數字工程
——三維設計的擴展應用

2016-09-04 01:11:40陳明葉銳

中國建設信息化 2016年20期

文｜陳明葉銳

數字電站是信息化、數字化的虛擬工程。是把關于電站工程系統的原始數據流轉換成可以理解的信息，轉換成具有工程經濟價值的知識。以計算機技術實現數字電站的數據接收、質量管理、存儲、關系維護、數據應用、遠程同步傳輸、可視化綜合展示等功能，及時準確地管理電站的各類結構化、非結構化數據，實現電站數字信息的統一存儲。建立起一個科學、合理、與物理資產一一對應的虛擬資產，構建數字電站管理綜合信息應用。

海南瓊中抽水蓄能電站裝機容量600兆瓦，裝設3臺單機容量為200兆瓦的可逆式水泵水輪發電機組，電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、發電廠房系統、開關站和出線場等部分組成。由中國南方電網有限責任公司全額投資，調峰調頻發電公司負責建設，中國水電顧問集團中南勘測設計研究院負責勘測設計。海南瓊中抽水蓄能電站靜態投資約34.6億元，總投資約41.1億元。海南瓊中抽水蓄能電站投產后可降低海南電力系統火電機組年均調峰率10.87個百分點，提高系統火電年發電率用小時數374小時。同時，電站投運后可節省海南電力系統火電標煤耗16.31萬噸，相應節省系統燃料費13864萬元；同時可減少二氧化碳排放約42.7萬噸，減少二氧化硫及粉塵排放約0.14萬噸，使電網更好地服務國際旅游島建設并推動海南節能減排，對海南省社會經濟發展發揮重要作用。

圖1 海南瓊中抽水蓄能電站模型圖

管理高效、表現豐富、分析準確

在以數字化信息為資源、互聯網交互為動脈的時代，空間信息處理技術以信息、硬件、軟件和功能一體化的系統形式，展示了強大的發展前景和應用潛力。社會發展已走入了以數字、網絡等為標志的全方位信息化進程，數字地球、數字中國、數字城市，直至數字海洋、數字油田、數字礦山和數字煤田等，數字化趨勢已引起社會各界廣泛關注，相關應用數字工程相繼上馬。隨著國家節能、環保、綠色能源政策的推行，一批批在建水電站相繼投產的形勢下為推進企業資產的集約化、標準化、流程化管理，項目業主關注重點從水電站建設轉移到電站開發、建設與運營并重和均衡發展上，對工程全生命周期過程中的設計、施工、移交及運營提出了更高的要求。

“數字電站”從學科角度講，也稱“工程系統數字學”，是把關于電站工程系統的原始數據流轉換成可以理解的信息，轉換成具有工程經濟價值的知識。數字電站建設將使工程規劃管理具有更高的效率，更豐富的表現手法，更多的信息量，更高的分析能力和準確性，提高工程生產和管理的時效性、有效性、資源優化配置水平、綜合實力，促進工程的可持續發展。尤其是空間信息綜合能力與直觀表現能力，能在有準確坐標、時間和對象屬性的多維虛擬環境中，進行規劃、決策和管理，在處理工程復雜系統問題時，能幫助人們更好地建立全局觀念與模擬直觀感。

通過對海南瓊中抽水蓄能電站的數字化應用，無論業主公司還是工程公司均希望對工程項目的設計、建造、交付、運營過程進行標準的信息管理.通過客觀的數據反應、分析工程的全生命周期，以尋求高效的管理方案以及最佳的決策支持。

本項目以資產全生命周期管理和技術狀態管理等國外先進的管理理論為主要依據，針對抽水蓄能電站全生命周期中的技術和管理特點，利用海南瓊中抽水蓄能電站三維數字化模型，開展國外相關先進的資產管理理論和數字化技術在抽水蓄能電站全生命周期中的應用研究，基于三維模型建立海南瓊中電站的“工程信息模型”、“工程數據中心”這一與實體電站一一對應的數字電站。并根據業主需求以統一、可控的方式向相關業務系統提供數據，從而保障數據的有效性、標準性和一致性，或者建立相應的業務系統以支撐各參建方在工程施工、運維期的管理。

系統總體設計

系統支持異構平臺上的各種結構化、非結構化數據和信息的管理，支持通過內容管理系統不斷地收集、整理、驗證、管理數據，為工程管理提供有力的數據支持。系統邏輯設計架構如下：

系統可劃分為四層，包括：基礎數據層、工程數據中心層、信息服務層、業務應用層。

基礎數據層為數字電站的數據來源。由參建各方參與數據采集錄入，廣泛收集勘測、設計、施工、設備廠商相關資料，利用設計方提供的三維模型為水電站分階段建立涵蓋測繪、地質、土建、電氣、水機、暖通、給排水等配套設施及設備的工程三維信息模型。

工程數據中心層由設計方實現數字化抽蓄水電站的數據接收、質量管理、存儲、關系維護、數據應用、遠程同步傳輸、可視化綜合展示等功能，及時準確地匯總、管理抽水蓄能電站的各種數字化信息，包括工程邏輯主數據、工程文檔、歷史實測數據、三維模型、數據關系維護，實現電站數字化信息的統一存儲。

信息服務層利用先進的計算機技術及網絡技術根據業主需求提供系統應用方式。

業務應用層是根據業主需求定制開發相應的業務系統，例如施工進度管理、施工質量管理、施工安全管理等以滿足業主在工程設計、建設、運營期的管理。也可通過數據接口支持業主現有的信息化管理系統，例如P6、ERP等。

系統建設內容

工程三維信息模型。工程信息模型是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖五大特點。

由設計方提供的三維信息模型是工程數據中心的基礎。只有建立起一個科學、合理的數據模型才能夠實現和物理資產一一對應的虛擬資產。利用參建各方采集的數據以及由設計方提供的三維模型，通過數據質量校驗、數據標準化、數據集成成為“工程三維信息模型”進行數據輕量化處理，將其作為結構化數據發布至“工程數據中心”。

圖2 數字電站系統邏輯設計架構圖

工程數據中心。工程數據中心是以工程三維信息模型為紐帶，建立起反應工程全貌的信息架構。有機關聯工程對象所涉及的各類相關數據：設計資料（包括圖紙、算稿、規范、報告、修改通知單等）、施工資料（包括施工過程管理資料、施工質量管理、施工進度管理資料等）、監理資料、監測資料、運營管理資料（包括運營數據、設備運營狀態、設備檢修資料等）。形成覆蓋設計、施工、運營期的工程數據倉庫，并基于數據中心建立起公共信息服務框架以及運行時支撐環境。

數字電站業務應用系統

工程三維信息綜合查詢。工程三維信息綜合查詢是將海南瓊中抽水蓄能電站設計、施工、運維全生命周期的資料（包括圖紙、規范、圖片、影像、文檔、進度、報告、檢修記錄等）融合到三維模型中，實現工程信息的三維可視化查詢和關聯檢索。具備電站各系統屬性信息、圖檔資料、廠家資料、維護記錄等的多維信息查詢功能。建立起一一對應于實體電站的數字電站，實現水電站設計、建造、運營全生命周期數據管理。

施工進度可視化管理。研究結合P6編制的總進度計劃，將已有工程信息模型按WBS結構分解為適當粒度的進度模型單元，賦予進度信息，可依據時間開關模型單元顯示，實現施工過程的虛擬動態仿真。直觀展現施工范圍、層面及順序，使各施工包的邏輯關系清晰明了。通過進一步賦予場地、人、材、機、料等資源信息，使設備材料進場、勞動力配置、機械臺班等工作安排更合理、經濟，有效提高施工組織水平，消除相關隱患，防止事故，減少響應處理時間與成本，有助于業主進行項目精細化、高效化管理，增強施工過程中決策、控制與優化能力。

施工資源動態管理和成本實時監控。在現有的施工進度模擬方法的基礎上，應用遺傳算法進行費用均衡優化，將施工進度、三維模型、資源需求等與工程項目成本管理系統相結合，研究抽水蓄能電站施工資源的動態管理和成本實時監控，工期調整后的資源投入的合理選擇，提高施工項目管理水平和成本控制能力。

施工質量管理。質量監控主要指對水電工程施工質量進行實時監控和直觀展示，并支持進行可視化查詢和定位，主要包括：施工質量監控信息可視化查詢、單元工程質量信息可視化查詢、質量參數超標預警提示等。

施工質量監控信息可視化查詢：施工質量監控相關的數據通過與其所屬的工程模型空間對象進行關聯，可實現在三維可視化環境中對正在施工部位的施工質量信息的實時監控與展示，包括碾壓軌跡、施工質量相關監控和檢測參數，更直觀地監控工程施工過程、展示質量控制成效。

單元工程質量信息可視化查詢：將大壩及灌漿工程施工質量實時監控信息、PDA采集的工程施工質量信息、試驗檢測（原材料、設備、中間產品等）等信息集成于相應的單元工程對應的三維模型中，進行單元或分部工程質量進行全面分析，為單元工程、分部工程、單位工程質量評定進行決策支持。同時，利用單元工程對應的三維模型對象實現對相應單元工程施工質量檢測參數和評定結果的可視化查詢。

施工安全管理。對本項目在施工過程中存在的危險和有害因素進行辨識、分析，提出消除危險、有害因素及其發生條件的對策、措施，以確保建設工程項目的工程安全、施工安全和項目建設的有序進行。

提供安全培訓、安全檢查、安全措施、安全會議及安全事故方面的信息，內容應符合監理人的要求和安全管理辦法規定的有關內容：施工危險點、源的辨識及預測，工程安全、施工安全管理措施。針對本項目施工期可能發生的事故和所有危險源制定專項應急預案和現場應急處置方案，形成應急預案體系。

電纜敷設三維可視化管理。采用BRCM對電纜進行自動敷設，整個敷設過程，精確化三維建模，對電纜橋架、動力及控制設備等進行智能編號，自動計算電纜起點到終點的最優路徑，同時準確計算出電纜長度，模擬敷設整個廠房的電纜，取代了電氣專業手工實現電纜敷設的狀況，提高了工程設計質量。

表1 系統設計開發軟件工具

將電纜敷設成果，在運營期加以利用，并將電纜、橋架、設備之間的關聯關系直觀生動的體現在數字電站中，實現電纜精細化管控。

三維數字化巡檢系統。通過制定巡檢計劃，系統在三維場景中繪制出巡檢路徑，完成實際巡檢路徑與預設巡檢路徑的比對；采用巡視記錄表單、移動設備、二維碼、拍攝等多種手段采集巡檢數據，現場采集數據可通過移動、無線設備上傳至服務器。可在虛擬場景中漫游查詢巡檢記錄，檢查巡檢工作。系統能根據巡檢數據生成報表及分析圖，運維人員根據巡檢點異常記錄統計發起檢修任務。

移動互聯技術應用

隨著移動互聯網技術的普及，中國電建中南勘測設計研究院有限公司發布了海南瓊中抽水蓄能電站輕量化i-model模型。可以通過WiFi、3G網絡連接到平臺，也可以離線訪問下載的項目資源。可在移動終端iPad上直接查詢工程三維模型、圖紙、報表、工程文檔等。極大的提高了工程資料瀏覽的便捷性，方便監理、工程管理者實時查看對比設計方案與實體建筑，并采集錄入數據、照片、視頻資料。