單 強(qiáng),石威宵,許湧平
(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030001)
目前,世界正在經(jīng)歷以數(shù)據(jù)為核心、互聯(lián)網(wǎng)為手段的第二次信息化浪潮,社會(huì)正在從信息技術(shù)IT(information technology)時(shí)代轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)技術(shù)DT(data technology)時(shí)代。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展,社會(huì)上各行各業(yè)都開(kāi)展了數(shù)字化建設(shè)工作并取得了一定的效果。數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)同時(shí)給電力企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn),將領(lǐng)先的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于輸變電工程的全壽命周期管理,以提高其經(jīng)濟(jì)效益和核心競(jìng)爭(zhēng)力。
國(guó)家電網(wǎng)有限公司最新文件——國(guó)家電網(wǎng)基建技經(jīng)〔2019〕10號(hào)文中,要求深入推進(jìn)三維設(shè)計(jì),以三維設(shè)計(jì)成果為核心的數(shù)字化設(shè)計(jì),將成為貫穿全過(guò)程、全生命周期的主軸線。設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的輸變電工程三維設(shè)計(jì)成果,一定要在工程建設(shè)過(guò)程中得到應(yīng)用才可以發(fā)揮其價(jià)值[1]。目前在輸變電工程建設(shè)管理過(guò)程中,往往采用傳統(tǒng)的手段進(jìn)行管理,無(wú)法應(yīng)用設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的三維設(shè)計(jì)成果[2-3]。因此,開(kāi)展基于三維設(shè)計(jì)成果的變電施工方案模擬及進(jìn)度管控技術(shù)研究尤為重要,它是實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化、現(xiàn)代化、精益化管理和信息化建設(shè)的迫切要求,是構(gòu)成貫穿電網(wǎng)全生命周期管理的數(shù)字化解決方案,它能全面提升電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維管理水平和經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。本文提出的施工方案場(chǎng)景模擬的解決方案,主要根據(jù)施工方案中主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、物料及機(jī)具信息便攜跟蹤檢查、施工方案工序及流程三維動(dòng)畫(huà)模擬、施工進(jìn)度模擬進(jìn)行研究,指導(dǎo)變電站工程施工。
電網(wǎng)信息模型GIM(grid information model)是按照國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具。將GIM技術(shù)應(yīng)用于變電站建設(shè)過(guò)程中,以實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度、安全、質(zhì)量、技術(shù)全過(guò)程管理提升。
研究技術(shù)路線如圖1所示。從變電站三維設(shè)計(jì)成果的需求出發(fā),研究變電工程施工方案模擬、進(jìn)度管控技術(shù)及工程應(yīng)用等內(nèi)容,對(duì)GIM模型進(jìn)行自動(dòng)解析,通過(guò)施工進(jìn)度應(yīng)用研究進(jìn)行4D施工,結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)、物料、機(jī)具跟蹤檢查,通過(guò)進(jìn)度管控平臺(tái)的模擬監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)施工管理應(yīng)用。通過(guò)施工方案模擬研究,生成施工動(dòng)畫(huà)并與解析GIM模型生成的仿真模擬結(jié)合,完成方案模擬系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)施工交底應(yīng)用。
圖1 研究技術(shù)路線圖
施工方案模擬及進(jìn)度管控系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架主要分為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層,依托三維設(shè)計(jì)成果的直觀性、可視性、精細(xì)化以及龐大的數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理、進(jìn)度管理、安全管理、質(zhì)量管理、物資管理的集中管理。
2.1.1 jvm調(diào)優(yōu)
Web服務(wù)器中間件都用的是Tomcat,所以jvm的調(diào)優(yōu)一般都是針對(duì)Tomcat的調(diào)優(yōu)。調(diào)優(yōu)工具可以借用jdk自帶的Visual VM工具,到JDK安裝目錄/bin目錄下,雙擊jvisualvm.exe文件,直接啟動(dòng),就可以查看到當(dāng)前的堆空間大小分配情況、線程監(jiān)控情況和垃圾回收監(jiān)控等。根據(jù)這些信息,再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
2.1.2 主從分離
MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置讀寫(xiě)分離,可以使對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的寫(xiě)操作和讀操作在不同服務(wù)器上執(zhí)行,提高并發(fā)量和響應(yīng)速度。采用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)主從分離、讀寫(xiě)分離,既起到備份作用又減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)壓力。
2.1.3 消息隊(duì)列
在不使用消息隊(duì)列的時(shí)候,用戶的請(qǐng)求數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù),在高并發(fā)的情況下數(shù)據(jù)庫(kù)壓力劇增,使得響應(yīng)速度變慢。但是,在使用消息隊(duì)列之后,用戶的請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送給消息隊(duì)列之后立即返回,再由消息隊(duì)列的消費(fèi)者進(jìn)程從消息隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù),異步寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。由于消息隊(duì)列服務(wù)器處理速度快于數(shù)據(jù)庫(kù)(消息隊(duì)列也比數(shù)據(jù)庫(kù)有更好的伸縮性),因此響應(yīng)速度得到大幅改善。
2.1.4 負(fù)載均衡
負(fù)載均衡LB(load balance)是一種集群技術(shù),它將特定的業(yè)務(wù)(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)流量等)分擔(dān)給多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(包括服務(wù)器、防火墻等)或多條鏈路,從而提高了業(yè)務(wù)處理能力,保證了業(yè)務(wù)的高可靠性。
負(fù)載均衡技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):一是高性能。負(fù)載均衡技術(shù)將業(yè)務(wù)較均衡地分擔(dān)到多臺(tái)設(shè)備或鏈路上,從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。二是可擴(kuò)展性。負(fù)載均衡技術(shù)可以方便地增加集群中設(shè)備或鏈路的數(shù)量,在不降低業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下滿足不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。三是高可靠性。單個(gè)甚至多個(gè)設(shè)備或鏈路發(fā)生故障也不會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。四是可管理性。大量的管理共組都集中在使用負(fù)載均衡技術(shù)的設(shè)備上,設(shè)備集群或鏈路集群只需要維護(hù)通過(guò)的配置即可。五是透明性。對(duì)用戶而言,集群等于一個(gè)或多個(gè)高可靠性、高性能的設(shè)備或鏈路,用戶感知不到,也不關(guān)心具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增加或減少設(shè)備或鏈路數(shù)量都不會(huì)影響正常業(yè)務(wù)。
2.1.5 模型細(xì)節(jié)層次
細(xì)節(jié)層次LOD(levels of detail)技術(shù)指根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度,決定物體渲染的資源分配,降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度,從而獲得高效率的渲染運(yùn)算。
根據(jù)不同精度進(jìn)行建模,在鏡頭離該物體近的時(shí)候使用精度高的建模展示細(xì)節(jié),在鏡頭離得遠(yuǎn)的時(shí)候放上精度較低的建模來(lái)加快整體場(chǎng)景的渲染速度。
2.1.6 C#Span
高性能數(shù)據(jù)訪問(wèn)Span整合它的引用和偏移成新的Span的引用,整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有復(fù)制內(nèi)存,而是直接返回引用,其抽象了所有連續(xù)內(nèi)存空間的類型系統(tǒng),包括數(shù)組、非托管指針、堆棧指針、fixed或pinned的托管數(shù)據(jù),以及值內(nèi)部區(qū)域的引用,同時(shí)支持CLR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象類型和值類型、泛型,支持GC,因此性能非常高。
從設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入系統(tǒng)后,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用接口將GIM轉(zhuǎn)成UDF文件,通過(guò)切片庫(kù)將轉(zhuǎn)換后的UDF文件切為IVE文件,系統(tǒng)最后調(diào)用接口獲取IVE文件做展示,通過(guò)模型LOD、Span
將GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入系統(tǒng)后,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用接口將GIM轉(zhuǎn)成UDF文件,通過(guò)切片庫(kù)將轉(zhuǎn)換后的UDF文件切為IVE文件,系統(tǒng)最后調(diào)用接口獲取IVE文件做展示,通過(guò)模型LOD、Span
模型重組是在系統(tǒng)中將設(shè)計(jì)模型重組為符合施工邏輯的施工單元和工序,使GIM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可視化及相關(guān)操作,將施工單元與模型結(jié)構(gòu)綁定生成對(duì)應(yīng)施工工序的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。
系統(tǒng)采用模型共享技術(shù)、顯示列表技術(shù)、視圖裁剪技術(shù)、內(nèi)存緩存技術(shù)、層次細(xì)節(jié)技術(shù)等多種技術(shù)手段以保證虛擬現(xiàn)實(shí)顯示效果的流暢。
臨建三維設(shè)計(jì)的相關(guān)算法有耳切法和三維自動(dòng)布局法。
4.1.1 耳切法
將簡(jiǎn)單多邊形轉(zhuǎn)換成一組由同樣頂點(diǎn)組成的三角形集合是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。問(wèn)題中,簡(jiǎn)單多邊形是指由一組有序頂點(diǎn)V0~Vn-1組成的,相鄰的頂點(diǎn)之間通過(guò)邊(Vi,Vi-1)連接,并且邊(Vn-1,V0)連接起始點(diǎn)。每個(gè)頂點(diǎn)被2條邊所共享,而邊的所有交點(diǎn)都是頂點(diǎn)。多邊形圖如圖2所示。
圖2中,左邊的多邊形是個(gè)簡(jiǎn)單多邊形,中間的多邊形點(diǎn)1被4條邊共享,不符合定義的條件,不算是簡(jiǎn)單多邊形,右側(cè)的多邊形中邊14,邊02的交點(diǎn)不是定義的頂點(diǎn)之一,因此該圖形也不符合簡(jiǎn)單多邊形的定義。
圖2 多邊形圖
4.1.2 三維自動(dòng)布局法
模型擺放過(guò)程用叉乘和碰撞檢測(cè)判斷合理點(diǎn),判斷一個(gè)點(diǎn)在三角形,采用順時(shí)針/逆時(shí)針判定法。該方法要求點(diǎn)的順序是順時(shí)針或逆時(shí)針的,如果是順時(shí)針的點(diǎn),沿著3條邊走,如果目標(biāo)點(diǎn)P在三角形內(nèi),那么P始終在邊的右側(cè)。同理,如果是逆時(shí)針的話,目標(biāo)點(diǎn)P應(yīng)該始終在邊的左側(cè)。
例:逆時(shí)針的3個(gè)點(diǎn)a、b、c,判斷ab×ap,bc×bp,ca×cp,如果這3個(gè)向量叉積的Z值都同向,并且都為負(fù)的話(左手系),說(shuō)明p點(diǎn)在三角形內(nèi)部。(Unity使用的是右手坐標(biāo)系,也是右手法則,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),大拇指指向旋轉(zhuǎn)的正方向)。碰撞檢測(cè)就是在擺放過(guò)程中如果放置的模型超出了地面,那么模型就會(huì)標(biāo)紅,并自動(dòng)尋找下一個(gè)合理的擺放位置。
兩點(diǎn)間距離公式為
在臨建設(shè)施搭建完成后,可導(dǎo)出臨建設(shè)施的平面布置圖,圖紙中包含設(shè)置擺放位置以及相應(yīng)的尺寸標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)附有所有設(shè)施的尺寸信息,以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)。
施工人員可根據(jù)三維臨建設(shè)計(jì)及平面布置圖成果,開(kāi)展臨建設(shè)施的建設(shè)。應(yīng)用步驟如圖3所示。
圖3 臨建設(shè)計(jì)成果應(yīng)用步驟
施工過(guò)程中主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)內(nèi)容包括各工序下的安全預(yù)控措施、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)兩方面內(nèi)容。將當(dāng)前施工工序的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)錄入到該工序下網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃安全預(yù)控措施欄,將當(dāng)前施工工序的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)錄入到該工序下網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。在施工過(guò)程中,針對(duì)施工方案中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管理,讀取網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),通過(guò)二維文字描述與三維模型的結(jié)合直觀地將風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)展現(xiàn)到三維場(chǎng)景中,提醒管理人員進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)備和檢查工作,提前做好相應(yīng)的安全措施。
物資管理內(nèi)容包括未發(fā)貨、已發(fā)貨、未到貨、滿貨4個(gè)狀態(tài)。第一,未發(fā)貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng),物資管理員按照物資清單設(shè)置的發(fā)貨時(shí)間與廠家確認(rèn)是否發(fā)貨,如果未按時(shí)發(fā)貨,推送未發(fā)貨預(yù)警。第二,已發(fā)貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng),物資管理員按照物資清單設(shè)置的發(fā)貨時(shí)間與廠家確認(rèn)是否發(fā)貨,如果按時(shí)發(fā)貨或者提前發(fā)貨,物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為已發(fā)貨狀態(tài)。第三,未到貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng),物資管理員按照物資清單設(shè)置的到貨時(shí)間確認(rèn)設(shè)備是否按時(shí)到貨,如果設(shè)備未按時(shí)到貨或者到貨數(shù)量小于物資清單數(shù)量,物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為未到貨狀態(tài)。第四,滿貨。將物資清單導(dǎo)入系統(tǒng),物資管理員按照物資清單設(shè)置的到貨時(shí)間確認(rèn)設(shè)備是否按時(shí)到貨,如果已到貨并且到貨數(shù)量總和等于物資清單設(shè)備的數(shù)量,物資管理員將設(shè)備狀態(tài)改為已到貨,即為滿貨狀態(tài)。
利用三維可視化技術(shù),物資管理員通過(guò)對(duì)物資狀態(tài)的確認(rèn),系統(tǒng)將預(yù)警消息展現(xiàn)到進(jìn)度模擬過(guò)程中當(dāng)前工序的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)面板,并且通過(guò)物資預(yù)警,可以直觀地看到各工序下物資的發(fā)貨、到貨、滿貨的狀態(tài)。
施工前,施工管理人員組織開(kāi)展施工工藝培訓(xùn),施工人員可方便快捷地通過(guò)終端設(shè)備觀看變電站典型設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)工藝仿真動(dòng)畫(huà)視頻,學(xué)習(xí)施工工藝知識(shí),提升施工水平。第一,標(biāo)準(zhǔn)工藝仿真培訓(xùn)。施工前,施工人員通過(guò)動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)每項(xiàng)操作的工藝工法、安全風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)控措施、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)工藝等相關(guān)內(nèi)容,提升業(yè)務(wù)水平。第二,施工工藝流程模擬演練。基于三維設(shè)計(jì)成果,依據(jù)施工原理及標(biāo)準(zhǔn)工藝流程,施工人員能夠與虛擬三維對(duì)象互動(dòng)操作,分步展示虛擬施工操作流程,模擬演練整個(gè)施工過(guò)程。
施工進(jìn)度仿真內(nèi)容主要包括變電站4D施工計(jì)劃進(jìn)度仿真、變電站4D施工實(shí)際進(jìn)度仿真、輸電線路4D施工計(jì)劃進(jìn)度仿真、輸電線路4D施工實(shí)際進(jìn)度仿真、設(shè)備4D施工模擬、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃展現(xiàn)、橫道圖分析、進(jìn)度填報(bào)、進(jìn)度分析對(duì)比9個(gè)方面的內(nèi)容。
a)變電站4D施工計(jì)劃進(jìn)度仿真。將變電站三維模型與變電站工程施工里程碑計(jì)劃、一級(jí)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、二維網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃任務(wù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)三維模型,包括土建、安裝工程等各個(gè)任務(wù)工序;同時(shí)能夠按照施工計(jì)劃任務(wù)的時(shí)間順序生長(zhǎng)變化,動(dòng)態(tài)展示加載工程的施工過(guò)程。
b)變電站4D施工實(shí)際進(jìn)度仿真。施工管理人員根據(jù)施工計(jì)劃任務(wù)及橫道圖任務(wù)實(shí)際進(jìn)度情況,選擇任務(wù)三維推演歷史進(jìn)度,提供施工進(jìn)度的可視化管理手段。記錄、存儲(chǔ)變電站施工進(jìn)度數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)三維模型的實(shí)時(shí)狀態(tài),通過(guò)時(shí)間控制模型的生長(zhǎng)變化,動(dòng)態(tài)展示整個(gè)施工過(guò)程記錄。
c)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃展現(xiàn)。施工人員按計(jì)劃完成任務(wù)過(guò)程中,在變電站三維模型場(chǎng)景中選擇對(duì)應(yīng)任務(wù)模型,設(shè)置進(jìn)度狀態(tài),對(duì)進(jìn)度狀態(tài)為“已完成”“進(jìn)行中”和“延期”3種狀態(tài)的任務(wù),對(duì)應(yīng)的三維模型分別以不同顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí),對(duì)于“進(jìn)行中”的任務(wù)記錄實(shí)際開(kāi)始時(shí)間,對(duì)于“已完成”的任務(wù)記錄實(shí)際完成時(shí)間,通過(guò)仿真模型顯示當(dāng)前變電站施工進(jìn)度情況。
本文所提出的技術(shù)研究成果實(shí)現(xiàn)變電工程建設(shè)管理的電子化、數(shù)字化和可視化,為工程項(xiàng)目管理者提供直觀、實(shí)時(shí)、有效的輔助工具。建設(shè)單位再掌握了完整的工程建設(shè)全過(guò)程所需的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù),很容易在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)有的軟件包提供的功能實(shí)現(xiàn)以下功能:
a)隨時(shí)自動(dòng)提取任意規(guī)定范圍的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、物資清單,為設(shè)備材料、施工備料管理提供依據(jù)和手段。
b)進(jìn)行施工進(jìn)度模擬,可以集成或結(jié)合工程計(jì)劃管理軟件,實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度和計(jì)劃的可視化管理,使傳統(tǒng)的兩維圖上的計(jì)劃管理提高到三維實(shí)物模型的直觀管理水平,并可提供定義模型所需的各種設(shè)備、起止時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、材料清單,準(zhǔn)確地確定工程量,便于科學(xué)合理地安排施工力量的投入,更加有效地組織施工。
c)采用標(biāo)準(zhǔn)工藝三維培訓(xùn),可以減少傳統(tǒng)培訓(xùn)次數(shù),增強(qiáng)培訓(xùn)效果,節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用;移動(dòng)端解決現(xiàn)場(chǎng)施工人員培訓(xùn)場(chǎng)次受時(shí)間和空間限制問(wèn)題,提高培訓(xùn)效率。
通過(guò)GIM+施工管理方式,在變電工程施工進(jìn)度4D管控平臺(tái)中全面聯(lián)動(dòng)模型、進(jìn)度、物資、風(fēng)險(xiǎn)等多方面數(shù)據(jù),并分專業(yè)對(duì)模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示,減少了工程管理人員與技術(shù)人員的工作難度和工作量,是未來(lái)工程施工發(fā)展的必然趨勢(shì)。