基于三维设计成果的变电施工方案模拟及进度管控系统技术研究

单 强，石威宵，许湧平

（1.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前，世界正在经历以数据为核心、互联网为手段的第二次信息化浪潮，社会正在从信息技术IT（information technology）时代转至数据技术DT（data technology）时代。随着数字化技术的飞速发展，社会上各行各业都开展了数字化建设工作并取得了一定的效果。数字化时代的到来同时给电力企业发展带来了机遇和挑战，将领先的数字化技术应用于输变电工程的全寿命周期管理，以提高其经济效益和核心竞争力。

国家电网有限公司最新文件——国家电网基建技经〔2019〕10号文中，要求深入推进三维设计，以三维设计成果为核心的数字化设计，将成为贯穿全过程、全生命周期的主轴线。设计阶段所产生的输变电工程三维设计成果，一定要在工程建设过程中得到应用才可以发挥其价值[1]。目前在输变电工程建设管理过程中，往往采用传统的手段进行管理，无法应用设计阶段所产生的三维设计成果[2-3]。因此，开展基于三维设计成果的变电施工方案模拟及进度管控技术研究尤为重要，它是实现工程数字化、现代化、精益化管理和信息化建设的迫切要求，是构成贯穿电网全生命周期管理的数字化解决方案，它能全面提升电网建设、运维管理水平和经济效益[4-5]。本文提出的施工方案场景模拟的解决方案，主要根据施工方案中主要风险点、物料及机具信息便携跟踪检查、施工方案工序及流程三维动画模拟、施工进度模拟进行研究，指导变电站工程施工。

1 基于电网信息模型的研究思路

1.1 电网信息模型的概念

电网信息模型GIM（grid information model）是按照国网标准应用于工程设计、建造、管理的数据化工具。将GIM技术应用于变电站建设过程中，以实现工程进度、安全、质量、技术全过程管理提升。

1.2 研究技术路线

研究技术路线如图1所示。从变电站三维设计成果的需求出发，研究变电工程施工方案模拟、进度管控技术及工程应用等内容，对GIM模型进行自动解析，通过施工进度应用研究进行4D施工，结合风险、物料、机具跟踪检查，通过进度管控平台的模拟监控，实现施工管理应用。通过施工方案模拟研究，生成施工动画并与解析GIM模型生成的仿真模拟结合，完成方案模拟系统，实现施工交底应用。

图1 研究技术路线图

施工方案模拟及进度管控系统的整个构架主要分为展现层、业务逻辑层、数据层，依托三维设计成果的直观性、可视性、精细化以及庞大的数据库，实现项目管理、进度管理、安全管理、质量管理、物资管理的集中管理。

2 系统框架的搭建

2.1 技术原理

2.1.1 jvm调优

Web服务器中间件都用的是Tomcat，所以jvm的调优一般都是针对Tomcat的调优。调优工具可以借用jdk自带的Visual VM工具，到JDK安装目录/bin目录下，双击jvisualvm.exe文件，直接启动，就可以查看到当前的堆空间大小分配情况、线程监控情况和垃圾回收监控等。根据这些信息，再进行相应的调整。

2.1.2 主从分离

MySQL数据库设置读写分离，可以使对数据库的写操作和读操作在不同服务器上执行，提高并发量和响应速度。采用数据库数据主从分离、读写分离，既起到备份作用又减轻数据库的读写压力。

2.1.3 消息队列

在不使用消息队列的时候，用户的请求数据直接写入数据库，在高并发的情况下数据库压力剧增，使得响应速度变慢。但是，在使用消息队列之后，用户的请求数据发送给消息队列之后立即返回，再由消息队列的消费者进程从消息队列中获取数据，异步写入数据库。由于消息队列服务器处理速度快于数据库（消息队列也比数据库有更好的伸缩性），因此响应速度得到大幅改善。

2.1.4 负载均衡

负载均衡LB（load balance）是一种集群技术，它将特定的业务（网络服务、网络流量等）分担给多台网络设备（包括服务器、防火墙等）或多条链路，从而提高了业务处理能力，保证了业务的高可靠性。

负载均衡技术具有以下优势：一是高性能。负载均衡技术将业务较均衡地分担到多台设备或链路上，从而提高了整个系统的性能。二是可扩展性。负载均衡技术可以方便地增加集群中设备或链路的数量，在不降低业务质量的前提下满足不断增长的业务需求。三是高可靠性。单个甚至多个设备或链路发生故障也不会导致业务中断，提高了整个系统的可靠性。四是可管理性。大量的管理共组都集中在使用负载均衡技术的设备上，设备集群或链路集群只需要维护通过的配置即可。五是透明性。对用户而言，集群等于一个或多个高可靠性、高性能的设备或链路，用户感知不到，也不关心具体的网络结构，增加或减少设备或链路数量都不会影响正常业务。

2.1.5 模型细节层次

细节层次LOD（levels of detail）技术指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。

根据不同精度进行建模，在镜头离该物体近的时候使用精度高的建模展示细节，在镜头离得远的时候放上精度较低的建模来加快整体场景的渲染速度。

2.1.6 C#Span

高性能数据访问Span整合它的引用和偏移成新的Span的引用，整个过程并没有复制内存，而是直接返回引用，其抽象了所有连续内存空间的类型系统，包括数组、非托管指针、堆栈指针、fixed或pinned的托管数据，以及值内部区域的引用，同时支持CLR标准对象类型和值类型、泛型，支持GC，因此性能非常高。

2.2 系统解析GIM文件流程

从设计软件导出GIM标准的设计模型导入系统后，系统自动调用接口将GIM转成UDF文件，通过切片库将转换后的UDF文件切为IVE文件，系统最后调用接口获取IVE文件做展示，通过模型LOD、Span、动态批处理、遮挡剔除等技术对设计模型进行优化处理，从而实现GIM文件通过设计软件生成，然后倒入系统，在系统内通过一系列解析，将GIM文件模型在三维场景中展示。

3 创新点

3.1 GIM解析

将GIM标准的设计模型导入系统后，系统自动调用接口将GIM转成UDF文件，通过切片库将转换后的UDF文件切为IVE文件，系统最后调用接口获取IVE文件做展示，通过模型LOD、Span、动态批处理、遮挡剔除等技术对设计模型进行优化处理。

3.2 模型重组

模型重组是在系统中将设计模型重组为符合施工逻辑的施工单元和工序，使GIM标准的设计模型在系统中实现可视化及相关操作，将施工单元与模型结构绑定生成对应施工工序的网络计划。

3.3 三维渲染引擎

系统采用模型共享技术、显示列表技术、视图裁剪技术、内存缓存技术、层次细节技术等多种技术手段以保证虚拟现实显示效果的流畅。

4 成果输出及应用

4.1 临建搭设和场地布置三维场景模拟

临建三维设计的相关算法有耳切法和三维自动布局法。

4.1.1 耳切法

将简单多边形转换成一组由同样顶点组成的三角形集合是计算机图形学中的一个经典问题。问题中，简单多边形是指由一组有序顶点V0~Vn-1组成的，相邻的顶点之间通过边（Vi，Vi-1）连接，并且边（Vn-1，V0）连接起始点。每个顶点被2条边所共享，而边的所有交点都是顶点。多边形图如图2所示。

图2中，左边的多边形是个简单多边形，中间的多边形点1被4条边共享，不符合定义的条件，不算是简单多边形，右侧的多边形中边14，边02的交点不是定义的顶点之一，因此该图形也不符合简单多边形的定义。

图2 多边形图

4.1.2 三维自动布局法

模型摆放过程用叉乘和碰撞检测判断合理点，判断一个点在三角形，采用顺时针/逆时针判定法。该方法要求点的顺序是顺时针或逆时针的，如果是顺时针的点，沿着3条边走，如果目标点P在三角形内，那么P始终在边的右侧。同理，如果是逆时针的话，目标点P应该始终在边的左侧。

例：逆时针的3个点a、b、c，判断ab×ap，bc×bp，ca×cp，如果这3个向量叉积的Z值都同向，并且都为负的话（左手系），说明p点在三角形内部。（Unity使用的是右手坐标系，也是右手法则，逆时针旋转，大拇指指向旋转的正方向）。碰撞检测就是在摆放过程中如果放置的模型超出了地面，那么模型就会标红，并自动寻找下一个合理的摆放位置。

两点间距离公式为

在临建设施搭建完成后，可导出临建设施的平面布置图，图纸中包含设置摆放位置以及相应的尺寸标准，同时附有所有设施的尺寸信息，以及相应的设计统计。

施工人员可根据三维临建设计及平面布置图成果，开展临建设施的建设。应用步骤如图3所示。

图3 临建设计成果应用步骤

4.2 风险管理

施工过程中主要风险点内容包括各工序下的安全预控措施、风险等级两方面内容。将当前施工工序的主要风险点录入到该工序下网络计划安全预控措施栏，将当前施工工序的风险等级录入到该工序下网络计划风险等级。在施工过程中，针对施工方案中的风险点管理，读取网络计划中的风险点，通过二维文字描述与三维模型的结合直观地将风险点展现到三维场景中，提醒管理人员进行相关准备和检查工作，提前做好相应的安全措施。

4.3 物资管理

物资管理内容包括未发货、已发货、未到货、满货4个状态。第一，未发货。将物资清单导入系统，物资管理员按照物资清单设置的发货时间与厂家确认是否发货，如果未按时发货，推送未发货预警。第二，已发货。将物资清单导入系统，物资管理员按照物资清单设置的发货时间与厂家确认是否发货，如果按时发货或者提前发货，物资管理员将设备状态改为已发货状态。第三，未到货。将物资清单导入系统，物资管理员按照物资清单设置的到货时间确认设备是否按时到货，如果设备未按时到货或者到货数量小于物资清单数量，物资管理员将设备状态改为未到货状态。第四，满货。将物资清单导入系统，物资管理员按照物资清单设置的到货时间确认设备是否按时到货，如果已到货并且到货数量总和等于物资清单设备的数量，物资管理员将设备状态改为已到货，即为满货状态。

利用三维可视化技术，物资管理员通过对物资状态的确认，系统将预警消息展现到进度模拟过程中当前工序的风险点面板，并且通过物资预警，可以直观地看到各工序下物资的发货、到货、满货的状态。

4.4 施工工艺模拟

施工前，施工管理人员组织开展施工工艺培训，施工人员可方便快捷地通过终端设备观看变电站典型设备标准工艺仿真动画视频，学习施工工艺知识，提升施工水平。第一，标准工艺仿真培训。施工前，施工人员通过动画学习每项操作的工艺工法、安全风险、预控措施、质量标准工艺等相关内容，提升业务水平。第二，施工工艺流程模拟演练。基于三维设计成果，依据施工原理及标准工艺流程，施工人员能够与虚拟三维对象互动操作，分步展示虚拟施工操作流程，模拟演练整个施工过程。

4.5 施工进度仿真模拟

施工进度仿真内容主要包括变电站4D施工计划进度仿真、变电站4D施工实际进度仿真、输电线路4D施工计划进度仿真、输电线路4D施工实际进度仿真、设备4D施工模拟、网络计划展现、横道图分析、进度填报、进度分析对比9个方面的内容。

a）变电站4D施工计划进度仿真。将变电站三维模型与变电站工程施工里程碑计划、一级网络计划、二维网络计划任务建立关联关系，每个任务对应1个或多个三维模型，包括土建、安装工程等各个任务工序；同时能够按照施工计划任务的时间顺序生长变化，动态展示加载工程的施工过程。

b）变电站4D施工实际进度仿真。施工管理人员根据施工计划任务及横道图任务实际进度情况，选择任务三维推演历史进度，提供施工进度的可视化管理手段。记录、存储变电站施工进度数据及对应三维模型的实时状态，通过时间控制模型的生长变化，动态展示整个施工过程记录。

c）网络计划展现。施工人员按计划完成任务过程中，在变电站三维模型场景中选择对应任务模型，设置进度状态，对进度状态为“已完成”“进行中”和“延期”3种状态的任务，对应的三维模型分别以不同颜色进行标识，对于“进行中”的任务记录实际开始时间，对于“已完成”的任务记录实际完成时间，通过仿真模型显示当前变电站施工进度情况。

5 结束语

本文所提出的技术研究成果实现变电工程建设管理的电子化、数字化和可视化，为工程项目管理者提供直观、实时、有效的辅助工具。建设单位再掌握了完整的工程建设全过程所需的基础资料数据库，很容易在此基础上利用现有的软件包提供的功能实现以下功能：

a）随时自动提取任意规定范围的设备、网络计划、物资清单，为设备材料、施工备料管理提供依据和手段。

b）进行施工进度模拟，可以集成或结合工程计划管理软件，实现工程进度和计划的可视化管理，使传统的两维图上的计划管理提高到三维实物模型的直观管理水平，并可提供定义模型所需的各种设备、起止时间、风险点、材料清单，准确地确定工程量，便于科学合理地安排施工力量的投入，更加有效地组织施工。

c）采用标准工艺三维培训，可以减少传统培训次数，增强培训效果，节省培训费用；移动端解决现场施工人员培训场次受时间和空间限制问题，提高培训效率。

通过GIM+施工管理方式，在变电工程施工进度4D管控平台中全面联动模型、进度、物资、风险等多方面数据，并分专业对模型与数据进行可视化展示，减少了工程管理人员与技术人员的工作难度和工作量，是未来工程施工发展的必然趋势。