李天佼 陈楠 王万平
摘 要：为解决特高压换流站电气安装工作量大、难度高等问题，设计了基于BIM技术的特高压换流站电气安装方法。通过电力管线BIM模型创建，对安装中的管线进行精准排布，保证特高压换流站电气安装效果；
结合BIM技术和遗传算法进行安装资源均衡优化，并选取合适的适应度函数和遗传操作优化电气安装进度，实现更好的特高压换流站电气安装进度控制。经实验验证：其能解决特高压换流站电气安装中存在的各种问题，并且实时掌握安装进度，对各个阶段的安装成本进行管控。
关键词：BIM技术；
特高压换流站；
电气安装；
遗传算法；
4D模型；
适应度函数
中图分类号：TM277；
TM72
文献标志码：A
文章编号：1001-5922（2023）07-0179-05
BIM technology optimized method for electrical installation in ultra-high voltage converter stations
LI Tianjiao1，CHEN Nan2，WANG Wanping3
（1.UHV Construction Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China;
2.Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 201101，China;
3.Shanghai Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200041，China
）
Abstract：In order to solve the problems of heavy workload and high difficulty in electrical installation of UHV converter station，an electrical installation method based on BIM Technology was designed.The BIM model of power pipeline was created to accurately arrange the pipelines in installation，so as to ensure the electrical installation effect of UHV converter station.Combined with BIM Technology and genetic algorithm，the installation resource balance optimization was carried out，and the appropriate fitness function and genetic operation were selected to optimize the electrical installation progress，so as to achieve better electrical installation progress control of UHV converter station.The experimental results showed that this method could solve various problems existing in the electrical installation of UHV converter station，master the installation progress in real time，and control the installation cost of each stage.
Key words：BIM technology;UHV converter station;electrical installation;genetic galgorithm;4D model;fitness function
隨着国家配电网规模的增加，电力的全面覆盖，电力正常运作已经成为保障居民日常生活的关键，肩负着国家经济发展和居民生活水平的关键使命［1］。目前，用户用电量的不断增加、电流的不稳定性以及电源的广泛分布，电力事故频发。因此，需要安装特高压换流站电气进行电压控制，保证电力正常运作［2］。然而由于该设施规模庞大、散布范围广、结构复杂多样，导致其安装工作量巨大。现有的特高压换流站安装技术，如文献［3］提出的特高压柔性直流换流站直流侧电气接线方，耗费成本较高，安全性低；
文献［4］提出的基于LCC的高压直流输电换流站无功功率控制策略研究［4］，难以进行及时抢修，影响电力的恢复进度，已经不能发挥特高压换流站的安装作用。因此需在此基础上运用新的技术完成安装。
本文研究了基于BIM技术的特高压换流站电气安装。通过对模型的构建、流程的展示为管理者提供更清晰的安装结构，明确安装流程及安装进度，有效控制成本。
1 BIM技术的特高压换流站电气安装方法
1.1 BIM技术的特高压换流站电气安装结构
特高压换流站电气安装BIM模型的建立主要由设计单位完成，经过业主方、施工方等各建模单位，根据固定的标准和BIM软件平台，进行BIM安装模型维护，并且对于要安装的特高压换流站电气自身特点进行信息共享与应用［1］。应用BIM技术的特高压换流站电气安装时，通过建立特高压换流站电气安装的BIM模型及4D模型，减少时间成本、提高效率并完善安装计划，完成特高压换流站电气安装［2］。在进行具体安装时从数据层开始采集特高压换流站电气安装信息，通过BIM软件平台，建立BIM安装模型，经过统一安装标准的模型信息分析应用，在目标应用层实现特高压换流站电气安装。基于BIM技术的特高压换流站电气安装结构图如图1所示。
1.2 基于BIM技术的电气安装步骤
BIM技术应用于特高压换流站电气安装具体包括BIM电气安装模型建立、模型信息集成、技术应用3个部分。
（1）建立BIM电气安装模型。在进行特高压换流站电气安装时，利用数据接口对安装数据进行互换，并将其注入由设计单位提供的符合国际标准的BIM软件建立的模型。采用3D信息模型对特高压换流站电气进行安装，该模型主要利用Tekla软件中Tekla structures钢结构深化模块直接构建的［3］。采用的Tekla软件中包含新建基础混凝土构件、L型角钢构件、螺栓等构成安装关键部件的快捷工具栏，方便模型构建。首先需要在Tekla structures钢结构深化模块建立轴线，便于新建模型过程操作的工作区与视图，再按照特高压换流站电气安装图分段建模，新建本体构建时双击属性录入电气部件的工程参数、物理属性等信息，各分段建好后形成包含安装特高压换流站电气所有参数信息的BIM模型。
完成三维模型建立后，通过工作分解结构（WBS），得到特高压换流站电气安装树状结构。将特高压换流站电气安装计划对应到相应节点上，就创建完成了对应的安装成本计划、安装进度计划［4］。通过BIM软件中的WBS中的编辑功能在原有安装模板的基础上，完善安装顺序，并根据安装计划填充工序及工序节点对应的工期计划，建立安装进度数据库。在3D模型中的安装结构与安装进度的基础上，进行深度挖掘，构成了4D进度信息模型。具体模型如图2所示。
特高压换流站电气安装工程4D模型是在CAD图纸的基础上建立的。在整个安装过程中，通过4D安装工程模型提供安装动态信息数据库。数据库中涵盖了安装步骤及安装过程中需要的零部件信息、环境因素和立体图像，并将信息实时传输给设计、业主方和施工方等单位［5］。各单位可以基于构建的4D模型进行协调工作，实现信息交互与共享，大大提高了安装效率、成本管控，促进各单位协调沟通，便于解决安装过程中存在的问题；
（2）模型信息集成。在完成BIM电气安装模型、4D模型建立后，需对完成的特高压换流站电气安装模型进行深度信息管理，形成包含多种信息的模型，主要通过信息集成平台进行信息集合处理，便于后期分析安装中存在的突发问题。由于特高压换流站电气安装与其他安装工程存在较大安装区别，因此需要不同的项目管理软件来完成特高压换流站电气安装信息集成，建立信息模型［6-7］。如BIM信息模型，可用于碰撞检查，4D模型可对施工进度进行计划模拟。利用BIM进行特高压换流站电气安装信息集成时，通过信息集成平台，构建一个信息集成环境，整合涉及各单位的信息模型，完成安装工程与各参建单位之间的信息共享与数据传输；
（3）技术应用。对特高压换流站电气安装工程各信息模型进行管理，主要通过各种软件根据特高压换流站电气安装需要和内容进行管理。本文根据现有BIM技术软件和目前BIM技术应用现状，主要在特高压换流站电气安装工程效果、进度和成本等方面进行管控并不断对每一个安装步骤进行优化。
1.3 BIM电气管线安装及优化设计
1.3.1 电气管线安装
（1）在安装特高压换流站电气过程中，电力设施管线布置是一项烦琐的安装工程，涉及多个专业领域知识，如建筑、结构和机电等专业。因此安装特高压换流站电气管线需提前設计出图纸，根据图纸信息明确电气管线设计分布、理念和工作布置。施工总承包单位设立以机电专业为主，通过BIM模型［8］、4D模型，了解特高压换流站电气管线安装特点和设计意图，对设计图纸进行仔细勘察，寻找电气管线布置不合理之处，及时提出解决方法，上报安装单位和设计单位，进行电气管线图纸布置信息最终确认，为特高压换流站电气安装管线做好前期准备；
（2）研究人员通过BIM技术对初始图纸的电力管线布局进行确认的同时，对图纸进行深化设计，对即将建模存在的问题通过多方沟通进行解决，构建BIM三维模型；
（3） 根据特高压换电站电气安装设备要求的不同和安装进度，对电气管线图纸进行碰撞检查，生成三维管线综合图，具体如图3所示。
1.3.2 电气管线安装综合优化设计
（1）完成BIM三维管线综合的碰撞检测工作后，对特高压换流站电气安装结构进行现场校验，利用三维激光扫描仪扫描提取特高压换流站电气尺寸，对影响电气安装的结构偏差因素进行及时更改；
（2） 聚集各个单位负责人召开协调会议，根据BIM模型和碰撞检测情况报告反映综合安装电力管线碰撞情况，谈判并确定制定适合特高压换流站电气安装的管线综合调整原则，便于下一步的电气管线综合调整和优化工作；
（3） BIM技术深化设计人员在各单位配合下，根据管线综合原则对管线和碰撞点进行综合调整和管线优化。应用BIM技术可在三维数字模型下，对特高压换流站电气安装的布局结构和管线走向进行清晰展示，对安装要求进行提前布置，制定阶段性管线成果报告；
（4） 模型综合电力管线优化后，结合各单位意见，进行模型修正，对新提出的问题，继续提出解决对策直至达到各单位要求，最终形成电力管线综合协调模型。通过修正的模型既能满足安装过程中需要面对的高度问题，还能保证其使用空间的灵活性，便于后期对特高压换流站电气的检测与维护。
1.4 基于BIM的电气安装进度控制方法
1.4.1 遗传算法辅助BIM电气安装进度优化
在对特高压换流站电气安装进度优化过程中，以人工智能领域中的遗传算法为基础，该算法的优势是能准确求解各项进度参数。BIM技术则可以实时探测到各项进度参数的实际变化状态［9］。若将两种技术的优势进行相互结合，能优化当前安装方案。“工期固定-资源均衡”的优化是在总工期不变的基础上，对工序作业的开始与结束时间进行修改，促使资源达到相对均衡的过程。不仅可以减少工程花费，更便于电气安装工作的组织与管理。衡量资源需用量不均衡程度有两个指标，一个是方差，另一个是极差，目前应用方差作为优化指标较为常见。因此以资源的方差值最小作为目标函数，将特高压换流站电气安装过程中用到的某种主要资源作为优化对象，构建资源的最小差距函数，即BIM电气安装进度优化数学模型［10］：
式中：T为电气安装总工期，R表示主要安装资源类型，安装工序为i（i=1，2，…，n），Rkt表示在t时刻的资源k需求量；
Rk为资源k的平均需求量;Rikt为工序i所对应的资源k在t时刻的需求量;TEi、TLi、TSi分别为安装工序i的最早开始时间、实际开始时间、最晚开始时间。
为使电气安装资源均衡达到最优，需注意以下前提条件：
（1）在电气安装过程中，从开始到结束整个安装工序不允许间断，需保持其连续性；
（2）安装进度计划中各项工作中单位时间所耗用的资源量为固定值，并且符合安装用量；
（3）忽略施工技术、环境因素、管理水平等因素对安装进度的影响。
1.4.2 遗传算法电气安装进度优化求解
为不断优化BIM电气安装进度，选取适应度函数与遗传操作2个重要因素填充模型。特高压换流站电气每一个安装步骤的选择进化主要利用遗传算法中的适应度函数来进行［11］，进而寻找电气安装进度的最优化解。电气安装过程中2个重要的目标：电气安装所耗费的总时间短、安装过程中各步骤平均所用时间短，因此定义2个适应度函数：
f1i=1SCDiWj（6）
其中，种群规模为SCALE；
资源数为WORKER；
第i个个体中的第j个WORKER用Wj表示，第i个安装步骤完成所用的总时间用SCDiWj表示。
f2i=meantimei=∑TASK±1taskTimet，iTASK（7）
式中：第i个个体完成第t个步骤时间为taskTime（t，i）;TASK为任务数推量。
特高压换流站电气安装的总用时和安装过程每一个步骤用时越短，适应度值越小，选取的适应度函数越合适，对特高压换流站电气安装进度的优化效果越好。
对模型适应性的分析主要通过遗传操作完成，该步骤也是完成特高压换流站电气安装的主要流程。通过定义的2个适应度函数分别计算出种群中每个个体的选择概率：
P1i=f1i∑SCALE±f1j（8）
P2i=f2i∑SCALE±f2j （9）
从式（8）、式（9）中选取一个作为选取模型的选择概率，种群中包含完成特高压换流站电气安装总时间较短的模型和安装流程中每一步骤平均所用时间较短的模型，为进化BIM安装进度优化模型提供了前提条件［12］。基于遗传算法的安装进度优化模型求解流程如图4所示。通过特高压换流站电气安装进度模型优化求解，获取最佳电气安装进度，为电气安装人员提供便利。
2 实验结果分析
2.1 安装管理问题分析
在对特高压换流站电气安装过程中，经常出现以下问题，运用选定方法后对安装存在的问题进行解决，解决情况如表1所示。从表1中可以看出，选定方法对特高压换流站电气安装中存在的问题有较好的解决办法，不仅能解决安装管理存在的问题，还能对安装的成本进行有效控制，大大提高了特高压换流站电气安装的效率，为日后安装特高压换流站电气安装垫定了基础。
2.2 安装进度分析
对特高压换流站电气安装过程中的施工进度和成本管控进行分析，具体分析结果如图5所示。
从图5可以看出，在安装过程中，可以准确追寻安装进度，能清晰了解每个月的安装情况，并且对每个月的成本进行管控，因此证明选定方法对特高压换流站电气安装研究效果较好，能时刻了解工程进度及成本费用，便于管控，提高安装效率，降低成本费用。
2.3 安装适应度分析
为验证遗传算法对特高压换流站电气安装进度的优化效果。设遗传算法由21个染色体组成，种群数为58，根据遗传操作产生的同代概率为30%，变异概率为70%。特高压换流站电气安装进度优化过程中的适应度变化趋势如图6所示。
从图6可以看出，当迭代次数小于30时，两者的适应度曲线处于不稳定状态，两者差距较大。随着迭代次数的递增，二者适应度曲线波动趋于平稳，并且两者几乎重合。证明当迭代次数达到30时，便可获取较小的适应度值，证明本文方法的电气安装进度优化效率较好，总安装完成时间和步骤平均所用时间短，便于提高电气安装效率。
2.4 安装阶段满意度效果分析
分析基于遗传算法优化前后对特高压换流站电气安装各个阶段的满意情况。选取每个专业人员各一人对其满意情况进行评价，结果如图7所示。
从图7可以看出，优化前，只有竣工阶段的满意度较高，达到80%，其他阶段的满意度较低。优化后，各个阶段的满意度都大幅提升且都高于优化前各个阶段，在竣工阶段的满意度达到99%。实验证明本文方法对安装各个阶段的管控效果较好，为整个安装工程不同阶段的成本控制提供有效数据支撑，减少了工程安装过程的各阶段费用。
3 结语
近年来，国内外一些BIM三维模型产品库在网络上出现，为BIM技术应用提供了良好的环境。本文针对特高压换流站电气的安装，首次提出了基于BIM技术的特高压换流站电气安装研究。建立BIM技术的特高压换流站电气安装结构图，通过电气管线安装及优化设计以及电气安装进度控制角度分析BIM技术在特高压换流站电气安装中的具体应用，并通过实验验证该方法在安装问题、安装进度、成本控制方面具有显著优势。由于BIM技术在特高压换流站电气安装的应用刚刚起步，如何在此基础上结合具体应用从多角度、多方位提高安装技术，值得进一步研究。
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