基于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的三維可視化管理系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

徐 敏，吳彥偉，邱海江，郭付翔，曹雯琳

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510700；2. 北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120)

0 引言

烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端交流配套工程(廣州段)是滿足廣東珠三角負(fù)荷中心尤其是東莞地區(qū)的用電負(fù)荷持續(xù)快速增長(zhǎng)的需要。然而，該工程不僅施工周期緊張、建設(shè)進(jìn)度管理等多個(gè)方面面臨著復(fù)雜的局面，各類施工進(jìn)度信息的跨區(qū)域、跨部門(mén)管理及信息共享、信息展示成為工程亟待解決的問(wèn)題。因此，南方電網(wǎng)率先提出將智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)和可視化技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)展以智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的施工過(guò)程三維可視化管理平臺(tái)，加強(qiáng)工程進(jìn)度計(jì)劃管理，提高工程精細(xì)化管理水平。

智能電網(wǎng)，即電網(wǎng)的智能化。與傳統(tǒng)的電網(wǎng)技術(shù)相比，智能電網(wǎng)具有更高速的通信、更先進(jìn)的傳感技術(shù)、更智能的生產(chǎn)設(shè)備和更精確的控制系統(tǒng)[1]。

智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)指的是在智能電網(wǎng)的快速發(fā)展基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)合大數(shù)據(jù)分析手段，挖掘電網(wǎng)運(yùn)行中潛在的有用信息，以此來(lái)提高電網(wǎng)運(yùn)行管理水平。

2012年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)始對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，涌現(xiàn)了很多成果。在國(guó)外，許多IT企業(yè)針對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了探索，如 IBM[2]、Oracle[3]等， C3-Energy 也針對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，并構(gòu)建了一個(gè)針對(duì)電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的智能分析系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)開(kāi)展了電力大數(shù)據(jù)的研究，2014年，國(guó)家科技部下達(dá)了電力大數(shù)據(jù)的相關(guān)項(xiàng)目[4]，支持智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究，隨后，國(guó)家電網(wǎng)有限公司、各個(gè)地方電網(wǎng)響應(yīng)科技部的號(hào)召，也陸續(xù)開(kāi)展智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)相關(guān)項(xiàng)目。同時(shí)，電網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)研究者們也緊跟步伐，開(kāi)始深入到智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究。張東霞[5]等、湯勇峰[6]分別論述了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究框架和發(fā)展路線；李寶玉[7]等探討了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)有研究仍然處于起步階段，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究還有很大的發(fā)展空間，這也是一個(gè)持續(xù)而艱巨的探索任務(wù)。

隨著智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究以及可視化技術(shù)的發(fā)展和使用，一些國(guó)際上領(lǐng)先的電力企業(yè)開(kāi)始嘗試?yán)每梢暬夹g(shù)提升自身的運(yùn)營(yíng)效率和管理水平[8]。其次，三維GIS、虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展也為電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的可視化展示提供有力的支撐。

本文在響應(yīng)南方電網(wǎng)加快應(yīng)用“云大物移智”等IT新技術(shù)要求的前提下，提出將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、三維GIS、虛擬仿真、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段結(jié)合，構(gòu)建一套基于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的三維可視化管理平臺(tái)，加強(qiáng)工程進(jìn)度計(jì)劃管理，提高工程精細(xì)化管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)多源電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，同時(shí)采用支撐層—數(shù)據(jù)層—組件層—業(yè)務(wù)層—用戶層的分層化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性，本系統(tǒng)采用分層的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)支撐層

支撐層提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件和軟件資源，包括大屏、高清攝像頭、無(wú)人機(jī)、阿里云服務(wù)器、移動(dòng)三防設(shè)備等。

2)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)信息，是系統(tǒng)各功能能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集和處理、發(fā)布應(yīng)用、三維建模等工作。首先，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航拍、傾斜攝影等方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模，形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型；其次，針對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分層組織和管理，建立一個(gè)便于訪問(wèn)和共享的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問(wèn)方式。

3)組件層

組件層為系統(tǒng)應(yīng)用提供多種功能的擴(kuò)展，以插件的形式對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)充，方便系統(tǒng)各功能的開(kāi)發(fā)與維護(hù)。

4)業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層直觀展示系統(tǒng)各個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求模塊化分析，將系統(tǒng)劃分為多個(gè)單獨(dú)的服務(wù)模塊，主要包括施工進(jìn)度采集模塊、施工過(guò)程查看模塊、施工塔位導(dǎo)航模塊、施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)模塊、施工工序管理模塊、施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)模塊、通道數(shù)據(jù)管理模塊、施工進(jìn)度預(yù)警模塊、工程三維仿真模塊、施工進(jìn)度仿真模塊、施工人員管理模塊、專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊等。

5)應(yīng)用層

應(yīng)用層構(gòu)建系統(tǒng)的軟件平臺(tái)和web網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)，負(fù)責(zé)提供優(yōu)質(zhì)的用戶服務(wù)體驗(yàn)，包括友好的用戶界面、合理的操作邏輯、快捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、輕量級(jí)的可視化平臺(tái)。

1.2 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括施工進(jìn)度采集與上報(bào)系統(tǒng)模塊、施工進(jìn)度管理與分析系統(tǒng)模塊、施工過(guò)程三維仿真與應(yīng)用系統(tǒng)模塊，其詳細(xì)功能圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

1)施工進(jìn)度采集與上報(bào)系統(tǒng)。施工進(jìn)度采集與上報(bào)系統(tǒng)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)移動(dòng) APP 的形式建立快速的采集與上報(bào)渠道，提供施工進(jìn)度采集、通道數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)交互、微信小程序展示、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)上報(bào)，提高工作與數(shù)據(jù)傳遞效率，達(dá)到降本增效的目的。

2)施工進(jìn)度管理與上報(bào)系統(tǒng)。施工進(jìn)度管理與分析系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)，以現(xiàn)場(chǎng)上報(bào)的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)Web 的形式建立一種創(chuàng)新式的施工過(guò)程管理與分析方式，提供人員部門(mén)管理、施工進(jìn)度精細(xì)化管理、施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、周報(bào)月報(bào)自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)預(yù)警、短信提醒等功能，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度管理與分析，輔助業(yè)主開(kāi)展項(xiàng)目管理，極大地減少施工過(guò)程管理中的工作量。

3)施工過(guò)程三維仿真與應(yīng)用系統(tǒng)。施工過(guò)程三維仿真與應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建工程直觀、立體的三維可視化場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)工程三維可視化宏觀展示與施工過(guò)程微觀精細(xì)化表達(dá)相結(jié)合，接入工程走廊地形數(shù)據(jù)、工程設(shè)計(jì)成果、進(jìn)度上報(bào)采集數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等一系列數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，充分整合工程各類資源及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程施工進(jìn)度以及施工過(guò)程的三維可視化仿真模擬，輔助用戶開(kāi)展工程施工進(jìn)度管理與決策。

1.3 多源數(shù)據(jù)管理

多源數(shù)據(jù)管理主要涉及系統(tǒng)建設(shè)和保證系統(tǒng)運(yùn)行所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如矢量化、地理配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、制圖出版等工作，構(gòu)建涵蓋通道走廊、交叉跨越、基礎(chǔ)地理、地名注記、地形地貌、施工進(jìn)度等內(nèi)容的專題數(shù)據(jù)庫(kù)，制定完整的收集、抽取、清洗、質(zhì)檢和入庫(kù)流程，包括系統(tǒng)運(yùn)行所需的通道清理數(shù)據(jù)、交叉跨越數(shù)據(jù)的收集、處理、建庫(kù)及各類項(xiàng)目資料收集整理、建庫(kù)、制圖輸出、宣傳資料制作等工作；針對(duì)施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)的各類影像、矢量、屬性參數(shù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文檔、圖片、視頻、模型等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，具體的管理方式如圖3所示。

圖3 多源數(shù)據(jù)管理

1)數(shù)據(jù)收集與處理。針對(duì)系統(tǒng)建設(shè)所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與預(yù)處理，如矢量化、地理配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、制圖出版等工作，包括系統(tǒng)運(yùn)行所需的通道清理數(shù)據(jù)、交叉跨越數(shù)據(jù)的收集、處理、建庫(kù)及各類項(xiàng)目資料收集整理、建庫(kù)、制圖輸出、宣傳資料制作等工作；針對(duì)施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)的各類影像、矢量、屬性參數(shù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文檔、圖片、視頻、模型等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理。

2)服務(wù)生成與發(fā)布。針對(duì)工程正射影像、數(shù)字高程模型、傾斜攝影模型等數(shù)據(jù)量非常大的數(shù)據(jù)內(nèi)容，需要通過(guò)切片處理后發(fā)布成瓦片地圖數(shù)據(jù)服務(wù)形式進(jìn)行使用，以支撐三維可視化平臺(tái)的快速調(diào)閱與無(wú)縫瀏覽。

3)數(shù)據(jù)質(zhì)檢與建庫(kù)。制定完整的收集、抽取、清洗、質(zhì)檢和入庫(kù)流程，針對(duì)收集整理的圖紙檔案、三維模型等非空間類數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理、專題信息等空間類數(shù)據(jù)采用不同的建庫(kù)流程進(jìn)行質(zhì)檢和入庫(kù)，構(gòu)建涵蓋通道走廊、交叉跨越、基礎(chǔ)地理、地名注記、地形地貌、施工進(jìn)度等內(nèi)容的專題數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)專題制圖與輸出。根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)度和統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)情況編制工程建設(shè)指揮、施工進(jìn)度管理等方面的專題圖集，支持通過(guò)添加地圖標(biāo)題、指北針、圖例等圖幅整飾功能進(jìn)行個(gè)性化定制輸出。

2 工程應(yīng)用及效果

本系統(tǒng)以烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端500 kV交流配套工程(廣州段)作為試點(diǎn)項(xiàng)目，以推動(dòng)施工各單位基于構(gòu)建的系統(tǒng)開(kāi)展工程施工進(jìn)度管理和施工安全管理等工作，有效提高項(xiàng)目各階段的施工質(zhì)量，確保工程保質(zhì)竣工運(yùn)行。

2.1 工程進(jìn)度管理

施工進(jìn)度采集?，F(xiàn)場(chǎng)用戶一鍵完成施工進(jìn)度數(shù)據(jù)上報(bào)，分為基礎(chǔ)開(kāi)挖、基礎(chǔ)澆筑、接地埋設(shè)、鐵塔組立、地線架設(shè)、導(dǎo)線放線等工序，以包段、桿塔、工序?yàn)榛A(chǔ)進(jìn)行施工進(jìn)度填報(bào)，后臺(tái)自動(dòng)記錄各工序完成時(shí)間、完成人，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況上傳圖片、視頻等多媒體信息，圖片可按要求自動(dòng)生成水印信息，輔助業(yè)主更好地了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，如圖4所示。

圖4 施工進(jìn)度采集

施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)。提供直觀的施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)功能，用戶可在手機(jī)上實(shí)時(shí)查看所有桿塔的施工情況與施工進(jìn)度，對(duì)施工單位的施工進(jìn)展與業(yè)主單位的施工過(guò)程管理起到輔助作用，如圖5所示。

圖5 施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)

通道數(shù)據(jù)展示。提供房屋拆遷、占地協(xié)調(diào)、林木砍伐、三線遷改等信息的可視化查看功能，并提供簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)與屬性查看，如圖6所示。

圖6 通道數(shù)據(jù)展示

施工進(jìn)度預(yù)警。提供進(jìn)度預(yù)警功能，系統(tǒng)提前構(gòu)建計(jì)劃進(jìn)度數(shù)據(jù)庫(kù)，后臺(tái)根據(jù)實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算預(yù)警對(duì)象與預(yù)警等級(jí)，及時(shí)通知相關(guān)管理人員，如圖7所示。

圖7 施工進(jìn)度預(yù)警

施工進(jìn)度仿真。結(jié)合工程進(jìn)度收資數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程施工進(jìn)度指標(biāo)可視化監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)計(jì)劃與進(jìn)度對(duì)比分析，輔助用戶直觀把握工程施工進(jìn)度狀態(tài)，輔助制定、修正施工進(jìn)度計(jì)劃。同時(shí)，結(jié)合數(shù)字化工地成果，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行三維數(shù)字化仿真，重點(diǎn)針對(duì)不同施工工序、不同施工環(huán)節(jié)結(jié)合地理位置、三維模型進(jìn)行可視化表達(dá)、模型仿真、查詢追溯、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度“一張圖”，快速反映工程及施工進(jìn)度具體情況，如圖8所示。

圖8 施工進(jìn)度三維仿真

2.2 工程安全管理

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。為輔助用戶更好地開(kāi)展工程管理工作，了解工程施工現(xiàn)場(chǎng)及建設(shè)進(jìn)度，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)配備的攝像頭，通過(guò)接入工程現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)攝像頭拍攝視頻的快速調(diào)閱和云臺(tái)控制。用戶可通過(guò)視頻監(jiān)控點(diǎn)列表或在三維場(chǎng)景中點(diǎn)選監(jiān)控點(diǎn)氣泡實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的切換和選擇，如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

人工智能應(yīng)用。結(jié)合無(wú)人機(jī)+高清攝像頭開(kāi)展施工過(guò)程視頻/照片數(shù)據(jù)采集，利用深度學(xué)習(xí)方法針對(duì)采集數(shù)據(jù)中的電力設(shè)備缺陷(如螺栓螺帽缺失、絕緣子串破損等)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和缺陷定位，輔助開(kāi)展施工過(guò)程質(zhì)量督查，提高檢查效率，減少人力成本投入，降低高空爬塔作業(yè)等安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，杜絕安全事故發(fā)生，如圖10、圖11所示。

圖10 施工過(guò)程安全質(zhì)量督查過(guò)程

圖11 施工過(guò)程安全質(zhì)量智能識(shí)別

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于輸變電工程的三維可視化管理平臺(tái)，并從實(shí)際應(yīng)用中出發(fā)，展示了該系統(tǒng)從施工進(jìn)度管理和施工安全管理等各個(gè)方面的作用，從一定程度上加強(qiáng)了施工進(jìn)度管理，輔助了施工安全管理，規(guī)范了施工管理的各個(gè)流程。該系統(tǒng)目前應(yīng)用在烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程廣東受端500 kV交流配套工程(廣州段)，后期可能擴(kuò)展到更多的項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)中，進(jìn)一步提升電網(wǎng)施工各個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)度，保證安全、高效生產(chǎn)。