唐冬來，周 強(qiáng),宋衛(wèi)平，楊 平，黃 璞，葉鴻飛

(1.四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司,四川 成都 610041; 2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程不斷推進(jìn)，與之配套的配網(wǎng)新建工程逐年增多[1-2]。傳統(tǒng)的配網(wǎng)工程管控中，施工監(jiān)理人員按照設(shè)計(jì)圖紙、工期表等資料對(duì)現(xiàn)場施工作業(yè)進(jìn)行管理[3-5]。但施工人員的管理水平參差不齊[6]，配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工難免存在偏差。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析作了大量研究。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于配網(wǎng)信息模型的配網(wǎng)施工偏差分析方法，通過二維施工管理技術(shù)對(duì)配網(wǎng)偏差進(jìn)行管控。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于施工過程技術(shù)管控的配網(wǎng)施工偏差分析方法，采用施工甘特圖和標(biāo)準(zhǔn)化施工模板對(duì)配網(wǎng)偏差進(jìn)行管控。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于配網(wǎng)全過程管控的配網(wǎng)施工偏差分析方法，通過事前控制、事中檢查和事后分析對(duì)配網(wǎng)偏差進(jìn)行管理。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)配網(wǎng)的一體化分析進(jìn)行配網(wǎng)施工偏差分析。由此可見，配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差的分析管理方法多樣。但上述研究仍然采用人工對(duì)配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)度進(jìn)行分析，存在主觀因素大、分析結(jié)果準(zhǔn)確率不高的問題。

為解決配網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與施工偏差大的問題，本文提出了一種基于尺度不變特征的配網(wǎng)施工偏差研究方法。該方法通過配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的網(wǎng)架設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及配網(wǎng)施工工期等信息的深度融合；通過尺度不變特征算法建立圖像時(shí)空重構(gòu)分析算法，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)施工質(zhì)量、進(jìn)度與設(shè)計(jì)的比較，從而提高配網(wǎng)施工偏差分析準(zhǔn)確性，并進(jìn)行偏差告警。

1 配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析框架

基于三維網(wǎng)格的配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析方法分為配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型、配網(wǎng)現(xiàn)場圖像分析、配網(wǎng)施工偏差分析這三部分。配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析框架如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析框架圖

由圖1可知，在配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型中，首先將配網(wǎng)二維設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入系統(tǒng)中；然后將二維設(shè)計(jì)信息投射到配網(wǎng)三維空間，并采用三維網(wǎng)格技術(shù)建立配網(wǎng)線路三維網(wǎng)格模型；最后在模型上標(biāo)注施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及施工工期計(jì)劃，并對(duì)配網(wǎng)施工質(zhì)量與進(jìn)度仿真，形成配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型，模擬配網(wǎng)建設(shè)過程。

在配網(wǎng)現(xiàn)場圖像分析環(huán)節(jié)，首先通過布署在配網(wǎng)施工現(xiàn)場的球形攝像機(jī)采集現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)；然后通過開運(yùn)算進(jìn)行圖像去噪，消除噪聲數(shù)據(jù)對(duì)于工程進(jìn)度分析的影響；最后采用尺度不變特征算法對(duì)配網(wǎng)施工特征進(jìn)行提取。

在配網(wǎng)施工偏差分析環(huán)節(jié)，首先進(jìn)行施工質(zhì)量分析，檢測(cè)現(xiàn)有施工是否與三維網(wǎng)格模型中的設(shè)計(jì)存在偏差；然后進(jìn)行施工進(jìn)度分析，判斷當(dāng)前進(jìn)度與三維網(wǎng)格仿真模型中的進(jìn)度是否一致；最后生成配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差報(bào)告。

2 配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析模型

2.1 配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型

建設(shè)配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型的目的是深度融合配網(wǎng)的網(wǎng)架設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及配網(wǎng)施工工期等信息，提供配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工分析的基礎(chǔ)信息。在傳統(tǒng)的配網(wǎng)設(shè)計(jì)中，配網(wǎng)設(shè)計(jì)單位采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)工具進(jìn)行一次接線圖繪制。在圖形上標(biāo)注了配網(wǎng)的桿塔位置、線路長度、配電變壓器位置等信息。為快速建立配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型，本文將配網(wǎng)二維CAD設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為特征量，以減少配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型創(chuàng)建的工作量。

卷積遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional recurrent neural network,CRNN) 是一種端到端的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]。本文采用CRNN在CAD識(shí)別中進(jìn)行圖像范圍和圖元檢測(cè)，然后進(jìn)行圖像識(shí)別，以確定每個(gè)圖元的含義。采用CRNN轉(zhuǎn)換的配網(wǎng)圖元特征ka為：

(1)

式中：sa為配網(wǎng)CAD；δ為圖像檢測(cè)轉(zhuǎn)換路徑；na為轉(zhuǎn)換的數(shù)量。

配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型采用三維方式展現(xiàn)，三維網(wǎng)格是配網(wǎng)設(shè)計(jì)的立體圖像表現(xiàn)方式，根據(jù)線條在不同配網(wǎng)細(xì)節(jié)層次上進(jìn)行網(wǎng)格圖像渲染，是現(xiàn)實(shí)配網(wǎng)物理世界在虛擬世界的映射。在創(chuàng)建中，將配網(wǎng)圖像通過投射轉(zhuǎn)換形成三維網(wǎng)格。三維網(wǎng)格縱、橫坐標(biāo)和景深分別為ak、bk和ck，則有：

ak=cz(as-ax)ψ

(2)

式中：ax為三維模型的縱坐標(biāo)的中心點(diǎn)；cz為景深點(diǎn)；ψ為轉(zhuǎn)換函數(shù)；as為圖像的任意縱坐標(biāo)點(diǎn)。

bk=cz(bs-by)ψ

(3)

式中：by為三維模型的橫坐標(biāo)的中心點(diǎn)；bs為圖像的任意橫坐標(biāo)點(diǎn)。

ck=cz

(4)

在配網(wǎng)三維展現(xiàn)的基礎(chǔ)上，按照配網(wǎng)施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工期進(jìn)度安排進(jìn)行三維標(biāo)注。首先，按照配網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中的電桿、架空線路、配電變壓器、柱上斷路器、電纜等施工工藝進(jìn)行三維標(biāo)注，確保三維模型中的配網(wǎng)施工管理與規(guī)范一致。然后，按照施工進(jìn)度的工期圖建立配網(wǎng)施工的時(shí)間索引。最后，在配網(wǎng)建設(shè)時(shí)空分布模型中進(jìn)行施工三維仿真。通過施工進(jìn)度工期圖的時(shí)間索引，可模擬配網(wǎng)施工建設(shè)的過程，以便為后期的配網(wǎng)施工檢查建立標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比樣本。

2.2 配網(wǎng)現(xiàn)場圖像分析

在施工現(xiàn)場布置球形攝像機(jī)用于圖像采集。首先，確定配網(wǎng)施工現(xiàn)場的移動(dòng)目標(biāo)部分。然后，調(diào)整球形攝像機(jī)的角度，以便獲得配網(wǎng)施工最佳的拍攝角度。最后，將照片信息通過第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobie communication techonolgy,5G)網(wǎng)絡(luò)回傳至后臺(tái)的配網(wǎng)施工監(jiān)控平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)施工現(xiàn)場的全面視頻監(jiān)控。

配網(wǎng)施工現(xiàn)場中存在雨水、大霧、雪花等與施工不相關(guān)的噪聲數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)會(huì)影響配網(wǎng)施工監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，需對(duì)配網(wǎng)施工現(xiàn)場采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像去噪。本文采用配網(wǎng)圖像腐蝕功能，將配網(wǎng)施工現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾與縮小，從而去除配網(wǎng)施工現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)的噪聲數(shù)據(jù)，以更好地判別配網(wǎng)施工與設(shè)計(jì)是否存在偏差。腐蝕后的配網(wǎng)施工圖像數(shù)據(jù)Hb為：

Hb={ya,ω,r|ea?Ha}

(5)

式中：Ha為現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)；ya為圖像的幀數(shù)；ω為圖像腐蝕函數(shù)；r為卷積類型；ea為腐蝕的樣本。

尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform,SIFT)是一種圖像提取的算法[12]。該算法在配網(wǎng)空間尺度找極大值與極小值點(diǎn)，從而提取特征數(shù)據(jù)Va。

(6)

式中：dx和dy分別為圖像點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)；φ為尺度數(shù)據(jù)；β為高斯模糊卷積。

2.3 配網(wǎng)施工偏差分析

配網(wǎng)施工偏差分析是為了判斷當(dāng)前的配網(wǎng)施工質(zhì)量、進(jìn)度是否與設(shè)計(jì)一致。首先，將配網(wǎng)現(xiàn)場視頻采集圖像中提取的特征值與配網(wǎng)設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行比較，檢驗(yàn)當(dāng)前施工的外觀、工藝、質(zhì)量是否與設(shè)計(jì)一致。然后，根據(jù)配網(wǎng)設(shè)計(jì)的三維仿真模型的進(jìn)度模擬，判斷當(dāng)前的施工進(jìn)度是否與施工工期計(jì)劃中一致。最后，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，生成配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差報(bào)告。

3 算例分析

3.1 場景與參數(shù)設(shè)定

為驗(yàn)證本文所提基于三維網(wǎng)格的配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析方法的有效性，在某地區(qū)的配網(wǎng)中應(yīng)用該方法。算例運(yùn)行服務(wù)器處理器為Intel Xeon 6254，核心數(shù)量為18，處理器運(yùn)行頻率為3.1 GHz，內(nèi)存為128 GB，操作系統(tǒng)為Windows Server 2016。

用于比對(duì)的方法為文獻(xiàn)[13]中的建筑信息模型(building information modeling,BIM)。該方法在配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差評(píng)估中應(yīng)用廣泛，行業(yè)代表性強(qiáng)，具有較好的通用性。

3.2 算例運(yùn)行分析

①三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確率。

三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確率是衡量本文所提方法有效性的核心指標(biāo)，是配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析的基礎(chǔ)。三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確率計(jì)算的方式為：配網(wǎng)設(shè)計(jì)人員依據(jù)國家配網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析三維模型與CAD設(shè)計(jì)是否一致，若一致即為準(zhǔn)確；三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確數(shù)量和三維網(wǎng)格建?？倲?shù)量比值的百分比即三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確率。

分別選擇5 000個(gè)、8 000個(gè)、10 000個(gè)、20 000個(gè)和30 000個(gè)配網(wǎng)設(shè)計(jì)工程CAD的圖元文件，采用本文所提三維網(wǎng)格的配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析方法與BIM方法比較三維網(wǎng)格建模準(zhǔn)確率。配網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)空分布建模準(zhǔn)確率如表1所示。

表1 配網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)空分布建模準(zhǔn)確率

由表1可知，本文方法的三維建模平均準(zhǔn)確率為99.91%，高于BIM方法的98.18%。因此，本文方法的三維建模準(zhǔn)確率更優(yōu)。

②圖像噪聲影響率。

圖像噪聲影響率用于評(píng)估現(xiàn)場球形攝像機(jī)獲取的配網(wǎng)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)與圖像特征提取成功率之間的關(guān)系。其計(jì)算方式為采用有噪聲的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，提取錯(cuò)誤的配網(wǎng)施工數(shù)據(jù)與總體提取數(shù)據(jù)之比即圖像噪聲影響率。

分別選擇大霧、小雨、中雨、暴雨、中雪、大雪情況下配網(wǎng)施工現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)各10 000張，采用本文方法與邊緣檢測(cè)方法比較圖像噪聲影響率。配網(wǎng)設(shè)計(jì)圖像噪聲影響率如表2所示。

表2 配網(wǎng)設(shè)計(jì)圖像噪聲影響率

由表2可知，本文方法圖像噪聲平均影響率為0.43%，低于邊緣檢測(cè)方法的2.12%。因此，本文方法圖像噪聲影響更低。

③配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率。

配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率是本文的核心指標(biāo)。其計(jì)算方式為：配網(wǎng)監(jiān)理人員依據(jù)配網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)，將施工現(xiàn)場與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行比較，兩者一致即為準(zhǔn)確；偏差分析準(zhǔn)確的數(shù)量與總體數(shù)量之比為配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率。

分別選擇1 000個(gè)、2 000個(gè)、3 000個(gè)、4 000個(gè)、5 000個(gè)和6 000個(gè)配網(wǎng)設(shè)計(jì)工程組件數(shù)量，采用本文方法與BIM方法比較配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率。配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率如表3所示。

表3 配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確率

由表3可見，本文方法平均分析準(zhǔn)確率為98.3%，高于BIM方法的90.2%。因此，本文方法配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析更準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文基于配網(wǎng)施工時(shí)空比對(duì)的理論，提出了一種配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析方法，在配網(wǎng)設(shè)計(jì)三維網(wǎng)格模型上疊加工期計(jì)劃，并將現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)與三維網(wǎng)格模型進(jìn)行比較，從而分析偏差。

算例分析結(jié)果表明：本文方法充分發(fā)揮了三維模型比對(duì)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差的精準(zhǔn)分析。該方法提高了配網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工偏差分析準(zhǔn)確性，提升了配網(wǎng)工程施工管理水平。