基于物联网技术的智能电网基础设施建设数字化管理平台研究

白 钒，胡 杰，何 鹏，杨超凡，张 舒，唐自强，范 舟

(国网江苏省电力工程咨询有限公司，江苏 南京 211100)

0 引言

目前，计算机技术已经成为优化和解决传统行业所面临问题的重要手段。而数字化是解决问题的工具之一，它可以分析数据，协助管理者做出最优决策[1]。数字化应用于多个领域，如医学、农业、工程、电力部门和电信等[2-4]。

某种意义上，项目管理的进步可以改善社会环境，提高生活质量，保障人身安全，也可以通过成本控制预防由于系统故障、外部入侵引起的供电中断[5-6]。数字化平台使变电站的建设更加灵活，便于管理人员监测建设的进度；此外还可以对多个子项目建设进行模拟管理，可以直接预测增加施工量需要多少人力资源和用工成本。

数字化平台可以简化项目管理流程，实现经济效益，如内部劳动力的成本、材料、运输、投入和项目执行的时间，通过图像监控施工过程，防止错误安装，优化物资管理。数字化平台也可以解决专业人员数量不足等问题，由于特高压输电线路建设的快速发展，缺乏足够的专业人员进行生成管理，数字化平台可以创建解决方案，促进项目施工的陪同化管理[7-8]。

随着新一代信息技术的快速发展，人与人、人与机器、机器与机器之间的互动变得越来越频繁[9]。海量数据的快速积累、计算能力的大幅提升、算法模型的不断优化以及行业应用的迅速崛起，极大促进了工程监理模式的不断创新，提高了施工现场管理的智能化水平，提升了工程管理的效率和综合效益。

本文主要目标是建立一个数字化的电网基础设施综合管理平台。结合电力建设的特点，以施工安全为基础，以工程质量为导向，以数字建模、传感器互联、虚拟全息、增强交互和人工智能等新技术的应用来支撑平台体系，从而提高现场管理和控制水平。同时结合了AI、深度学习等计算机技术，对项目建设过程进行分类，建设数据库，与已完成项目数据比较，优化物资管理、控制项目成本以及监控建设进度。

1 总体设计方案

1.1 数字化平台

电网基础设施数字化管理平台是以智慧工地为基础，在国家标准、规程、规范的基础上实施。该平台根据电力建设的特点，以施工安全为基础，以工程质量为导向，通过整合专家知识库，提高现场管控水平，运用新理念、新技术，实现在线化、数字化、实时化的“智慧现场”，从而解决基础设施现场管理标准执行不彻底、数据感知能力差、人工输入效率低和数据传输协同共享等问题。

该系统基于云计算、大数据、物联网、移动互联网以及人工智能等计算机技术的应用，以人、机、料、法、环境为核心，以电力BIM[10]为基础，结合智能化机械化作业设备，实现实时、实景、超集成化、高效的智能化施工现场管理平台。同时将监控、定位、考勤和物料管理有效整合，更好地实现多方协作、多层次联动和管理预控，确保项目质量、安全、进度和成本控制等建设目标的顺利实现。

1.2 系统模块

对于电力施工现场综合安防管理系统的搭建，不是各个子系统之间简单堆砌，而是在满足各个子系统功能的基础上，寻求内部子系统和其他外部智能系统之间的完美结合。该系统主要依托超融合中枢系统实现对众多子模块的统一管理和控制，实现统一的数据库、统一的管理界面、统一的授权和出入卡、统一的安全管理业务流程，其框架如图1所示。

图1 数字化平台系统框架

基于超集成的实时指挥系统，前端可访问的子系统包括(但不限于)超级集成的真实场景监控：高点全景和低点联动监控、人脸识别、车辆识别、服装和帽子识别等。

a.人员控制。它主要实现了实名制劳动管理、出入管理、考勤管理和人脸识别。

b.智能安全监测。主要包括重型设备(起重机、电梯)的安全监测、深基坑监测、高支模监测、脚手架监测、VR安全披露与培训教育等。

c.绿色施工监测。主要实现了对噪声、粉尘、喷雾和气象(风速、风向、温湿度、大气、压力)等的监测。

d.公共安全防范措施。用于施工现场的公共周界防范、火灾探测、紧急报警和公共广播。

e.项目质量和进度管理。包括项目质量和安全过程管理、混凝土测温和养护提醒以及进度分析管理。

f.技术管理。包括技术数据管理、MIB协作优化设计。

g.采购管理。采用“Qr码+互联网云技术”，帮助项目管理者实现设备进场、 材料和施工过程管理的信息化改造，从而实现信息共享，规范流程，加强管理提高施工效率。

此外，基于超集成实景指挥系统的整体解决方案支持系统的灵活部署，支持通过标准接口(如OPC)进行联动，或通过SDK接入第三方设备。根据实际项目的设备接入规模，包括各模块的子系统类型和功能要求，可按需配置各种模块化服务，并按需部署相应的服务器。在统一平台管理的基础上，系统提供精细化的分级权限管理和从总部到分支机构的远程网络管理。

1.3 数据安全

a.核心数据加密。系统对于企业的数据采用分级保护机制，敏感的、重要的数据采用加密存储方式。对于用户密码的处理，大部分软件的处理方式是只在服务端对密码进行哈希存储。本系统进行了2次哈希处理，在用户密码提交到服务端之前，在客户端首先进行1次哈希，在服务端再次进行哈希，好处是用户的密码在所有的环节中始终只是哈希值，密码并不会在网络上明文传输。

b.多点灾难备份。系统对于企业数据进行了多点灾难备份，备份分布在不同的网段、不同的服务器。这样即便有不可抗拒力产生的灾难，也能够很快的从其他服务器的备份中及时恢复。

c.爬虫协议处理。Robots协议(也称为爬虫协议、机器人协议等)的全称是“网络爬虫排除标准”(robots exclusion protocol),网站通过Robots协议告诉搜索引擎哪些页面可以抓取，哪些页面不能抓取。系统只允许搜索引擎抓取用户开放共享的页面，用户相关的数据不允许抓取。User-agent:系统会根据User-agent字段进行判断，只允许合法的浏览器终端进行访问。

d.SSL/TLS全程加密。系统数据传输过程中全程使用SSL/TLS (secure sockets layer),规避以下风险：所有信息都是加密传播，第三方无法窃听，具有校验机制,一旦被篡,通信双方会立刻发现。

e.用户操作日志。数字化平台提供了用户行为日志供用户自己查看,便于用户发现自己的账号是否存在异常操作,确保用户的个人数据安全。

f.f密码保护机制。数字化平台中采用了用户密码登录保护机制，对于连续5次密码输入错误的用户，会1小时内禁止访问，并提示找回密码，防止第三方进行撞库攻击。

g.CSRF和XSS保护。数字化平台对数据提交加入了csrftoken验证机制和XSS保护机制，有效防止了跨站攻击。

1.4 系统功能

该平台的硬件通过服务器和存储集中部署，系统架构采用省、市、项目部三级架构；软件是基于C/S框架开发的。其总体功能如下所述。

1.4.1 技术管理规范化

开展基于BIM技术的三维建模，在建筑内进行三维漫游，完美展示项目的空间结构，落实18项措施、规定和规范，提前检查发现设计图纸错、漏、撞等问题。同时，基于BIM技术创建设计模型(包括土建、结构和电气)要求设计深度不低于LOD300。在建模过程中，应检查设计图纸，利用THE-BIM模型检查各专业图纸之间的匹配性，发现错、漏、撞、缺等问题，并形成校准报告。

1.4.2 安全管理标准化

落实国家电网公司安全文明施工设施标准化配置要求，模拟现场安全文明施工设施整体布局和2个项目部的标准化配置，协助优化临时施工现场的方案。

1.4.3 质量管理精细化

通过手机对现场拍照、录音、文字记录质量情况，同时关联相关模型，实现现场跟踪、记录留存。此外，在模型中嵌入标准工艺、质量控制措施或工作流程指令，实现施工质量可控。

1.4.4 进度管理可控化

该系统可以快速、准确地检查进度的合理性，优化进度时限，跟踪施工的进程，随时检查进度偏差，并进行数据分析。

1.4.5 成本管理清晰化

实现成本预算、动态成本管理和合同规划等功能。根据工程量的相关信息和市场上的工、料、机价格，利用BIM模型，形成成本预算；通过对项目收入项目成本和实际成本进行阶段性比较和分析，及时发现项目支出问题，实现成本动态控制；认真分析收入合同的数量级，规划分包成本，从项目源头控制成本。

1.4.6 协作管理高效化

通过物联网技术的整合，实现“三端一云”(PC端、Web端、移动端和云技术)的协同管理。各类人员利用手机或ipad进行云数据的共享和协作，进一步提高管理效率。

2 项目与绩效分析中的实际运用

智能化施工平台应用于九江桃源110 kV变电站项目。在该平台中，以变电站建设、土建工程、钢结构厂房和电气设备为基础，建立了三维可视化模型，并与施工过程中的安全、质量、技术和图纸等信息相关。将进度计划与成本预算管理相结合，协助管理人员进行有效决策和精细化管理，从而达到缩短工期、控制成本、规范控制以及提高管理效率的目的。

2.1 管理效率

基于智能施工现场平台的管理，可以快速、准确地检查施工进度的合理性，优化计划工期，工期与上一年相比，缩短了25%；通过建立项目的三维模型，安全事故率比上年降低75%。平台也可以提前优化解决各类施工中出现的交叉问题，生产效率比上年提高45%，实现了建设项目全过程的可预测、可控制、信息共享、协同工作和组合优化。

2.2 经济效益

通过优化工期，跟踪施工进度，缩短了工期，提前进行3D模拟规划，避免了各专业工种的交叉施工，安全、质量和技术管理要求得到有效落实。与公司2018年数据对比，经济效益、施工效率分别提高了68%、43%；安全事故发生率、建设时间分别降低了78%、33%，如图2所示。

图2 智慧施工与传统施工对比

3 结束语

为了提高现场管理的智能化水平，本文设计并构建了一个基于智能施工现场的电网基础设施数字化管理平台。首先，介绍了该平台的总体设计思路和系统架构。然后，从电网建设管理中的技术、安全、质量、进度、成本和协同管理等6个方面介绍了平台的整体功能。最后，根据在九江桃源110 kV变电站工程中的实际应用效果，建设和管理的效率明显提高，成本支出较上年大大降低。结果表明，基于智慧工地的数字化管理平台将发挥重大作用，在电网基建中具有广阔的应用前景。