基于多技術(shù)融合的輸電線路施工質(zhì)量管理方法

國(guó)網(wǎng)江蘇連云港供電公司莫鋒

國(guó)網(wǎng)江蘇連云港三新供電服務(wù)有限公司劉東明

本文面向輸電線路工程建設(shè)，結(jié)合應(yīng)用三維激光點(diǎn)云技術(shù)和BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路工程施工質(zhì)量管理，并提出一種基于多技術(shù)融合的輸電線路施工質(zhì)量管理方法，通過(guò)三維激光點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路工程全生命周期管理，構(gòu)建三維數(shù)字化工地，滿足各參建方協(xié)作需求、質(zhì)量控制需求、效率提升需求和管理精益化需求。

技術(shù)支撐

三維激光點(diǎn)云技術(shù)

三維激光點(diǎn)云技術(shù)是一種新興技術(shù)，因其可以快速、非接觸地對(duì)周?chē)h(huán)境信息進(jìn)行三維模型重建，而在生活中獲得廣泛應(yīng)用。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)由三維激光掃描儀采集獲得。三維激光掃描儀作業(yè)原理如下：三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射和接收的激光束掃描目標(biāo)實(shí)體，利用激光束中心點(diǎn)來(lái)定位，并根據(jù)激光的飛行時(shí)間計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀測(cè)距原理圖

假設(shè)β為激光束的豎直方向角，α為激光束的水平方向角，S 為激光雷達(dá)到被測(cè)量點(diǎn)的斜距，則所測(cè)量點(diǎn)P（x，y，z）的坐標(biāo)計(jì)算公式可表示為：

在機(jī)載式激光雷達(dá)系統(tǒng)中，將三維坐標(biāo)（x，y，z）、激光反射強(qiáng)度、顏色信息（RGB）和目標(biāo)實(shí)體表面豐富的影像信息，通過(guò)激光雷達(dá)系統(tǒng)同步采集的全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)、慣性測(cè)量單元（IMU）數(shù)據(jù)和測(cè)量系統(tǒng)所提供的各類(lèi)技術(shù)參數(shù)的聯(lián)合解算，獲得聯(lián)合定位信息（如圖2所示），包括每一個(gè)激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)和每張數(shù)碼影像的外方位元素，即完成了原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的定位、定向、校準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程。完成空間糾正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成數(shù)字地表模型，從而可以分辨出地物。

圖2 機(jī)載式激光掃描儀工作原理圖

BIM技術(shù)

BIM 是一個(gè)工程項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，是一個(gè)工程項(xiàng)目信息可以分享的知識(shí)資源，為其全生命期的各種決策構(gòu)成一個(gè)可靠的基礎(chǔ)。BIM 技術(shù)也是數(shù)字技術(shù)在建筑工程中的直接應(yīng)用，以解決建筑工程在軟件中的描述問(wèn)題，使設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員能夠?qū)Ω鞣N建筑信息做出正確應(yīng)對(duì)，并為協(xié)同工作提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。BIM 同時(shí)又是一種應(yīng)用于設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)字化方法，整個(gè)過(guò)程是可視化的，這種方法支持建筑工程的集成管理環(huán)境，使建筑工程在整個(gè)進(jìn)程中顯著提高效率和大量減少風(fēng)險(xiǎn)。

研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，有學(xué)者開(kāi)發(fā)了輸電線路施工管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)記錄、分析、輔助決策等，該系統(tǒng)僅相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，為輸電線路施工管理提供信息支撐；也有學(xué)者利用BIM技術(shù)建立輸變電工程全生命周期管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、技術(shù)和造價(jià)管理，并建立了多維施工的BIM 5D 模型（3D 實(shí)體+1D 時(shí)間+1D 內(nèi)容），為施工人員提供可視化的輸變電工程建設(shè)信息；另有學(xué)者以三維激光點(diǎn)云技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)輸電線路工程的巡檢和質(zhì)量檢查，將施工人員的工作環(huán)境從施工場(chǎng)地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)前。然而，以上三種方法（系統(tǒng)）有個(gè)共同缺點(diǎn)：在施工質(zhì)量檢查時(shí)，需由檢查人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作獲取，且質(zhì)量檢查過(guò)程煩瑣。

現(xiàn)階段BIM技術(shù)和三維激光點(diǎn)云技術(shù)的融合應(yīng)用在輸電線路施工質(zhì)量管理中仍屬空白；BIM模型與點(diǎn)云模型雖同屬三維可視化模型，但二者間的相互轉(zhuǎn)化和融合分析等關(guān)鍵技術(shù)仍有待突破。

基于多技術(shù)融合的輸電線路施工質(zhì)量管理方法

本文提出的基于多技術(shù)融合的輸電線路施工質(zhì)量管理方法以三維激光點(diǎn)云技術(shù)和BIM技術(shù)為支撐，總體工作思路分為三部分：

第一部分為BIM建模，利用BIM技術(shù)建立輸電線路的BIM模型，此BIM模型為4D 形式（加時(shí)間軸），這樣可以將各個(gè)施工階段的BIM 模型以動(dòng)畫(huà)的形式展現(xiàn)在用戶面前，在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段采用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程全生命周期管理。

第二部分為輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理，由工作人員到施工場(chǎng)地，采用地面式或機(jī)載式三維激光掃描儀對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行三維激光掃描，采集回來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)濾波去噪和分割分類(lèi)等點(diǎn)云處理操作，獲取一份質(zhì)量較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)質(zhì)量檢查提供保障。

第三部分為輸電線路質(zhì)量檢查，經(jīng)過(guò)前兩部分已獲得各階段施工的BIM模型和點(diǎn)云模型，而質(zhì)量檢查便是將這兩種模型放在一起比對(duì)，從而清楚在施工中是否出現(xiàn)電力桿塔傾斜、兩座電力桿塔之間間距是否與設(shè)計(jì)圖紙不一致等。接下來(lái)，介紹一下這三部分內(nèi)容的具體實(shí)現(xiàn)方法。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，地下水監(jiān)測(cè)工作取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，積累了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，主要體現(xiàn)在以下方面：為生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐[4]，為科學(xué)防治地質(zhì)災(zāi)害提供決策依據(jù)[5]，為水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)提供及時(shí)服務(wù)[6]，為地質(zhì)勘查及地下水環(huán)境科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料[7]，同時(shí)在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)[8]、地質(zhì)遺跡保護(hù)[9]、礦山水害防治[10]、土地利用與國(guó)土規(guī)劃、城市地下水空間利用[11]等領(lǐng)域也發(fā)揮了不可替代的作用。

BIM建模工作

這部分工作主要依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工方案建立輸電線路的4D 模型（含時(shí)間軸），整個(gè)施工過(guò)程以3D動(dòng)畫(huà)的形式展示在用戶面前。

建立輸電線路的BIM模型，有利于施工過(guò)程可視化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)參建單位的高效協(xié)同工作，還可進(jìn)行作業(yè)區(qū)布置、施工預(yù)演等，促進(jìn)輸電線路建設(shè)的全生命周期管理。

利用BIM 技術(shù)將施工過(guò)程制作成動(dòng)畫(huà)，形成3D施工方案，形象化地向評(píng)審人員介紹施工方案并指導(dǎo)作業(yè)人員規(guī)范、安全地操作，大大節(jié)省了方案審查、安全交底的時(shí)間，提升工作協(xié)同效率。

基于設(shè)計(jì)圖紙建立的三維BIM 模型可以形成寶貴的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，有效對(duì)模型中所存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)匯總，形成系統(tǒng)性的技術(shù)知識(shí)庫(kù)，用于后期的指導(dǎo)施工。對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)整，確保在數(shù)據(jù)傳輸上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間的互相交流，有效對(duì)工藝和檔案文件進(jìn)行儲(chǔ)存。

輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理工作

輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集由工作人員采用地面式或機(jī)載式三維激光掃描儀來(lái)完成，但采集回來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一系列的處理方能使用，這是因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)受三維激光掃描儀自身固有誤差、外界環(huán)境、被測(cè)目標(biāo)以及配準(zhǔn)誤差等多種因素影響，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常質(zhì)量較差且數(shù)據(jù)量較大，這些問(wèn)題很大程度上導(dǎo)致了點(diǎn)云數(shù)據(jù)業(yè)內(nèi)處理時(shí)間的增長(zhǎng)，無(wú)法為工程施工方案的調(diào)整和決策等提供有效的參考依據(jù)。本文對(duì)采集回來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取如圖3所示的流程進(jìn)行處理。

點(diǎn)云金字塔化，即通過(guò)分析海量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的共同點(diǎn)，研究影像金字塔數(shù)據(jù)模型及其構(gòu)建方法，對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取抽稀、切割分塊的方法，構(gòu)建一種類(lèi)似于影像金字塔的“點(diǎn)云金字塔”數(shù)據(jù)模型，基于該數(shù)據(jù)模型進(jìn)行四叉樹(shù)空間索引的構(gòu)建，采用一種面向“點(diǎn)云金字塔”的四叉樹(shù)搜索算法，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)空間位置及比例尺動(dòng)態(tài)的讀取、顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以達(dá)到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化的目的。

標(biāo)記桿塔則是為了將輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)按檔距劃分，點(diǎn)云處理時(shí)也分檔距處理。

圖3 點(diǎn)云處理流程圖

采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還有一個(gè)必經(jīng)的點(diǎn)云處理流程是點(diǎn)云的濾波和去噪，例如點(diǎn)云濾波可以很大程度上縮小點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量，提高后續(xù)點(diǎn)云處理速率。

圖4 是濾波前后兩幅輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)量對(duì)比圖，濾波方法采用統(tǒng)計(jì)濾波，第一幅圖為統(tǒng)計(jì)濾波前，第二幅圖為統(tǒng)計(jì)濾波后。從圖中可以看到，雖然濾波前后點(diǎn)云模型的外觀并無(wú)明顯變化，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量卻減少了幾十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，而這些點(diǎn)全部是統(tǒng)計(jì)濾波濾除的離群點(diǎn)（噪聲點(diǎn)），由此可見(jiàn)，噪聲點(diǎn)的濾除對(duì)整個(gè)工作效率有較大的提高。

在質(zhì)量檢查中將施工現(xiàn)場(chǎng)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立的BIM 模型比對(duì)時(shí)，用戶不希望拿整段的輸電線路進(jìn)行比對(duì)，而是分模塊比對(duì)，一次在點(diǎn)云濾波去噪之后，還需對(duì)輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

圖4 濾波前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比圖

本文對(duì)于輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先根據(jù)輸電線路本身固有特征將其自動(dòng)分為地物點(diǎn)、桿塔點(diǎn)和電力線點(diǎn)三類(lèi)（分類(lèi)效果如圖5所示），之后再采用手動(dòng)方式進(jìn)行絕緣子串、桿塔橫擔(dān)等更精細(xì)部件的細(xì)分，完成點(diǎn)云分類(lèi)之后，便可進(jìn)行最后一步點(diǎn)云處理操作，三維模型重建。

經(jīng)過(guò)上述的點(diǎn)云處理流程，用戶可以獲得質(zhì)量較好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行最后一步工作——質(zhì)量檢查。

輸電線路施工質(zhì)量檢查工作

已得到輸電線路的點(diǎn)云模型和BIM模型，要想實(shí)現(xiàn)輸電線路施工質(zhì)量檢查，需將兩模型轉(zhuǎn)換為同一種模型，在同一個(gè)三維數(shù)據(jù)平臺(tái)下展示，這里選擇將輸電線路的BIM 模型轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云模型，轉(zhuǎn)換方法即為提取BIM模型中所有的面、線和頂點(diǎn)，并將頂點(diǎn)保持不變，而將面和線以均勻間隔點(diǎn)填充表示，這樣即可將BIM模型轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云模型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量不易過(guò)多或過(guò)少。點(diǎn)量過(guò)多，會(huì)增加后續(xù)程序處理時(shí)間；點(diǎn)量過(guò)少，則難以表現(xiàn)電力設(shè)施的全部特征，一般一座電力桿塔用一萬(wàn)點(diǎn)表示即可。下文中統(tǒng)一稱(chēng)由BIM 模型轉(zhuǎn)換而得的點(diǎn)云模型為設(shè)計(jì)模型。

由于BIM 模型轉(zhuǎn)換而得的設(shè)計(jì)模型和點(diǎn)云模型分屬不同坐標(biāo)系，因此需進(jìn)行兩模型間的自動(dòng)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)前先對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行體素濾波，使濾波后的點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型有大致相同的點(diǎn)云總量，體素濾波同樣是為了增快配準(zhǔn)。點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型的配準(zhǔn)分兩步進(jìn)行：粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)，粗配準(zhǔn)采用Super-4PCS（4-Points Congruent Sets）算法進(jìn)行，該算法效率較高，且抗噪性較強(qiáng)；精配準(zhǔn)則選用經(jīng)典的ICP 算法，該算法精度高，可取得十分精準(zhǔn)的配準(zhǔn)效果。

圖5 輸電線路點(diǎn)云分類(lèi)圖

完成點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型間的配準(zhǔn)之后，兩個(gè)模型即可在同一點(diǎn)云顯示界面、同一坐標(biāo)系下進(jìn)行展示，工作人員可通過(guò)手動(dòng)測(cè)量來(lái)獲得當(dāng)前施工參數(shù)以及施工進(jìn)度，進(jìn)而了解當(dāng)前施工質(zhì)量狀況，為下一步質(zhì)量管理工作制定方案。

結(jié)論

本文提出的方法可顯著優(yōu)化和提升輸電線路質(zhì)量管理效果和效率，大幅降低輸電線路“帶病”投運(yùn)的幾率，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量和安全水平的提升、降低質(zhì)檢成本的目標(biāo)，是電網(wǎng)基建改革的一個(gè)重要方向，其成果對(duì)指導(dǎo)三維模型結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電工程質(zhì)量管理中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)為促進(jìn)輸電工程零缺陷建設(shè)和全生命周期管理的目標(biāo)提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障?！?/p>