基于BIM技術的特高壓數字化管控系統在變電站工程中的應用

崔艷軍，陶 剛，丁偉翠

(1.北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100120；2. 中國地質科學院，北京 100037)

0 引言

近年來，物聯網、大數據、云計算、移動互聯網和人工智能等新一代信息技術的發展與革新，對我國變電工程的施工和可視化管理提出了更高的要求[1-2]。特高壓變電站“智慧建設”是建立在高度的信息化基礎上，閆晗[3]等將“物聯網+”應用于施工建設的安全性和質量等方面的研究；李云濤[4]等結合建筑工程實際案例闡述了物聯網技術在智慧工地建設中的應用；李建偉，李喻蒙[5]等研究數字孿生變電站利用專家知識、人工智能分析等技術,研判分析傳感器采集的動態數據，實時診斷設備的健康狀態及異常發展趨勢，李偉[6]等通過精準剖析輸變電工程安全管理存在的問題，構建人員定位系統、現場管理制度機制和現場管理組織機構三大部分的輸變電建設工程安全管理系統；姜英偉[7]等借助人工智能、BIM、RFID定位等前瞻性技術為智慧工地建設的安全管理提供了新的思路與方向；呂俞[8]等智慧建造及換流站智慧建設角度來分析某個過程的建設及應用情況。而BIM技術在特高壓直流輸變電工程中逐步得到應用，如昌吉.古泉±1 000 kV特高壓直流輸電工程和同里±800 kV特高壓換流站輸變電工程，但在特高壓變電工程整個施工的全過程管理方面，尚缺少被用戶普遍認可的管理平臺和經典案例。很多工程的實際應用僅停留在質量、安全或成本等方向輔助管理層面，不能有效指導全維度的施工，無法真正為管理者所應用。因此一些工程中數字化平臺并未發揮出預想的效果，導致相關技術及研究的熱度在近幾年有所下降。

本文以南昌站1 000 kV變電站為實例，通過建設基于BIM技術的特高壓數字化管控系統，以BIM模型構建變電站三維場景作為載體，全面應用物聯網、移動互聯網、BIM技術，以解決工程模型與應用功能的割裂問題，降低平臺操作門檻，實現變電站施工過程的進度、安全、質量、人員和技術等要素的全生命周期管理，提出一種更符合實際便于特高壓施工現場管理的思路，提升特高壓工程現場信息化、智能化管理水平，有力支撐特高壓管控系統的持續完善，夯實特高壓工程管控模式，安全穩步推進特高壓工程建設。

1 系統架構

依托基于BIM技術的特高壓數字化管控系統的建設，打造工程建設全生命周期管理的智能“大腦”，實現對進度、安全、質量、設計、物資、環水保等多方面進行管控。對現場管控形成有利的支撐，持續提高特高壓工程質量建設。其架構圖如圖1所示。

圖1 平臺架構圖

系統架構分為感知層、網絡層、平臺層、用戶層四個層次。

1)感知層：利用各類終端采集設備解決數據采集，實現工程建設過程中各類要素信息的自動采集，實現“人、機、料、法、環”的全方位、立體式監控。

2)網絡層：采用光纖、無線等多種通信技術，為基建現場視頻監控、人車管理、安全監控、環境監測、現場填報數據等回傳及分析提供安全可靠的網絡。

3)平臺層：分通用基礎服務和服務基礎設施，基于微服務架構構建各服務單元，基于三維GIS構建數字化場景，基于視頻及物聯平臺構建現場物聯數據接入、邊緣計算AI分析及視頻接入轉發等感知層數據獲取。

4)用戶層：支持移動端、PC端和網頁多種應用形式相結合的應用體系。

2 平臺功能

數字化管控系統功能如圖2所示。

圖2 數字化管控系統功能

1)數字化場景：根據設計院GIM格式的模型建立變電站三維數字化場景，通過現場側各種感知設備的接入，實現變電站數字化場景與各個功能的聯動和交互，便于變電站形象化展示和管理賦能。

2)進度管理：通過進度計劃、里程碑計劃的管理和施工進度計劃的在線填報，實現對項目進度的把控。通過時間軸模擬工程從開工至竣工的全過程建設場景實現施工進度可視化推演，根據報送的施工進度模擬當前進度下的工程三維場景，支持對進度進行偏差分析和告警。

3)安全管理：實現對施工作業人員和工器具入場管理，通過現場視頻監控設備，實現對現場作業違規行為的記錄，借助現場施工作業票實現對作業風險的統計分析，便于業主對施工作業安全進行可視化把控。

4)質量管理：采集現場質量檢查信息，輔助開展質量驗評、過程驗收、實測實量等內容，對檢查信息進行跟蹤閉環。

5)設計管理：設計單位對變電站設計圖紙卷冊進行上傳發布，平臺記錄圖紙的交底狀態，對變電站的設計成果進行歸檔管理，支撐用戶對三維場景進行瀏覽。

6)物資管理：對變電站施工的所需甲供和乙供物資進行分析和預判，為工程施工所需物資的到貨情況進行跟蹤，協助管理人員開展物資維護的工作。

7)環水保管理：通過環水保監測設備，實現對變電站施工作業環境的精確監控和分析，便于支持變電站進行環水保分析，滿足對站端施工環境控制要求。

3 關鍵技術

1) BIM技術

BIM 技術[9]是一種多維(三維空間、四維時間、五維成本、N維應用)模型信息集成技術，在項目從概念產生到完全拆除的整個生命周期內都能在模型中操作信息和在信息中操作模型，實現在建設項目全周期提高工作和質量以及減少錯誤和風險的目標。

2)物聯網技術

“物聯網”的概念是把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。他是以感知為前提，實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡[10-11]。物聯網是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制。在物聯網應用中有以下關鍵技術：傳感器技術、RFID技術、嵌入式系統技術、智能技術和納米技術。

3)視頻智能圖像識別

圖像識別技術[12]是人工智能的一個重要領域，它是指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對像的技術。它是立體視覺、運動分析、數據融合等實用技術的基礎，在導航、地圖與地形配準、自然資源分析、天氣預報、環境監測、生理病變研究等許多領域重要的應用價值。

4 實施案例

4.1 數據采集

為充分利用信息系統數據管理與BIM可視化優勢，本平臺集成視頻監控、人員車輛管理、水土保持在線監測等系統，將工程現場監測設備采集到的數據實時傳入系統后臺中進行計算并供后臺調用，促進施工管理數字化、智能化、可視化相關功能的實現。

1)視頻監控系統

為支持現場數據采集的需求，視頻監控系統目前在進出關鍵位置安裝監控攝像頭，利用BIM+GIS技術，通過調用視頻服務器，可將工程現場攝像頭與平臺的三維場景進行關聯，對工程項目施工現場的工程質量、現場操作、施工安全、環境衛生、人員安全管理等方面進行監控，實現監控畫面的實時播放和歷史視頻查閱。監控系統可以靈活360°旋轉觀察工程各位置細節，處理隨機事件，效果如圖3所示，利用系統大屏可直接與各區域負責人進行實時通訊，在業主項目部即可實現對人員的現場對講指揮。針對重點或施工危險性較高的區域可利用視頻監控、體征監測等技術對施工作業人員工作狀態(包括人員精神狀態、心跳、體溫等，是否佩戴安全帽或人員倒地)進行監測。

圖3 視頻監控系統

2)人員車輛管理系統

通過接入現場人員和車輛管理系統，可獲取人員和車輛出入情況，在系統中人員車輛模塊實時顯示各監測區域人員和車輛出入數據。并利用定位技術對工程車輛進行實時定位、路徑記錄，支持在平臺上實現三維可視化管理。在施工現場出入口加裝車牌識別系統，對經常出入工地車輛的車牌號碼及外觀進行后臺登記到“白名單”中，并自動采集車輛出入記錄并上傳出入影像記錄至平臺，對于陌生車輛進入施工區域可后利用自動監測識別功能進行報警提醒。

3)水土保持在線監測系統

在變電站布設固定微氣象監測設備和水土流失監測設備，采用LoRa通信技術，遠程數據傳輸采用公網4G網絡。系統實時獲取微氣象和水土流失監測數據及坡度、土壤容重因子等數據，可以對整體及特殊設備安裝施工提供風速、溫度、濕度、雨量、水土流失量、噪聲、PM2.5等超過閾值報警，報警結果在平臺上進行展示，并將報警結果推送給相關人員，保證相關人員及時掌握現場環境情況。

4.2 工程應用

本平臺管理功能旨在利用系統平臺以簡單、直觀、高效的方式合理組織施工，滿足指揮、調度、協調、組織、管理的功能要求，為輔助工程管理人員進行決策做好基礎。

1) BIM模型與傳感信息集成

變電站及地形模型是系統三維可視化管理的基礎，結合BIM設計成果、工程影像和地形數據，采用三維數字化和GIS技術建立涵蓋工程地形和關鍵設施布置的三維模型[13-14]，三維場景如圖4所示(視頻監控點是固定，而風險作業點和危大部位監測是現場人員使用時才出現)，將現場視頻、危大部位、微氣象和水土流失監測等物聯傳感設備跟三維場景進行關聯，實現物聯感知數據與三維BIM場景的深度融合，較傳統工程設計方法可更好地實現工程設計與管理協同作業，滿足現場施工技術交底和方案溝通需求，為施工和設計、監理人員建設過程中溝通匯報提供形象化的支撐。

圖4 變電站三維場景

2)進度偏差分析

進度偏差分析是進度管理中重要的一環，是對前期進度數據分析的直觀展示，是管理決策的重要支撐。根據施工進度計劃中的重要施工時間節點要求，對比施工實際進度現狀，如果發現實際施工進度低于進度計劃的臨界值，則進行施工進度預警，如圖5所示，針對具體工序階段以不同顏色的進度條直觀反映工序施工進度的正常、超前、滯后等施工狀態，加強計劃與進度對比分析，便于決策者實時調整工作順序保證工程能按時完工。

圖5 進度偏差分析

3) AI智能圖像識別

對于變電站違章施工依靠傳統的人工管理方式，既耗時又費勁，不能滿足新形勢下建設的需要，通過施工現場各類違章行為的大量圖像構建數據樣本庫，利用智能算法提取違章行為的關鍵特征，形成違章行為的典型標本特征。在視頻監控過程中對視頻圖像的匹配分析，監測現場是否存在違章行為，可實現對未穿戴工作服、抽煙、未佩戴安全帽、禁區闖入等行為進行分析，統計各類違章行為的發生頻率[15]。讓管理人員能及時發現現場施工的問題，實現特高變電站建設智慧化和數字化管理，達到系統建設的目標。

4) 危大部位監測

利用現場的物聯智能感知設備，對設備安裝危大部位的沉降、位移和傾角進行實時動態監測，平臺可實現分秒級預測危大部位的沉降、位移和傾角變化，當監測數據超過閾值時，會及時發出告警信息，以便施工人員作出相應的補救措施，保證施工質量和人身安全。其沉降監測變化如圖6所示。

圖6 沉降監測變化趨勢圖

5 結論

本項目基于BIM技術及物聯感知、數據分析、激光掃描等先進創新手段，利用設計單位BIM設計成果完成三維場景與物聯傳感的融合，提出了涵蓋進度、安全、質量、設計、物資、環水保等模塊的數字化管控系統，能讓特高壓站建設各方主動去使用該系統來開展現場側的管理工作，提升特高壓工程現場信息化、智能化管理水平。主要有如下優點：1)立體展示站址周邊環境、交通道路、地下樁位、建筑、設備等，支持查看與模型關聯的物聯傳感設備的信息。2)以模型為基礎結合施工進度數據在BIM數字化場景中實現建設過程的動態模擬。實現進度偏差分析，以甘特圖方式實現實時進度自動統計、實時進度和偏差展示，預警關鍵路徑變化情況。3)實現對危大部位監測情況，對異常情況預警。4)利用BIM設計成果開展施工交底和實現施工方案管理。不足之處在建設時間緊張，視頻圖像識別受環境的影響，分析效果未能實現最佳效果。經工程實踐證明，該系統可極大地提高工程管理效率，有效提升變電工程建設及運營一體化管控能力，實現工程建設的精細化管理。