俞辰穎，方瑜，蔡勇

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)存在電纜敷設(shè)交叉與線路布控不夠清晰，電纜管道敷設(shè)施工及后期運(yùn)維工作難度較大的問(wèn)題，本文提出一種基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設(shè)路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，在分析GIM關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，建立GIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)電纜模型，并在研究中以110 kV輸變電工程設(shè)計(jì)為例，提出電纜管道敷設(shè)施工反饋，對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析出GIM三維設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得出基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設(shè)路徑能夠?qū)崿F(xiàn)直觀可視化，縮減電纜施工工期，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低工程造價(jià)17.5%。

關(guān)鍵詞：GIM;電纜管道;敷設(shè)路徑

中圖分類(lèi)號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0106-04

Optimization of Cable Duct Laying Path in Modular Substation Based on GIM

Yu Chenying1， Fang Yu1， Cai Yong2

（1.Zhejiang huayun electric power engineering design consulting Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China;2.Construction Department of Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Hangzhou 310007，China）

Abstract：In view of the traditional two-dimensional design， cable laying crossover and line control are not clear enough， which is difficult for cable pipeline laying construction and later operation and maintenance work， this paper proposes a design idea of GIM modular substation. On the basis of analyzing the key technologies of GIM， the GIM 3D collaborative design cable model was established， and in the study， taking the 110 kV power transmission and transformation engineering design as an example， we put forward the construction feedback of cable pipeline laying. Compared with the traditional design， the technical advantages of GIM 3D design are analyzed. It is concluded that the cable pipeline laying path based on GIM modular substation can realize the intuitive visualization， reduce the cable construction period， improve the economic efficiency， and reduce the project cost by 17.5%.

Key words：GIM; cable pipeline; laying path

0 引言

建筑信息模型（ Building Information Model，BIM）理論提出后便在國(guó)內(nèi)外建筑行業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，2019年我國(guó)就已經(jīng)全面進(jìn)入三維變電站設(shè)計(jì)階段。在電網(wǎng)信息模型（GIM）技術(shù)推動(dòng)作用下，達(dá)到建筑全生命周期推行工程項(xiàng)目管理滿足數(shù)據(jù)共享。同步進(jìn)展的還有我國(guó)的變電站設(shè)計(jì)，如今已經(jīng)達(dá)到模塊化建設(shè)中，模塊化設(shè)計(jì)可以對(duì)占地面積有效縮減，極大程度提升了施工便利性。通過(guò)大規(guī)模建設(shè)模塊化變電站工程，不僅能夠減少施工占地面積，縮減工程周期提升工程工作效率與便捷性等優(yōu)點(diǎn)，還可以減少施工現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)量，多數(shù)都取消了電纜層，極大程度減少了電氣設(shè)計(jì)工作人員的工作量[1-2]。電纜敷設(shè)通常運(yùn)用二維設(shè)計(jì)，由于龐大的電纜數(shù)量，經(jīng)手動(dòng)排查易產(chǎn)生錯(cuò)誤，人為增加工作量，還影響了工期;還要統(tǒng)計(jì)豎井、用電設(shè)備、電纜橋架、電氣盤(pán)柜、材料等[3]。在有限的施工圖紙空間，無(wú)法精準(zhǔn)定位設(shè)備所在位置，理論上雖然可以完成電纜分層敷設(shè)設(shè)計(jì)，但是對(duì)于電纜與埋管長(zhǎng)度計(jì)算上存在誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電纜在通道中的單層敷設(shè)。本文提出了運(yùn)用GIM技術(shù)在模塊化變電站電纜管道敷設(shè)路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，結(jié)合實(shí)例對(duì)比分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，得出GIM三維設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)，以供變電站設(shè)計(jì)中電纜敷設(shè)提供參考。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

想要建立城市空間規(guī)劃支持系統(tǒng)，并將GIM/RS技術(shù)引入其中，就需要認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 GIM技術(shù)

通過(guò)在本研究中將GIM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）相結(jié)合，參照《關(guān)于印發(fā)推進(jìn)智能變電站模塊化建設(shè)工作要點(diǎn)的通知》相關(guān)規(guī)定[4]，建設(shè)包含5大功能塊的新型變電站建設(shè)模式，形成縮減工程周期，降低工程造價(jià)，減少不必要的土地工程用量等，作為未來(lái)模塊化變電站的發(fā)展所趨。運(yùn)用GIM技術(shù)三維建模較傳統(tǒng)工程三維設(shè)計(jì)，可以降低建筑物的工程模型難度，可以更直觀、清晰的體驗(yàn)工程項(xiàng)目模型[5]?？梢詫?shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)完成自動(dòng)更新，經(jīng)模型自動(dòng)化生成設(shè)備明細(xì)表以及有關(guān)圖紙資料，極大推進(jìn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)廣泛運(yùn)用，更優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)成果，由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過(guò)渡至三維設(shè)計(jì)，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過(guò)渡至數(shù)字化設(shè)計(jì)。運(yùn)用GIM技術(shù)擁有協(xié)同設(shè)計(jì)、直觀以及信息共享多種技術(shù)特點(diǎn)等，經(jīng)多人、多專(zhuān)業(yè)同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)GIM模型，確保了最終電纜管道敷設(shè)路徑設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

1.2 RS技術(shù)

RS遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）作為基于航空攝影技術(shù)基礎(chǔ)之上，歷經(jīng)社會(huì)發(fā)展技術(shù)創(chuàng)新，所逐漸廣泛應(yīng)用于水文、資源、環(huán)境、地質(zhì)、氣象多領(lǐng)域的新型技術(shù)。具有通過(guò)非接觸式運(yùn)用傳感器、物體電磁波各類(lèi)具備的輻射、反射特點(diǎn)。遙感指的是遙感類(lèi)電磁波敏感儀器，其能夠在與目標(biāo)非接觸基礎(chǔ)條件下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遙感探測(cè)。

綜上，本文設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用了可以支持GIM標(biāo)準(zhǔn)軟件的STDR軟件平臺(tái)、Bentley軟件以及金曲軟件平臺(tái)，完成本次電纜管道敷設(shè)設(shè)計(jì)[6]。Revit系列軟件的學(xué)習(xí)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)建立所有二維、三維視圖，并且融合所有數(shù)據(jù)達(dá)到較高的參數(shù)程度，滿足電氣設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。

2 線路規(guī)劃空間建模

2.1 模塊化劃分線路空間

由于輸電線路中擁有多種構(gòu)件，其形狀大小也不同，導(dǎo)致空間布線不夠規(guī)范，所以應(yīng)當(dāng)完成布線空間的三維路線規(guī)劃建模。通過(guò)對(duì)線路規(guī)劃空間進(jìn)行網(wǎng)格化處理，抽象理解三維空間作為涵蓋幾何模型空間位置信息的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，這樣即可描述線路規(guī)劃路徑的可能途徑空間節(jié)點(diǎn)。為了對(duì)能提出該算法的應(yīng)用計(jì)算效率有效提升，需要首先模塊化劃分布線空間，柵格化劃分特定空間區(qū)域，而非格柵劃分整個(gè)空間。

通過(guò)劃分路線規(guī)劃空間的若干子空間并集，用表示，路線規(guī)劃的全部空間用A表示，劃分為以下子空間，如圖1所示。在Ai作為線路規(guī)劃中的固定布線路徑，這時(shí)的輸電線路經(jīng)該區(qū)域即會(huì)形成直接連通性，可以在搜索規(guī)劃路徑中自動(dòng)化成功跳過(guò)這一區(qū)域。如圖1所示的A2作為連接組件，在輸電線路經(jīng)該結(jié)構(gòu)組件過(guò)程中，可以視該路徑為T(mén)1、T2兩端的直接相連，那么對(duì)于S1、S2路線規(guī)劃進(jìn)行求解過(guò)程中，就不需要計(jì)算該段的時(shí)間，這樣就可以有效提高整個(gè)路徑規(guī)劃效率，簡(jiǎn)化規(guī)劃過(guò)程并柵格化求解空間，有效解決整個(gè)算法空間[7]。

2.2 路徑規(guī)劃空間建模

通過(guò)應(yīng)用以往文獻(xiàn)研究成果中的分網(wǎng)格法，運(yùn)用于本次路徑規(guī)劃空間的模塊化劃分中。首先抽象獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的三維空間模型，在左頂點(diǎn)即三維空間A點(diǎn)原坐標(biāo)點(diǎn)，建立A的三維坐標(biāo)系公式：A-xyz。該坐標(biāo)系內(nèi)形成頂點(diǎn)為A，x軸方向取三維模型的AB最大長(zhǎng)度，y軸方向取三維模型AD的最大長(zhǎng)度，這樣也就形成了ABCD —ABCD這樣的含有三維路徑規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型的立方區(qū)域（如圖2所示）。為了獲取抽象化的輸電線路路徑規(guī)劃環(huán)境模型，需要等分操作該立方空間區(qū)域，根據(jù)AB邊劃分為n等份，可以獲得平面共計(jì)n+1個(gè)，表示為，之后劃分這共計(jì)n+1個(gè)的平面獲得m等份，根據(jù)AA邊劃分為1等份，獲得如圖3所示的路徑規(guī)劃平面圖。

根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)本次GIM模塊電纜管道敷設(shè)三維模型流程如圖4所示。

（1）在構(gòu)建模型中，電纜建模應(yīng)當(dāng)以電壓、截面電纜相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，構(gòu)建電纜模型數(shù)據(jù)庫(kù)，方便在敷設(shè)電纜工程中可以隨時(shí)選取。在建構(gòu)含有電纜支架的電纜溝模型中，建設(shè)電纜溝模型作為重難點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)電纜溝通道，包括三通、四通、拐角等各模型節(jié)點(diǎn)。之后擴(kuò)充全部電纜支架至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，經(jīng)設(shè)計(jì)層架敷設(shè)電纜類(lèi)別，根據(jù)敷設(shè)電纜的具體規(guī)則確保可以符合有關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，確保敷設(shè)路徑設(shè)計(jì)與實(shí)際效果相符。對(duì)于埋管模型建構(gòu)過(guò)程中，可以經(jīng)軟件成功識(shí)別排管路徑，后依照排管內(nèi)部所敷設(shè)的電纜管道，根據(jù)不同的外徑、電壓、容積率自動(dòng)敷設(shè)管道，也可以根據(jù)具體細(xì)節(jié)手動(dòng)調(diào)整管道布控結(jié)果[8]。

（2）對(duì)電纜管道布設(shè)過(guò)程中，可以根據(jù)管道布設(shè)的有關(guān)電纜模型信息，自動(dòng)查找平面圖內(nèi)部的電纜敷設(shè)路徑，根據(jù)原本的敷設(shè)電纜規(guī)定原則優(yōu)化設(shè)計(jì)，在斷網(wǎng)后對(duì)是否存在電纜設(shè)備的接線實(shí)物情況進(jìn)行檢查，這樣能夠通過(guò)GIM建模有效提高電纜布設(shè)工作效率。同時(shí)也能夠?qū)τ趯?shí)際敷設(shè)電纜后，經(jīng)有關(guān)層次、橋架與節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的地區(qū)情況手動(dòng)調(diào)整特殊的電纜敷設(shè)方式與路徑。

（3）三維碰撞檢查與二維電纜設(shè)計(jì)不同，目的就是能夠有效避免電纜管道敷設(shè)后期是否會(huì)發(fā)生交叉碰撞、碰撞橋架建筑物等問(wèn)題，從而保證能夠順利完成電纜施工。這樣還能夠運(yùn)用GIM三維建模檢查電纜布設(shè)內(nèi)容，包括埋管、橋架和建筑梁板柱是否存在碰撞問(wèn)題。

（4）在完成上述模型構(gòu)建步驟流程后，統(tǒng)計(jì)相關(guān)材料包括三維設(shè)計(jì)電纜長(zhǎng)度、施工裕量、橋架的長(zhǎng)度以及保護(hù)管長(zhǎng)度、橋架接頭與立柱等。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)表格有不同，其能夠依照實(shí)際的工作需求完成電纜表定制，呈現(xiàn)直觀的圖紙方式，為材料采購(gòu)與施工提供極大便利。

（5）如圖5所示的GIM三維模型成果，它能夠應(yīng)用于對(duì)比所生成效果圖的方案預(yù)覽，也能夠直接作用于三維圖像、視頻瀏覽制作，最終生成電纜自動(dòng)敷設(shè)溝/橋剖面設(shè)計(jì)圖。

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

在110 kV模塊化變電站管道敷設(shè)路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)中運(yùn)用GIM技術(shù)，均為半戶(hù)布設(shè)在室外布置主變壓器，其余電氣設(shè)備均在室內(nèi)布置。其中在配電裝置樓內(nèi)布設(shè)10 kV配電裝置室、10 kV電容器室、110 kV GIS室以及二次設(shè)備室，運(yùn)用了電纜溝敷設(shè)110 kV GIS電纜進(jìn)出。因?yàn)樵摲桨冈O(shè)計(jì)將電纜層取消，所以電纜出線走廊仍然運(yùn)用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，能夠發(fā)現(xiàn)該電纜的出線比較密集，緊張的廊道給工程設(shè)計(jì)施工人員帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

3.2 應(yīng)用軟件

本次設(shè)計(jì)選用Revit三維軟件，完成輸變電工程電纜敷設(shè)三維模型設(shè)計(jì)，自?xún)赡昵伴_(kāi)工，一年前投產(chǎn)后電纜敷設(shè)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，整個(gè)工期共16 d。在運(yùn)用GIM三維建模設(shè)計(jì)后，不改變電纜敷設(shè)前提下縮減整個(gè)施工工期為5 d。

3.3 應(yīng)用特點(diǎn)

根據(jù)本次通過(guò)GIM三維模型模塊化設(shè)計(jì)變電站電纜管道敷設(shè)的設(shè)計(jì)工程實(shí)例，在工程設(shè)計(jì)以及施工反饋中，具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）本次工程設(shè)計(jì)運(yùn)用GIM三維建模直觀可視化，在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中往往需要借助三維視圖、剖面圖等抽象理解電纜的實(shí)際布設(shè)等;三維設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確迅速的建立三維模型，對(duì)各電力設(shè)備之間的空間位置關(guān)系形成更直觀的理解，可以有效解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)主體存在的平面設(shè)計(jì)思維盲區(qū)，以便更加及時(shí)直觀的對(duì)各設(shè)備碰撞問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)。并且在整個(gè)GIM三維模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以為施工者、工程業(yè)主以及后期施工維護(hù)人員提供更加直觀的布設(shè)方案，縮減工程施工周期，方便滿足業(yè)主的工程修改需求，也有助于后期運(yùn)維。

（2）依照該工程有關(guān)設(shè)計(jì)人員的反饋工作，通過(guò)運(yùn)用三維軟件在完成數(shù)據(jù)庫(kù)模塊化設(shè)計(jì)中，能夠讓整體設(shè)計(jì)更加方便快捷。尤其在布設(shè)一次性設(shè)備時(shí)只要對(duì)模型作出修改，就可以將電纜管道敷設(shè)平面圖重新生成，運(yùn)用GIM三維建?？梢赃_(dá)到較快的出圖時(shí)間，減小后期敷設(shè)修改工作量，根據(jù)工程反饋達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間縮減1人/d，較以往工程實(shí)踐縮減工期33.3%，提高了整個(gè)工程的效率。

（3）本次工程的道路敷設(shè)路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)中，由于電纜敷設(shè)需要考慮復(fù)雜材料，較大設(shè)備尺寸與前期施工影響因素，所以二維設(shè)計(jì)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)布設(shè)走向精準(zhǔn)，為了避免后期工程變更還提前在設(shè)計(jì)階段增加材料，導(dǎo)致增加了不必要的工程造價(jià)。本次工程設(shè)計(jì)采用GIM三維設(shè)計(jì)，可以降低17.2%工程造價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出基于GIM三維建模的模塊化變電站電纜管道敷設(shè)路徑優(yōu)化思路，結(jié)合工程實(shí)例在提前對(duì)GIM技術(shù)三維建模流程分析前提下，發(fā)現(xiàn)對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分析GIM三維設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，得出了基于GIM模塊化變電站電纜管道敷設(shè)路徑能夠?qū)崿F(xiàn)直觀可視化，縮減電纜施工工期，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低工程造價(jià)17.5%。

參考文獻(xiàn)

[1]FANG G ， FANBIN M ， QINGLING F ， et al. Optimization design of prefabricated optical cable in 220 kV Semi-Indoor GIS Substation[J]. Inner Mongolia Electric Power， 2018.

[2]顏 艷，江永生. 基于模塊化設(shè)計(jì)的城市智能變電站整體優(yōu)化研究[J].山西建筑，2020，46（01）：57-59.

[3]錢(qián)嘉楠，周 超，劉偉盛，等. 基于Intergraph Smart 3D的郵輪電纜自動(dòng)敷設(shè)功能優(yōu)化開(kāi)發(fā)[J]. 船舶工程，2020，42，275（01）：57-61.

[4]陳 巖，李 濤，印明昂. 基于改進(jìn)A*算法的管路自動(dòng)敷設(shè)研究[J]. 四川兵工學(xué)報(bào)，2018，039（10）：91-95.

[5]王振朝，侯歡歡，李海瀟. 并行多徑傳輸中基于服務(wù)質(zhì)量的路徑優(yōu)化方案[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2018，39（03）：503-507.

[6]金武杰，陳麟紅.基于最近鄰法的電力電纜巡線路徑的優(yōu)化[J]. 貴州電力技術(shù)，2019，22（03）：39-43.

[7]劉 瑞，史 哲，徐強(qiáng)勝，等. 基于低空無(wú)人機(jī)的電力線路控制測(cè)量與路徑優(yōu)化研究[J]. 粘接， 2019，17（05）：66-67.

[8]張玉峰. 探析供配電線路工程中的電纜敷設(shè)安裝施工及其管理[J]. 粘接，2019， 03（05）：81-82.