海上風電工程全生命周期數字孿生解決方案

金 飛，葉曉冬，馬 斐，滕 彥

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

海上風電近年來在技術革新和國家政策的驅動下實現了跨越式發展，進入了大規模開發建設階段，這對工程建設的質量和效率提出了很高的要求。海上風電工程涉及范圍廣，工程復雜度高，具有建設條件復雜、專業種類眾多、可到達性差、運行維護困難等特點。同時，近期國家能源主管部門出臺了一系列海上風電建設管理和價格政策，明確了海上風電的補貼退坡的節奏，更突顯了海上風電全生命周期的精細化管理和成本控制的重要性[1]。因此迫切需要通過數字化和信息化等手段，推動海上風電工程高質量高效率發展。

近年來數字化智慧風場的建設成為業內的一個熱點，圍繞體系架構[2]、解決方案[3]、項目管理[4]、運營維護[5]等方面做了很多研究工作。然而，大多數研究只關注工程規劃設計、施工、運維中某些階段，目前國內能夠覆蓋海上風電全生命周期的數字孿生研究尚處于起步階段。

對于海上風電工程規劃設計階段，上海勘測設計研究院有限公司在數字化方面做了很多研究與應用[6- 7]，創建了三維協同設計平臺，建立了完整的全專業海上風電場三維數字化模型，以整體風電場全專業BIM模型設計為核心，在BIM模型的基礎上進行碰撞檢查、設計優化，避免后續施工階段出現大量返工工作；通過參數化建模等創新應用提高設計效率與質量。

對于海上風電工程施工階段，基于BIM技術的項目管理系統能夠基于BIM模型對各類項目實現可視化管理，以BIM模型的變化更新來反應現場實際施工進度和成果，實時掌握施工進程[8]，并同時利用BIM施工方案模擬可以對施工的重點或難點部分進行可見性模擬和分析，提高施工方案的可執行性。

對于海上風電工程運維階段，目前設備資產的資料信息分散缺少統一的管理體系。同時風電場設備監測、環境監測等各業務系統的獨立造成了數據孤島，缺少業務協調。現有多數監控系統界面根據業務類型劃分子系統，運行人員要查看多個子系統數據時需要來回切換界面窗口或多屏查看，增加了無效操作時間，無法有效提高工作效率。

1 難點與關鍵點

1.1 全生命周期數字孿生體系

目前針對海上風電工程單個建設階段已有數字化實施案例，而能夠覆蓋全生命周期的數字孿生體系研究是一個難點，其關鍵在于BIM模型及數據能夠在規劃設計、施工、運維階段中得到繼承、深化與提升。基于規劃設計階段建立的BIM模型，施工階段進行模型深化，并賦予施工屬性信息，竣工時形成數字資產；運維階段基于前述階段的BIM模型，將實時監測數據與模型互聯，并進行相關應用。由此建立的全生命周期的數字孿生體系能夠充分發揮數字孿生的優勢，提升工程數字化價值。

1.2 信息分類與編碼標準

由于國內海上風電行業發展起步較晚，尚未形成成熟的編碼體系。而海上風電與其他傳統能源相比，有著很多不同點，需要建立起符合海上風電工程的信息分類和編碼標準，實現數據信息模型的唯一索引，標識各種不同類型的系統、設備和部件，同時標識在工程建設過程中涉及的各類信息，如各類文檔、單元工程、人員、組織等，并作為各專業設計人員，采購人員，項目管理人員、現場施工人員、運營維護人員等之間聯系的紐帶。

BIM模型需要與施工進度計劃、項目成本、運維監測數據等數據的進行雙向關聯，模型關聯上述數據后，能夠在瀏覽模型的過程中，查看任一構件對應的進度計劃節點工期、清單工程量和造價、設備監測狀態等信息[9]。模型與業務數據的關聯，可以提供給不同業務人員和項目參與方獲取所需的信息，在同一個模型的基礎上，確保項目數據的一致性，并能夠直觀地通過模型可視化的方式呈現。

1.3 全生命周期的數字資產體系

為了提高設備資產在全生命周期中所產生信息的高利用率，需要將各階段的資料信息進行數字化處理以數據庫形式儲存，并使用一個唯一索引將數據庫與設備資產關聯，形成物理設備的數字資產體系，如圖1所示。

圖1 數字資產體系示意圖

2 解決方案

海上風電工程全生命周期數字孿生解決方案以BIM技術為核心，結合GIS、數字孿生、大數據、人工智能等前沿信息技術，服務海上風電工程規劃設計、施工、運維階段，實現全生命周期內的智能化、數字化、信息化的創新運用。BIM模型及數據在全生命周期內中得到繼承、深化與提升。以下按照規劃設計、施工、運維各階段進行方案內容的詳細介紹。整體方案的架構如圖2所示。

圖2 全生命周期數字孿生解決方案架構圖

2.1 規劃設計階段

2.1.1主要功能

智慧規劃設計平臺能夠實現風場智能選址布局、環境條件分析，并且集成海上風電設計過程各專業所使用的各類工具，為各專業協同設計提供了基礎。充分運用BIM、大數據、云計算等新一代信息技術，融合了氣象信息庫、時序數據庫、GIS地圖服務、圖形引擎、各類算法庫等服務支撐工具，在規劃階段可為用戶提供包括測風數據評估、風電場宏觀、微觀選址及發電量計算、風資源評價、地形圖生成及處理、工程海域波浪要素設計等功能，結合造價信息管理平臺得出的經濟評價，得出最優的風場布局與風機規劃布局方案。通過三維協同設計平臺整合包括風機機組、海上升壓站、海纜及地形地質在內的BIM信息模型和GIS模型，實現設計可視化、審核智能化，減少了過程協調中各種資源消耗。

三維協同設計平臺可實現碰撞檢測、凈高分析、管道綜合優化、工程自動算量、三維出圖、場景漫游等功能。通過智慧設計平臺對整個新能源電站的設計工作流程進行統一管理和控制，實現信息的集中存儲和訪問，并對校核或審批權限進行管理。通過協同工作模式減少過程協調中各種資源消耗，避免設計時專業間的碰撞問題和重復修改的過程，提高設計過程的效率和設計質量。

2.1.2創新應用

(1)智慧選址

智慧規劃設計平臺基于云計算技術構建，能夠輸出全國任意區域200m×200m精度格點數據、風資源分布圖譜信息(如圖3所示)；基于GIS空間分析技術，將風資源分布圖、海圖、海洋功能區劃圖、海洋氣象信息加載到同一地理空間進行綜合分析，分析結果為風資源評估、海洋環境評估提供可靠依據。平臺可根據分析結果提供風電場的宏觀、微觀的推薦選址。確定選址后，平臺可自動規劃裝機容量。

圖3 風資源圖譜分析

(2)參數化單元庫與出圖

對于鋼結構節點、電氣橋架等復雜結構的建模難點，平臺創新性地利用BIM軟件的自定義參數化功能，將海上升壓站鋼結構中的常用節點類型以及電氣橋架通過參數化編程的方式制作成單元庫(如圖4所示)。參數化單元庫在不同項目中快速調用，大大提高建模效率。同時，配合二維切圖，可以將三維模型快速轉換成二維圖紙，同時支持二維圖紙與三維模型聯動，參數化修改的參數能夠反映在二維切圖中，大大提高了出圖效率。

圖4 參數化單元庫

2.2 施工階段

2.2.1基本功能

智慧施工管理平臺為工程建設參與單位提供BIM協同工作平臺與管理數據中心。BIM協同工作平臺以集成各專業的BIM模型為核心載體，關聯施工過程中的進度、質量、安全、文件、工程量等信息，利用BIM模型的形象直觀、可計算分析的特性，為工程的進度、質量管控等提供數據支撐，為工程建設參與單位提供全階段的信息查詢與分析服務。施工管理數據中心將施工階段中產生的管理數據進行集成與融合。各參與方可在基于BIM的智慧建設管理平臺上進行模型變更管理；建設方可利用平臺基于輕量化的BIM模型進行動態可視化的進度計劃管理、質量管理、安全管理以及成本管理模塊的應用及數據填報，利用平臺更有效的實現工程進度的動態控制，進而提高施工質量和有效控制施工進度。

2.2.2主要應用

根據設計階段的BIM模型，進行施工深化。對深化后的BIM模型進行4D施工組織方案模擬，根據風電工程分部分項劃分情況、施工節點進度、工程施工特點及現場實際情況，對三維模型進行實體切割，形成可以反映施工作業對象和結果的施工作業單元實體模型，再與施工進度相鏈接，形成4D施工資源信息模型，根據構件選擇施工機械及機械的運行方式，確定施工的方式、順序和所需臨時設施及安裝位置，通過預演進度對整體施工方案進行優化及調整。同時，對專項BIM施工方案模擬，對重要的施工環節或采用施工工藝的關鍵部位等施工指導措施進行模擬和分析，以提高計劃的可執行性，進度模擬示意圖如圖5所示。

圖5 施工進度模擬

2.3 運維階段

2.3.1全生命周期公共信息模型

應用數字孿生技術建立設備資產的全生命周期公共信息模型(CIM)，如圖6所示。以前述兩階段的BIM模型為載體，資產編碼為紐帶將設備資產在建設期、運營期所產生的各類信息數據進行網狀關聯，在后端數據庫中以資產編碼作為唯一索引可迅速各維度的關聯數據，前端采用一個界面同時展示設備資產所有關聯數據。

圖6 公共信息模型

2.3.2虛擬風場

應用BIM+GIS技術建立還原海上風電場虛擬場景模型(虛擬風場，如圖7所示)。以GIS地圖為底板，在其上構件海洋、風機機組、海纜、海上升壓站等模型，將設備運行監測、狀態監測、故障告警預警、環境氣象監測等數據與模型進行關聯，運用模型的可視化效果更直觀的展現數據，在同一個界面中用戶能更全面地掌握風電場全局信息[10]。

圖7 虛擬風場

2.3.3智能預警

結合預警智能算法，系統可對監測數據進行分析，判斷故障類型、自動報警/預警并發起運維流程，結合排程智能算法，系統可生成最優運維計劃并自動派單，運維人員通過手持終端記錄整個運維過程并反饋系統完成業務閉環，智能預警示意圖如圖8所示。

圖8 智能預警

3 結語

海上風電工程全生命周期數字孿生解決方案基于“全生命周期管理”的核心思想和BIM技術，突出“創新、優質、智慧、綠色”理念，為用戶提供技術先進、管理創新、電網友好、生態和諧的智慧風場規劃建設運營一體化解決方案。以BIM模型為核心，覆蓋海上風電工程全生命周期內各參建方的各類相關文件、數據、信息，并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，利用數字孿生技術助力海上風電工程實現降本增效。