4D 时空进度计划, 在各种协调沟通会议时使用, 如同三维电子沙盘。

3.2.3 采集端信息三维展示

将BIM 施工工艺数据库、BIM 模型数据库与存储传感器和定位设备数据及判断阈值的MySQL数据库相关联, 以BIM 模型数据库中各构件、传感器或者定位设备的安装位置、监测时间为联合主键, 将采集端的实时数据在BIM 三维模型中进行展示, 设备状态信息作为新的属性加入BIM 模型中, 通过颜色等的改变来展示预警信息。现场传感器等监测设备所产生的预警信息也可以在BIM 三维视图中准确展现预警位置和预警结果, 管理人员可清晰获得故障发生的准确位置。

4 应用实践

物联网及BIM 的集成管控, 在北京±500 kV 柔性直流变电站和望城500 kV 变电站新建工程上进行使用, 取得了一定成效。

1) 机器旁站辅助人工旁站。由高空、低空、移动式摄像头组成的视频监控系统, 可以在施工现场实现全天候无死角监控, 一名监理人员即可在室内展示端看到所有监控画面, 减少了人员投入, 提高了工作效率, 降低了监理工作量, 也提升了工作环境舒适度。据统计, 在以上工程应用中, 有50%的现场安全质量问题是通过视频监控和物联传感系统发现的。

2) BIM 与物联网的轻量化集成, 可以将二者无缝对接, 避免了大部分用户在多个系统和软件间登录和打开, 提升了用户体验。二者的集成也大大减少了专业三维软件购买量, 降低信息系统运行使用成本。据统计, 在以上工程应用中, 经常使用轻量化BIM 的用户数达200 多名, 这些用户使用浏览器和移动平台即可操作和使用BIM, 大大减少了BIM 专业软件开支。

3) BIM 与传感器设备、射频设备和视频采集前端设备相集成后, 可以实现现场监控摄像头和BIM 模型的同步, 增加信息维度。也可以将各关注设备的实时参数、具体位置直观展现, 可以使监管人员对现场全面把控, 指挥有关人员快速抵达现场处理问题。

4) 北京 ± 500 kV 柔性直流换流站、浏阳500 kV变电站、望城500 kV 变电站工程, 在其智能监管系统工地平台上, 应用了 BIM 信息交互技术。如在北京柔性直流换流站等工程的系统调试有关协调会上, 各方在统一的BIM 轻量化平台三维模型上, 标记设备调试和验收问题、意见、设备信息2 000 多条, 记录了所有信息位置, 使用富文本和照片详细描述, 有效汇总各方面信息, 减少重复记录。同时在会后很容易进行汇总和编写有关报告, 方便在现场使用移动手机对照问题进行定位和查找。特别是后期还开发了富文本报告内嵌的三维视域链接功能, 将文字表达和4D 视域同步,表现力和解释力强大, 得到应用各方的喜爱和好评。

5 结语

本文提出了一套在电力工程基建现场智能管控中BIM 与物联网技术建设和集成的方法。该方案可以提高数据共享水平, 增加现场管控人员维度,提高管理效率, 降低对人员投入的需求, 同时很好地避免了数据重复录入、平台重复建设、各类软件重复投入等问题。物联网技术与BIM 技术的集成,是电力物联网建设在基建期发挥作用的一个很好切入点。对于增强电力工程建设的过程化智能管控能力、提高电力工程建设的信息化水平具有重要意义。