朱柳慧，王廣江，朱伊姝

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)(2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)(3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201699)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力行業(yè)作為主要的能源產(chǎn)業(yè)受到政府的廣泛關(guān)注與重視。由于電力能源的損耗很大一部分發(fā)生在電力傳輸過(guò)程中，因此電力運(yùn)輸成為主要的行業(yè)問(wèn)題。為了解決這類問(wèn)題，需要建造大量的變電站以滿足不同目標(biāo)對(duì)電壓的要求，并且室內(nèi)變電站所用的電纜類型一般都很多，且不同電纜間交錯(cuò)復(fù)雜，這類問(wèn)題在電力行業(yè)普遍存在，往往給電纜的敷設(shè)造成比較大的困難[1-3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于火電廠變電站的電纜敷設(shè)問(wèn)題基本采取傳統(tǒng)的建設(shè)方法，即首先根據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)相關(guān)變電站的建設(shè)圖紙，等圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，建設(shè)施工公司依照?qǐng)D紙開始施工[4]。由于設(shè)計(jì)的圖紙內(nèi)容可能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不相符，往往需要對(duì)圖紙進(jìn)行更新。但是在更新的過(guò)程中，電纜敷設(shè)工程的局部變更與整體敷設(shè)變更都應(yīng)具備預(yù)定的設(shè)計(jì)方案。即使僅僅修改一條電纜，都可能會(huì)對(duì)整體電纜敷設(shè)造成十分重大的影響。

對(duì)圖紙進(jìn)行變更和整理的過(guò)程會(huì)極大消耗物力和人力，延后建設(shè)施工的進(jìn)度，同時(shí)電纜長(zhǎng)度的變更因與實(shí)際不符，會(huì)導(dǎo)致建設(shè)材料的浪費(fèi)[5-6]，而對(duì)材料的重復(fù)購(gòu)買，還會(huì)增加建設(shè)成本。由此可知，依靠傳統(tǒng)的方法敷設(shè)電纜往往效益較差，因此急需開發(fā)一款控制電纜敷設(shè)進(jìn)度的軟件，該軟件的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)整體敷設(shè)工程的精細(xì)化管理與控制，滿足對(duì)敷設(shè)工程的效率要求。

1 基于BIM的三維建模分析

建筑信息模型(building information modeling，BIM)的定義相對(duì)繁雜，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法，但是相對(duì)成熟的說(shuō)法是采取開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用各類數(shù)據(jù)信息的表現(xiàn)形式對(duì)某個(gè)項(xiàng)目的全生命周期進(jìn)行綜合表現(xiàn)，通過(guò)這種展現(xiàn)形式，更好地對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行決策并優(yōu)化管理，為項(xiàng)目帶來(lái)更大的增值[7]，圖1描繪了BIM給建設(shè)工程帶來(lái)的改變。

圖1 BIM給建設(shè)工程帶來(lái)的改變

對(duì)于室內(nèi)變電站的電纜敷設(shè)項(xiàng)目，BIM的最大應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)在于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)精確地對(duì)敷設(shè)過(guò)程與敷設(shè)位置進(jìn)行模擬，保證在正式施工前找出設(shè)計(jì)圖紙的缺點(diǎn)，并將不足反饋給設(shè)計(jì)部門，更好地用于建設(shè)施工工作[8]。電纜敷設(shè)的施工流程相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖2所示，首先確立施工方案，依照施工方案構(gòu)建施工模型，然后對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)施進(jìn)行三維模型的資源整合，對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，模擬施工的整個(gè)過(guò)程，得到電纜敷設(shè)不同階段的不同建造參數(shù)。將獲得的模型參數(shù)與實(shí)際圖紙的施工參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，如果是一致的，可以證明該階段的設(shè)計(jì)施工參數(shù)是精確的；如果不一致，則需要對(duì)建造方案進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)不斷改進(jìn)，直至與模型得出的參數(shù)趨近或達(dá)成一致為止，從而實(shí)現(xiàn)利用該模型完成指導(dǎo)施工的目的。

圖2 電纜敷設(shè)施工流程

建筑信息模型的描述通常采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行定義和闡釋，這樣才可以方便模型的建立和分析。對(duì)于電纜敷設(shè)系統(tǒng)而言，電纜橋架和電纜作為主要的描述體，要進(jìn)行計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的定義。電纜橋架一般是承重結(jié)構(gòu)，用于承接電纜的重力，要求其精確位置以保證電纜的敷設(shè)安全[9]。電纜作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其主要屬性包括電纜的敷設(shè)位置、電纜直徑以及電纜類型。本文將電纜類型定義為DLType。

TypeDLType

LayerAsByte

XAsByte

YAsByte

DAssingle

TAsByte

End Type

上述表達(dá)中Layer能定義電纜在橋架中的圖層，X和Y分別代表電纜起終點(diǎn)平面坐標(biāo)位置，D用以描述電纜的直徑，T能夠定義電纜的類型。這5個(gè)參數(shù)值將電纜的固有屬性在計(jì)算機(jī)中用邏輯語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，有利于下一步模型的建立，形成計(jì)算機(jī)易于接受的語(yǔ)言形式。

電纜橋架類型定義為WZType。

Type WZType

LayerAsByte

XAsByte

YAsByte

H Assingle

TAsByte

End Type

上述表達(dá)中Layer代表橋架所在的圖層，為了方便橋架結(jié)構(gòu)的集群管理，依照橋架的圖層和工程需要，將橋架結(jié)構(gòu)劃分成若干個(gè)集群。X和Y分別代表電纜橋架起終點(diǎn)平面坐標(biāo)位置，H代表橋架空間高度，T用以限定橋架材料屬性。以上邏輯語(yǔ)言對(duì)BIM模型中橋架的屬性做了基本描述，后續(xù)模型的構(gòu)建將會(huì)采用該橋架描述的邏輯語(yǔ)言表達(dá)形式。

對(duì)于電纜橋架和電纜的物理屬性來(lái)說(shuō)，構(gòu)建上述的語(yǔ)言描述是不可能完成的，這是由于BIM模型無(wú)法僅僅依靠計(jì)算機(jī)語(yǔ)言就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了添加電纜材料類型等信息之外，往往還需要依照電纜敷設(shè)材料的市場(chǎng)類型和工程建設(shè)特點(diǎn)，對(duì)這類參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)輸入。通過(guò)對(duì)這些信息的描述，賦予不同的材料屬性，并對(duì)應(yīng)其T值進(jìn)行自然值的定義，保證其具有該材料的物理屬性。圖3所示為利用BIM建立的電纜槽模型。

圖3 電纜槽模型

2 最短路徑算法研究

對(duì)于變電站的電纜敷設(shè)項(xiàng)目，其核心點(diǎn)在于如何在變電站內(nèi)保證敷設(shè)的電路總路徑最小，從而實(shí)現(xiàn)敷設(shè)電纜用料量最小的目的。對(duì)于求解最短路徑的問(wèn)題，涉及的算法很多，通常的算法包括Floyd算法、Dijkstra算法、粒子群算法、模擬退火算法以及蟻群算法。

Floyd算法又稱為插點(diǎn)法，算法來(lái)源于求解多源、無(wú)負(fù)權(quán)邊的最短路徑，用矩陣記錄點(diǎn)對(duì)距離圖。其算法公式如式(1)所示，其中，G為點(diǎn)對(duì)距離矩陣，n為圖中頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，s為起始點(diǎn)，g為目標(biāo)點(diǎn)，i為中間點(diǎn)。其計(jì)算過(guò)程是從任意一條單邊路徑開始，兩點(diǎn)之間的距離表示邊的權(quán)重，對(duì)每一個(gè)頂點(diǎn)i和j，探索是否存在點(diǎn)k可以使得i到k再到j(luò)的距離比已知的路徑更短。

G[s][g]=min{G[s][g],G[s][i]+

G[i][g]} 1

(1)

Dijkstra算法的主要思路是將圖L中頂點(diǎn)v的標(biāo)記定義為D[u]，表示L中從v到u的近似距離。D[u]中總是存儲(chǔ)目前從v到u最短距離的長(zhǎng)度。首先，對(duì)于每一個(gè)u≠v，D[v]=0，D[u]=+∞，定義頂點(diǎn)的“云集”，記為C，初始為空集?。在算法的每次迭代過(guò)程中，選擇一個(gè)不在C中且具有最小D[u]標(biāo)記的頂點(diǎn)u，把u放入C中。進(jìn)行第一次迭代時(shí)，都要把v放入C中。一旦把一個(gè)新頂點(diǎn)u放入C中，就要更新與u相鄰且在C之外的每個(gè)頂點(diǎn)z的標(biāo)記D[z]，以反映如下事實(shí)，即可能存在經(jīng)過(guò)u到達(dá)z的更好的新方式。這個(gè)更新操作稱為松弛過(guò)程，因?yàn)樗∫粋€(gè)舊的估值，并檢查它是否能得到一個(gè)更好的估值。在Dijkstra算法中，對(duì)每一條邊(u,z)進(jìn)行松弛，找到滿足D[u]要求的一個(gè)新值，并檢查這個(gè)新值是否是一條利用邊(u,z)所得到的更優(yōu)解。

(2)

(3)

(4)

式中：PT為材料處于某狀態(tài)的概率；k為波爾茲曼常數(shù)；T為材料溫度。

粒子群算法模擬鳥類和魚群的群體行為，采用簡(jiǎn)單的規(guī)則建立模型，引入個(gè)體學(xué)習(xí)行為，不斷優(yōu)化自身的知識(shí)庫(kù)，運(yùn)算較快，通常采用“速度-位移”搜索模型，運(yùn)算單位為微粒。每個(gè)微粒代表解空間的一個(gè)候選解，解的優(yōu)劣程度由適應(yīng)度函數(shù)決定。

在算法中，每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解是粒子在搜索空間中的位置，而粒子速度決定了粒子飛翔的方向和距離，各個(gè)粒子追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子并參考自身的飛行經(jīng)驗(yàn)在解空間中進(jìn)行尋優(yōu)。單個(gè)粒子的解空間搜索示意圖如圖4所示，粒子更新速度和位置的計(jì)算如式(5)和式(6)所示。

圖4 單個(gè)粒子的解空間搜索示意圖

(5)

(6)

通過(guò)上述分析可知，蟻群算法更加適合用于解決該敷設(shè)電路總路徑達(dá)到最小的問(wèn)題。蟻群算法是基于螞蟻覓食的過(guò)程而提出的[10]，如圖5所示，螞蟻在覓食時(shí)有1和2兩條路徑。路徑1和路徑2的長(zhǎng)度不同，路徑1的長(zhǎng)度更短一些。螞蟻在選擇路徑時(shí)，通常會(huì)采用隨機(jī)的方式，在路徑爬行的過(guò)程中將體內(nèi)分泌的荷爾蒙分散到路徑1和路徑2上，在同樣的時(shí)間內(nèi)，由于路徑1的長(zhǎng)度更短些，積累的荷爾蒙會(huì)更多一些，會(huì)吸引更多的螞蟻在路徑1聚集，最后形成圖6所示效果。參考上述的蟻群算法原理，將最短路徑問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的幾何問(wèn)題示意圖如圖7所示。

圖5 可選的覓食路徑

圖6 覓食最終路徑

圖7 轉(zhuǎn)化后的幾何問(wèn)題

(7)

(8)

式中：L為電纜敷設(shè)系統(tǒng)路徑；wij為矩陣W中的元素。

式(7)和式(8)給出了轉(zhuǎn)化后幾何問(wèn)題的數(shù)值解。蟻群算法需要依照實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。在本文中，需要依據(jù)變電站特點(diǎn)相應(yīng)地對(duì)蟻群的移動(dòng)規(guī)則進(jìn)行修改。將電氣設(shè)備作為蟻群的起點(diǎn)，電纜是連接各個(gè)設(shè)備的橋梁，蟻群在選擇變電設(shè)備時(shí)有多種路徑。由于路徑眾多且不同路徑的選擇是豐富多樣的、概率相同的，因此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存螞蟻通過(guò)的包含每一個(gè)電氣設(shè)備節(jié)點(diǎn)的路徑。當(dāng)所有設(shè)備連接完成并獲取路線數(shù)目之后，系統(tǒng)會(huì)驗(yàn)證所有的橋架是否都被連接起來(lái)。在確定完成連接后，系統(tǒng)會(huì)依照式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步比較各個(gè)線路的長(zhǎng)度，找到最短路徑。

3 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)BIM建模方法和最短路徑算法建立了電纜敷設(shè)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，本文采取通用的蟻群算法對(duì)最短路徑問(wèn)題進(jìn)行算法的編寫，從而找出電纜敷設(shè)的最短路徑。綜合各類因素，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)信息模型(grid information model,GIM)解析方法可對(duì)BIM中的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)語(yǔ)言解析處理。該方法用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言代碼的方式對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行重組，生成符合施工邏輯的施工單元和施工工序。

三維場(chǎng)景模擬研究是在GIM解析的基礎(chǔ)上，按照施工要素組成對(duì)臨建搭設(shè)、場(chǎng)地布置等施工信息進(jìn)行模擬，用于施工附屬設(shè)施的輔助設(shè)計(jì)。由于變電站建設(shè)存在規(guī)模大、隱蔽管線情況復(fù)雜、數(shù)量眾多的情況，因此可以采用三維場(chǎng)景模擬的方法，直觀展現(xiàn)隱蔽管線的空間位置和信息，以便于用戶根據(jù)虛擬排布的管線進(jìn)行施工。通過(guò)模擬三維空間與模型的物理碰撞，對(duì)虛擬的施工材料、機(jī)具、人員進(jìn)行擺放模擬及運(yùn)行模擬，對(duì)材料、機(jī)具、人員的布置進(jìn)行預(yù)演，從而實(shí)現(xiàn)安全距離的分析和模擬，提前消除沖突，減少返工，使場(chǎng)地布置更加安全合理，避免發(fā)生施工碰撞。

施工進(jìn)度模擬是在三維模型基礎(chǔ)上通過(guò)增加施工的時(shí)間維度，形成4D的施工模擬，并以施工中物、料、機(jī)的施工風(fēng)險(xiǎn)為依據(jù)把控施工進(jìn)度，在保證安全的前提下縮短施工工期。項(xiàng)目的施工方案也不是唯一的，根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，施工方案會(huì)隨施工進(jìn)度隨時(shí)做出調(diào)整。以不同工序?yàn)橐罁?jù)的施工方案對(duì)施工效果的影響是不可預(yù)知的，系統(tǒng)的施工方案場(chǎng)景模擬以動(dòng)畫的形式對(duì)不同的施工方案進(jìn)行對(duì)比，以施工要素組成的主要參數(shù)為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)在某750 kV變電站建設(shè)中應(yīng)用研究

本文采用Revit軟件，利用Revit平臺(tái)與結(jié)構(gòu)軟件的集成實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。Revit平臺(tái)中提供了API接口，主要用于把計(jì)算軟件中的分析模型導(dǎo)入到Revit中，同時(shí)還可以把 Revit中的模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中去進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。目前，用于變電站結(jié)構(gòu)計(jì)算的常用軟件主要有 PKPM、MIDAS 和探索者。本文采用PKPM接口程序?qū)崿F(xiàn)Revit平臺(tái)與 PKPM軟件的雙向互轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的互相自動(dòng)更新。由此可知，結(jié)構(gòu)框架可以在 PKPM 中建模、計(jì)算，然后導(dǎo)入到Revit Structure中生成Revit模型。

某煉油廠是浙江省規(guī)模較大的煉油廠之一，為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的用電需求對(duì)原有變電站進(jìn)行了現(xiàn)代化改造。對(duì)于新的變電站內(nèi)電纜敷設(shè)按照本文原理建立了室內(nèi)變電站電纜敷設(shè)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中能夠?qū)?fù)雜的電纜路徑做出精確的布置。首先按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)變電站進(jìn)行三維建模，在模型中利用電纜敷設(shè)系統(tǒng)部署變電站元件，元件敷設(shè)完成后利用系統(tǒng)的自動(dòng)敷設(shè)技術(shù)計(jì)算得到如圖10所示的電纜及橋架的布設(shè)方案。

圖10 敷設(shè)方案

根據(jù)敷設(shè)方案對(duì)變電站內(nèi)的電纜進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)，敷設(shè)效果如圖11所示。

圖11 變電站內(nèi)電纜敷設(shè)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以電纜的高效和快捷敷設(shè)為建設(shè)目的，采用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和最短路徑蟻群算法理論對(duì)變電站電纜敷設(shè)的最短路徑問(wèn)題展開研究，設(shè)計(jì)了電纜敷設(shè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電路敷設(shè)方法雖然也能解決相關(guān)的問(wèn)題，但精確度不高且耗時(shí)長(zhǎng)。從電纜敷設(shè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)能對(duì)電纜進(jìn)行合理敷設(shè)，尋找最短路徑并能根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)對(duì)電纜的敷設(shè)做出精確的布置，使電纜規(guī)則分布。該系統(tǒng)對(duì)電纜敷設(shè)的施工具有一定的指導(dǎo)作用,但同時(shí)也有一定的局限性，需要更多相關(guān)試驗(yàn)支撐來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。因而后續(xù)工作將盡可能和其他電力企業(yè)聯(lián)合多做試驗(yàn)，以進(jìn)一步完善三維模擬技術(shù)的相關(guān)理論。