基于三維設(shè)計成果的變電施工方案模擬及進度管控系統(tǒng)技術(shù)研究

單 強，石威宵，許湧平

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前，世界正在經(jīng)歷以數(shù)據(jù)為核心、互聯(lián)網(wǎng)為手段的第二次信息化浪潮，社會正在從信息技術(shù)IT（information technology）時代轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)技術(shù)DT（data technology）時代。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，社會上各行各業(yè)都開展了數(shù)字化建設(shè)工作并取得了一定的效果。數(shù)字化時代的到來同時給電力企業(yè)發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)，將領(lǐng)先的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于輸變電工程的全壽命周期管理，以提高其經(jīng)濟效益和核心競爭力。

國家電網(wǎng)有限公司最新文件——國家電網(wǎng)基建技經(jīng)〔2019〕10號文中，要求深入推進三維設(shè)計，以三維設(shè)計成果為核心的數(shù)字化設(shè)計，將成為貫穿全過程、全生命周期的主軸線。設(shè)計階段所產(chǎn)生的輸變電工程三維設(shè)計成果，一定要在工程建設(shè)過程中得到應(yīng)用才可以發(fā)揮其價值[1]。目前在輸變電工程建設(shè)管理過程中，往往采用傳統(tǒng)的手段進行管理，無法應(yīng)用設(shè)計階段所產(chǎn)生的三維設(shè)計成果[2-3]。因此，開展基于三維設(shè)計成果的變電施工方案模擬及進度管控技術(shù)研究尤為重要，它是實現(xiàn)工程數(shù)字化、現(xiàn)代化、精益化管理和信息化建設(shè)的迫切要求，是構(gòu)成貫穿電網(wǎng)全生命周期管理的數(shù)字化解決方案，它能全面提升電網(wǎng)建設(shè)、運維管理水平和經(jīng)濟效益[4-5]。本文提出的施工方案場景模擬的解決方案，主要根據(jù)施工方案中主要風(fēng)險點、物料及機具信息便攜跟蹤檢查、施工方案工序及流程三維動畫模擬、施工進度模擬進行研究，指導(dǎo)變電站工程施工。

1 基于電網(wǎng)信息模型的研究思路

1.1 電網(wǎng)信息模型的概念

電網(wǎng)信息模型GIM（grid information model）是按照國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具。將GIM技術(shù)應(yīng)用于變電站建設(shè)過程中，以實現(xiàn)工程進度、安全、質(zhì)量、技術(shù)全過程管理提升。

1.2 研究技術(shù)路線

研究技術(shù)路線如圖1所示。從變電站三維設(shè)計成果的需求出發(fā)，研究變電工程施工方案模擬、進度管控技術(shù)及工程應(yīng)用等內(nèi)容，對GIM模型進行自動解析，通過施工進度應(yīng)用研究進行4D施工，結(jié)合風(fēng)險、物料、機具跟蹤檢查，通過進度管控平臺的模擬監(jiān)控，實現(xiàn)施工管理應(yīng)用。通過施工方案模擬研究，生成施工動畫并與解析GIM模型生成的仿真模擬結(jié)合，完成方案模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)施工交底應(yīng)用。

圖1 研究技術(shù)路線圖

施工方案模擬及進度管控系統(tǒng)的整個構(gòu)架主要分為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層，依托三維設(shè)計成果的直觀性、可視性、精細(xì)化以及龐大的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)項目管理、進度管理、安全管理、質(zhì)量管理、物資管理的集中管理。

2 系統(tǒng)框架的搭建

2.1 技術(shù)原理

2.1.1 jvm調(diào)優(yōu)

Web服務(wù)器中間件都用的是Tomcat，所以jvm的調(diào)優(yōu)一般都是針對Tomcat的調(diào)優(yōu)。調(diào)優(yōu)工具可以借用jdk自帶的Visual VM工具，到JDK安裝目錄/bin目錄下，雙擊jvisualvm.exe文件，直接啟動，就可以查看到當(dāng)前的堆空間大小分配情況、線程監(jiān)控情況和垃圾回收監(jiān)控等。根據(jù)這些信息，再進行相應(yīng)的調(diào)整。

2.1.2 主從分離

MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)置讀寫分離，可以使對數(shù)據(jù)庫的寫操作和讀操作在不同服務(wù)器上執(zhí)行，提高并發(fā)量和響應(yīng)速度。采用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主從分離、讀寫分離，既起到備份作用又減輕數(shù)據(jù)庫的讀寫壓力。

2.1.3 消息隊列

在不使用消息隊列的時候，用戶的請求數(shù)據(jù)直接寫入數(shù)據(jù)庫，在高并發(fā)的情況下數(shù)據(jù)庫壓力劇增，使得響應(yīng)速度變慢。但是，在使用消息隊列之后，用戶的請求數(shù)據(jù)發(fā)送給消息隊列之后立即返回，再由消息隊列的消費者進程從消息隊列中獲取數(shù)據(jù)，異步寫入數(shù)據(jù)庫。由于消息隊列服務(wù)器處理速度快于數(shù)據(jù)庫（消息隊列也比數(shù)據(jù)庫有更好的伸縮性），因此響應(yīng)速度得到大幅改善。

2.1.4 負(fù)載均衡

負(fù)載均衡LB（load balance）是一種集群技術(shù)，它將特定的業(yè)務(wù)（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)流量等）分擔(dān)給多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括服務(wù)器、防火墻等）或多條鏈路，從而提高了業(yè)務(wù)處理能力，保證了業(yè)務(wù)的高可靠性。

負(fù)載均衡技術(shù)具有以下優(yōu)勢：一是高性能。負(fù)載均衡技術(shù)將業(yè)務(wù)較均衡地分擔(dān)到多臺設(shè)備或鏈路上，從而提高了整個系統(tǒng)的性能。二是可擴展性。負(fù)載均衡技術(shù)可以方便地增加集群中設(shè)備或鏈路的數(shù)量，在不降低業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求。三是高可靠性。單個甚至多個設(shè)備或鏈路發(fā)生故障也不會導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。四是可管理性。大量的管理共組都集中在使用負(fù)載均衡技術(shù)的設(shè)備上，設(shè)備集群或鏈路集群只需要維護通過的配置即可。五是透明性。對用戶而言，集群等于一個或多個高可靠性、高性能的設(shè)備或鏈路，用戶感知不到，也不關(guān)心具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加或減少設(shè)備或鏈路數(shù)量都不會影響正常業(yè)務(wù)。

2.1.5 模型細(xì)節(jié)層次

細(xì)節(jié)層次LOD（levels of detail）技術(shù)指根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算。

根據(jù)不同精度進行建模，在鏡頭離該物體近的時候使用精度高的建模展示細(xì)節(jié)，在鏡頭離得遠(yuǎn)的時候放上精度較低的建模來加快整體場景的渲染速度。

2.1.6 C#Span

高性能數(shù)據(jù)訪問Span整合它的引用和偏移成新的Span的引用，整個過程并沒有復(fù)制內(nèi)存，而是直接返回引用，其抽象了所有連續(xù)內(nèi)存空間的類型系統(tǒng)，包括數(shù)組、非托管指針、堆棧指針、fixed或pinned的托管數(shù)據(jù)，以及值內(nèi)部區(qū)域的引用，同時支持CLR標(biāo)準(zhǔn)對象類型和值類型、泛型，支持GC，因此性能非常高。

2.2 系統(tǒng)解析GIM文件流程

從設(shè)計軟件導(dǎo)出GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計模型導(dǎo)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動調(diào)用接口將GIM轉(zhuǎn)成UDF文件，通過切片庫將轉(zhuǎn)換后的UDF文件切為IVE文件，系統(tǒng)最后調(diào)用接口獲取IVE文件做展示，通過模型LOD、Span、動態(tài)批處理、遮擋剔除等技術(shù)對設(shè)計模型進行優(yōu)化處理，從而實現(xiàn)GIM文件通過設(shè)計軟件生成，然后倒入系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)通過一系列解析，將GIM文件模型在三維場景中展示。

3 創(chuàng)新點

3.1 GIM解析

將GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計模型導(dǎo)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動調(diào)用接口將GIM轉(zhuǎn)成UDF文件，通過切片庫將轉(zhuǎn)換后的UDF文件切為IVE文件，系統(tǒng)最后調(diào)用接口獲取IVE文件做展示，通過模型LOD、Span、動態(tài)批處理、遮擋剔除等技術(shù)對設(shè)計模型進行優(yōu)化處理。

3.2 模型重組

模型重組是在系統(tǒng)中將設(shè)計模型重組為符合施工邏輯的施工單元和工序，使GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計模型在系統(tǒng)中實現(xiàn)可視化及相關(guān)操作，將施工單元與模型結(jié)構(gòu)綁定生成對應(yīng)施工工序的網(wǎng)絡(luò)計劃。

3.3 三維渲染引擎

系統(tǒng)采用模型共享技術(shù)、顯示列表技術(shù)、視圖裁剪技術(shù)、內(nèi)存緩存技術(shù)、層次細(xì)節(jié)技術(shù)等多種技術(shù)手段以保證虛擬現(xiàn)實顯示效果的流暢。

4 成果輸出及應(yīng)用

4.1 臨建搭設(shè)和場地布置三維場景模擬

臨建三維設(shè)計的相關(guān)算法有耳切法和三維自動布局法。

4.1.1 耳切法

將簡單多邊形轉(zhuǎn)換成一組由同樣頂點組成的三角形集合是計算機圖形學(xué)中的一個經(jīng)典問題。問題中，簡單多邊形是指由一組有序頂點V0~Vn-1組成的，相鄰的頂點之間通過邊（Vi，Vi-1）連接，并且邊（Vn-1，V0）連接起始點。每個頂點被2條邊所共享，而邊的所有交點都是頂點。多邊形圖如圖2所示。

圖2中，左邊的多邊形是個簡單多邊形，中間的多邊形點1被4條邊共享，不符合定義的條件，不算是簡單多邊形，右側(cè)的多邊形中邊14，邊02的交點不是定義的頂點之一，因此該圖形也不符合簡單多邊形的定義。

圖2 多邊形圖

4.1.2 三維自動布局法

模型擺放過程用叉乘和碰撞檢測判斷合理點，判斷一個點在三角形，采用順時針/逆時針判定法。該方法要求點的順序是順時針或逆時針的，如果是順時針的點，沿著3條邊走，如果目標(biāo)點P在三角形內(nèi)，那么P始終在邊的右側(cè)。同理，如果是逆時針的話，目標(biāo)點P應(yīng)該始終在邊的左側(cè)。

例：逆時針的3個點a、b、c，判斷ab×ap，bc×bp，ca×cp，如果這3個向量叉積的Z值都同向，并且都為負(fù)的話（左手系），說明p點在三角形內(nèi)部。（Unity使用的是右手坐標(biāo)系，也是右手法則，逆時針旋轉(zhuǎn)，大拇指指向旋轉(zhuǎn)的正方向）。碰撞檢測就是在擺放過程中如果放置的模型超出了地面，那么模型就會標(biāo)紅，并自動尋找下一個合理的擺放位置。

兩點間距離公式為

在臨建設(shè)施搭建完成后，可導(dǎo)出臨建設(shè)施的平面布置圖，圖紙中包含設(shè)置擺放位置以及相應(yīng)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，同時附有所有設(shè)施的尺寸信息，以及相應(yīng)的設(shè)計統(tǒng)計。

施工人員可根據(jù)三維臨建設(shè)計及平面布置圖成果，開展臨建設(shè)施的建設(shè)。應(yīng)用步驟如圖3所示。

圖3 臨建設(shè)計成果應(yīng)用步驟

4.2 風(fēng)險管理

施工過程中主要風(fēng)險點內(nèi)容包括各工序下的安全預(yù)控措施、風(fēng)險等級兩方面內(nèi)容。將當(dāng)前施工工序的主要風(fēng)險點錄入到該工序下網(wǎng)絡(luò)計劃安全預(yù)控措施欄，將當(dāng)前施工工序的風(fēng)險等級錄入到該工序下網(wǎng)絡(luò)計劃風(fēng)險等級。在施工過程中，針對施工方案中的風(fēng)險點管理，讀取網(wǎng)絡(luò)計劃中的風(fēng)險點，通過二維文字描述與三維模型的結(jié)合直觀地將風(fēng)險點展現(xiàn)到三維場景中，提醒管理人員進行相關(guān)準(zhǔn)備和檢查工作，提前做好相應(yīng)的安全措施。

4.3 物資管理

物資管理內(nèi)容包括未發(fā)貨、已發(fā)貨、未到貨、滿貨4個狀態(tài)。第一，未發(fā)貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng)，物資管理員按照物資清單設(shè)置的發(fā)貨時間與廠家確認(rèn)是否發(fā)貨，如果未按時發(fā)貨，推送未發(fā)貨預(yù)警。第二，已發(fā)貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng)，物資管理員按照物資清單設(shè)置的發(fā)貨時間與廠家確認(rèn)是否發(fā)貨，如果按時發(fā)貨或者提前發(fā)貨，物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為已發(fā)貨狀態(tài)。第三，未到貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng)，物資管理員按照物資清單設(shè)置的到貨時間確認(rèn)設(shè)備是否按時到貨，如果設(shè)備未按時到貨或者到貨數(shù)量小于物資清單數(shù)量，物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為未到貨狀態(tài)。第四，滿貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng)，物資管理員按照物資清單設(shè)置的到貨時間確認(rèn)設(shè)備是否按時到貨，如果已到貨并且到貨數(shù)量總和等于物資清單設(shè)備的數(shù)量，物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為已到貨，即為滿貨狀態(tài)。

利用三維可視化技術(shù)，物資管理員通過對物資狀態(tài)的確認(rèn)，系統(tǒng)將預(yù)警消息展現(xiàn)到進度模擬過程中當(dāng)前工序的風(fēng)險點面板，并且通過物資預(yù)警，可以直觀地看到各工序下物資的發(fā)貨、到貨、滿貨的狀態(tài)。

4.4 施工工藝模擬

施工前，施工管理人員組織開展施工工藝培訓(xùn)，施工人員可方便快捷地通過終端設(shè)備觀看變電站典型設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工藝仿真動畫視頻，學(xué)習(xí)施工工藝知識，提升施工水平。第一，標(biāo)準(zhǔn)工藝仿真培訓(xùn)。施工前，施工人員通過動畫學(xué)習(xí)每項操作的工藝工法、安全風(fēng)險、預(yù)控措施、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)工藝等相關(guān)內(nèi)容，提升業(yè)務(wù)水平。第二，施工工藝流程模擬演練。基于三維設(shè)計成果，依據(jù)施工原理及標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，施工人員能夠與虛擬三維對象互動操作，分步展示虛擬施工操作流程，模擬演練整個施工過程。

4.5 施工進度仿真模擬

施工進度仿真內(nèi)容主要包括變電站4D施工計劃進度仿真、變電站4D施工實際進度仿真、輸電線路4D施工計劃進度仿真、輸電線路4D施工實際進度仿真、設(shè)備4D施工模擬、網(wǎng)絡(luò)計劃展現(xiàn)、橫道圖分析、進度填報、進度分析對比9個方面的內(nèi)容。

a）變電站4D施工計劃進度仿真。將變電站三維模型與變電站工程施工里程碑計劃、一級網(wǎng)絡(luò)計劃、二維網(wǎng)絡(luò)計劃任務(wù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，每個任務(wù)對應(yīng)1個或多個三維模型，包括土建、安裝工程等各個任務(wù)工序；同時能夠按照施工計劃任務(wù)的時間順序生長變化，動態(tài)展示加載工程的施工過程。

b）變電站4D施工實際進度仿真。施工管理人員根據(jù)施工計劃任務(wù)及橫道圖任務(wù)實際進度情況，選擇任務(wù)三維推演歷史進度，提供施工進度的可視化管理手段。記錄、存儲變電站施工進度數(shù)據(jù)及對應(yīng)三維模型的實時狀態(tài)，通過時間控制模型的生長變化，動態(tài)展示整個施工過程記錄。

c）網(wǎng)絡(luò)計劃展現(xiàn)。施工人員按計劃完成任務(wù)過程中，在變電站三維模型場景中選擇對應(yīng)任務(wù)模型，設(shè)置進度狀態(tài)，對進度狀態(tài)為“已完成”“進行中”和“延期”3種狀態(tài)的任務(wù)，對應(yīng)的三維模型分別以不同顏色進行標(biāo)識，對于“進行中”的任務(wù)記錄實際開始時間，對于“已完成”的任務(wù)記錄實際完成時間，通過仿真模型顯示當(dāng)前變電站施工進度情況。

5 結(jié)束語

本文所提出的技術(shù)研究成果實現(xiàn)變電工程建設(shè)管理的電子化、數(shù)字化和可視化，為工程項目管理者提供直觀、實時、有效的輔助工具。建設(shè)單位再掌握了完整的工程建設(shè)全過程所需的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫，很容易在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)有的軟件包提供的功能實現(xiàn)以下功能：

a）隨時自動提取任意規(guī)定范圍的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)計劃、物資清單，為設(shè)備材料、施工備料管理提供依據(jù)和手段。

b）進行施工進度模擬，可以集成或結(jié)合工程計劃管理軟件，實現(xiàn)工程進度和計劃的可視化管理，使傳統(tǒng)的兩維圖上的計劃管理提高到三維實物模型的直觀管理水平，并可提供定義模型所需的各種設(shè)備、起止時間、風(fēng)險點、材料清單，準(zhǔn)確地確定工程量，便于科學(xué)合理地安排施工力量的投入，更加有效地組織施工。

c）采用標(biāo)準(zhǔn)工藝三維培訓(xùn)，可以減少傳統(tǒng)培訓(xùn)次數(shù)，增強培訓(xùn)效果，節(jié)省培訓(xùn)費用；移動端解決現(xiàn)場施工人員培訓(xùn)場次受時間和空間限制問題，提高培訓(xùn)效率。

通過GIM+施工管理方式，在變電工程施工進度4D管控平臺中全面聯(lián)動模型、進度、物資、風(fēng)險等多方面數(shù)據(jù)，并分專業(yè)對模型與數(shù)據(jù)進行可視化展示，減少了工程管理人員與技術(shù)人員的工作難度和工作量，是未來工程施工發(fā)展的必然趨勢。