基于尺度不变特征的配网施工偏差研究

唐冬来，周 强,宋卫平，杨 平，黄 璞，叶鸿飞

(1.四川中电启明星信息技术有限公司,四川 成都 610041; 2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100000)

0 引言

随着中国经济的迅猛发展，城市化建设进程不断推进，与之配套的配网新建工程逐年增多[1-2]。传统的配网工程管控中，施工监理人员按照设计图纸、工期表等资料对现场施工作业进行管理[3-5]。但施工人员的管理水平参差不齐[6]，配网设计与施工难免存在偏差。

国内外许多学者对配网设计与施工偏差分析作了大量研究。文献[7]提出了一种基于配网信息模型的配网施工偏差分析方法，通过二维施工管理技术对配网偏差进行管控。文献[8]提出了一种基于施工过程技术管控的配网施工偏差分析方法，采用施工甘特图和标准化施工模板对配网偏差进行管控。文献[9]提出了一种基于配网全过程管控的配网施工偏差分析方法，通过事前控制、事中检查和事后分析对配网偏差进行管理。文献[10]通过对配网的一体化分析进行配网施工偏差分析。由此可见，配网设计与施工偏差的分析管理方法多样。但上述研究仍然采用人工对配网设计与施工进度进行分析，存在主观因素大、分析结果准确率不高的问题。

为解决配网工程设计与施工偏差大的问题，本文提出了一种基于尺度不变特征的配网施工偏差研究方法。该方法通过配网建设时空分布模型，实现配网的网架设计、施工质量标准及配网施工工期等信息的深度融合；通过尺度不变特征算法建立图像时空重构分析算法，实现配网施工质量、进度与设计的比较，从而提高配网施工偏差分析准确性，并进行偏差告警。

1 配网设计与施工偏差分析框架

基于三维网格的配网设计与施工偏差分析方法分为配网建设时空分布模型、配网现场图像分析、配网施工偏差分析这三部分。配网设计与施工偏差分析框架如图1所示。

图1 配网设计与施工偏差分析框架图

由图1可知，在配网建设时空分布模型中，首先将配网二维设计文件导入系统中；然后将二维设计信息投射到配网三维空间，并采用三维网格技术建立配网线路三维网格模型；最后在模型上标注施工质量标准及施工工期计划，并对配网施工质量与进度仿真，形成配网建设时空分布模型，模拟配网建设过程。

在配网现场图像分析环节，首先通过布署在配网施工现场的球形摄像机采集现场的视频数据；然后通过开运算进行图像去噪，消除噪声数据对于工程进度分析的影响；最后采用尺度不变特征算法对配网施工特征进行提取。

在配网施工偏差分析环节，首先进行施工质量分析，检测现有施工是否与三维网格模型中的设计存在偏差；然后进行施工进度分析，判断当前进度与三维网格仿真模型中的进度是否一致；最后生成配网设计与施工偏差报告。

2 配网设计与施工偏差分析模型

2.1 配网建设时空分布模型

建设配网建设时空分布模型的目的是深度融合配网的网架设计、施工质量标准及配网施工工期等信息，提供配网设计与施工分析的基础信息。在传统的配网设计中，配网设计单位采用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)工具进行一次接线图绘制。在图形上标注了配网的杆塔位置、线路长度、配电变压器位置等信息。为快速建立配网建设时空分布模型，本文将配网二维CAD设计图纸转化为特征量，以减少配网建设时空分布模型创建的工作量。

卷积递归神经网络(convolutional recurrent neural network,CRNN) 是一种端到端的神经网络[11]。本文采用CRNN在CAD识别中进行图像范围和图元检测，然后进行图像识别，以确定每个图元的含义。采用CRNN转换的配网图元特征ka为：

(1)

式中：sa为配网CAD；δ为图像检测转换路径；na为转换的数量。

配网建设时空分布模型采用三维方式展现，三维网格是配网设计的立体图像表现方式，根据线条在不同配网细节层次上进行网格图像渲染，是现实配网物理世界在虚拟世界的映射。在创建中，将配网图像通过投射转换形成三维网格。三维网格纵、横坐标和景深分别为ak、bk和ck，则有：

ak=cz(as-ax)ψ

(2)

式中：ax为三维模型的纵坐标的中心点；cz为景深点；ψ为转换函数；as为图像的任意纵坐标点。

bk=cz(bs-by)ψ

(3)

式中：by为三维模型的横坐标的中心点；bs为图像的任意横坐标点。

ck=cz

(4)

在配网三维展现的基础上，按照配网施工设计标准和工期进度安排进行三维标注。首先，按照配网工程设计中的电杆、架空线路、配电变压器、柱上断路器、电缆等施工工艺进行三维标注，确保三维模型中的配网施工管理与规范一致。然后，按照施工进度的工期图建立配网施工的时间索引。最后，在配网建设时空分布模型中进行施工三维仿真。通过施工进度工期图的时间索引，可模拟配网施工建设的过程，以便为后期的配网施工检查建立标准对比样本。

2.2 配网现场图像分析

在施工现场布置球形摄像机用于图像采集。首先，确定配网施工现场的移动目标部分。然后，调整球形摄像机的角度，以便获得配网施工最佳的拍摄角度。最后，将照片信息通过第五代移动通信技术(5th generation mobie communication techonolgy,5G)网络回传至后台的配网施工监控平台，从而实现对配网施工现场的全面视频监控。

配网施工现场中存在雨水、大雾、雪花等与施工不相关的噪声数据。该类数据会影响配网施工监测的准确性。因此，需对配网施工现场采集的视频数据进行图像去噪。本文采用配网图像腐蚀功能，将配网施工现场视频数据进行过滤与缩小，从而去除配网施工现场视频数据的噪声数据，以更好地判别配网施工与设计是否存在偏差。腐蚀后的配网施工图像数据Hb为：

Hb={ya,ω,r|ea⊆Ha}

(5)

式中：Ha为现场图像数据；ya为图像的帧数；ω为图像腐蚀函数；r为卷积类型；ea为腐蚀的样本。

尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)是一种图像提取的算法[12]。该算法在配网空间尺度找极大值与极小值点，从而提取特征数据Va。

(6)

式中：dx和dy分别为图像点的横、纵坐标；φ为尺度数据；β为高斯模糊卷积。

2.3 配网施工偏差分析

配网施工偏差分析是为了判断当前的配网施工质量、进度是否与设计一致。首先，将配网现场视频采集图像中提取的特征值与配网设计三维模型进行比较，检验当前施工的外观、工艺、质量是否与设计一致。然后，根据配网设计的三维仿真模型的进度模拟，判断当前的施工进度是否与施工工期计划中一致。最后，根据施工现场的情况，生成配网设计与施工偏差报告。

3 算例分析

3.1 场景与参数设定

为验证本文所提基于三维网格的配网设计与施工偏差分析方法的有效性，在某地区的配网中应用该方法。算例运行服务器处理器为Intel Xeon 6254，核心数量为18，处理器运行频率为3.1 GHz，内存为128 GB，操作系统为Windows Server 2016。

用于比对的方法为文献[13]中的建筑信息模型(building information modeling,BIM)。该方法在配网设计与施工偏差评估中应用广泛，行业代表性强，具有较好的通用性。

3.2 算例运行分析

①三维网格建模准确率。

三维网格建模准确率是衡量本文所提方法有效性的核心指标，是配网设计与施工偏差分析的基础。三维网格建模准确率计算的方式为：配网设计人员依据国家配网设计标准分析三维模型与CAD设计是否一致，若一致即为准确；三维网格建模准确数量和三维网格建模总数量比值的百分比即三维网格建模准确率。

分别选择5 000个、8 000个、10 000个、20 000个和30 000个配网设计工程CAD的图元文件，采用本文所提三维网格的配网设计与施工偏差分析方法与BIM方法比较三维网格建模准确率。配网设计时空分布建模准确率如表1所示。

表1 配网设计时空分布建模准确率

由表1可知，本文方法的三维建模平均准确率为99.91%，高于BIM方法的98.18%。因此，本文方法的三维建模准确率更优。

②图像噪声影响率。

图像噪声影响率用于评估现场球形摄像机获取的配网施工现场数据与图像特征提取成功率之间的关系。其计算方式为采用有噪声的视频图像数据进行特征提取，提取错误的配网施工数据与总体提取数据之比即图像噪声影响率。

分别选择大雾、小雨、中雨、暴雨、中雪、大雪情况下配网施工现场的视频数据各10 000张，采用本文方法与边缘检测方法比较图像噪声影响率。配网设计图像噪声影响率如表2所示。

表2 配网设计图像噪声影响率

由表2可知，本文方法图像噪声平均影响率为0.43%，低于边缘检测方法的2.12%。因此，本文方法图像噪声影响更低。

③配网设计与施工偏差分析准确率。

配网设计与施工偏差分析准确率是本文的核心指标。其计算方式为：配网监理人员依据配网国家标准，将施工现场与设计图进行比较，两者一致即为准确；偏差分析准确的数量与总体数量之比为配网设计与施工偏差分析准确率。

分别选择1 000个、2 000个、3 000个、4 000个、5 000个和6 000个配网设计工程组件数量，采用本文方法与BIM方法比较配网设计与施工偏差分析准确率。配网设计与施工偏差分析准确率如表3所示。

表3 配网设计与施工偏差分析准确率

由表3可见，本文方法平均分析准确率为98.3%，高于BIM方法的90.2%。因此，本文方法配网设计与施工偏差分析更准确。

4 结论

本文基于配网施工时空比对的理论，提出了一种配网设计与施工偏差分析方法，在配网设计三维网格模型上叠加工期计划，并将现场图像数据与三维网格模型进行比较，从而分析偏差。

算例分析结果表明：本文方法充分发挥了三维模型比对的优势，实现了配网设计与施工偏差的精准分析。该方法提高了配网设计与施工偏差分析准确性，提升了配网工程施工管理水平。