一种基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法

摘要

本发明提供一种基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法，包括模型导入、模型校验、系统结构设计、场景配置、设备选型和布置、效能仿真校验、二次辅助设计以及线缆自动敷设等步骤，以三维设计模型为基础，通过调用典型设备库、专家策略库，实现前端设备选型布置；利用BIM三维可视化技术和动态模拟算法实现前端设备效能仿真校验，优化前端设备布置；实现屏柜、功能单元与前端设备的连接关系设计，完成二次回路辅助设计，生成线缆连接表，实现自动线缆敷设设计；输出智能辅助控制系统的施工图。本方法能够完善和实践专家策略库、典型设备库，规范智能辅助控制系统的三维设计模型和二维出图表达。

说明书

技术领域

本发明涉及变电站技术领域，尤其是一种基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法。

背景技术

随着技术的发展，变电站的智能化水平越来越高，因此，包含的电气设备、自动化设备越来越多，为了合理的对变电站进行设计施工，在变电站设计过程中首先要创建出变电站的三维模型，然后在三维模型的基础上根据需求进行设备的布置，其中，线缆敷设是其中一个很重要的环节，现有技术中多采用二维软件AutodeskCAD进行电缆敷设的设计，但是，二维软件不能直观的对变电站模型进行观察，在变电站智能辅助控制系统设计的局限性越来越明显。

因此，亟需提供一种更加智能化的变电站智能辅助控制系统设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，提供一种基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法，该方法基于BIM三维设计软件——Autodesk Revit软件进行开发设计，以三维设计模型为基础，通过调用典型设备库、专家策略库，实现前端设备自动选型布置；利用三维可视化技术和动态模拟算法实现前端设备效能仿真校验，优化前端设备布置；采用数据驱动的理念，实现屏柜、功能单元与前端设备的连接关系设计，完成二次回路辅助设计，生成线缆连接表；根据线缆连接关系，实现自动线缆敷设设计；输出智能辅助控制系统的施工图。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：S1：模型导入，S2：模型校验，S3：系统结构设计，S4：场景配置，S5：设备选型和布置，S6：效能仿真校验，S7：二次辅助设计和S8：线缆自动敷设。

所述S1模型导入，具体为：基于BIM三维设计软件构建三维ICAD平台，将已经设计好的变电站三维模型导入三维ICAD平台中；

所述S2模型校验，具体为：采用三维ICAD平台中的模型校验功能对导入的变电站三维模型进行模型校验，判断变电站三维模型是否满足智能设计所提出的模型要求，当不满足设计要求时，判定为未通过，并生成错误报告，然后返回，根据错误报告对变电站三维设计模型进行修改，接着对修改后的变电站三维模型重新进行模型校验，当变电站三维模型满足设计要求时，判定为通过，进入步骤S3；

所述S3系统结构设计，具体为：对通过模型校验的变电站三维模型进行系统结构设计，配置变电站中包含的子系统、功能模块、设施模块、站端设备、前端主机设备和前端设备类目，并输出系统配置图；

所述S4场景配置，具体为：从专家策略库选择布置策略，根据选择的布置策略对完成系统结构设计的变电站设备进行场景配置，并输出空间对象和前端设备的配置结果；

所述S5设备选型和布置，具体为：通过典型设备库及专家策略库确定设备选型参数，根据选型参数采用自动或手动方式完成前端设备的选型及布置；

所述S6效能仿真校验，具体为：采用三维ICAD平台对进行设备选型和布置后的变电站三维模型中的设备进行效能仿真校验，由设计人员判断是否满足设计需求，当不满足设计需求时，判断校验未通过，生成仿真报告，根据仿真报告并通过手动布置对设备进行调整；当满足设计需求时，判断校验通过，并输出设备布点图和前端设备统计表；

所述S7二次辅助设计，具体为：首先根据前端设备统计表手动完成屏柜的配置，然后根据读取的终端设备信息来配置设备之间的连接关系及线缆类型，生成子系统配置图、线缆连接表和屏柜端子排图，并将逻辑设计数据和连接关系保存至业务数据库及三维模型库中；

所述S8线缆自动敷设，具体为：根据线缆连接表及三维模型信息，结合通道设计完成线缆的敷设，并输出线缆清册，完成设计。

还通过资源管理平台为步骤S2中的模型校验提供校验规则。

所述资源管理平台包括专家策略库和典型设备库，

所述专家策略库在场景配置时能够从专家策略库中选择布置策略；

所述典型设备库，在设备选型和布置时，提供设备选型参数。

当选型及布置的设备为主动型探测设备时，采用手动方式完成设备布置；当选型及布置的设备为红外对射、红外双鉴设备时，采用自动方式完成设备布置。

还通过工程数据管理平台用于以单个工程为核心的设计数据统一管理。

所述工程数据管理平台还包括业务数据库及三维模型库，效能仿真校验过程中产生的数据保存至业务数据库及三维模型库；在进行二次辅助设计时，从业务数据库及三维模型库中读取终端设备信息，并将逻辑设计数据和连接关系保存至业务数据库及三维模型库中；在线缆自动敷设时读取终端设备编号、位置信息，并将线缆清册内的电缆信息保存至业务数据库及三维模型库。

所述工程数据管理平台还包括图档资料库，所述图档资料库用于存储图纸、文件和资料。

步骤S8的线缆自动敷设具体包括以下步骤：

S8.1：在三维ICAD平台中打开已经布置完终端设备的变电站三维模型，点击拓扑图生成按钮，选择终端汇控柜；

S8.2：三维ICAD平台自动识别土建模型中的所有墙体，将所有墙体视为潜在的通道；

S8.3：三维ICAD平台自动执行最短路径算法，找到每个终端设备连接到汇控柜的所有路径，通过比较得到最短路径；

S8.4：三维ICAD平台绘制所有路径，生成线缆敷设的拓扑图。

一种变电站智能辅助控制系统，该系统按照通过所述设计方法进行前端设备布置，屏柜、功能单元与前端设备的连接关系设计，二次回路辅助设计，生成线缆连接关系；根据线缆连接关系，实现自动线缆敷设设计；最终输出的智能辅助控制系统施工图得到。

本发明的技术方案，在整体上完善和实践专家策略库、典型设备库，规范智能辅助控制系统的三维设计模型和二维出图表达；规范智能辅助控制系统ICAD平台的整体框架、拉通各模块的数据，提出各功能的实现要求，明确输入输出接口规范，最终构建智能辅助控制系统三维ICAD平台；

在具体技术步骤中，梳理各智能辅助控制子系统的设计场景、设计规范及工程设计条件，规范智能辅助控制系统的模型颗粒度；实现环境监测传感器、火灾传感器的自动选型和优化布置方案，达到视频安防监控、红外探测等主动型探测器的有效探测范围的效果模拟、监控图像质量校验；拉通二次回路辅助设计的逻辑连接关系数据；线缆自动选型、敷设及路径优化。

最后，线缆自动敷设的具体技术措施，可以高效、准确地在所有线缆路径中找到最短路径。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法的流程示意图。

图2是二次辅助设计的流程示意图。

图3是三维ICAD平台的功能模块示意图。

图4是步骤S8应用三维ICAD平台自动敷设线路的示意图。

图5是生成的线路拓扑图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种基于BIM的变电站智能辅助控制系统设计方法，智能辅助设计是在变电站三维模型已经完成的基础上开始设计的，该设计方法基于BIM三维设计软件——Autodesk Revit软件进行开发设计，智能辅助控制系统ICAD以SQLServer数据库作为数据管理引擎，采用Autodesk Revit软件管理三维数字化模型，AutoCAD管理设计图纸资料。在数据库和图形引擎基础上，构建工程数据管理平台，包括工程设备库、业务数据库和三维模型库、图档资料库等数据服务模块，为应用功能提供数据服务。

如图3所示为三维ICAD平台总体功能模块，包括应用功能平台、资源管理平台、工程数据管理平台、数据库及图形引擎等。

资源管理平台包括模型校验规则、典型设备库、专家策略库，存储前端设备的选型规则、布置算法、场景化智能辅助联动控制策略，是ICAD平台核心规则的数据服务模块。

三维ICAD平台的应用功能平台包括三维设计模型校验、前端设备自动选型布置、前端设备效能仿真校验、二次回路辅助设计、线缆敷设设计五个功能模块；通过工程数据库实现业务数据的共享；完成变电站前端设备的自动选型布置、效能仿真校验，二次回路辅助设计及线缆敷设设计。成果输出层完成智能辅助控制系统的三维数字化模型、全套施工图、效能仿真报告及设备材料清册等设计成果的输出。

具体包括以下步骤：

S1：模型导入，基于BIM三维设计软件构建三维ICAD平台，将变电站三维模型导入三维ICAD平台中。其中，ICAD为Intelligent Computer Aided Design的简称，智能计算机辅助设计；三维ICAD平台即为深化变电站智能辅助控制系统设计软件，基于三维变电工程设计模型，开展智能辅助控制系统设计。

S2：模型校验，

模型数据校验的目的是为了检查变电站智能辅助设计系统所需要模型的参数信息是否完整，为了准确、高效的校验模型，根据模型定义规则开发校验工具，自动校验所选设备的模型属性信息是否满足要求。

模型校验的过程为：根据资源管理平台中的模型校验规则，参见表1所示的变电站功能区域校验信息表，采用三维ICAD平台中的模型校验功能对导入的变电站三维模型进行模型校验，判断变电站三维模型是否满足智能设计所提出的模型要求，例如：根据变电站功能区域命名规则表判断编号、名称是否正确；根据变电站功能区域校验信息表判断校验信息是否正确等；当不满足设计要求时，判定为未通过，并生成错误报告，然后返回，根据错误报告对变电站三维设计模型进行修改，然后对修改后的变电站三维模型重新进行模型校验，例如：当编号或名称不正确时，在三维ICAD平台中展示结果，并生成错误报告，根据展示结果和报告分析原因，指导设计人员对三维模型进行修改，其中，错误报告是将命名校验和信息校验中检查不通过的模型及原因梳理输出成校验文档；当变电站三维模型满足设计要求时，判定为通过，进入步骤S3。

表1 变电站功能区域校验规则表

S3：系统结构设计，对通过模型校验的变电站三维模型进行系统结构设计，配置变电站包含的子系统、功能模块、设施模块、站端设备、前端主机设备、前端设备类目，并输出系统配置图。

S4：场景配置，采用三维ICAD平台从资源管理平台的专家策略库中选择布置策略，根据选择的布置策略对完成系统结构设计的变电站设备进行场景配置，并输出空间对象和前端设备的配置结果；在场景配置时，可定位查看功能区域所在的三维位置。

S5：设备选型和布置，读取三维模型中区域信息，提取三维模型上房间或者空间模型中“区域名称”“区域编号”；以区域为节点提供设备定义、设备布置功能。设备定义，定义区域下的设备，并对设备进行选型，可选取工程库也可选取公共库中的设备；对于需要进行计算布置的设备如红外双鉴等，计算布置后，自动增加设备数量。

具体的选型和布置过程：采用三维ICAD平台调用资源管理平台上的专家策略库和典型设备库，通过规则、专家策略库和和典型设备库确定设备选型参数，根据选型参数采用自动或手动方式完成前端设备的选型及布置。选型及布置时，有的设备采用手动方式进行布置，有的设备可以采用自动方式进行布置，具体的，当选型及布置的设备为摄像机等主动型探测设备时，采用手动方式完成设备布置，摄像机分为“枪机”、“球机”、“云台”三种不同的摄像机形式；当选型及布置的设备为红外对射、红外双鉴等设备时，采用自动方式完成设备布置。

S6：效能仿真校验，采用三维ICAD平台对选型和布置后的变电站三维模型中的设备进行效能仿真校验，如表2所示，具体包括校验主动型探测器（如：摄像机）以及红外对射、红外双鉴设备的效能仿真，由设计人员判断是否满足需求，当不满足需求时，判断校验未通过，生成仿真报告，并通过手动布置对设备进行调整设备；当满足需求时，判断通过校验通过，并输出设备布点图和前端设备统计表；并将效能仿真校验过程中产生的数据保存至工程数据管理平台中的业务数据库及三维模型库内，工程设备库用于以单个工程为核心的设计数据统一管理。在平台标准库基础上，用户可通过工程设备选型的方式将标准库中符合本工程实际工况所需的具体设备记录选入，在选入的工程设备库基础上，对设备进行编辑，形成本工程自有的独立工程数据库。

表2 效能仿真功能表

以摄像机为例说明效能仿真校验过程：

（1）视角场景三维视图：以摄像机每个镜头，创建出监控范围的三维视图，即以摄像机不同视角所展现的监控范围场景视图。

（2）视角遮挡检查：检查摄像机的视角是否被其他模型遮挡，即检查监控范围内是否存在不需要监控的模型，若存在，则将模型以列表形式进行罗列显示，双击列表项，可定位模型。

（3）监控目标全覆盖检查：检查需要监控的模型是否被监控范围所覆盖，若没有完全覆盖，则将没被完全覆盖的模型以列表形式进行罗列显示。双击列表项，可定位模型。

（4）监控目标不在最佳监视距离内检查：检查需要监控的设备是否在摄像机监视距离内，若存在不完全最佳距离监视的，则将模型以列表形式罗列显示；双击列表项可定位模型。

（4）出具报告：支持将视角遮挡检查、监控目标全覆盖检查结果导出检查报告。

S7：二次辅助设计，采用三维ICAD平台首先根据前端设备统计表手动完成屏柜的配置，然后读取工程数据管理平台的业务数据库及三维模型库中的终端设备信息，根据读取的设备及屏柜等终端设备信息来配置设备之间的连接关系及线缆类型，并将逻辑设计数据和连接关系保存至工程数据管理平台的业务数据库及三维模型库中；同时，生成子系统配置图、线缆连接表和屏柜端子排图。

设计流程如图2所示，包括以下步骤：

（1）设备布置完成后根据厂家资料在设备工程库中完善设备参数；

（2）设备定义，将前端设备按区域读取到界面，为系统配置提供基础，并根据屏柜的定义功能，定义屏柜内包含的装置及端子排线信息；

（3）完成屏柜装置到设备的系统配置，可配置不同回路类型的连接关系，如电源回路、信号回路等；

（4）根据系统配置关系，配置屏柜内部装置的背板端子到屏柜管子排及设备的端口连接配制；

（5）端口配制完成后将设备到设备连接关系保存到此界面，并根据设计需要判断是否需要不同回路线缆合并及线缆规格的选型；

（6）根据以上设计结果，按照自定义规则，完成子系统配置图及端子排图的自动提取。

S8：线缆自动敷设，采用三维ICAD平台读取三维模型的终端设备编号和位置信息，根据线缆连接表及三维模型的终端设备编号和位置信息，结合通道设计要求完成线缆的敷设，并输出线缆清册，完成设计。

如图4和图5所示，线缆自动敷设具体包括以下步骤：

S8.1：在三维ICAD平台中打开已经布置完终端设备的变电站三维模型，点击拓扑图生成按钮，选择终端汇控柜，如图4所示；

S8.2：三维ICAD平台自动识别土建模型中的所有墙体，将所有墙体视为潜在的通道；

S8.3：三维ICAD平台自动执行最短路径算法，找到每个终端设备连接到汇控柜的所有路径，通过比较得到最短路径；其中，最短路径算法包括但不限于A*算法、Dijkstra算法、BFS算法等。

S8.4：三维ICAD平台绘制所有路径，生成线缆敷设的拓扑图，如图5所示。

一种变电站智能辅助控制系统，该系统按照通过所述设计方法进行前端设备布置，屏柜、功能单元与前端设备的连接关系设计，二次回路辅助设计，生成线缆连接关系；根据线缆连接关系，实现自动线缆敷设设计；最终输出的智能辅助控制系统施工图得到。

本发明改变了现有技术中采用二维软件AutodeskCAD进行电缆敷设设计的传统模式。通过将典设方案输入专家策略库功能。在进行感知终端布置时，选择待布置的感知终端，以房间为单位进行选取，程序匹配对应房间的感知终端布置策略进行一键精准布点。通过变电站智辅设备感知终端效能仿真功能，将感知范围可视化，设计人员对设计成果有直观判断，通过平台功能实现设计优化，可有效提升二次辅控部分的设计成果质量。智能辅控设备布置位置确定后，通过线缆自动敷设功能自动寻找前端设备与主控室主机屏柜之间的最优路径。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。