【www.zhangdahai.com--施工方案】
徐 畅，朱百一，林晓春，周振兴，张卓敏
(国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410000)
以华中环网1 000 kV交流工程和雅中-江西±800 kV直流工程为代表的“两交一直”特高压工程对于促进湖南特高压网架建设和主网架构完善、弥补电力缺口，进一步提升全省电力供应保障能力具有重要意义，是新时代背景下建设“坚强智能电网”的具体实践。按照特高压工程建设“高起点定位，高标准要求，高效率推进”的总体要求，创新管理，示范引领，工程建设管理手段必须结合新时代工作要求和最新前沿技术应用，不断探索提升基建管控水平，推动电网工程科学化组织和精细化管控。
“两交一直”特高压工程输送距离长，作业面多，施工任务繁重，参建人员众多，施工作业安全风险加大，对进场人员技术水平以及安全意识要求更高，进场人员的培训及考核工作难度大大增加。传统入场前的培训及考核主要以书面文字材料学习及线下考试为主，入场人员无法通过简单文字描述对施工方案中的具体作业内容形成清晰直观的认知，也难以对施工安全防范工作产生深刻的理解。
为进一步加强特高压施工作业人员培训考核管理工作，项目过程中搭建了三维施工方案仿真模拟平台，平台以“两交一直”特高压线路及变电站施工重大风险作业防控为目标，可以充分发挥三维设计成果的效用，将三维设计的价值传导到施工阶段，实现基于电网信息模型(Grid Information Model，GIM)的线路设计、施工和管理的全流程贯通，线路部分三维仿真模拟主要以工程三跨、索道施工等四级及以上风险为重点，变电站部分三维仿真模拟，主要以长沙站场平、基建以及电气安装等阶段的重要施工工艺为重点，基于高精度三维仿真平台，开展重大风险施工作业模拟推演和评审交底，辅助特殊工艺和代表性风险施工预警。
近年来，随着三维可视化以及虚拟现实技术的快速发展，三维仿真模拟技术已经广泛应用于包括采矿、能源、教育、航天、建筑以及电力等各个领域中，在电力行业，三维仿真模拟技术在智慧工地[1]、三维数字化移交[2-3]、电气校验[4]、设备拆装模拟[5]、设备温度场模拟[6]、空间校验[7]、受力分析[8]、路径规划[9-10]以及施工方案推演[11-12]等众多领域都得到了很多卓有成效的运用，并发挥了至关重要的作用。
三维施工方案仿真模拟平台采用Unity引擎进行开发制作，开发语言采用C#.Net。业务流程数据使用MySQL数据库，目前已经完成雅江工程部分典型场景的施工工艺仿真模拟场景的设计开发和建设工作，具体场景包括：深基坑挖孔施工方案仿真模拟、桩基础施工方案仿真模拟、索道架设施工方案仿真模拟、抱杆组塔施工方案仿真模拟、吊车组塔施工方案仿真模拟、跨越电力线架线施工方案仿真模拟以及高边坡施工方案仿真模拟等。
1.1 高精度三维数字化建模
三维数字化建模技术是指利用相关三维数字化设计软件，根据设计图纸，开展电网设备及设施的三维数字化建模。电网设施三维模型是指变电站(含电气设备、主要建构筑物及其他附属设施)和输电线路(铁塔、金具、绝缘子串、间隔棒及交叉跨越等)依据设计图纸按1:1比例尺建模的三维精细化模型数据。此外，还可以通过参数化建模的方式通过指定特定的模型参数来进行自动化建模。
1.2 基于相似性算法的GIM模型轻量化
平台三维场景中所涉及的模型和动画均在Maya中进行建模、模拟及渲染。通过建模、贴图、场景塌陷、展UV坐标、灯光渲染、场景烘焙等一系列操作，最终以FBX格式将GIM成果导入至Unity3D平台中。同时，为了实现在不显著降低用户体验的前提下降低了计算机的渲染计算量，还需要对模型进行轻量化处理。首先通过模型减面工具对模型进行初步的简化处理，降低三维几何数据的数据量。对单体模型数据实现简化后，进一步采用相似性算法，对场景中相似的模型构件进行合并，仅保留一个构件的数据，其他相似构件只记录空间坐标，通过引用方式进行加载。通过这种方式可以有效减少构件数据量，达到模型轻量化的目的。
1.3 可配置的高自由度任务流程管理
平台实现了全场景的高自由度操作，无任何线性操作限制，允许使用者在全图漫游以及进行交互操作。交互方式(包括拖拽、碰撞、放置以及触发等)全部基于物理效果实现，使得操作感更加真实、流畅，同时，物理效果的加入也使得用户在使用不同类别工机具时，实际操作体验会有所区别，带来更好的操作体验。同时，平台通过数据库实现任务流程配置及场景配置管理，借助通用性的TaskCore核心任务管理模块进行系统任务流程管理，使得任务流程管理更加灵活、易用。
1.4 基于高清渲染管线的全工作流支持
在Unity 2018.1中，Unity引入了可编程渲染管线(scriptable render pipeline，SRP)，它能让使用者根据项目需求创建自定义渲染管线。可编程渲染管线SRP包含二个可直接使用的渲染管线，即轻量级渲染管线(lightweight render pipeline，LWRP)和高清晰渲染管线(highdefinition render pipeline，HDRP)。其中高清晰渲染管线HDRP旨在提供高级视觉保真度，适用于装备了高性能显卡的PC和主机平台等设备。本平台采用HDRP，平台采用5 000 m×5 000 m的大地形场景，场景中所涉及的所有工机具、人物以及环境要素均采用HDRP标准进行制作。
1.5 可复用的模块化开发模式
在基础平台搭建过程中，由于涉及多种施工方案场景，平台采用模块化方式进行设计开发，可极大加快新场景的研发速度。包括可以复用的相机、可复用的任务管理模块、可复用的场景配置模块以及可复用的全局UI模块。对于通用的基础模块进行统一管理，任务管理模块通过数据库自动生成，可以灵活配置，不同工序环节的技术要点、先后顺序、权重分数以及提示信息等均可通过数据库进行管理，对于任意新增场景，均可通过模块化的开发方式迅速进行框架的搭建，而只需要针对定制化的部分进行建模和业务逻辑的开发。
三维施工方案仿真模拟平台充分考虑系统的可扩充性、数据兼容性及三维可视化展示性能，采用C/S架构，主要包括数据服务层、功能逻辑层、业务逻辑层和业务应用层。其总体架构如图1所示。
图1 三维施工方案仿真模拟平台系统架构
数据服务层涵盖了所需的各类基础地理数据、三维模型、施工方案工序等内容，通过数据管理规范进行科学组织构建成数据库。通过数据库管理系统进行统一集中管理，为上层提供数据支撑。
功能逻辑层是将所有功能进行了逻辑划分，按照不同类型划分为三维可视化组件以及数据管理与可视化组件。不同组件中包含了实现相同逻辑的功能。三维可视化组件包括：三维基本操作、碰撞检测、对象拾取与查询、显示控制等；
数据管理与可视化组件包括：数据分层以及数据加载等，根据系统数据可视化的需要按照不同的逻辑将同类型的功能实现进行了封装，避免了重复性开发。
业务逻辑层主要是根据数据服务层以及功能逻辑层提供的数据和基础功能组件，实现平台基础业务逻辑的管理。具体包括任务管理、流程管理、时序管理、存档管理、交互管理、显示管理、模型渲染以及场景调度等。
业务应用层即为三维施工方案仿真模拟平台客户端的最终呈现形式，当前包含了吊车组塔、抱杆组塔、索道架设、深基坑开挖等7个施工方案场景。可以实现培训、演练及考核功能。
3.1 三维基础功能
平台针对不同施工方案施工现场的地形、地貌特点，分别搭建了不同的三维虚拟场景。虚拟场景的地形根据施工地点真实地形数据生成，地貌根据施工地点航片通过建模方式生成，准确还原现实世界的环境要素的同时，保证了场景整体风格的一致性，可以提供具有极强沉浸式及交互式的操作体验。平台基于三维仿真模拟引擎，开发了场景漫游、碰撞检测、视角控制、对象拾取、对象移动、载具操作等三维操作基础功能。
3.2 空间校验及预警管理
针对施工方案中部分环节对空间关系有着严格的工艺管理及安全管理的要求，平台加入了空间校验机制。针对工艺管理，主要提供对空间位置的校验功能，由于平台操作具有非常高的自由度，因此，需要对每一步操作进行严格的空间校验，判断操作是否符合施工工艺规范(如在抱杆组塔中判断地锚杆的放置角度和距离是否符合施工方案要求)。对空间校验另一个层面的应用是预警的管理，同样基于空间相对位置关系的校验，提示操作是否符合施工安全管控措施(如跨越电力线操作中临近带电体以及深基坑开挖中临近坑口)，对潜在危险操作进行预警。
3.3 施工工艺及工序管理
施工工艺管理及施工工序管理是施工方案管理的核心，施工工艺是施工过程的标准和规范，也是判断施工过程是否达标的重要依据。平台支持对施工工艺的指标进行量化管理，结合碰撞检测及模型校验等对工艺完成程度进行分析，而对于无法量化的指标，则结合平台操作逻辑，降低自由度，对操作过程进行限定，从而满足对施工工艺完成情况评判的需要。施工工序是施工工艺在时间维度上的呈现，具有极强的时序性，平台支持对前置和后置工艺关系的配置管理，可以对施工工序进行有效管理。同时，平台可以为每一个工艺工序设置固定的分值，支持对操作过程进行定量评价。
3.4 工机具及载具操作管理
平台针对施工方案中部分操作相对复杂的工机具(如全站仪、无人机、绞磨机等)创建了定制化的、可交互的操作方式，重点还原了工机具操作关键参数的选择、操作步骤等操作要点，同时，简化了部分不重要的繁琐细节，在帮助使用者强化工机具操作要领的同时，增添了一定的趣味性。除工机具操作外，载具操作也进行了定制化的设计，主要针对各类吊车，提供车辆基础控制、吊臂控制、支架控制、吊钩控制等操作，结合场景中提供的空间校验功能，能够帮助使用者有效提升对各类工机具及载具操作的熟练度。
4.1 施工方案培训
三维施工方案仿真模拟平台可以用于现场作业人员上岗前或者正式施工任务开始前的技能培训，帮助使用者对部分重点环节进行反复演练，充分熟悉平台操作并强化安全的施工意识。培训模块可以分为理论培训以及场景模拟培训，其中，理论培训基于《施工方案》以及《国家电网公司输变电工程标准工艺》等技术文档，旨在提升施工作业人员的技能理论知识水平。场景模拟培训(如图2所示)则可以通过生动直观的动画以及程序引导，帮助使用者加深对技术要点以及安全要求的理解，同时也可以熟悉三维施工仿真模拟平台的操作逻辑。
图2 施工方案培训模块
4.2 施工方案演练
演练模块(如图3所示)提供了一个自由度相对较高的场景，允许用户针对重点施工工序和环节进行反复演练，不仅可以逼真的展示现场施工作业人员真实作业过程，还可以真实再现施工现场环境，对于技术要点以及安全注意事项进行分解与演练，以便掌握整个施工流程和需要注意的事项。
图3 施工方案演练模块.
4.3 施工方案考核
施工方案考核模块(如图4所示)可以将三维施工仿真模拟平台作为现场施工作业人员技能考核的“试卷”，评估施工人员对施工工艺的熟悉程度；
施工单位管理人员可以通过考核模块检查现场施工作业人员对施工流程和安全意识的熟悉程度。考核模式下，所有工序流程提示将被屏蔽，通过用户模拟操作与标准操作进行比对，自动生成实操成绩。
图4 施工方案考核模块
三维施工方案模拟软件研发，主要基于“两交一直”特高压线路及变电站施工重大风险作业点，如重要跨越、主变吊装等施工工序。平台借助Unity3D引擎，构建了工机具模型库，结合高精度地理数据，构建了三维立体化施工作业场景，通过提供三维基础操作功能、空间校验、施工工艺、工序管理等功能，满足了现场对培训、演练、考核等应用场景的使用需求，能够有效辅助现场施工作业人员掌握工序的施工要点和安全管控措施。结合典型工艺和施工方案，可以开展重大风险施工作业的模拟推演，辅助开展重大风险作业施工方案评审和交底，同时也有效提高了现场施工作业人员的专业技能和安全意识。对于进一步探索如何借助信息化手段提升电网工程建设管理水平具有积极意义。
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