朱柳慧，王廣江，朱伊姝

(1.國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)(2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)(3.國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201699)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力行業(yè)作為主要的能源產(chǎn)業(yè)受到政府的廣泛關(guān)注與重視。由于電力能源的損耗很大一部分發(fā)生在電力傳輸過程中，因此電力運輸成為主要的行業(yè)問題。為了解決這類問題，需要建造大量的變電站以滿足不同目標對電壓的要求，并且室內(nèi)變電站所用的電纜類型一般都很多，且不同電纜間交錯復(fù)雜，這類問題在電力行業(yè)普遍存在，往往給電纜的敷設(shè)造成比較大的困難[1-3]。

國內(nèi)對于火電廠變電站的電纜敷設(shè)問題基本采取傳統(tǒng)的建設(shè)方法，即首先根據(jù)目標設(shè)計相關(guān)變電站的建設(shè)圖紙，等圖紙設(shè)計完成后，建設(shè)施工公司依照圖紙開始施工[4]。由于設(shè)計的圖紙內(nèi)容可能與現(xiàn)場實際情況不相符，往往需要對圖紙進行更新。但是在更新的過程中，電纜敷設(shè)工程的局部變更與整體敷設(shè)變更都應(yīng)具備預(yù)定的設(shè)計方案。即使僅僅修改一條電纜，都可能會對整體電纜敷設(shè)造成十分重大的影響。

對圖紙進行變更和整理的過程會極大消耗物力和人力，延后建設(shè)施工的進度，同時電纜長度的變更因與實際不符，會導(dǎo)致建設(shè)材料的浪費[5-6]，而對材料的重復(fù)購買，還會增加建設(shè)成本。由此可知，依靠傳統(tǒng)的方法敷設(shè)電纜往往效益較差，因此急需開發(fā)一款控制電纜敷設(shè)進度的軟件，該軟件的作用是實現(xiàn)對整體敷設(shè)工程的精細化管理與控制，滿足對敷設(shè)工程的效率要求。

1 基于BIM的三維建模分析

建筑信息模型(building information modeling，BIM)的定義相對繁雜，并沒有一個統(tǒng)一的說法，但是相對成熟的說法是采取開放的行業(yè)標準，利用各類數(shù)據(jù)信息的表現(xiàn)形式對某個項目的全生命周期進行綜合表現(xiàn)，通過這種展現(xiàn)形式，更好地對項目進行決策并優(yōu)化管理，為項目帶來更大的增值[7]，圖1描繪了BIM給建設(shè)工程帶來的改變。

圖1 BIM給建設(shè)工程帶來的改變

對于室內(nèi)變電站的電纜敷設(shè)項目，BIM的最大應(yīng)用關(guān)鍵點在于利用計算機技術(shù)精確地對敷設(shè)過程與敷設(shè)位置進行模擬，保證在正式施工前找出設(shè)計圖紙的缺點，并將不足反饋給設(shè)計部門，更好地用于建設(shè)施工工作[8]。電纜敷設(shè)的施工流程相對簡單，如圖2所示，首先確立施工方案，依照施工方案構(gòu)建施工模型，然后對變電站內(nèi)的設(shè)施進行三維模型的資源整合，對施工參數(shù)進行調(diào)校，模擬施工的整個過程，得到電纜敷設(shè)不同階段的不同建造參數(shù)。將獲得的模型參數(shù)與實際圖紙的施工參數(shù)進行比對，如果是一致的，可以證明該階段的設(shè)計施工參數(shù)是精確的；如果不一致，則需要對建造方案進行改進。通過不斷改進，直至與模型得出的參數(shù)趨近或達成一致為止，從而實現(xiàn)利用該模型完成指導(dǎo)施工的目的。

圖2 電纜敷設(shè)施工流程

建筑信息模型的描述通常采用計算機語言進行定義和闡釋，這樣才可以方便模型的建立和分析。對于電纜敷設(shè)系統(tǒng)而言，電纜橋架和電纜作為主要的描述體，要進行計算機語言的定義。電纜橋架一般是承重結(jié)構(gòu)，用于承接電纜的重力，要求其精確位置以保證電纜的敷設(shè)安全[9]。電纜作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其主要屬性包括電纜的敷設(shè)位置、電纜直徑以及電纜類型。本文將電纜類型定義為DLType。

TypeDLType

LayerAsByte

XAsByte

YAsByte

DAssingle

TAsByte

End Type

上述表達中Layer能定義電纜在橋架中的圖層，X和Y分別代表電纜起終點平面坐標位置，D用以描述電纜的直徑，T能夠定義電纜的類型。這5個參數(shù)值將電纜的固有屬性在計算機中用邏輯語言表達出來，有利于下一步模型的建立，形成計算機易于接受的語言形式。

電纜橋架類型定義為WZType。

Type WZType

LayerAsByte

XAsByte

YAsByte

H Assingle

TAsByte

End Type

上述表達中Layer代表橋架所在的圖層，為了方便橋架結(jié)構(gòu)的集群管理，依照橋架的圖層和工程需要，將橋架結(jié)構(gòu)劃分成若干個集群。X和Y分別代表電纜橋架起終點平面坐標位置，H代表橋架空間高度，T用以限定橋架材料屬性。以上邏輯語言對BIM模型中橋架的屬性做了基本描述，后續(xù)模型的構(gòu)建將會采用該橋架描述的邏輯語言表達形式。

對于電纜橋架和電纜的物理屬性來說，構(gòu)建上述的語言描述是不可能完成的，這是由于BIM模型無法僅僅依靠計算機語言就可以進行設(shè)計。因此，在實際設(shè)計過程中，除了添加電纜材料類型等信息之外，往往還需要依照電纜敷設(shè)材料的市場類型和工程建設(shè)特點，對這類參數(shù)進行手動輸入。通過對這些信息的描述，賦予不同的材料屬性，并對應(yīng)其T值進行自然值的定義，保證其具有該材料的物理屬性。圖3所示為利用BIM建立的電纜槽模型。

圖3 電纜槽模型

2 最短路徑算法研究

對于變電站的電纜敷設(shè)項目，其核心點在于如何在變電站內(nèi)保證敷設(shè)的電路總路徑最小，從而實現(xiàn)敷設(shè)電纜用料量最小的目的。對于求解最短路徑的問題，涉及的算法很多，通常的算法包括Floyd算法、Dijkstra算法、粒子群算法、模擬退火算法以及蟻群算法。

Floyd算法又稱為插點法，算法來源于求解多源、無負權(quán)邊的最短路徑，用矩陣記錄點對距離圖。其算法公式如式(1)所示，其中，G為點對距離矩陣，n為圖中頂點個數(shù)，s為起始點，g為目標點，i為中間點。其計算過程是從任意一條單邊路徑開始，兩點之間的距離表示邊的權(quán)重，對每一個頂點i和j，探索是否存在點k可以使得i到k再到j(luò)的距離比已知的路徑更短。

G[s][g]=min{G[s][g],G[s][i]+

G[i][g]} 1

(1)

Dijkstra算法的主要思路是將圖L中頂點v的標記定義為D[u]，表示L中從v到u的近似距離。D[u]中總是存儲目前從v到u最短距離的長度。首先，對于每一個u≠v，D[v]=0，D[u]=+∞，定義頂點的“云集”，記為C，初始為空集?。在算法的每次迭代過程中，選擇一個不在C中且具有最小D[u]標記的頂點u，把u放入C中。進行第一次迭代時，都要把v放入C中。一旦把一個新頂點u放入C中，就要更新與u相鄰且在C之外的每個頂點z的標記D[z]，以反映如下事實，即可能存在經(jīng)過u到達z的更好的新方式。這個更新操作稱為松弛過程，因為它取一個舊的估值，并檢查它是否能得到一個更好的估值。在Dijkstra算法中，對每一條邊(u,z)進行松弛，找到滿足D[u]要求的一個新值，并檢查這個新值是否是一條利用邊(u,z)所得到的更優(yōu)解。

(2)

(3)

(4)

式中：PT為材料處于某狀態(tài)的概率；k為波爾茲曼常數(shù)；T為材料溫度。

粒子群算法模擬鳥類和魚群的群體行為，采用簡單的規(guī)則建立模型，引入個體學(xué)習(xí)行為，不斷優(yōu)化自身的知識庫，運算較快，通常采用“速度-位移”搜索模型，運算單位為微粒。每個微粒代表解空間的一個候選解，解的優(yōu)劣程度由適應(yīng)度函數(shù)決定。

在算法中，每個優(yōu)化問題的解是粒子在搜索空間中的位置，而粒子速度決定了粒子飛翔的方向和距離，各個粒子追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子并參考自身的飛行經(jīng)驗在解空間中進行尋優(yōu)。單個粒子的解空間搜索示意圖如圖4所示，粒子更新速度和位置的計算如式(5)和式(6)所示。

圖4 單個粒子的解空間搜索示意圖

(5)

(6)

通過上述分析可知，蟻群算法更加適合用于解決該敷設(shè)電路總路徑達到最小的問題。蟻群算法是基于螞蟻覓食的過程而提出的[10]，如圖5所示，螞蟻在覓食時有1和2兩條路徑。路徑1和路徑2的長度不同，路徑1的長度更短一些。螞蟻在選擇路徑時，通常會采用隨機的方式，在路徑爬行的過程中將體內(nèi)分泌的荷爾蒙分散到路徑1和路徑2上，在同樣的時間內(nèi)，由于路徑1的長度更短些，積累的荷爾蒙會更多一些，會吸引更多的螞蟻在路徑1聚集，最后形成圖6所示效果。參考上述的蟻群算法原理，將最短路徑問題進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的幾何問題示意圖如圖7所示。

圖5 可選的覓食路徑

圖6 覓食最終路徑

圖7 轉(zhuǎn)化后的幾何問題

(7)

(8)

式中：L為電纜敷設(shè)系統(tǒng)路徑；wij為矩陣W中的元素。

式(7)和式(8)給出了轉(zhuǎn)化后幾何問題的數(shù)值解。蟻群算法需要依照實際的應(yīng)用過程進行相應(yīng)的改進。在本文中，需要依據(jù)變電站特點相應(yīng)地對蟻群的移動規(guī)則進行修改。將電氣設(shè)備作為蟻群的起點，電纜是連接各個設(shè)備的橋梁，蟻群在選擇變電設(shè)備時有多種路徑。由于路徑眾多且不同路徑的選擇是豐富多樣的、概率相同的，因此系統(tǒng)會自動保存螞蟻通過的包含每一個電氣設(shè)備節(jié)點的路徑。當(dāng)所有設(shè)備連接完成并獲取路線數(shù)目之后，系統(tǒng)會驗證所有的橋架是否都被連接起來。在確定完成連接后，系統(tǒng)會依照式(1)和式(2)進行計算，進一步比較各個線路的長度，找到最短路徑。

3 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)BIM建模方法和最短路徑算法建立了電纜敷設(shè)三維設(shè)計系統(tǒng)，本文采取通用的蟻群算法對最短路徑問題進行算法的編寫，從而找出電纜敷設(shè)的最短路徑。綜合各類因素，實現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過電網(wǎng)信息模型(grid information model,GIM)解析方法可對BIM中的模型進行計算機語言解析處理。該方法用計算機語言代碼的方式對系統(tǒng)中的設(shè)計模型進行重組，生成符合施工邏輯的施工單元和施工工序。

三維場景模擬研究是在GIM解析的基礎(chǔ)上，按照施工要素組成對臨建搭設(shè)、場地布置等施工信息進行模擬，用于施工附屬設(shè)施的輔助設(shè)計。由于變電站建設(shè)存在規(guī)模大、隱蔽管線情況復(fù)雜、數(shù)量眾多的情況，因此可以采用三維場景模擬的方法，直觀展現(xiàn)隱蔽管線的空間位置和信息，以便于用戶根據(jù)虛擬排布的管線進行施工。通過模擬三維空間與模型的物理碰撞，對虛擬的施工材料、機具、人員進行擺放模擬及運行模擬，對材料、機具、人員的布置進行預(yù)演，從而實現(xiàn)安全距離的分析和模擬，提前消除沖突，減少返工，使場地布置更加安全合理，避免發(fā)生施工碰撞。

施工進度模擬是在三維模型基礎(chǔ)上通過增加施工的時間維度，形成4D的施工模擬，并以施工中物、料、機的施工風(fēng)險為依據(jù)把控施工進度，在保證安全的前提下縮短施工工期。項目的施工方案也不是唯一的，根據(jù)項目的特點，施工方案會隨施工進度隨時做出調(diào)整。以不同工序為依據(jù)的施工方案對施工效果的影響是不可預(yù)知的，系統(tǒng)的施工方案場景模擬以動畫的形式對不同的施工方案進行對比，以施工要素組成的主要參數(shù)為依據(jù)，對系統(tǒng)功能進行實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)在某750 kV變電站建設(shè)中應(yīng)用研究

本文采用Revit軟件，利用Revit平臺與結(jié)構(gòu)軟件的集成實現(xiàn)三維設(shè)計。Revit平臺中提供了API接口，主要用于把計算軟件中的分析模型導(dǎo)入到Revit中，同時還可以把 Revit中的模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中去進行相關(guān)計算。目前，用于變電站結(jié)構(gòu)計算的常用軟件主要有 PKPM、MIDAS 和探索者。本文采用PKPM接口程序?qū)崿F(xiàn)Revit平臺與 PKPM軟件的雙向互轉(zhuǎn)，實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的互相自動更新。由此可知，結(jié)構(gòu)框架可以在 PKPM 中建模、計算，然后導(dǎo)入到Revit Structure中生成Revit模型。

某煉油廠是浙江省規(guī)模較大的煉油廠之一，為了適應(yīng)日益增長的用電需求對原有變電站進行了現(xiàn)代化改造。對于新的變電站內(nèi)電纜敷設(shè)按照本文原理建立了室內(nèi)變電站電纜敷設(shè)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠?qū)?fù)雜的電纜路徑做出精確的布置。首先按照設(shè)計圖紙對變電站進行三維建模，在模型中利用電纜敷設(shè)系統(tǒng)部署變電站元件，元件敷設(shè)完成后利用系統(tǒng)的自動敷設(shè)技術(shù)計算得到如圖10所示的電纜及橋架的布設(shè)方案。

圖10 敷設(shè)方案

根據(jù)敷設(shè)方案對變電站內(nèi)的電纜進行了現(xiàn)場敷設(shè)，敷設(shè)效果如圖11所示。

圖11 變電站內(nèi)電纜敷設(shè)

5 結(jié)束語

本文以電纜的高效和快捷敷設(shè)為建設(shè)目的，采用計算機建模技術(shù)和最短路徑蟻群算法理論對變電站電纜敷設(shè)的最短路徑問題展開研究，設(shè)計了電纜敷設(shè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電路敷設(shè)方法雖然也能解決相關(guān)的問題，但精確度不高且耗時長。從電纜敷設(shè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)能對電纜進行合理敷設(shè)，尋找最短路徑并能根據(jù)場地特點對電纜的敷設(shè)做出精確的布置，使電纜規(guī)則分布。該系統(tǒng)對電纜敷設(shè)的施工具有一定的指導(dǎo)作用,但同時也有一定的局限性，需要更多相關(guān)試驗支撐來進行改進。因而后續(xù)工作將盡可能和其他電力企業(yè)聯(lián)合多做試驗，以進一步完善三維模擬技術(shù)的相關(guān)理論。