基于Digital-Twin 數字化水電站電子資產的建設研究

滕 彥

（上海勘測設計研究院有限公司， 上海 200434）

0 引言

著眼能源產業全局和長遠發展需求， 以改革創新為核心，以“互聯網+”為手段，以智能化為基礎，緊緊圍繞構建綠色低碳、安全高效的現代能源體系，促進能源和信息深度融合， 推動能源互聯網新技術、 新模式和新業態發展，推動能源領域供給側結構性改革，支撐和推進能源革命， 為實現我國從能源大國向能源強國轉變和經濟提質增效升級奠定堅實基礎。

隨著BIM 技術在國內的快速發展，BIM 技術可在大型水電工程的設計、施工、竣工及運維全生命周期階段發揮巨大的價值[1]。數字化水電站電子資產旨在利用先進的IT 技術為工具，采用先進的管理思想、強大的管理功能、領先的開發技術，建設一套完善的信息管理系統，對工程全生命周期的信息進行全過程管理， 從而達到保證水電站設備的安全可靠運行、降低總體運行成本、提高設備利用率和工作效率的目的， 并使其成為生產運營的信息平臺和可利用的高效管理手段。

1 Digital-Twin 數字孿生的介紹

Digital-Twin 數字孿生的基礎是BIM 技術，BIM 重點在于三維數據信息模型化，體現為如下幾層含義：首先直觀的三維數據信息模型在進行建筑單體建設時， 可以進行碰撞檢查、精確算量以及虛擬施工等一系列應用，實現了優化設計、精益管理的目的；其次BIM 技術提供一個持續的協同工作環境， 可以使項目中各個參與方都可以利用這個平臺及時溝通，共享項目信息，提高管理效率；第三BIM 技術中的數據信息移動交付可以提高對整個項目中工程數據信息的利用， 針對最終管控的目的進行有效的分類統計及數據挖掘， 實現運營主體的高效決策以及規模效應中體現的高盈利[2]。

BIM 并不能替代Digital-Twin，BIM 技術的應用主要基于設計和建造過程， 同時BIM 并不能對現實世界的操作做出反應，BIM 只是Digital-Twin 的一個關鍵輸入。

Digital-Twin 是對真實資產、流程及系統的數字表達，它不是一個靜態的過程，是基于多數據源的實時同步，其中的數據可用來進行預估及性能優化。 Digital-Twin 技術特征如下：

1.1 大體量

由以往傳統的文件級管理轉換為數據庫級數據管理，載體發生了改變。

1.2 面向過程的變更管理

針對不同階段不同版本的BIM 模型， 通過轉換服務將每一版BIM 模型的時間點、幾何屬性、物理屬性以及相關的圖紙、規格、分析模型等變更集存放進工程數據中心。了解引發變更的根源以及這種變更會帶來的影響對于項目的執行過程來講至關重要。

1.3 部署方式

以云部署及云計算為主。

1.4 跨平臺的應用方式

網頁、桌面、移動、大屏等客戶端均可使用。

因此零散的工程數據或BIM 模型并不能稱為Digital-Twin 數字孿生， 也無法進行數字化電子資產交付，只有數據與數據之間通過BIM 載體建立起關系才能真正形成數字化電子資產的核心。

2 數字化水電站電子資產的總體技術路線及關鍵點

2.1 總體設計思路

以三峽集團烏東德、白鶴灘水電站為項目載體，建立一個貫穿項目全生命周期的數據集成平臺， 其核心思想是通過統一的平臺存儲和管理項目全過程中完整的信息，建立文檔、記錄、資產、人員、流程和項目之間的橋梁，創造一個全生命中周期準確信息的生態系統， 利用數據信息為參與項目的所有部門服務。

基于Digital-Twin 數字孿生的技術特點，本項研究的設計思路從數據層面和關聯關系層面進行梳理。

（1）數據層面：數字化水電站電子資產的數據層面可分為兩大類：一類是用來描述水電站本身是如何組織。 包括烏東德、白鶴灘水電站的系統、設備、部件等信息，從項目的工程文檔及三維模型中獲得，例如三維模型、屬性數據、設備材料列表等；另一類是項目的管理類信息。指與項目建設過程相關的管理信息，包括進度WBS 分解、變更記錄、質量安全、管理人員等。 這其中既有階段性的靜態數據，又有整個過程的動態數據。 數據結構如圖1 所示。

（2）關聯關系：第二個方面是如何建立關聯關系，我們把它叫做數據信息模型。 數字化水電站電子資產的數據信息模型的規劃和建立取決于工程建設管理及最終運維管理要求的精細度。管理目標要求越細，數據信息模型越復雜。數據信息模型使用面向對象的內容存儲，可針對相關三維模型、所在系統、空間位置、人員組織等通過一定的編碼規則建立網狀關聯關系， 最終形成的數字化水電站電子資產模型可使不同的參與方通過不同的維度進行相關資料的檢索及三維定位， 同時根據各參與方的業務需求可衍生出不同的需求關系， 為各業務系統的對接提供基礎。

圖2 關聯關系

2.2 技術關鍵點

根據總體設計思路的梳理， 在數字化水電站電子資產建立的過程中有以下幾項技術關鍵點需要注意。

（1）水電站BIM 模型的建立[3]。構建全專業模型，包括地質、水工、水機、電氣、建筑等，模型到構件級，可按要求進行功能和空間的拆分及組合。 模型深度滿足企業標準Q/CTG 95 規范及竣工驗收的深度要求，模型需支持以輕量化格式輸出。

（2）水電站信息收集的規則。 如何完整、高效、可控的收集和提交工程數據的方法， 是本項目要研究的重點之一（數據質量檢查和管理）。 數字化水電站電子資產信息收集主要有兩大部分構成， 一個是設計信息的收集和整理理；一個二是施工數據的收集和整理。 烏東德、白鶴灘水電站的二維設計文檔一般由設計院提供， 可通過歸檔的設計院資料獲取圖紙信息。 施工管理數據主要由工程建設單位的施工月報、周報獲得。

（3）數據信息模型建立的規則。 數據信息模型的規劃和建立是數字化水電站電子資產的重點和難點。 數據信息模型的復雜程度取決于項目管理要求的精細度。

數字化水電站電子資產使用面向對象的內容存儲，例如， 一份典型的工程設計清單關系數據庫的實施可能會如下圖所示，所有的數據信息都在一排，以固定的格式顯示，如表1 所示。

表1 傳統的數據關系

在數字化水電站電子資產中， 這一排變成了至少四個對象，對象之間用一種關系相互關聯，由原來單一的一個關系變成了多種網狀關系，如圖4 所示。

圖4 面向對象的關聯關系

數字化水電站電子資產這種以對象為中心的特性允許數據可以自然地進行存儲， 并可以像現實世界物體那樣同其它組件建立關系。 例如，在設計系統中，工程師主要關心的是帶有位號的對象以及其設計參數。 從制造商需求的角度來看，模型的技術規格就變得更加重要。其所分配的位號對于他們來說，則沒有太大的關系。在水電站運維過程中， 運維人員主要是通過設備編碼來進行檢索和管理信息。 數字化水電站電子資產提供了一個信息集來存儲信息， 對每一個組件來說這樣的信息集都處于中心位置，而且信息集與信息集之間的相互聯系也不相同。但只要從一個組件，就可以迅速找到完整的關聯信息。

（4）編碼體系的建立。編碼作為唯一索引在數據信息模型的建立中顯得至關重要， 因此水電站的編碼體系不僅可用于標識各種不同類型水電站的系統、 設備和部件等， 也要能標識在水電站工程建設過程中涉及的各類信息，并作為各參與方之間聯系的紐帶，同時用于水電站生命周期的全過程，為整個系統提供良好的基礎數據平臺。編碼體系的組成如圖5 所示。

圖5 編碼體系結構

（5）工程數據中心建立。數字化水電站電子資產建設的主要工作量是工程數據中心的建設，以Digital-Twin 技術為基礎，既包括BIM 模型數據、管理數據，也包括傳統的文檔數據。 收集的原始數據是分散的，面向各自的專業領域，數據之間通常不存在關系。 工程數據中心的建設貫穿于整個項目過程，要將現有的各類信息進行集成，依據項目需求和條件，運用面向對象的方法，抽象出整個工程項目中的各類設備資產以及信息之間的關系。 工程數據中心的規劃和建立不是一個一蹴而就的過程， 需以螺旋上升的方式隨著項目工程需求的日益清晰而逐步完善，這也對工程數據中心平臺的可擴展性提出了較高的要求。

3 實施工作內容

以Digital-Twin 數字孿生的設計思路為基礎，在后續的實施過程中，主要有以下幾項工作：

3.1 資料收集及調研

（1）烏東德、白鶴灘規劃設計資料收集：與烏東德、白鶴灘工程建設部及相關設計單位對接，收集設計圖紙、設計文檔、計算資料、工程量清單等資料。

（2）烏東德、白鶴灘建設過程需求收集：與烏東德、白鶴灘工程建設部對接，主要部門為技術部以及合同部。 收集施工組織、過程管控、質量管理、安全管理、采購管理、合同管理、驗收流程和產生的信息類型及樣例。

（3）長江電力運行過程需求收集：與運行單位進行溝通，可依托溪洛渡等大壩進行運行階段業務需求分析，反向驗證白鶴灘、烏東德信息的完整性。

3.2 水電站BIM 模型建立

（1）模型范圍：根據項目建設的實際需要， BIM 模型實施范圍為烏東德、 白鶴灘水電站范圍內永久建筑物及涉及移民的淹沒區部分。

（2）模型規則：在建模過程中，需要根據BIM 軟件的特點確定四點規則：一是模型文件、構件命名規則；二是模型拆分和裝配規則；三是建模單位、坐標、高程、基點設置原則；四是模型色彩規定。

（3）模型深度：根據國標及企標要求，烏東德、白鶴灘水電站模型深度單元應不低于LOD3.0（施工深化深度），單元幾何精度達到G3 要求， 單元信息深度達到N4 要求。 在工程竣工后模型應深化到竣工模型深度，以配合運維需要。

（4）模型編碼：根據編碼規則在模型建立過程中針對土建、機電及設備進行編碼，編碼信息需寫入模型屬性規定字段中。

3.3 以Digital-Twin 為基礎的數據關聯與整合

3.3.1 應用需求

根據水電站業務梳理數據信息模型的應用需求，主要包括：

（1）設計：協同管理維度、模擬優化維度。

（2）工程建設管理：質量維度、HSE 維度、工程清單維度、成本維度、物料資源維度、單元工程、人員組織維度。

（3）運維管理等：監測管理維度、人員組織維度、資產管理維度、維護管理維度、調度管理維度。

3.3.2 數據的關聯與整合

以應用需求為目標，主要處理幾種形式的數據：三維BIM 模型數據、 以數據庫/XML/EXCEL 格式存在的數據信息、文檔信息、業務管理數據等。

（1）三維模型數據的輕量化轉換。三維模型數據加載主要通過輕量化轉換的方式實現。 一是將不同BIM 軟件的格式通過標準化服務轉換為構件級別的幾何和屬性數據存入數據庫中，便于后續數據利用；二是模型的版本管理， 將過程中的修改也作為模型的組成部分通過變更集的方式進行記錄存入數據中， 使各個時間點設計模型的變化變得透明可控，對于后期工程數據統計十分重要。

（2）EXCEL/XML 數據信息的導入。 對各專業的設備材料清冊進行導入。 將Excel 表中的數據轉換成XML 文件， 然后利用平臺提供的數據質量檢查服務將數據導入到平臺中。

（3） 業務管理數據的導入。 業務數據原則上由各個業務系統生成， 由業務系統保證數據完整性和準確性。初始數據可以由其他方式導入， 例如進度計劃從P6 或Project 軟件中直接導入、BIM 模型中的構件對象和工程驗收文檔的關聯可以通過平臺使用Excel 預先定義好管理關系后進行批量的數據導入， 最大限度減少數據導入的工作量。

（4）工程數據中心的對象關聯。工程數據中心存儲大量工程數據，基于不用對象的層次和邏輯關系，數據的關聯對象的層級也會有所不同，可提供指定關聯規則（如解析編碼字段規則，層級規則等）由系統自動進行數據關聯信息的錄入。

（5） 多維度數據展示。通過工程數據中心面向對象的網狀數據庫技術的構建，在系統中能以任意的維度展示相關信息。 例如：按系統功能分解展示、按區域分解展示、 按卷冊圖紙展示、按任意的管理視角展示等。 如圖6、圖7 所示。

圖6 按專業展示

圖7 按管理視角展示

3.4 相關技術文件建立

在實施過程中需要制定一系列技術標準文件， 以支撐數字化水電站電子資產整個過程的實施，主要包括：

（1）數字水電站交付要求：依托白鶴灘、烏東德水電站竣工移交的要求，制定BIM 模型的交付范圍、交付的模型深度以及交付內容等。

（2）數字水電站編碼規定：依托白鶴灘、烏東德水電站完成水電站水工建筑物及機電設備編碼規定及文檔編碼規定。

（3）數字化移交管理規定：依托白鶴灘、烏東德水電站制定數字化移交流程及配套的管理辦法。

4 結束語

雖然數字化水電站電子資產目前僅處于可研階段，其未來的實施不僅對提高水電站信息化管理水平和管理效率具有重要作用， 在提高社會效益方面也具有重要意義，且具有很好的行業示范效應。

（1）以Digital-Twin 數字孿生模型為核心，針對水電站正式運行前期，設計、施工以及監理單位所完成的各類相關文件、數據進行移交管理，對數據移交的過程進行控制，從而有效保證工程信息移交的時間、進度以及質量。

（2）為形成三峽集團層面工程交付數據中心打下基礎，通過后續數據的不斷積累為水電站運行維護全面實現信息化管理提供了良好的數據基礎， 極大地節省了后續相關運行維護管理系統建設的成本。

（3）基于全數據信息模型構建起的數字水電站將直觀地展示水電站全貌， 并能夠通過可視化的手段對基礎設施進行模擬和管理。 在提高管理效率的同時， 也為對外宣傳、 提升企業形象帶來巨大效益。