集成BIM 與物聯網技術的電力工程智能監管系統

蔣成，劉新，周勇，吳小虎

(1. 湖南電力工程咨詢有限公司，湖南 長沙410007；2. 紫光軟件系統有限公司，北京100084)

0 引言

在電力工程基建期間, 現場監管的主要目的是保證建設過程按照預定進度安全進行, 保障施工質量符合要求[1]。高效、智能化的現場監管工作,需要結合傳感技術、通信技術、大數據技術、智能分析識別技術、數據庫及共享技術、BIM 技術、移動互聯網技術等, 實現基建期間現場各種設備、人員、工器具、環境的狀態感知, 通過獲取的信息進行分析、評估、預警、處理整治, 做到閉環化管理。各類技術的集成和共同可視化展現, 是現場監管最重要、最經濟的手段, BIM 與物聯網技術的集成是其中重要的一環。

1 BIM 與物聯網集成應用現狀

BIM (Building Information Modeling) 即建筑信息模型[2], 是對設施的物理和功能特征進行數字展示的方法。BIM 模型可以包含各類物理信息、工程信息、進度信息、造價信息、運維信息等, 可以支持設計、施工、運維等全生命周期[3]。BIM 自2003 年引入國內, 最先在工程建設行業使用, 主要被設計公司用于最終效果的直觀展示, 較難形成工程建設真正的生產力[4]。設計BIM 模型往往存在一定問題: 精度不高、僅為滿足效果展現需要；各專業信息統計不完善, 三維模型存在較多錯誤；設計單位所提交的模型只是簡單建模, 未考慮在實際建設階段、運維階段的使用[5]；設計階段的BIM使用特定軟件, 需專業人員進行處理, 費用高昂,培訓工作巨大, 很難供施工單位、監理單位直接使用。這些現狀也限制了BIM 技術在電力工程建設階段的現場監管中的應用。

物聯網 (Internet of Things) 概念最早是指利用RFID (Radio Frequency Identification) 等傳感技術, 根據需求將大量傳感器安裝于目標物體之上,實時獲取目標物體上管理人員所重視的有用信息,再用通信技術, 將采集信息傳輸至數據庫和展示系統[6]。并利用數據自動分析技術, 對關注的目標進行自動化的監控和智能化的控制。

物聯網技術與BIM 技術的融合, 開始于RFID技術與BIM 的聯合應用[7]。RFID 技術可以實時獲取目標物體的位置和基本信息, 并可將數據存儲于數據庫中, 便于歷史查詢。BIM 與RFID 的結合,可以在平臺端直觀展示目標物體的監測數據, 便于管理。隨著BIM 與物聯網技術的推廣應用, BIM也逐漸與視頻系統、GPS、GIS、通信技術等融合,嘗試在全生命周期內的應用。張建平等[8]利用BIM和IFC 技術, 形成民建設施在設計、施工、物業運行階段共同應用的智能物業管理系統；張乃祿等[9]基于BIM、監控系統、傳感器技術等開發加油站綜合信息監控系統, 形成一套包含物聯網感知、網絡層、Web 程序發布三個層級的加油站綜合信息監控, 用于提高加油站信息化和管理水平；劉軍等[5]基于 BIM、GPS 定位、GIS、IC 卡管理、視頻監控系統, 開發加油站運維集成管理系統, 實現加油站運維階段物流管理、安全管理、實物資產管理、IC 卡管理于一體的智能管控。

BIM 與物聯網技術的集成, 難點在于數據共享, 這需要統一數據格式、規范數據接口。國際標準組織推出CGB 架構 (CAD-GIS-BIM), 在此基礎上可使空間信息和微觀信息依據統一的數據交換協議實現數據交互和共享[10]。BIM 專業軟件與物聯網的結合, 以及與Web 端平臺的結合, 涉及不同系統間的數據交換, 為避免轉換和對接過程中的數據缺失, 建筑行業發布了數據表達標準, 即IFC標準 (Industry Foundation classes)[11]。數據在不同系統間進行交換時, 滿足IFC 標準即可。

2 電力工程基建期BIM 建模與物聯網構建

2.1 電力工程基建期現場管控存在問題

電力工程建設是一個復雜過程, 包含土建、電氣安裝、試運行等多個階段。施工現場環境復雜,現場管控產生大量資料, 施工過程中涉及人機料法環和質量、進度、安全管理。傳統以人工采集為主的數據采集方式, 導致各處數據標準不規范, 無法做到自動采集和數據自動存儲, 無法達到數據一次采集、規范化存儲的要求。

現階段物聯網和BIM 集成及應用存在的主要問題有: ①數據信息集成度低, 關聯度小, 各類數據不共享, 各前端采集設備產生的數據和管理文件需要重復錄入；②BIM 需要用專門的軟件來查看,現場管控中產生的圖像、傳感器數據等有各自的展現途徑, 現場人員需要頻繁在各類平臺及系統間進行切換, 效率低且無法及時將信息反饋。

2.2 BIM 模型構建

基建期BIM 管理包括BIM 模型和業務架構兩方面。BIM 模型以設計階段的CAD 圖為標準, 包含建筑物基礎及主體、電纜溝、照明系統、暖通系統、排水系統、給水系統、電氣設備等內容。不同的電力工程BIM 模型不同, 以實際建設為主, 數據采用IFC 標準。除各組成部分的三維建模外, 還可以進行施工模擬、各專業碰撞檢查、進度模擬、全站巡游視頻等。管理業務包含組織架構、工程總體進度及各分部工程進度。

2.3 物聯網采集層建設

物聯網構建可以實現對施工現場的環境、施工過程、各類設備及人員具體參數的感應。通過物聯網技術, 設置各類前端采集設備, 確保采集數據的實時性、連續性、準確性、有效性。采集層采用圖像采集技術、傳感器采集技術、定位系統采集技術。圖1 為物聯網與BIM 融合變電工程智慧工地系統架構。

圖1 物聯網與BIM 融合變電工程智慧工地系統整體架構

2.3.1 圖像采集技術

圖像采集技術主要指視頻監控技術。視頻監控是現場管控中最重要、最直接的手段, 作為監管的重要技術已得到廣泛應用[1]。根據現場需要, 重點部位布置攝像頭, 站內設置硬盤錄像機, 構建視頻監控系統, 可對現場進行24 h 實時監控, 并將全過程記錄在硬盤錄像機和服務器內, 作為追蹤證據；在現場與對講機等方式進行結合, 實現可視化及互動操作, 形成監督、指揮、實時糾偏模式。視頻監控數據為非結構化數據。在建設階段高清攝像頭全天候工作, 電量消耗較大, 需要24 V 直流供電。變電站內固定位置安裝的攝像頭采用市電供電, 為方便控制, 每個攝像頭單獨配備配電箱, 配備AC220V-DC24V 適配電源, 將市電轉變為攝像頭所需穩定電壓。在建設階段變電站場地內施工情況復雜, 為避免施工場地內施工機械將網線挖斷造成通信中斷的情況, 視頻監控設備選用無線網橋局域網方式通信。高清攝像機內置RJ45 接口, 通過短距離網線連接網橋發射端, 網橋發射端與相應的網橋接收端通過2.4G 寬頻段進行通信, 通信協議為802.11AC。網橋接收端通過短距離網線連接交換機, 實現攝像機與硬盤錄像機和服務器間的通信連接, 并最終通過平臺端進行展示。

2.3.2 傳感器技術

傳感器技術是指可以輸出特定信號的裝置, 可以按照一定的規律將感知到的信息轉化為系統可使用的信號, 并通過有線或者無線通信網絡將數據傳輸至數據庫和服務器?；诨ㄆ趶碗s的施工環境, 無線傳輸的傳感器更為實用。無線傳感器利用微機電系統、窄帶通信、單片機采集、低功耗嵌入等技術, 并通過特定傳輸協議組成無線網絡, 性價比高且安裝簡單。傳感器類型的選擇, 主要根據變電站基建期施工現場的業務需要。

微氣象監測傳感器可以對施工現場的空氣質量(PM10、PM2.5)、環境狀況 (噪音、輻射)、氣象信息 (溫度、濕度、風力、風向、雨量) 等進行實時監測, 滿足建設過程中對施工環境的全過程管控。

空氣質量監測傳感器用于電氣安裝階段室內環境數據的監測。該類傳感器可監測空氣中細顆粒物PM2.5、二氧化碳、總揮發性有機化合物 (TVOC)、甲醛、濕度、溫度等參數。主要用于1 000 kV、500 kV、110 kV 主變壓器安裝、GIS 安裝區域, 以及1 000 kV 和500 kV 繼電小室等對環境要求高的作業面進行局部監測。

邊坡位移傳感器用于對施工現場站點周圍的邊坡位移數據進行實時采集, 主要用于坡度大于45°、易發生滑坡垮塌事故的坡體上。位移傳感器可以檢測邊坡運動微位移, 對異常邊坡進行提前警示。位移傳感器系統由位移傳感器節點和無線網關構成, 采用局域網方式進行通信。位移節點與網關之間為無線通信, 通信頻率2.4 GHz, 若中間有阻隔, 可增加中繼器, 網關內配置4G 網卡, 通過4G公網傳輸至服務器。傳感器節點內置可拆卸鋰電池, 單次充電可持續工作24 個月, 可滿足大部分變電工程建設期監測需求, 若建設時間超過單塊電池供電時長, 將電池更換即可。無線網關通過市電供電, 配置配電箱和24 V 適配電源。

電氣監測傳感器主要用于監測施工現場臨時用電安全, 對總配電箱、分配電箱、末級配電箱進行分級監測。剩余電量傳感器可以對電纜上剩余電流進行監測, 報警閾值一般在300 ～500 mA, 此數值是在過濾掉線路正常工作時固有泄漏電流之后的剩余值。接觸式溫度傳感器主要布設于電氣線路中的接頭部位, 采用熱敏電阻制成, 可以實時監測電纜的溫度, 在溫升變化大、電纜超溫運行時發出警報, 避免因電路溫度過高造成電氣火災。電流傳感器可對電纜的真實電流進行實時監測, 避免因負荷過大而形成電氣火災。電氣監測各類傳感器可對關鍵部位的漏電情況、負荷情況、溫度情況進行實時監測, 并對各類超標閾值根據現場需要進行調整,對設備進行實時監測, 對異常狀態進行自動判斷和及時報警, 將事故消滅在未發生或萌芽狀態, 有效杜絕電氣安全事故的發生。用電監測傳感器可通過有線和無線網關兩種方式進行數據傳輸, 根據施工現場情況進行選擇。電氣傳感器安裝于各級配電箱內, 使用配電箱內電源供電。單個監測傳感器通過RS485 方式與每個配電箱內的探測器的相應接口線連接, 探測器與站內電氣監測主機通過無線通信模塊組成局域網, 通信方式為 Rola, 通信協議為IEEE 802.15.4 g。監測數據通過局域網匯總至電氣監測主機處, 再通過網線或者光纖傳輸至服務器。

2.3.3 自動識別及追蹤技術

常用的自動識別技術包含條形碼技術、RFID、生物特征識別技術 (指紋、人臉)、光學識別技術、語音識別技術等。定位追蹤技術可對重點關注的人、物品、機械等進行定位和追蹤。定位追蹤技術包括 GPS (Global Positioning System)、室內UWB (Ultra-Wide band) 超寬帶定位技術、ZigBee短距離定位技術、RFID 射頻定位技術。為降低電力工程現場管控成本, 符合輕資產化需求, 可使用集識別功能和定位功能于一體的RFID 射頻設備。

射頻設備用于對重點關注人員、車輛、施工機械等的定位, 可以在地圖上顯示關注點的實時位置和歷史軌跡。RFID 系統由電子標簽 (Tag)、閱讀器 (網絡讀卡器)、定位基站、位置服務器 (含定位算法) 四部分組成。電子標簽與閱讀器之間使用電磁反向散射耦合方式通信, 基于雷達原理, 網絡讀卡器發射電磁波, 碰到目標電子標簽后反射,同時攜帶目標信息, 依據電磁波空間傳播規律。電子標簽與網絡讀卡器之間頻率為2.4 GHz, 通信協議為IEEE 802.15.4。網絡讀卡器與定位基站間采用433 無線通信, 將定位信息傳送給定位基站, 并通過位置服務器內置算法獲得電子標簽位置信息。電子標簽自帶鋰電池, 可滿足24 個月建設期監測需求。閱讀器、定位基站工作電壓為10 ～12 V, 通過配電箱及電源適配器采用市電供電。位置服務器安裝于監控室, 采用監控室內市電供電。位置服務RFID 系統構架如圖2 所示。

圖2 RFID 系統及網絡架構

2.4 物聯網網絡層建設

智能監管系統工地物聯網的建設、場地內視頻設備信號傳輸和其他采集設備數據的傳輸, 需要依托于穩定、全場覆蓋的網絡。通信傳輸網絡大體可分為全無線、光纖+無線和全光纖[12]。光纖具有傳輸穩定、不易干擾的特點, 而在基建期施工現場, 現場施工人員眾多、作業面大, 相互之間不協調, 很容易造成光纖損壞, 重新鋪設需耗費大量人力物力。因此根據現場情況, 采用光纖+自建無線的方式最為適用。自建無線目前多采用點對點(多點)、LTE 等技術[13-14]。TD-LTE 技術采用1.8G 專網, 具有安全、穩定等特點, 但設備覆蓋距離短, 功耗大, 且核心網、基站、通信終端等均需固定配置, 兼容性較差, 不太適用于電力工程現場管控感知層設備多樣的情況。因此, 從兼容性、適配性、經濟性及數據安全性考慮, 覆蓋全站的5.8G/2.4G 兼容的自建無線專網為最佳選擇。全站WiFi 的覆蓋, 有利于施工現場設備互聯和信息交流。土建及電氣施工階段, 移動監控設備的數據傳輸、場地內移動端掃描構件二維碼或者實物ID、場地內移動端語音巡檢信息的錄入等, 均需要全站獨立WiFi 的支持。智能監管系統網絡層構架如圖3 所示。

圖3 全站5.8G/2.4 G 兼容自建無線專網拓撲圖

3 BIM 與物聯網集成

BIM 與物聯網的集成, 是指將物聯網中的前端感知設備, 如視頻、傳感器、定位追蹤系統所采集的實時信息和經過智能判斷的警示信息, 與BIM相結合, 做到實時數據可在三維模型中展示和定位。二者的集成總體上分為數據層、服務層和交互層 (展示層) 三個層次的集成。

3.1 集成流程

3.1.1 數據層

數據層是系統的核心, 數據庫是數據融合共享和系統集成的基礎。系統四大核心數據庫為BIM模型庫、施工工藝數據庫、前端采集數據關系型數據庫、視頻非關系型數據庫。三維建筑信息模型數據形成BIM 模型數據庫, 以文件形式存儲, 位置位于Web 服務器目錄下, 旨在BIM 模型被Web 服務器發布給前端瀏覽器。用戶可根據數據庫查詢具體的BIM 模型, 在系統中進行瀏覽。施工工藝數據庫以關系型數據庫形式存儲, 包括施工過程中的管理性資料和施工指導數據。用戶同樣采取查詢方式調閱施工工藝過程和施工過程中的管理數據。各類傳感器、定位追蹤系統所產生的實時數據以不同表單形式存儲于MySQL 關系型數據庫中。視頻監控數據為非關系型數據, 在系統中可通過攝像頭的角度和放大縮小倍數獲取鏡頭位置信息, 在硬盤錄像機和服務器中獲取監控數據。

3.1.2 服務層

服務層主要用于連接前端用戶響應和后端數據處理, 是整個系統核心層。前端應用發送請求后,以JSON 格式發送給Web 服務器, Web 服務器解析JSON 請求內容, 讀取、更新或者查詢統計后端數據庫, 返回給前端處理結果。前端接收到處理結果后更新頁面顯示, 以JavaScript 庫為基礎重繪BIM三維模型。

3.1.3 交互層

交互層主要包括攝像頭交互、BIM 模型交互、移動應用交互、傳感器及定位設備交互四種。

攝像頭交互模塊通過海康威視JavaScript 二次開發包獲取攝像頭運行姿態, 將視角范圍以JSON格式發送給Web 處理器, Web 處理器接收到 “視角調整” 命令后, 通知前端BIM 模型調整視角范圍, 達到與攝像頭視域同步效果。

BIM 模型交互包括攝像頭視域同步、基本BIM模型三維瀏覽、施工工藝模擬、標記信息交互等五個子模塊?；綛IM 三維模型瀏覽包括模型放大、縮小、平移、旋轉等常規三維瀏覽功能。工藝模擬則是將施工工藝按時間順序組織管理, 系統通過讀取施工工藝庫, 根據時間和工藝屬性控制BIM 模型不同構件在不同時間段的可見度, 模擬建筑物生長, 動態演練工藝實施過程。標記信息交互可由用戶在電腦和移動端動態添加信息標記、富文本信息(包括圖片、視頻、鏈接等)。標記具有三維坐標信息, 標記圖標可附加在三維模型構件上, 可指示各類物聯傳感設備、信息發生和關聯的位置, 實現信息一鍵三維導航, 用于設計意見收集、現場問題提報、工程協調會議匯報, 相當于施工現場的作戰三維電子沙盤。

移動應用交互實施重點在于以二維碼展示板[15]形式標注BIM 重要構件, 手機客戶端在施工現場掃描二維碼后, 會根據二維碼內容定位到BIM構件位置, 瀏覽構件詳細信息, 查看三維和二維設計電子圖紙, 實現現場無紙化、三維化信息傳遞與共享。移動應用交互還包括可使用智能手機瀏覽器, 對發生的問題和事件, 在三維模型上進行標注, 并將坐標和數據傳遞給服務端。

定位設備交互重點在于將定位信息和被定位對象的屬性信息與BIM 中的坐標相對應, 通過數據庫讀取, 在三維模型中實時展現關注對象的實際位置。傳感器類數據交互重點在于將實時監測數據和狀態判斷結果直觀展示在BIM 模型中。定位設備交互由BIM 標記信息交互實現。

3.2 集成技術路線及效果

總體上采用B/S 結構, J2EE 技術架構, 后端Web 服務器采用 Tomcat7.0, 前端采用 HTML5,BIM 三維可視化引擎采用Autodesk Forge JavaScript庫, 攝像頭視角解析采用海康威視JavaScript 二次開發包, 數據庫采用MySQL 數據庫。前端和后端通信采用Ajax 技術交互, 通信協議采用JSON 格式, 即前端以JSON 文本格式發送Ajax 請求, 后端處理Ajax 請求后, 以JSON 協議格式返回處理結果。BIM 信息交互采用點云技術, 關鍵核心采用基于WebGL 著色器技術和GLSL ES 語言代碼實現,可實現在GPU 上直接運行, 顯著提高運行性能。據測試, 可在瀏覽器加載的復雜輕量化三維模型上, 添加上十萬以上標記圖標, 同時渲染顯示, 運行和操作流暢。

3.2.1 視頻視域解析及BIM 模型同步

攝像頭視域解析主要為實現?？低晹z像頭視角姿態快速解析, 實時通知服務器, 作為同步BIM模型的基礎數據。在BIM 模型端, 接收服務器發送的視角同步命令, 基于Autodesk Forge 二次開發包開發BIM 模型視域同步功能。最終的成果為實現現場監控攝像頭與BIM 模型的同視域展示。

3.2.2 施工工藝模擬與標記交互集成

以BIM 模型構件為基本單元, 設計施工工藝錄入數據結果, 形成數據錄入標準。依據標準可以定量描述工程工藝階段。基于Autodesk Forge 二次開發, 按時間序列動態控制BIM 模型構件可見性表達施工工藝過程。

高效率的輕量化模型進度模擬動畫播放, 標記信息按時間軸和甘特圖任務條篩選顯示, 標記內容包括文本 (不同字體和顏色)、圖片和音視頻混合、鏈接、表格等富文本形式。應用場景上, 工程現場人員可通過瀏覽器在三維模型上標記各類說明信息, 記錄發現的問題 (通過H5 可在智能移動設備上使用), 編制4D 時空進度計劃, 在各種協調溝通會議時使用, 如同三維電子沙盤。

3.2.3 采集端信息三維展示

將BIM 施工工藝數據庫、BIM 模型數據庫與存儲傳感器和定位設備數據及判斷閾值的MySQL數據庫相關聯, 以BIM 模型數據庫中各構件、傳感器或者定位設備的安裝位置、監測時間為聯合主鍵, 將采集端的實時數據在BIM 三維模型中進行展示, 設備狀態信息作為新的屬性加入BIM 模型中, 通過顏色等的改變來展示預警信息。現場傳感器等監測設備所產生的預警信息也可以在BIM 三維視圖中準確展現預警位置和預警結果, 管理人員可清晰獲得故障發生的準確位置。

4 應用實踐

物聯網及BIM 的集成管控, 在北京±500 kV 柔性直流變電站和望城500 kV 變電站新建工程上進行使用, 取得了一定成效。

1) 機器旁站輔助人工旁站。由高空、低空、移動式攝像頭組成的視頻監控系統, 可以在施工現場實現全天候無死角監控, 一名監理人員即可在室內展示端看到所有監控畫面, 減少了人員投入, 提高了工作效率, 降低了監理工作量, 也提升了工作環境舒適度。據統計, 在以上工程應用中, 有50%的現場安全質量問題是通過視頻監控和物聯傳感系統發現的。

2) BIM 與物聯網的輕量化集成, 可以將二者無縫對接, 避免了大部分用戶在多個系統和軟件間登錄和打開, 提升了用戶體驗。二者的集成也大大減少了專業三維軟件購買量, 降低信息系統運行使用成本。據統計, 在以上工程應用中, 經常使用輕量化BIM 的用戶數達200 多名, 這些用戶使用瀏覽器和移動平臺即可操作和使用BIM, 大大減少了BIM 專業軟件開支。

3) BIM 與傳感器設備、射頻設備和視頻采集前端設備相集成后, 可以實現現場監控攝像頭和BIM 模型的同步, 增加信息維度。也可以將各關注設備的實時參數、具體位置直觀展現, 可以使監管人員對現場全面把控, 指揮有關人員快速抵達現場處理問題。

4) 北京 ± 500 kV 柔性直流換流站、瀏陽500 kV變電站、望城500 kV 變電站工程, 在其智能監管系統工地平臺上, 應用了 BIM 信息交互技術。如在北京柔性直流換流站等工程的系統調試有關協調會上, 各方在統一的BIM 輕量化平臺三維模型上, 標記設備調試和驗收問題、意見、設備信息2 000 多條, 記錄了所有信息位置, 使用富文本和照片詳細描述, 有效匯總各方面信息, 減少重復記錄。同時在會后很容易進行匯總和編寫有關報告, 方便在現場使用移動手機對照問題進行定位和查找。特別是后期還開發了富文本報告內嵌的三維視域鏈接功能, 將文字表達和4D 視域同步,表現力和解釋力強大, 得到應用各方的喜愛和好評。

5 結語

本文提出了一套在電力工程基建現場智能管控中BIM 與物聯網技術建設和集成的方法。該方案可以提高數據共享水平, 增加現場管控人員維度,提高管理效率, 降低對人員投入的需求, 同時很好地避免了數據重復錄入、平臺重復建設、各類軟件重復投入等問題。物聯網技術與BIM 技術的集成,是電力物聯網建設在基建期發揮作用的一個很好切入點。對于增強電力工程建設的過程化智能管控能力、提高電力工程建設的信息化水平具有重要意義。