基于“BIM+”技術的水電站智慧運維管控平臺

黃 勇，賈新會，劉曉東，郭 園，侯彥峰，霍云超

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 概 述

水電站建設于深山峽谷之中，距離城區較遠，生產運行主要依賴于水工、機電等大量專業技術人員。鑒于電力生產的特殊性，水電站中控室一般都實行24 h值班制。這種傳統的水力發電運維模式，對人力、物力的依賴性較強，均不同程度地影響發電效益。近年來，電力產能不斷過剩，水電企業面臨經營困難等難題，有的甚至出現虧損，急需通過優化生產運維模式來降低運維成本,提高發電效益。惠州抽水蓄能電站、清遠抽水蓄能電站、魯布革水電站等均通過“遠程控制”或“集中控制”來減少水電站現場運行維護人員，從而降低了生產成本[1]。這種“遠程/集中控制”的運維模式對設備狀態、自動化水平、通信網絡、人員素質、交通設施均有更高要求，加之傳統運維觀念的影響，還難以大范圍推廣應用。隨著BIM、物聯網、大數據、移動互聯網、人工智能等技術的發展，大量學者及工程技術人員開始研究“BIM+”技術在水電站現地運維管理中的應用，在機組檢修[2-3]、設備管理[4]、故障智能檢測[5]、智能管控平臺[6]、工器具管理[7]、物資管理[8]等方面取得了一定成效。但這些應用僅是單一技術在水電站局部運維業務中的應用，沒有完全發揮出“BIM+”技術在水電站運維管理當中的集成應用價值。通過對水電站運維管理現狀的調查研究發現，當前計算機監控系統未覆蓋到的非主控運維管理項目，是容易忽視、難以管理、安全風險潛在的環節。因此,本文研究的水電站智慧運維管控平臺定位為水電站輔助運維管理平臺,作為計算機監控系統的補充,主要解決生產管理環節中生產效率低下、管理手段落后、人力物力消耗大等難題;通過“BIM+”在水電站運維管理中的集成應用,提高水電站生產運維效率和安全管控水平。

2 平臺建設思路

2.1 水電站運維管理現狀

水電站建(構)筑物結構復雜、設備管道繁多、生產運行方式特殊。現階段運維管理過程中存在的突出問題如下：

(1) 數據孤島現象嚴重

在役水電站都建設有計算機監控系統、大壩監測系統、視頻監控系統、生產管理系統、資產管理系統、檔案系統等系統之間相關獨立，系統數據難以共享，數據的管理、查詢和應用耗費大量的人力、物力，數據對水電站運維的支撐能力難以發揮，信息不對稱現象嚴重，已不符合當前數據共享的信息化應用趨勢。

(2) 人力成本居高不下

水電站設施設備復雜、運檢專業性強，對水工、機械、電氣等專業運維人員的素質有較高的要求。巡視巡檢、物資盤點、工具管理、檔案數據錄入等生產運維工作繁重，對人力資源的消耗較大。傳統依靠大量專業人員進行在役水電站生產運維的模式，已經成為影響水電站發電成本和發電效益的重要因素之一。

(3) 安全問題日益突出

水電站運維管理屬于技術密集型工作，安全生產的重要性不言而喻。由于工作環境偏遠，交通、通訊、生活不便，在役水電站人員流動頻繁，專業運維人員流失嚴重，導致違規、違章操作頻發，已成為影響水電站安全生產運行的重大隱患。

2.2 平臺建設內容

水電站智慧運維管控平臺建設，在總體思路上要著眼于水電站信息共享困難、人力成本居高、安全管控手段低劣等問題，通過BIM、物聯網、移動互聯網等技術應用，提高生產管理的數字化、智能化水平，提升水電站的整體運維能力和生產管控能力。

(1) 數字化建設

利用BIM技術構建與真實物理電站對應的三維數字化電站，將實體電站每一個部位的構(建)筑物、設備、管線對象化、虛擬化，將相關的信息化、文檔化的內容轉變為統一的標準數據存儲，并以三維數字化模型為載體統籌管理電站數據，從而實現電站設施設備的精細化、可視化管理；將電站監控系統、五防系統、ERP系統和其他生產管理系統的數據映射至與之相關的三維數字模型上，通過三維數字模型實現各類數據的實時查詢、數據獲取、數據分析、數據管理，消除信息孤島，提高生產運維效率。

(2) 智能化建設

充分應用物聯網、移動互聯網等現代信息化技術，提高水電站智能化水平。對工器具、物資、資產管理等耗時、耗力的工作，應用RFID射頻技術等進行智能化管理，提高工作效率；針對重點生產區域，應用人員定位追蹤、智能識別等技術進行智能化管理，提高安全管控能力；針對綜合服務管理等非生產工作，應用互聯網、移動APP等技術，實現員工生活的網絡化、移動化，滿足電廠運維人員在枯燥的生活環境中對美好生活的向往。

2.3 平臺建設目標

(1) 三維可視化管理

建設三維數字化水電站，在三維空間維度下管理電站設施和設備，消除管理盲區，更準確、直觀；利用三維數字電站實現各類檔案數據和實時運維數據的網絡化、可視化查詢，讓數據獲取更便捷、信息傳遞更準確；通過在三維虛擬環境下進行仿真培訓、巡檢練習等，快速掌握電站運維工作要點，提高培訓、學習的效率和效果。

(2) 智能化管理

通過RFID標簽、RFID讀寫器、RFID自動掃描設備的應用，實現電站工器具、資產、物資的智能化管理；通過室內定位通信設備、智能鎖具、智能攝像圖等智能設備的應用，實現生產作業過程和安全管控區域的智能化管理。

(3) 移動APP應用

開發水電站智慧運維APP，通過手機APP進行生產運維狀態查詢、工單派發、問題上報、流程處理等工作，實現“掌上辦公”，提高生產運維效率；通過手機APP進行培訓學習、考勤簽到、物業報修等，實現“掌上生活”，為員工生活提供便捷服務。

3 平臺總體架構

水電站智慧運維管控平臺總體架構分為4層，如圖1所示。

圖1 水電站智慧運維管控平臺系統架構圖

(1) 對象支撐層

對象支撐層包括主機、網絡、存儲、數據庫、機房等，是水電站智慧運維管控平臺的基礎設施層。

(2) 數據采集層

數據采集層一方面通過手機、RFID等智能設備獲取生產運維數據；另一方面通過與電站監控系統、五防系統、ERP和其他信息化系統的數據接口獲取電站實時運維數據。數據采集層采集的數據包括基礎數據、監控數據、安防告警數據、運行指標數據、產生管理數據和綜合管理等非生產數據。

(3) 功能模塊層

功能模塊層按照業務、應用的不同分為數字電站管理系統、智能生產管理系統、智能安全管控系統、綜合服務管理系統等四大業務子系統。

(4) 終端層

終端層包含PC端、手持機客戶端和移動手機客戶端3層應用，PC端主要進行生產管理、業務管理、數據管理、權限設置等；手持機客戶端主要進行工器具、設備、資產的掃描入庫、借還登記、盤點查看等；移動手機客戶端主要進行信息查詢、工單派發、問題上報、流程處理等“掌上辦公”和培訓學習、考勤簽到、物業保修等“掌上生活”。

4 平臺系統功能

水電站智慧運維管控平臺分為數字電站管理系統、智能生產管理系統、智能安全管控系統和綜合服務管理系統四大子系統。

4.1 數字電站管理系統

構建基于三維數字化電站模型的數據相互關聯、相互映射的三維可視化數據管理系統，主要解決電站數據管理混亂、數據查找效率低下、數據分散、數據壁壘等問題，同時將其拓展應用至仿真培訓、虛擬巡檢等方面，用數據來支撐運維，從而提高工作效率，降低培訓、巡檢等成本。數字電站管理系統包括三維模型展示、歷史數據查詢、生產數據查詢、數字檔案管理、三維虛擬巡檢、三維虛擬培訓等模塊。

(1) 三維模型展示

三維模型展示是在數字電站三維設計成果的基礎上，針對電廠運維管理的實際需求，通過模型整合及輕量化處理，提高模型操作的流暢性。結合水電站土建、設備、設施的管理側重和對模型操作的需求，采用多重LOD(Levels of Detail)技術進行模型輕量化處理，在不影響視覺效果的前提下根據空間距離變化視點周圍的物體精度，距離越遠加載的模型越粗糙，距離越近加載的模型越精細，從而提高顯示效率并降低存儲。三維模型展示包括電站設施(設備)模型三維瀏覽、空間位置查詢、幾何信息查詢、隱藏顯示、突出顯示等功能，對設施、設備、管線等資產進行多維度、可視化管理，如圖2所示。

圖2 數字電站管理系統三維模型展示圖

(2) 歷史/生產數據查詢

以三維數字化模型為載體，將各種歷史數據、生產數據統一關聯至相應的設備(管道/建筑物))三維模型上，形成一個實體設備(管道/建筑物)對應一個三維數字模型、一套數據、一個后臺數據庫和一個查詢系統，實現電站數據的快速查詢和集成管理。采用基于編碼的數據智能關聯技術，將電站監控系統、五防系統、ERP系統和其他生產管理系統的數據通過編碼映射至與之相關的三維數字模型上，實現基于數據驅動的數據可視化查詢功能。歷史/生產數據查詢提供結構樹點選查詢、點選模型查詢、搜索查詢等數據查詢功能，如圖3所示。

圖3 數字電站管理系統數據查詢圖

(3) 數字檔案管理

以三維數字化模型為載體，將電站各類圖紙、報告等檔案資料進行電子化，并按照一定的編碼標準和命名規范進行標準化處理，關聯至相應的三維數字模型上，以三維數字模型為載體統籌管理檔案信息，規范檔案管理、提高檔案查詢的效率。數字檔案管理提供檔案目錄查詢、點選模型查詢、搜索查詢等檔案查詢功能，如圖4所示。

圖4 數字電站管理系統檔案查詢圖

(4) 三維虛擬巡檢/培訓

基于三維數字化電站，結合水電站管理操作、運行維護、巡檢巡視規定等，實現在三維虛擬環境下進行虛擬巡檢、虛擬培訓等工作。三維虛擬巡檢/培訓包括場景瀏覽、模擬練習、考核評估等功能。

4.2 智能生產管理系統

綜合應用RFID、移動APP、智能定位、遠程控制等技術應用，構建基于RFID的智能盤點、智能統計、閉環管理、定位追蹤、遠程控制、智能統計分析的智能管理系統，主要解決工器具、物資、資產、安防門、接地線管理等耗時、耗人、耗力的問題，讓管理智能起來、高效起來。智能生產管理系統包括智能工器具管理、智能物資管理、智能資產管理、智能地線管理、智能安防門管理、智能消息管理等模塊。

(1) 智能工器具/物資/資產管理

智能工器具/物資/資產管理按照一物一標簽(RFID標簽)的模式進行管理，通過RFID技術實現工器具/物資/資產的全壽命周期管理、智能盤點、智能借還、智能定位和工器具柜遠程工程，從而實現精細化、智能化管理。智能工器具/物資/資產管理包括入庫管理、盤點管理、借用管理、定位追蹤、報損管理、統計分析等。其管理流程如圖5所示。

圖5 智能工器具/物資/資產管理流程圖

(2) 智能地線管理

地線管理在水電站日常生產中非常重要，操作不當極易造成安全隱患及人員傷亡，但卻是水電廠信息化系統覆蓋不到、管理人員容易忽略的地方。智慧地線模塊能自動識別、監測地線位置及狀態，操作人員需要通過手機APP授權解鎖地線樁，地線樁和地線智能匹配檢測，匹配錯誤自動報警，匹配成功自動鎖死，從而防止地線的不當操作，其管理流程如圖6所示。智慧地線管理包括地線位置識別、地線信息識別、地線狀態監測、地線智能匹配、手機APP解鎖、緊急解鎖、異常報警等功能。

圖6 智能地線管理流程圖

(3) 智能安防門管理

安防門管理是水電站比較繁瑣、枯燥的管理工作，耗費人力物力，也是水電廠信息化系統覆蓋不到、容易被忽視的地方。智能安防門管理模塊通過遠程控制安防門開關、人員進出智能監控、手機APP授權開關安防門等智能化應用，減少管理人員、減輕工作量。智能安防門管理包括安防門狀態監控、遠程開關、手機APP授權開關、人員進出監控、異常報警、信息查詢、記錄追溯等功能。

(4) 智能消息管理

智能消息管理主要是及時、準確發布并推送水電站生產運維實況，生產運維人員可通過電腦端、手機端等多種途徑及時發布和接受。智能消息管理包括消息上報、消息審核、消息發布、消息自動接收等功能。

4.3 智能安全管控系統

構建基于三維精確跟蹤、視頻聯動控制、安全帽識別、人員超數報警、語音智能提示的安全一體化管控系統，針對重點施工、維修區域，通過警告、提示、監控等方式，提高作業區、施工點等安全薄弱環節的安全管控水平，最大程度地保障施工作業人員安全。智能安全管控系統包括人員超數報警、三維精確跟蹤、視頻監控聯動、警戒區域預警、智能語音播報、安全帽識別等功能,如圖7所示。

圖7 智能安全管控系統示意圖

4.4 綜合服務管理系統

針對綜合服務因素多、工作量大、容易被忽視等因素，開發手機APP系統，簡化培訓、考勤、用車、物業、員工用餐等工作流程，為員工提供更多的便捷服務，讓員工實現“掌上生活”，滿足水電站生產運維人員在艱苦環境下對美好生活的向往和追求。綜合服務管理系統包括智能培訓管理、智能考勤管理、智能餐廳管理、智能用車管理和智能物業管理等模塊。

(1) 智能培訓管理

通過手機APP實現業務學習、圖書借閱、培訓考試等工作，讓員工充分利用碎片化時間完成學習任務。智能培訓管理包括：培訓課堂、考試中心、掌上圖書館、學習排行榜等功能。

(2) 智能考勤管理

通過手機APP實現打卡、報表統計和出勤情況統計。智能考勤管理包括：考勤打卡、信息查詢、統計分析等功能。

(3) 智能餐廳管理

提前通過手機APP預定餐食，加班員工也能吃上熱乎、心儀的飯菜。智能餐廳管理包括：餐食預定、菜品查詢、充值繳費等功能。

(4) 智能用車管理

通過手機APP實現班車發車提醒、到站提醒，擁堵查詢，合理安排乘車時間，避免等待時間長、錯過乘車時間等。智能用車管理包括：用車申請、發車提醒、到站提醒、擁堵查詢等功能。

(5) 智能物業管理

通過手機APP實現物業保修，足不出戶，享受便捷服務。智能物業管理包括：物業保修、工單查詢等功能。

5 結 論

(1) 本文在深入分析水電站運維管理現狀的基礎上，應用BIM、物聯網、移動互聯網等“BIM+”技術構建了水電站智慧運維管控平臺，有效補充了水電站監控系統的不足，強化了生產運維盲區的管理，提高了水電站數字化、信息化的應用水平。

(2) 本文通過“BIM+”技術在水電站數據管理、檔案管理、仿真培訓、工器具管理、資產管理、物資管理、安防門管理、地線管理、安全管理、考勤管理、物業管理等方面的應用，實現了運維管理工作的可視化、智能化和移動化，提高了生產運維效率和安全管控水平，提升了水電站整體運維水平。

(3) 水電站是一個復雜的系統，運維管理工作范圍廣、內容多，相關研究及運維管理人員需要調整思路、大膽創新，充分利用云、大、物、移、智等技術提升水電站運維管理水平，最終實現水電站運維過程的數字化、智能化甚至智慧化管理。