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BIM 技術(shù)在高速鐵路牽引變電所監(jiān)控巡視系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究—中鐵二院

發(fā)布于：2024-08-07 00:09:03

首頁(yè)/技術(shù)分享/BIM資訊

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監(jiān)控巡視系統(tǒng)作為牽引變電所無(wú)人值班模式的重要組成部分，其關(guān)鍵在于攝像設(shè)備的平面布置。監(jiān)控巡視系統(tǒng)通過(guò)多臺(tái)攝像設(shè)備配合完成全所視頻、報(bào)警信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)變電所現(xiàn)場(chǎng)巡視、監(jiān)控和安防的目的。本文基于BIM技術(shù)三維仿真模擬監(jiān)控巡視系統(tǒng)的攝像設(shè)備位置及視野，實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)化、高效化的監(jiān)控巡檢系統(tǒng)布置，保證對(duì)牽引變電所設(shè)備視頻全面覆蓋，同時(shí)能夠清晰觀察開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)等細(xì)節(jié)，滿足無(wú)人值班變電所運(yùn)行監(jiān)控巡視的安全需求。將本文平面布置方法應(yīng)用于西成客運(yùn)專線牽引變電所無(wú)人值班改造工程中，結(jié)果表明：該方法適用于高速鐵路牽引變電所無(wú)人值班改造，具有借鑒意義，值得研究推廣。

引言

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的重要樞紐，安裝有大量的電氣一次、二次設(shè)備和通信設(shè)備，為保證供電的穩(wěn)定安全運(yùn)行，需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行日常的巡視、監(jiān)控。無(wú)人值班牽引變電所指通過(guò)輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、智能巡檢、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能分析及異常告警的目的，從而提高牽引變電所運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能性、實(shí)時(shí)性、有效性，使鐵路牽引供電可靠性得到有效保證，實(shí)現(xiàn)牽引變電所的無(wú)人化管理。牽引變電所無(wú)人值班輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控及巡檢、安全防范及門禁、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警和動(dòng)力照明控制5大系統(tǒng)組成，其中實(shí)時(shí)監(jiān)控及巡檢系統(tǒng)涉及牽引變電所全覆蓋、重要設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)控的要求，因此需要布置大量的攝像設(shè)備，如何高效地進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控巡視的關(guān)鍵。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）技術(shù)的日益推廣，對(duì)牽引變電所內(nèi)設(shè)備精細(xì)化、智能化、信息化的高質(zhì)量設(shè)計(jì)提出了更高的要求。李良威等探討了BIM技術(shù)在牽引變電所內(nèi)的應(yīng)用，盧文波闡述了BIM技術(shù)在牽引變電所的電纜敷設(shè)工程施工中的具體應(yīng)用。可見(jiàn)BIM技術(shù)對(duì)于工程有著巨大的價(jià)值和廣闊的前景。本文基于BIM技術(shù)提出了一種針對(duì)牽引變電所監(jiān)控巡視系統(tǒng)攝像設(shè)備平面布置的方法。該方法利用BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化等特點(diǎn)，將高速鐵路變電所的平面布置進(jìn)行BIM建模，再結(jié)合軟件的相機(jī)參數(shù)設(shè)置功能，模擬攝像設(shè)備視角，通過(guò)多視角對(duì)比，結(jié)合運(yùn)營(yíng)單位的日常監(jiān)控需求，優(yōu)化傳統(tǒng)的二維平面布置，為高效設(shè)計(jì)提供了保證，同時(shí)對(duì)于施工、后期運(yùn)營(yíng)信息化管理具有重大意義。

一傳統(tǒng)監(jiān)控巡視系統(tǒng)的平面布置

1.1監(jiān)控巡視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

監(jiān)控巡視系統(tǒng)按監(jiān)控區(qū)域可以劃分為：

（1）變電所周界，對(duì)周界進(jìn)行防入侵監(jiān)視。

（2）變電所高壓進(jìn)線側(cè)。

（3）變電所主變壓器側(cè)。

（4）變電所饋線側(cè)。

（5）變電所主控室、高壓室等。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，按巡視時(shí)間的功能需求，可將巡視方式分為實(shí)時(shí)監(jiān)控和定期巡視兩大類別。實(shí)時(shí)監(jiān)控相機(jī)主要是為了實(shí)現(xiàn)安全防范，實(shí)時(shí)觀測(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)和儀器儀表數(shù)據(jù)，其攝像設(shè)備布置如表 1 所示。而定期巡視則是為了全面覆蓋所內(nèi)設(shè)備觀測(cè)，確定故障設(shè)備等內(nèi)容，但無(wú)需實(shí)時(shí)反映每一刻設(shè)備的數(shù)據(jù)，其攝像設(shè)備布置如表 2 所示。表中數(shù)據(jù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn) 1 臺(tái)攝像設(shè)備觀測(cè)多臺(tái)對(duì)象。

由表 1、表 2 可知，不同設(shè)備對(duì)攝像機(jī)數(shù)量需求也不同。依據(jù)設(shè)備的布置情況，同類型且相鄰的設(shè)備在監(jiān)視時(shí)可以共用 1 臺(tái)攝像設(shè)備，如 3 臺(tái)并列布置的隔離開(kāi)關(guān)，可通過(guò) 1 臺(tái)定焦相機(jī)觀測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)側(cè)視圖同時(shí)實(shí)時(shí)觀測(cè) 3 臺(tái)以上開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)。

1.2傳統(tǒng)布置方法

傳統(tǒng)攝像設(shè)備布置方法如圖 1 所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是利用 CAD 軟件，根據(jù)劃分區(qū)域、設(shè)備監(jiān)控需求及攝像設(shè)備的視野范圍技術(shù)參數(shù)（如視場(chǎng)角（Field of View，F(xiàn)OV）），為無(wú)人值班常用的攝像設(shè)備技術(shù)參數(shù)），有針對(duì)性地選擇監(jiān)控和巡視設(shè)備，如表 3 所示上述布置方法需要施工現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)整攝像機(jī)設(shè)備安裝位置及角度，以滿足巡視監(jiān)控要求。

1.3傳統(tǒng)布置方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的方法主要是基于二維空間設(shè)計(jì)，對(duì)于三維空間的攝像設(shè)備的要求往往在設(shè)計(jì)前期階段不易明確，其優(yōu)缺點(diǎn)如表 4 所示。

二 BIM技術(shù)在巡視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1基于BIM的平面布置方法

在分析傳統(tǒng)布置方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文依托 BIM 技術(shù)，建立了傳統(tǒng)攝像設(shè)備的布置方法，如圖 2 所示。這種流程顯著的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了確認(rèn)監(jiān)控全覆蓋的反復(fù)驗(yàn)證過(guò)程。基于 BIM 技術(shù)建立變電所模型，建立后可以通過(guò)攝像設(shè)備不同視角檢查對(duì)比，確認(rèn)實(shí)施后的視頻覆蓋是否全面，是否存在遮擋情況。

2.2BIM模型中攝像設(shè)備視角核對(duì)

當(dāng)設(shè)備遮擋時(shí)，尤其在變壓器前后現(xiàn)場(chǎng)攝像視角易受影響。但這種遮擋可以通過(guò) BIM 建模模型來(lái)模擬，進(jìn)而相應(yīng)調(diào)整攝像設(shè)備的高度和位置。通過(guò) BIM 軟件中的相機(jī)參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬，如圖 3 所示，可以更精準(zhǔn)地明確攝像設(shè)備的位置、方位、信息和焦距，從而確定攝像設(shè)備的最佳安裝位置及高度，避免了現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)核對(duì)調(diào)整，因此在設(shè)計(jì)階段引入 BIM 技術(shù)可以極大地提高工作效率。

特別是在既有高速鐵路牽引變電所無(wú)人值班改造工程中，由于既有鐵路改造資料更加齊全，更易利用這種方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班攝像設(shè)備的布置，提高施工、監(jiān)理和運(yùn)營(yíng)的效率。

2.3BIM 模型平面布置的重點(diǎn)

綜上所述，基于 BIM 的平面布置方法有以下重點(diǎn)：

（1）設(shè)備應(yīng)按等比例建模。由于牽引變電所對(duì)于同一線路、同一電壓等級(jí)、同一速度等級(jí)的設(shè)備平面布置方案具有相似性，因此設(shè)計(jì)可以通過(guò)積累、提煉不同形式變電所的通用性，實(shí)際布置時(shí)僅需根據(jù)設(shè)計(jì) 圖紙調(diào)整設(shè)備的位置即可達(dá)到 BIM 建模的要求。

（2）對(duì)于攝像設(shè)備的視角和位置，可通過(guò) BIM 軟件中預(yù)設(shè)的相機(jī)功能的坐標(biāo)確定。

（3）在 BIM 建模中，可提前預(yù)設(shè)不同相位的設(shè)備標(biāo)識(shí)（顏色、樣式等），便于施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)后期對(duì)比。

（4）在核實(shí)攝像設(shè)備視角時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮存在遮擋可能性的變壓器等大型設(shè)備，最終確定攝像設(shè)備的平面布置。

三應(yīng)用案例

針對(duì)西成客運(yùn)專線工程青林口牽引變電所的無(wú)人值班建設(shè)需求，鑒于其變電所采用戶外布置，且基本形式一致，計(jì)劃在 CAD 圖紙上完成平面布置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依托 BIM 技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化、精準(zhǔn)化核實(shí)確認(rèn)。根據(jù)既有西成客運(yùn)專線的青林口牽引變電所一次圖，按照實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，首先提出牽引變電所攝像設(shè)備（含全景相機(jī)、定焦槍機(jī)、測(cè)溫?cái)z像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)、球機(jī)）的平面布置圖，攝像頭位置示意如圖 4 所示。

基于 BIM 軟件建立了 BIM 模型，變電所饋線側(cè) CAD 立面圖和建立的 BIM 模型側(cè)視圖的對(duì)比如圖 5 所示，針對(duì)幾種特殊位置的攝像設(shè)備，核查之前布置的攝像設(shè)備情況如下：

（1）圍墻邊安防定焦相機(jī)

原方案采用“背對(duì)背”方式安裝，導(dǎo)致兩設(shè)備間存在視覺(jué)盲區(qū)（如圖 6 所示），因此最終方案采用“對(duì)射” 方式，將攝像設(shè)備安裝在圍墻轉(zhuǎn)角處，最終方式如圖 7 所示，確保了圍墻周邊監(jiān)控的全覆蓋。

（2）進(jìn)線側(cè)云臺(tái)相機(jī)

避雷器觀測(cè)高度確認(rèn)時(shí)，可以通過(guò) BIM 軟件的相機(jī)工具輸入云臺(tái)攝像機(jī)參數(shù)，通過(guò)調(diào)整位置，明確云臺(tái)相機(jī)照的最佳安裝位置，實(shí)現(xiàn)巡視視角和 220 kV 側(cè)的位置，如圖 8 所示。圖中箭頭所指位置為云臺(tái)相機(jī)位置和視角的成相，從而滿足了進(jìn)線側(cè)觀測(cè)避雷器的計(jì)數(shù)參數(shù)的覆蓋要求。

（3）變壓器側(cè)全景相機(jī)

兩臺(tái)變壓器之間的全景攝像可通過(guò)配備云臺(tái)的攝像設(shè)備，利用相機(jī)角度調(diào)整功能實(shí)現(xiàn)視線覆蓋范圍的確認(rèn)。其中某一角度下云臺(tái)設(shè)備在 BIM 模型中的模擬視角如圖 9 所示。

通過(guò)上述布置優(yōu)化，最終形成牽引變電所實(shí)時(shí)監(jiān)控及巡檢子系統(tǒng)布置，如圖 10 所示。

四結(jié)論

本文基于 BIM 技術(shù)，結(jié)合攝像設(shè)備視角仿真方法，對(duì)攝像設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，并在西成客運(yùn)專線無(wú)人值班工程中得到應(yīng)用，得到主要結(jié)論如下：

（1）BIM 技術(shù)應(yīng)用在牽引變電所視頻監(jiān)控巡視設(shè)計(jì)中，通過(guò)參數(shù)外形的建模，存在較好的現(xiàn)場(chǎng)模擬仿真性能，為視頻監(jiān)控布置打下較好基礎(chǔ)。

（2）BIM 軟件中的相機(jī)工具能較好地仿真攝像設(shè)備的各種位置、焦距和視角仿真參數(shù)，在建模后的視頻監(jiān)控仿真方面具有較好的性能，可應(yīng)用于監(jiān)視巡視攝像機(jī)平面布置設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)精度，避免施工現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)調(diào)整。

（3）該攝像設(shè)備平面布置方法不僅適用于鐵路牽引變電所無(wú)人值班攝像范疇，對(duì)于鐵路沿線信號(hào)、接觸網(wǎng)等設(shè)備的視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)同樣具有一定的借鑒意義。

（4）BIM 建模技術(shù)對(duì)于后期視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)具有重要意義，包括視頻數(shù)據(jù)的捕捉、分析、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，到最終指導(dǎo)運(yùn)維人員通過(guò)三維模型視野和現(xiàn)場(chǎng)視頻攝像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)比對(duì)，更快速高效地分析解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，在今后的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中可以進(jìn)一步研究和深入。

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