呂 念，李宏濤，王愛潔

（1.山東送變電工程公司，濟南 250118；2.北京博超時代軟件有限公司，北京 102206）

特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)應(yīng)用

呂 念1，李宏濤2，王愛潔1

（1.山東送變電工程公司，濟南 250118；2.北京博超時代軟件有限公司，北京 102206）

特高壓鋼管塔施工難度大，精度要求高，對施工人員的技術(shù)水平提出了極高的要求。施工前需要對其開展相關(guān)培訓工作，傳統(tǒng)的培訓方式無法滿足特高壓施工的要求。通過特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，將施工畫面直觀展現(xiàn)，提供工程管理可視化控制和技術(shù)分級評價體系，建立基于虛擬現(xiàn)實的高端工程管理模式，實現(xiàn)鋼管塔施工規(guī)范化，可有效提高工程質(zhì)量，降低施工風險。

特高壓鋼管塔；模擬；施工演練；智能化

0 引言

隨著人力成本的提高以及國家對施工安全和工程質(zhì)量的重視，強化工程建設(shè)的統(tǒng)籌策劃、對工程成本的合理預(yù)測、規(guī)范工程施工和管理行為、進一步深化工程培訓交底越來越受到管理層的重視?，F(xiàn)有施工方案設(shè)計是以現(xiàn)場人員管理經(jīng)驗進行制定，通過文字描述和現(xiàn)場答疑進行方案評定，工程施工方案細節(jié)缺少明確直觀地表達和溝通［1］。

特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建一個多環(huán)境和因素的虛擬場景，根據(jù)技術(shù)人員在三維場景中的虛擬操作逐步完成施工方案，形成一份評價報告。系統(tǒng)可實現(xiàn)可視化方案評審和交流功能，展示施工過程中存在的隱蔽問題，既能對典型施工方案進行培訓，也可對新的方案進行異地模擬和評審。

1 工作原理

以鋼管塔運輸與組立工藝管理為主線，以虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)為方法，將施工過程中的安全管理、質(zhì)量管理、進度管理、造價管理、項目管理融入到特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)中，用虛擬場景模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，輔助分析工程案例，建立虛擬施工指導(dǎo)現(xiàn)實作業(yè)的高端管理模式。

如圖1所示，虛擬現(xiàn)實是在為用戶提供最大真實感的場景中，提供操作者全自由度的視景漫游和操作。場景中的對象攜帶自身屬性信息，并建立邏輯關(guān)聯(lián)，形成節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。操作者全自主控制，對任意節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型進行操作。虛擬場景是操作者通過鼠標等外設(shè)設(shè)備操作，喚醒節(jié)點網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通過邏輯控制模型進行屬性和行為響應(yīng)。設(shè)備屬性通過實際調(diào)研獲取，符合工程需要。例如，某一個工器具的額定荷載規(guī)格、費用、使用要求等屬性。

圖1 虛擬現(xiàn)實模型響應(yīng)過程

集合當前特高壓鋼管塔標準化施工工藝，實現(xiàn)系列化虛擬施工培訓系統(tǒng)，同時，不僅涉及虛擬施工工藝，對施工流程管理方面，創(chuàng)建完整模擬演練系統(tǒng)，涵蓋一個完整施工方案的全部因素，并提供結(jié)果對比，為工程造價控制和方案選擇提供支持［2-3］。

2 系統(tǒng)功能

2.1 施工流程精細化分級

拆分施工過程，細化每個步驟施工過程操作，實現(xiàn)工器具、機具、人員等配置階段選擇和施工操作，并按照施工順序依次推進，形成完整的施工過程。每個階段關(guān)聯(lián)配置施工技術(shù)級別，提供施工技術(shù)分級評價和全過程演練。

2.2 現(xiàn)場圖形數(shù)據(jù)庫生成

系統(tǒng)采用圖、模、庫一體化方式實現(xiàn)鐵塔、機具、工器具、環(huán)境等因素的管理。利用三維可視化開發(fā)平臺，結(jié)合現(xiàn)場實際施工和塔形、機具、工器具等圖紙信息，建立精細模型，模型通過建立數(shù)學模型關(guān)聯(lián)配置屬性信息，包括參數(shù)、規(guī)格、價格、氣候、高差等信息，屬性信息以數(shù)據(jù)庫管理。建立地形、環(huán)境自主選擇和配置機制，實現(xiàn)風險事故設(shè)置。系統(tǒng)對設(shè)定故障的動態(tài)行為與實際一致，并以聲音、光線等進行告警［4］。

2.3 技術(shù)規(guī)程等碎片化管理

將標準化的技術(shù)規(guī)程、管理規(guī)定根據(jù)不同內(nèi)容融入具體施工過程，在施工過程中學習掌握規(guī)程、規(guī)定內(nèi)容。

2.4 智能化功能

施工方案演練：自由操作創(chuàng)建施工工器具、機具、人員、地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實時創(chuàng)建虛擬施工場景，全自由度進行任意施工方案的模擬演練。

人員組織分析：系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行人員配置的修改，精細化模擬出人員的實時動態(tài)。

施工安全管理：系統(tǒng)建立施工安全事件庫，會根據(jù)初始設(shè)定，隨機觸發(fā)安全事件，對參加模擬的人員進行安全模擬測試［5］。

施工進度模擬：系統(tǒng)能夠根據(jù)配置情況對施工進度進行精確模擬。

費用預(yù)算模擬：系統(tǒng)能夠根據(jù)施工進度的資源配比情況，做到預(yù)算精細化統(tǒng)計。

建立全場景全自由度智能演練平臺，對施工全過程進行虛擬演練。在提供技術(shù)演練和考核功能上，實現(xiàn)施工過程規(guī)范化、標準化、可視化管理，為方案選擇、成本核算、進度計劃等提供數(shù)據(jù)和圖形支撐。

3 應(yīng)用實例及效果

使用者以第一人稱的角色，在三維場景中模擬現(xiàn)場施工進行一些技能操作。在虛擬的環(huán)境中用戶可以任意切換鏡頭，任意自主漫游，并根據(jù)操作步驟觸發(fā)事件，點擊物件進行操作。如果出現(xiàn)錯誤操作過程，系統(tǒng)將給出提示信息，引導(dǎo)人員進行正確操作。

施工方案包含了地形瀏覽、單基策劃、人員配置和機具配置。自由演練仿真模擬場景所需要的因素都在此設(shè)置。單基策劃分為雙平臂下頂升、雙平臂上頂升、外拉線落地、內(nèi)懸浮外拉線、單動臂組塔。演練中可以任意選擇一組策劃進行設(shè)置。

人員配置分為地面組裝人員、高空作業(yè)人員、現(xiàn)場負責人、技術(shù)負責人、安全負責人、質(zhì)檢專工、設(shè)備維護人員。機具配置分為吊車、紋磨、拉線地瞄、地鉆、牽引機、帳篷、警示牌、工具區(qū)、廁所、組裝區(qū)、堆料區(qū)、抱桿、控制線地瞄、紋磨地瞄。配置完成后進入到自由演練場景界面。

自由演練場景分為4個小模塊，如圖2所示，以左1、左2、右1、右2表示。左1為計算工時，系統(tǒng)默認時間每天正常工作為8 h，超過8 h則視為加班，系統(tǒng)會給出加班提示。左2為施工步驟，包括施工準備、組立抱桿、組塔組立、抱桿拆除、場地清理和鐵塔檢修6大項。需要依次從左往右進行施工，不可越級實施。對于每項工作完成情況會給出進度表提示。右1分為設(shè)置、進度、費用、人機、執(zhí)行、日志。右2上半模塊顯示操作指令，下半模塊為時間加速，為了提高模擬效率，此項與左1時間顯示框成正比。

圖2 自由演練界面

首先進行施工準備，如圖3所示，設(shè)置相應(yīng)的警告牌、生活區(qū)、紋磨、堆料區(qū)、工器具區(qū)，安排相應(yīng)的人數(shù)去完成任務(wù)。

施工準備完成后進行抱桿組立、塔身吊裝、抱桿拆除、場地清理工作。

最終演練完成，由綜合評分、施工用時、施工費用、施工人數(shù)來直觀的表達鋼管塔演練評估成績，可作為對使用者進行進一步技術(shù)培訓的參考。

特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)在皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程中得到廣泛應(yīng)用，對全線施工和業(yè)主項目部的技術(shù)人員開展了200余人次的培訓，并通過各施工項目部對全線鐵塔組立的全體施工人員開展了10 000余人次的培訓，減少了集中培訓的會務(wù)、差旅等費用。按照4天培訓期核算，采用軟件培訓不受場地限制，培訓時間縮短1／2，會議成本降低1／2。一次30人的培訓，傳統(tǒng)培訓費總成本約6.8萬元，使用仿真系統(tǒng)培訓成本約為3萬元，一次性節(jié)約費用約3.8萬元，按照一個工程培訓4次計算，可節(jié)約培訓費約15.2萬元。采用仿真系統(tǒng)進行培訓，每個人都可以親自模擬實景進行操作，培訓效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的PPT授課方式，使受訓者快速掌握組塔的技術(shù)流程和要求，為全線鐵塔組立的順利完成打下了堅實基礎(chǔ)。

圖3 施工準備—拉線地錨埋設(shè)

4 結(jié)語

特高壓鋼管塔模擬施工演練智能化系統(tǒng)通過人機交互虛擬仿真模塊，使受訓人員快速掌握要點，擴大了培訓廣度和深度，提高了受訓人員的技能水平和安全意識，開創(chuàng)了可視化、交互性培訓的先例，引導(dǎo)了輸變電工程施工培訓的發(fā)展方向，為實現(xiàn)規(guī)范化、標準化的培訓奠定了基礎(chǔ)，提高了施工技術(shù)管理水平及技術(shù)創(chuàng)新。

［1］趙立峰.“模擬”現(xiàn)場工作法是施工安全的牢固屏障［J］.農(nóng)村電氣化，2002（12）：29.

［2］楊靖波，韓軍科，李茂華，等.特高壓輸電線路鋼管塔計算模型的選擇［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（1）：1-5.

［3］GUO Yanlin，WANG Jie.Instability behavior and application of prismatic multi-tube latticed steel column ［J］.Journal of constructiond Steel Research，2009，65（1）：12-22.

［4］施菁華，秦慶芝，帥群，等.Q460特高壓雙回路鋼管塔真型試驗分析［J］.電力建設(shè)，2011，32（4）：29-33.

［5］汪延壽，趙貞欣，李占嶺，等.220／110 kV四回路窄基鋼管塔真型試驗［J］.電力勘測設(shè)計，2014（2）：50-55.

Application of UHV Steel Tubular Towers Simulation Construction Drill Intelligent System

LV Nian1，LI Hongtao2，WANG Aijie1
（1.Shandong Electric Power T&T Engineering Company，Jinan 250118，China；2.Beijing Bochao Soft Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

The construction of UHV steel tubular towers is difficult and requires high precision，which puts forward a very high demand for constructors.Before the construction，it is necessary to carry out related training，however，traditional training methods cannot meet the need of UHV construction.Through UHV steel tubular towers simulation construction drill intelligent system，construction pictures can be displayed directly，and the engineering management visual control and the technical grade evaluation system are provided.The establishment of the high-end project management model based on virtual reality，and the realization of the standardization of steel tubular towers construction can effectively improve the quality of projects and reduce the risk of construction.

UHV steel tubular towers；simulation；construction drill；intelligent

TM754

A

1007－9904（2017）03－0054－03

2016-10-15

呂 念（1969），男，高級工程師，從事輸變電施工工作；

李宏濤（1983），男，工程師，從事軟件設(shè)計與研發(fā)工作；

王愛潔（1971），女，工程師，從事輸變電施工工作。