郭 威， 張成煒， 尹 元， 李揚森

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，福建 福州 350012；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350012)

0 前言

電網(wǎng)中的變電站一般采用分期建設(shè)方式，前期按遠(yuǎn)景規(guī)模預(yù)留場地，后續(xù)隨著負(fù)荷的增長陸續(xù)擴建.目前，服役近二三十年的老舊變電站原地改建的工程案例也逐漸增多.在改擴建施工過程中，土建基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)施工、變壓器和GIS等大型設(shè)備站內(nèi)運輸、設(shè)備安裝都需要采用大型吊車、平板車等機械設(shè)備.為保證電網(wǎng)供電，在滿足施工作業(yè)面的前提下，變電站內(nèi)已運行設(shè)備需要盡可能少占用空間、避免短時間停電，施工前需要提前編制施工組織設(shè)計方案，經(jīng)電網(wǎng)管理部門審批后實施[1].因此，變電站施工前如能采用有效方法對其施工過程進行仿真模擬，實現(xiàn)變電站施工過程預(yù)演，可提高變電站施工安全性和效益.

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)在變電站建設(shè)中的應(yīng)用得到了長足的進步.基于BIM軟件建立變電站三維設(shè)計模型，實現(xiàn)施工進度模擬、成本管理、質(zhì)量管理、安全管理等應(yīng)用功能，多應(yīng)用于新建變電站虛擬建造的過程[2].改擴建變電站需要對變電站已建部分進行精確建模，激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)為此提供了解決方案.激光雷達(dá)是一種主動式對地進行三維直接測量的技術(shù)，具有高精度的優(yōu)點，激光雷達(dá)技術(shù)已在變電工程三維實景重構(gòu)、帶電距離檢測、硬管母參數(shù)測量中得到應(yīng)用.國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也對此展開了研究，如張群[3]等人根據(jù)變電站建設(shè)工程的實際應(yīng)用需求，對比分析了傳統(tǒng)CAD技術(shù)和BIM技術(shù)的特點，構(gòu)建了一種基于BIM技術(shù)的三維模擬仿真系統(tǒng)，將BIM技術(shù)應(yīng)用于實際變電站設(shè)計、運行和維護中，采用Bentley Substation軟件建立了變電站整體BIM模型.通過BIM建模可以實現(xiàn)變電站建設(shè)的全生命周期覆蓋，且可以同步實現(xiàn)二維和三維模型展示.該系統(tǒng)可以隨時進行二維圖紙和數(shù)據(jù)移交，以及根據(jù)施工進度等，完成施工模擬、模型改進和優(yōu)化.曹滿鑫等[4]提出了一種基于激光雷達(dá)的三維室內(nèi)環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，開發(fā)了室內(nèi)三維環(huán)境信息采集與顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了采集室內(nèi)環(huán)境信息、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形等功能.并且通過實驗驗證，該系統(tǒng)可使用傳感器對室內(nèi)環(huán)境信息進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，使顯示環(huán)境再現(xiàn).雖以上方法都取得了一定的成果，但構(gòu)建的變電站施工三維仿真模型執(zhí)行效率不高，質(zhì)量、安全、進度管理還有待提高.

為解決以上方法存在的問題，現(xiàn)提出一種基于激光雷達(dá)與BIM技術(shù)的變電站施工三維仿真模型.針對變電站變壓器、GIS等大型設(shè)備施工前、施工中不同施工階段存在的機械設(shè)備操作不符合規(guī)范、安全距離預(yù)測不準(zhǔn)確等問題，采用激光雷達(dá)技術(shù)對已建變電站進行三維實景建模，研究變電站設(shè)備施工工藝流程，集合以往變電站施工過程中的經(jīng)驗，采用BIM技術(shù)對變電站施工工程實施3D可視化建模，對工法實施施工虛擬方案設(shè)計，得到變電站施工仿真模擬的應(yīng)用方案，可模擬變電站施工前、施工中不同施工節(jié)點下進場軌跡，并校驗變電站施工作業(yè)以及與周圍設(shè)備的安全距離，警示機械操作不標(biāo)準(zhǔn)以及機械同周圍產(chǎn)生碰撞問題[5-6].對變電站施工材料、機具進行擺放模擬，對人員運行過程進行模擬，進而對變電站施工流程以及場地部署過程進行模擬，從而提高變電站改擴建施工的安全性、進度及質(zhì)量.

1 基于激光雷達(dá)和BIM技術(shù)的變電站施工三維仿真模型構(gòu)建

1.1 激光雷達(dá)掃描變電站點云模型

變電站三維仿真模型主要包括改擴建的設(shè)備與構(gòu)件模型、已建的變電站環(huán)境模型.本文采用BIM建模工具構(gòu)建變電站的設(shè)備與構(gòu)件模型，利用激光雷達(dá)掃描變電站，所采集到的點云數(shù)據(jù)包括目標(biāo)場景中物體的三維坐標(biāo)、傾斜角度、反射角度和顏色等.在三維坐標(biāo)系中，變電站點云模型的坐標(biāo)可以表示為：

{Pi=f(Xi,Yi,Zi)|Xi,Yi,Zi∈R3}.

(1)

式(1)中，變電站測量值可以用f(Xi,Yi,Zi)進行表示，則該值可以用以下公式計算得出：

f(Xi,Yi,Zi)=h(Xi,Yi,Zi)+e(Xi,Yi,Zi).

(2)

式(2)中，h(Xi,Yi,Zi)與e(Xi,Yi,Zi)分別表示變電站真實值以及測量誤差.

在實際中，h(Xi,Yi,Zi)主要由隨機分量hδ(Xi,Yi,Zi)以及確定分量ho(Xi,Yi,Zi)組成；而e(Xi,Yi,Zi)主要由隨機誤差α(Xi,Yi,Zi)以及系統(tǒng)誤差β(Xi,Yi,Zi)組成.

結(jié)合以上分析，則變電站點云模型可以用以下公式表示：

f(Xi,Yi,Zi)=hδ(Xi,Yi,Zi)+ho(Xi,Yi,Zi)+

α(Xi,Yi,Zi)+β(Xi,Yi,Zi)

(3)

將變電站點云模型應(yīng)用至變電站三維仿真模擬中，可以精確構(gòu)建變電站已建部分的模型.

1.2 基于BIM技術(shù)的施工模擬

通過激光雷達(dá)技術(shù)對已建變電站進行三維精確建模，同時采用BIM技術(shù)對改擴建部分進行建模，兩者結(jié)合開展施工仿真分析.采用BIM技術(shù)對改擴建部分進行建模所展現(xiàn)的是實際的施工場景，而非原來以動畫的方式展現(xiàn)出的效果.

為確保變電站施工預(yù)備建設(shè)計劃的順利進行，從動態(tài)可視化角度出發(fā)，在施工時通過模擬真實施工情景，對變電站施工前、施工中不同施工節(jié)點下進場軌跡模擬進行可視化展現(xiàn)[7].通過BIM的Revit程序建立一個可以主動產(chǎn)生二維圖形信息和其他關(guān)聯(lián)非圖形化施工方案信息的三維數(shù)字化建筑模型.為了獲取變電站施工工程的分部以及分項，應(yīng)對工程量的匯總信息進行分析.Microsoft office project文檔主要記錄PBA方法中進程計劃和工作順序等信息[8].采用Navisworks中的TimeLiner完成變電站機械化模擬施工流程.圖1為變電站施工模擬應(yīng)用方案，通過結(jié)構(gòu)模型和管線與圖層模型的建立，構(gòu)建3D可視化建筑信息模型，結(jié)合施工組織設(shè)計文件，通過施工虛擬協(xié)調(diào)平臺構(gòu)建虛擬仿真，不斷調(diào)整施工方案，得出最優(yōu)施工方案.

圖1 變電站施工模擬應(yīng)用方案Fig.1 Application scheme of mechanized construction simulation in substation

BIM可以提前演示可視化施工過程.施工實時過程的演變是從一個施工情景到下一個施工情景的闡述以及解析.為了更加直觀地體現(xiàn)施工進程、工作計劃、工藝順序，以及提前呈現(xiàn)計劃中隱藏的問題，在施工中進行了精準(zhǔn)化、動態(tài)化和智能化的管理[9].為防止因圖紙改變、各專業(yè)協(xié)作難度大而產(chǎn)生多余支出，采用BIM技術(shù)對變電站改擴建部分進行建模，同時也確保了施工計劃的正確性和通暢性，節(jié)省了工作時間.

1.3 同圖形的交互

為了將基于激光雷達(dá)技術(shù)的已建變電站三維建模和基于BIM技術(shù)的改擴建部分建模進行結(jié)合，需要做好同圖形的交互.

用戶通過圖形交互能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬場景的平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放等，從不同的角度對虛擬變電站施工環(huán)境中的局部進行觀測[10].用戶采用動態(tài)演示模塊完成變電站施工過程的動態(tài)仿真分析，要想獲取施工信息，應(yīng)通過模擬運算程序進行相關(guān)的運算，得到不同施工單元的開始時間以及持續(xù)時間等參數(shù)，進而得到工程某施工單元在t時刻的畫面.通過演示屬性庫為施工動畫提供基礎(chǔ)，通過動態(tài)演示模型實現(xiàn)施工過程的動態(tài)演示，對施工過程的場景進行動態(tài)呈現(xiàn)，同時呈現(xiàn)出即刻施工過程中的有關(guān)信息，再結(jié)合地理信息系統(tǒng)確保用戶對整體施工過程進行直觀分析.

2 變電站施工仿真模擬

2.1 變電站施工動態(tài)模擬演示

針對激光雷達(dá)技術(shù)對已建變電站進行三維建模并采用BIM技術(shù)對改擴建部分進行建模后，對變電站施工進行仿真模擬.由于變電站施工工期長，施工領(lǐng)域廣，在涵蓋總體變電站施工場景的三維圖中不同細(xì)節(jié)間的差異性不夠顯著，導(dǎo)致用戶對工程的了解度降低.因此，本文方法采用巡航檢測性能，對采用成像頻率、成像風(fēng)格以及視點位置的方式進行調(diào)控，對虛擬的施工材料、機具和人員進行擺放模擬以及運行模擬，進而向用戶成像，確保用戶可基于變電站局部對施工工程進行觀測.

為了獲取施工過程的三維仿真場景，實現(xiàn)變電站施工流程及場地布置過程預(yù)演.變電站施工場景漫游模型應(yīng)采用平面規(guī)劃策略進行分析，模型利用三維真實場景實時漫游方案，確保用戶能夠在場景中基于不同的位置以及角度對總體變電站施工過程進行檢測，獲取變電站施工流程以及場地布置過程在仿真虛擬方案中存在的缺陷，實時完成合理的修正[11-12].用戶通過漫游模型，能夠從空間實時漫游的角度，對變電站施工流程以及場地布置過程仿真模擬效果進行動態(tài)分析.虛擬施工能夠?qū)⒆冸娬臼┕み^程中相關(guān)工程質(zhì)量控制點和安全隱患提前檢測處理，并通過針對性的預(yù)處理方案，進行預(yù)警標(biāo)識、完善施工策略，完成變電站施工的主動管控.變電站施工過程動態(tài)模擬演示流程如圖2所示.

圖2 變電站施工過程動態(tài)模擬演示流程圖Fig.2 Flow chart of dynamic simulation for substation mechanization construction process

本文方法采用基于圖像實現(xiàn)虛擬景觀漫游的方法，通過實時圖像操作過程形成三維透視檢測效果，通過實時圖像操作實現(xiàn)動畫播放，實現(xiàn)變電站施工流程及場地布置過程預(yù)演，本文方法的漫游模型結(jié)構(gòu)描述如圖3所示.

圖3 漫游模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of roaming model structure

2.2 碰撞檢測算法

通過碰撞檢測方法警示機械操作不滿足要求以及周圍環(huán)境存在碰撞的問題.碰撞檢測是在實景模擬環(huán)境內(nèi)，對物體同場景以及不同物體間是否存在碰撞的檢測方法，當(dāng)前的碰撞檢測算法分別是基于視點以及包圍盒進行檢測，前者將視點當(dāng)成起點，起點運行的步長當(dāng)成長度，最終構(gòu)成線段，對該線段同場景內(nèi)全部可見面的相交狀態(tài)實施檢測；后者對三維實體間的碰撞實施檢測，針對待檢測對象塑造包圍盒，檢測對象間的碰撞問題也就是對包圍盒的碰撞實施檢測.若變電站施工場景中存在大量的三維實體，基于包圍盒的碰撞檢測方法的檢測效率較低，該方法塑造的包圍盒導(dǎo)致檢測范圍大大提高[13-14].

本文方法主要是對機械操作不符合規(guī)范以及機械與周圍發(fā)生碰撞進行檢測，并且給出碰撞進行警示，基于待檢測對象的碰撞檢測點坐標(biāo)，對變電站施工場景模型塑造不規(guī)則多面包圍體并實施幾何運算，完成碰撞檢測.待檢測對象與變電站施工場景存在碰撞的檢測過程如下.

(1)從待檢測對象中采集碰撞檢測點

變電站施工過程中的三維實景模型內(nèi)用點描述待檢測對象，基于待檢測對象運行方向，將其運動方向中最前端點當(dāng)成碰撞檢測點，在其運行方向設(shè)置一條射線，隨機采集某個平面α，該平面與選擇的射線具有垂直關(guān)系，對平面α在射線方向中的位置實施調(diào)控，確保其順著待檢測對象運行的方向不斷向初次相交的位置趨近，同時將最終的交點T(x,y,z)記錄下來，該點則是碰撞檢測點.

對變電站施工三維場景模型塑造包圍盒，中心是場景模型的質(zhì)心，將模型中與質(zhì)心距離值最大的三個點塑造三角形，對距離質(zhì)心第四遠(yuǎn)的點以及第二、三遠(yuǎn)的點塑造三角形，進而為變電站施工三維場景塑造不規(guī)則包圍體.

(2)通過幾何運算分析是否存在碰撞現(xiàn)象

假話場景模型的包圍體面數(shù)量為n，則第i個面的運算方程為：

AiX+BiY+CiZ+D=0.

(4)

則有：

NiP+D=0.

(5)

式中：βi平面內(nèi)的法向量用Ni(Ai,Bi,Ci)描述；βi內(nèi)的點是P(x,y,z)，0≤i≤n.若該平面的法向量指向前，NiP+D>0，說明P點處于平面的前端，否則NiP+D<0，P點處于平面的后端[10，15].

向公式(4)中融入碰撞檢測點坐標(biāo)，如果獲取的值比零高，說明該點處于場景模型包圍體外端，待檢測對象同變電站施工三維場景模型不存在碰撞問題，否則獲取的值比零低，說明該點處于場景模型包圍體內(nèi)部，待檢測對象同場景存在碰撞問題，如果獲取的值為零，說明待檢測對象恰好同場景存在碰撞問題.

3 實驗分析

為了驗證所設(shè)計的基于激光雷達(dá)和BIM技術(shù)的變電站改擴建三維仿真模擬系統(tǒng)的綜合有效性，在CPU處理器Intel Core i7-8750H，內(nèi)存16 GB，開發(fā)環(huán)境為Spyder，Python 3的環(huán)境下進行仿真實驗測試.

3.1 執(zhí)行效率

各個系統(tǒng)的執(zhí)行效率直接影響到系統(tǒng)的運行速度，以下實驗測試將執(zhí)行效率設(shè)定為評價指標(biāo)，分別與文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)和本文所設(shè)計系統(tǒng)的執(zhí)行效率進行對比測試，實驗結(jié)果如表1所示.

表1 不同系統(tǒng)的執(zhí)行效率對比結(jié)果

表1(續(xù))

分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，由于測試樣本的數(shù)量不同，導(dǎo)致系統(tǒng)整體的執(zhí)行效率也在不斷發(fā)生變化，相比文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)，本文所設(shè)計系統(tǒng)的執(zhí)行效率明顯更高一些，主要是由于本文所設(shè)計系統(tǒng)采用激光雷達(dá)技術(shù)進行變電站風(fēng)險檢測，有效剔除虛假目標(biāo)，以此增強系統(tǒng)的執(zhí)行效率.

3.2 變電站施工進度管理質(zhì)量

在上述實驗的基礎(chǔ)上，進行變電站施工進度管理質(zhì)量比較，管理質(zhì)量評價因子在[0,10]之間，結(jié)果如圖4所示.

圖4 施工進度管理質(zhì)量對比Fig.4 Comparison of construction schedule management quality

分析圖4可知，與文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)相比，本文方法所設(shè)計系統(tǒng)的變電站施工進度管理質(zhì)量評價因子始終在9.7以上，遠(yuǎn)高于文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)，表明本文所設(shè)計系統(tǒng)的變電站施工進度管理質(zhì)量更高.

3.3 變電站安全管理質(zhì)量

為了進一步比較不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進行變電站安全管理質(zhì)量比較，管理質(zhì)量評價因子在[0,10]之間，結(jié)果如圖5所示.

圖5 安全管理質(zhì)量對比Fig.5 Comparison of safety management quality

分析圖5可知，與文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)相比，本文方法所設(shè)計系統(tǒng)的變電站安全管理質(zhì)量評價因子始終在9.6以上，本文所設(shè)計系統(tǒng)的變電站安全管理質(zhì)量更高，實際應(yīng)用效果更好.主要是由于本文所設(shè)計系統(tǒng)采用BIM技術(shù)對變電站擴建部分的施工過程實施3D可視化建模，對施工過程中的電場空間排列情況實施自主運算，對施工人員的安全工作范圍以及危險工作范圍實施分割，同時通過可視化結(jié)果呈現(xiàn)出來，對工作人員趨近危險范圍或者超過當(dāng)前工作范圍進行警示.可見該系統(tǒng)對于預(yù)防風(fēng)險、進行輔助決策、減少施工中安全事故效果顯著.

4 結(jié)論

基于激光雷達(dá)與BIM技術(shù)的變電站施工過程仿真模擬，主要是通過激光雷達(dá)技術(shù)對已建變電站進行三維精確建模，同時采用BIM技術(shù)對改擴建部分進行建模，兩者結(jié)合開展施工仿真分析，通過碰撞檢測方法警示機械操作不滿足要求，以及機械周圍環(huán)境存在碰撞的問題，對變電站施工進行動態(tài)演示.實驗結(jié)果表明，該基于激光雷達(dá)與BIM技術(shù)的變電站施工過程三維仿真模擬系統(tǒng)對變電站施工場所的三維展示效果逼真，模擬效果好、執(zhí)行效率高、施工進度管理質(zhì)量高、安全管理效果好，可有效減少施工中安全事故，提高變電站改擴建施工效率.