基于智能电网大数据的三维可视化管理系统及其应用研究

徐 敏，吴彦伟，邱海江，郭付翔，曹雯琳

(1. 中国南方电网有限责任公司，广东 广州 510700；2. 北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120)

0 引言

乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程广东受端交流配套工程(广州段)是满足广东珠三角负荷中心尤其是东莞地区的用电负荷持续快速增长的需要。然而，该工程不仅施工周期紧张、建设进度管理等多个方面面临着复杂的局面，各类施工进度信息的跨区域、跨部门管理及信息共享、信息展示成为工程亟待解决的问题。因此，南方电网率先提出将智能电网大数据和可视化技术相结合，开展以智能电网大数据为基础的施工过程三维可视化管理平台，加强工程进度计划管理，提高工程精细化管理水平。

智能电网，即电网的智能化。与传统的电网技术相比，智能电网具有更高速的通信、更先进的传感技术、更智能的生产设备和更精确的控制系统[1]。

智能电网大数据指的是在智能电网的快速发展基础上，通过联合大数据分析手段，挖掘电网运行中潜在的有用信息，以此来提高电网运行管理水平。

2012年以来，国内外研究学者开始对智能电网大数据进行研究，涌现了很多成果。在国外，许多IT企业针对智能电网大数据进行了探索，如 IBM[2]、Oracle[3]等， C3-Energy 也针对智能电网大数据进行了进一步的分析，并构建了一个针对电网大数据的智能分析系统。国内开展了电力大数据的研究，2014年，国家科技部下达了电力大数据的相关项目[4]，支持智能电网大数据研究，随后，国家电网有限公司、各个地方电网响应科技部的号召，也陆续开展智能电网大数据相关项目。同时，电网技术的相关研究者们也紧跟步伐，开始深入到智能电网大数据的研究。张东霞[5]等、汤勇峰[6]分别论述了智能电网大数据的研究框架和发展路线；李宝玉[7]等探讨了智能电网大数据处理技术及其挑战。然而，现有研究仍然处于起步阶段，智能电网大数据的研究还有很大的发展空间，这也是一个持续而艰巨的探索任务。

随着智能电网大数据的进一步研究以及可视化技术的发展和使用，一些国际上领先的电力企业开始尝试利用可视化技术提升自身的运营效率和管理水平[8]。其次，三维GIS、虚拟仿真技术的发展也为电网大数据的可视化展示提供有力的支撑。

本文在响应南方电网加快应用“云大物移智”等IT新技术要求的前提下，提出将大数据、云计算、三维GIS、虚拟仿真、移动互联网、人工智能等技术手段结合，构建一套基于智能电网大数据的三维可视化管理平台，加强工程进度计划管理，提高工程精细化管理水平。

1 系统设计及实现

本系统采用分布式架构模式实现多源电网数据存储和管理，同时采用支撑层—数据层—组件层—业务层—用户层的分层化设计思想进行系统设计。

1.1 系统架构设计

为了保证系统的可扩展性和可移植性，本系统采用分层的设计模式进行设计，总体架构图如图1所示。

图1 系统总体架构

1)支撑层

支撑层提供系统运行所需的硬件和软件资源，包括大屏、高清摄像头、无人机、阿里云服务器、移动三防设备等。

2)数据层

数据层提供系统所需的各类数据信息，是系统各功能能够正常运行的基础，其负责系统数据的收集和处理、发布应用、三维建模等工作。首先，通过对无人机航拍、倾斜摄影等方式采集的数据进行处理、建模，形成结构化的数据模型；其次，针对各类数据进行分层组织和管理，建立一个便于访问和共享的大型数据库，为系统应用提供统一的数据存储访问方式。

3)组件层

组件层为系统应用提供多种功能的扩展，以插件的形式对系统功能进行扩充，方便系统各功能的开发与维护。

4)业务层

业务层直观展示系统各个业务功能模块。通过对系统的业务需求模块化分析，将系统划分为多个单独的服务模块，主要包括施工进度采集模块、施工过程查看模块、施工塔位导航模块、施工过程统计模块、施工工序管理模块、施工进度统计模块、通道数据管理模块、施工进度预警模块、工程三维仿真模块、施工进度仿真模块、施工人员管理模块、专题数据统计模块等。

5)应用层

应用层构建系统的软件平台和web网页平台，负责提供优质的用户服务体验，包括友好的用户界面、合理的操作逻辑、快捷的数据统计、轻量级的可视化平台。

1.2 功能架构设计

系统主要包括施工进度采集与上报系统模块、施工进度管理与分析系统模块、施工过程三维仿真与应用系统模块，其详细功能图如图2所示。

图2 系统功能模块图

1)施工进度采集与上报系统。施工进度采集与上报系统基于移动互联网通过移动 APP 的形式建立快速的采集与上报渠道，提供施工进度采集、通道数据展示、数据交互、微信小程序展示、远程数据监控等功能，实现工程施工进度实时上报，提高工作与数据传递效率，达到降本增效的目的。

2)施工进度管理与上报系统。施工进度管理与分析系统基于互联网，以现场上报的大量数据为基础，通过Web 的形式建立一种创新式的施工过程管理与分析方式，提供人员部门管理、施工进度精细化管理、施工进度统计、周报月报自动生成、数据预警、短信提醒等功能，实现施工进度管理与分析，辅助业主开展项目管理，极大地减少施工过程管理中的工作量。

3)施工过程三维仿真与应用系统。施工过程三维仿真与应用系统通过构建工程直观、立体的三维可视化场景，实现工程三维可视化宏观展示与施工过程微观精细化表达相结合，接入工程走廊地形数据、工程设计成果、进度上报采集数据、视频监控等一系列数据，通过对施工过程数据的统计分析，充分整合工程各类资源及数据，实现工程施工进度以及施工过程的三维可视化仿真模拟，辅助用户开展工程施工进度管理与决策。

1.3 多源数据管理

多源数据管理主要涉及系统建设和保证系统运行所需的各类基础数据的预处理，如矢量化、地理配准、坐标转换、制图出版等工作，构建涵盖通道走廊、交叉跨越、基础地理、地名注记、地形地貌、施工进度等内容的专题数据库，制定完整的收集、抽取、清洗、质检和入库流程，包括系统运行所需的通道清理数据、交叉跨越数据的收集、处理、建库及各类项目资料收集整理、建库、制图输出、宣传资料制作等工作；针对施工进度相关联的各类影像、矢量、属性参数等结构化数据和文档、图片、视频、模型等非结构化数据进行集中统一管理，具体的管理方式如图3所示。

图3 多源数据管理

1)数据收集与处理。针对系统建设所需的各类基础数据进行收集与预处理，如矢量化、地理配准、坐标转换、制图出版等工作，包括系统运行所需的通道清理数据、交叉跨越数据的收集、处理、建库及各类项目资料收集整理、建库、制图输出、宣传资料制作等工作；针对施工进度相关联的各类影像、矢量、属性参数等结构化数据和文档、图片、视频、模型等非结构化数据进行集中统一管理。

2)服务生成与发布。针对工程正射影像、数字高程模型、倾斜摄影模型等数据量非常大的数据内容，需要通过切片处理后发布成瓦片地图数据服务形式进行使用，以支撑三维可视化平台的快速调阅与无缝浏览。

3)数据质检与建库。制定完整的收集、抽取、清洗、质检和入库流程，针对收集整理的图纸档案、三维模型等非空间类数据和基础地理、专题信息等空间类数据采用不同的建库流程进行质检和入库，构建涵盖通道走廊、交叉跨越、基础地理、地名注记、地形地貌、施工进度等内容的专题数据库。

4)专题制图与输出。根据工程建设进度和统一管理数据情况编制工程建设指挥、施工进度管理等方面的专题图集，支持通过添加地图标题、指北针、图例等图幅整饰功能进行个性化定制输出。

2 工程应用及效果

本系统以乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程广东受端500 kV交流配套工程(广州段)作为试点项目，以推动施工各单位基于构建的系统开展工程施工进度管理和施工安全管理等工作，有效提高项目各阶段的施工质量，确保工程保质竣工运行。

2.1 工程进度管理

施工进度采集。现场用户一键完成施工进度数据上报，分为基础开挖、基础浇筑、接地埋设、铁塔组立、地线架设、导线放线等工序，以包段、杆塔、工序为基础进行施工进度填报，后台自动记录各工序完成时间、完成人，同时可根据实际情况上传图片、视频等多媒体信息，图片可按要求自动生成水印信息，辅助业主更好地了解现场实际情况，如图4所示。

图4 施工进度采集

施工过程统计。提供直观的施工过程统计功能，用户可在手机上实时查看所有杆塔的施工情况与施工进度，对施工单位的施工进展与业主单位的施工过程管理起到辅助作用，如图5所示。

图5 施工过程统计

通道数据展示。提供房屋拆迁、占地协调、林木砍伐、三线迁改等信息的可视化查看功能，并提供简单的统计与属性查看，如图6所示。

图6 通道数据展示

施工进度预警。提供进度预警功能，系统提前构建计划进度数据库，后台根据实际进度与计划进度进行对比，计算预警对象与预警等级，及时通知相关管理人员，如图7所示。

图7 施工进度预警

施工进度仿真。结合工程进度收资数据，实现工程施工进度指标可视化监测，加强计划与进度对比分析，辅助用户直观把握工程施工进度状态，辅助制定、修正施工进度计划。同时，结合数字化工地成果，对施工进度进行三维数字化仿真，重点针对不同施工工序、不同施工环节结合地理位置、三维模型进行可视化表达、模型仿真、查询追溯、统计分析，实现施工进度“一张图”，快速反映工程及施工进度具体情况，如图8所示。

图8 施工进度三维仿真

2.2 工程安全管理

远程视频监控。为辅助用户更好地开展工程管理工作，了解工程施工现场及建设进度，结合施工现场配备的摄像头，通过接入工程现场视频信号实现摄像头拍摄视频的快速调阅和云台控制。用户可通过视频监控点列表或在三维场景中点选监控点气泡实现对视频信号的切换和选择，如图9所示。

图9 远程视频监控

人工智能应用。结合无人机+高清摄像头开展施工过程视频/照片数据采集，利用深度学习方法针对采集数据中的电力设备缺陷(如螺栓螺帽缺失、绝缘子串破损等)进行目标识别和缺陷定位，辅助开展施工过程质量督查，提高检查效率，减少人力成本投入，降低高空爬塔作业等安全风险隐患，杜绝安全事故发生，如图10、图11所示。

图10 施工过程安全质量督查过程

图11 施工过程安全质量智能识别

3 结语

本文基于智能电网大数据，设计并开发了一套基于输变电工程的三维可视化管理平台，并从实际应用中出发，展示了该系统从施工进度管理和施工安全管理等各个方面的作用，从一定程度上加强了施工进度管理，辅助了施工安全管理，规范了施工管理的各个流程。该系统目前应用在乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程广东受端500 kV交流配套工程(广州段)，后期可能扩展到更多的项目施工现场中，进一步提升电网施工各个环节的进度，保证安全、高效生产。