基于BIM+GIS抽水蓄能電站數(shù)字化交付平臺應(yīng)用研究

肖 凱，季懷杰

(1.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080；2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853)

1 概述

目前我國越來越多的抽水蓄能電站逐步建成投產(chǎn)，為電力系統(tǒng)運(yùn)行、新能源消納和節(jié)能降耗作出重大貢獻(xiàn)[1]。但由于抽水蓄能電站自身的特點，水工樞紐工程和地下廠房硐室群位于地下，特高壓設(shè)備長期運(yùn)行不停電，發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、一旦安裝發(fā)電長期運(yùn)行服務(wù)不大修，監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備種類、數(shù)量多且隱蔽性強(qiáng)，易造成管理人員很難對生產(chǎn)現(xiàn)場各類建構(gòu)筑物進(jìn)行全方位了解與跟蹤查詢，追溯工程記錄時只能靠工程報告或二維的設(shè)計圖紙回憶工程建設(shè)信息，缺乏直觀了解工程數(shù)字化交付內(nèi)容的手段[2]。

隨著BIM+GIS技術(shù)的快速發(fā)展，基于BIM+GIS技術(shù)的工程應(yīng)用服務(wù)越來越成熟和廣泛[3]。BIM貫穿設(shè)計、施工、運(yùn)維，都是對單體精細(xì)模型的設(shè)計管理[4]，注重于室內(nèi)細(xì)節(jié)的設(shè)計實現(xiàn)，但是其缺乏周邊地理環(huán)境信息，GIS技術(shù)注重地理環(huán)境的模擬與管理，可以對BIM數(shù)據(jù)起到支撐作用。BIM與GIS的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)由模型到圖紙檔案或者由圖紙檔案到模型的雙向檢索，室外到室內(nèi)的一體化管理。

2 抽水蓄能電站數(shù)字化交付

數(shù)字化交付是對工程建設(shè)階段產(chǎn)生的靜態(tài)信息進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)建至移交的工作過程，涵蓋信息交付策略制定、交付基礎(chǔ)制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗、信息移交和信息驗收[5]。數(shù)字化交付是設(shè)計成果交付的升級，是工程技術(shù)服務(wù)的延伸，是建設(shè)數(shù)字化電站的基礎(chǔ)[6]。

2.1 抽水蓄能電站交付現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的抽水蓄能電站資料交付是通過設(shè)計圖紙、文本標(biāo)注等載體實現(xiàn)的，其設(shè)計成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性只能依靠人工校核來實現(xiàn)。而目前電站數(shù)字化交付是利用建模技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、管理，其設(shè)計過程也是構(gòu)造數(shù)字化成果數(shù)據(jù)的過程。

電站數(shù)字化交付的核心數(shù)字模型主要是通過綜合BIM和GIS技術(shù)建立的。通過這種方式，可以建立電站虛擬數(shù)字模型和電站實體對象的映像，用于工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計劃、制造執(zhí)行等生產(chǎn)全流程，實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理。數(shù)字化電站交付后的數(shù)據(jù)可以用于仿真和生產(chǎn)優(yōu)化等領(lǐng)域，實現(xiàn)基于實體三維模型的仿真培訓(xùn)，實現(xiàn)可視化的生產(chǎn)績效管理和集中管控系統(tǒng)的集成應(yīng)用。

2.2 抽水蓄能電站數(shù)字化交付范圍

抽水蓄能電站數(shù)字化交付物應(yīng)滿足使用需求且應(yīng)充分表達(dá)專業(yè)交付信息集合。數(shù)字化交付范圍應(yīng)包含三維BIM模型、GIS(地理信息)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、文檔等。電站對象與三維模型、電站對象與地理信息數(shù)據(jù)、電站對象與屬性數(shù)據(jù)、電站對象與文檔等不同信息之間宜建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 BIM與GIS的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM 是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)。BIM 作為一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念設(shè)計到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程[7]。

BIM以工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)模型，通過構(gòu)建虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化、信息化技術(shù)為模型提供與實際結(jié)構(gòu)一致的信息庫[3，8]。而水利水電工程建設(shè)項目形式多樣、格式不一、精度不同的海量信息數(shù)據(jù)，在管理過程中容易形成信息孤島，進(jìn)而導(dǎo)致項目全生命周期中信息流失嚴(yán)重，一定程度上制約工程項目管理水平和效率的提高[9]。

三維GIS技術(shù)作為信息化的體現(xiàn)之一，在水利工程各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用層次也逐漸深入，其已從最初單純可視化過渡為集合空間分析、模擬、預(yù)測等多位一體的復(fù)雜應(yīng)用[10]。與BIM專注于精模，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，其處理的數(shù)據(jù)大多是模型外面的世界，強(qiáng)調(diào)空間地理位置[11]，將三維GIS與BIM技術(shù)融合，GIS提供專業(yè)空間查詢分析能力即宏觀的地理環(huán)境基礎(chǔ)可以拓展BIM的應(yīng)用價值，為BIM提供豐富的地理空間信息，實現(xiàn)宏觀與微觀的相輔相成。

4 BIM+GIS抽水蓄能電站數(shù)字化交付平臺功能設(shè)計

對勘探資料、設(shè)計圖紙等各種資料進(jìn)行整理歸集，將BIM和GIS模型整合后導(dǎo)入統(tǒng)一的管理平臺，建立模型與工程檔案的關(guān)聯(lián)關(guān)系。實現(xiàn)模型三維可視化瀏覽和交互，根據(jù)時間屬性實現(xiàn)施工進(jìn)度可視化，實現(xiàn)對文檔資料和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)BIM模型與文檔資料和教學(xué)課件關(guān)聯(lián)，完成系統(tǒng)管理后臺維護(hù)。功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

4.1 三維模型瀏覽

將電站對象以三維模型的形式呈現(xiàn)，提供對三維電站的定位、監(jiān)測、測量、交互瀏覽、剖切、顯示隱藏、透明顯示、屬性查看、文檔查看、課件查看和文檔搜索的功能。

(1)坐標(biāo)定位。記錄場景興趣點，方便用戶快速定位，在電站范圍內(nèi)自定義添加某一特定場景的興趣點坐標(biāo)，通過點擊創(chuàng)建的興趣點可以快速定位到該場景。

(2)實時監(jiān)測。選擇查詢監(jiān)測點詳細(xì)信息、查看報警點等功能。

(3)測量工具。支持坐標(biāo)測量、距離測量、垂直距離測量、水平距離測量和投影面積測量的功能。選擇坐標(biāo)測量，通過點擊三維場景中的某一關(guān)注點，即可標(biāo)出點擊位置的三維空間坐標(biāo)信息；選擇距離測量，通過點擊三維場景中的兩個不同的點位，則自動計算并顯示出兩點之間的直線距離；選擇垂直距離測量，通過點擊三維場景中的2個不同的點位，系統(tǒng)自動計算并顯示出兩點之間的垂直高度；選擇水平距離測量，通過點擊三維場景中的兩個不同的點位，系統(tǒng)自動計算并顯示兩點之間的水平投影長度；選擇投影面積測量，通過點擊三維場景中至少3個不同的點位，系統(tǒng)自動計算并顯示多個點位之間形成的投影面積大小。

(4)交互瀏覽。交互瀏覽包括動畫導(dǎo)航、地形透明、步行模式和2D模式。其中動畫導(dǎo)航即在電站范圍內(nèi)，創(chuàng)建三維場景的動畫，并可以根據(jù)創(chuàng)建場景播放；地形透明即根據(jù)需求不同程度設(shè)置地形透明度，將整體模型結(jié)構(gòu)更直觀展現(xiàn)；步行模式即通過鍵盤和鼠標(biāo)模擬步行視角瀏覽；2D模型即將電站以二維視圖展示。

(5)剖切查看。剖切有體剖切和面剖切，體剖切僅保留立方體框起來的模型，查看模型在xyz 3個方向上的空間剖切狀態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)方向和上下移動可進(jìn)行剖切面和剖切范圍調(diào)節(jié)，而面剖切是以無限橫截面的形式對模型進(jìn)行剖切，只能查看模型xyz一個方向上的空間剖切狀態(tài)。

(6)顯示隱藏。選擇三維場景中的模型構(gòu)件，對模型進(jìn)行顯示和隱藏查看。

(7)透明顯示。選擇三維場景中的模型構(gòu)件，對模型進(jìn)行透明顯示查看，查看設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件。

(8)屬性查看。選擇所需查詢的構(gòu)件，系統(tǒng)自動計算并顯示該構(gòu)件的屬性信息(幾何屬性和生產(chǎn)屬性)。

(9)文檔查看。選擇所需查詢的構(gòu)件，系統(tǒng)自動計算并顯示該構(gòu)件所關(guān)聯(lián)的文檔信息。

(10)課件查看。選擇所需查詢的構(gòu)件，系統(tǒng)自動計算并顯示該構(gòu)件所關(guān)聯(lián)的課件信息。

(11)文檔搜索。選擇文檔類型，輸入關(guān)鍵字進(jìn)行文檔搜索。

4.2 進(jìn)度可視化

通過選擇參與進(jìn)度可視化演示的工程模型設(shè)置模擬范圍，對選擇的模型賦予時間屬性，即開始時間和結(jié)束時間，平臺會根據(jù)工程模型的時間屬性自動計算播放進(jìn)度數(shù)據(jù)，動態(tài)演示工程施工進(jìn)度可視化仿真過程，在可視化過程中如果需要查看模型信息，暫停仿真選擇模型即可獲取模型進(jìn)度信息。功能流程如圖2所示。

圖2 進(jìn)度可視化流程

4.3 文檔管理

對數(shù)字化交付文檔進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供一種便捷的文檔管理方式，對電站設(shè)計生產(chǎn)的文檔進(jìn)行統(tǒng)一的管理。根據(jù)工程分解結(jié)構(gòu)創(chuàng)建的模型結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行文檔整理分類，形成文檔管理列表，然后通過單擊的形式可以查看文檔節(jié)點下所包含的文檔。

(1)節(jié)點管理。文檔目錄中提供了“添加根節(jié)點”“添加節(jié)點”“刪除”等功能，文檔目錄將不同工程的數(shù)字化交付文檔以工程結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行分類顯示，點擊不同的樹節(jié)點，文檔列表框會彈出該樹節(jié)點下對應(yīng)文檔，文檔類型含word、Excel、PDF、dwg等。

(2)文檔管理。文檔管理包括上傳文檔、預(yù)覽文檔、下載文檔、刪除文檔、刪除文檔所有關(guān)聯(lián)和查看關(guān)聯(lián)等操作，文檔管理的功能需要先選擇文檔然后執(zhí)行對應(yīng)功能。

4.4 文檔關(guān)聯(lián)

給模型結(jié)構(gòu)樹節(jié)點添加文檔關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立電站對象與文檔和課件之間的關(guān)聯(lián)查詢。查看文檔關(guān)聯(lián)關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)樹上右鍵單擊“查看文檔”按鈕，彈出文檔列表對話框，在該模塊可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系的刪除操作，根據(jù)文檔目錄選擇相應(yīng)的文檔，點擊“添加”按鈕將文檔加入到待添加的文檔目錄中，建立文檔關(guān)聯(lián)關(guān)系。查看文檔關(guān)聯(lián)關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)樹上右鍵單擊“查看課件”按鈕，即可查看模型對應(yīng)課件。

4.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理為管理員權(quán)限模塊，主要完成系統(tǒng)系統(tǒng)維護(hù)，功能包括場景定位管理、動畫導(dǎo)航管理、人員管理和權(quán)限管理的功能。

(1)定位管理。管理員對場景定位中興趣點的信息進(jìn)行增刪操作，配置場景定位中興趣點的信息。

(2)導(dǎo)航管理。管理員可創(chuàng)建新的動畫導(dǎo)航場景，同時也可對已有場景節(jié)點進(jìn)行增刪操作，配置動畫導(dǎo)航中的路線信息。

(3)人員管理。管理員查詢維護(hù)登陸用戶信息。

(4)權(quán)限管理。管理員對進(jìn)入平臺用戶設(shè)置權(quán)限角色和菜單權(quán)限。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)平臺在BIM和GIS模型基礎(chǔ)上匯集了電站的各種檔案資料，記錄電站的整個建設(shè)過程，是檔案管理工作信息化體現(xiàn)，讓電站運(yùn)維管理人員檢索資料更加便利、也更加直觀，目前該系統(tǒng)在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站已上線運(yùn)行。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于清遠(yuǎn)市清新區(qū)太平鎮(zhèn)境內(nèi)，與廣州直線距離約75km。電站裝設(shè)4臺32萬kW可逆式水力發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?28萬kW，最高凈水頭502.7m，滿載發(fā)電小時數(shù)為9.17h，是南方電網(wǎng)公司全資建設(shè)的第一座大型抽水蓄能電站，也是廣東省重大能源保障項目，電站整體建模效果如圖3所示。

圖3 電站整體效果

三維模型瀏覽和進(jìn)度可視化功能如圖4—5所示。可直觀查看電站結(jié)構(gòu)，通過工具也可執(zhí)行三維交互功能。

圖4 三維模型瀏覽功能

圖5 進(jìn)度可視化功能

文檔管理和文檔關(guān)聯(lián)功能管理著全生命周期所需文檔，并建立模型和文檔之間關(guān)關(guān)系，可有效實現(xiàn)兩者雙向關(guān)聯(lián)，解決文檔查找困難且不能清晰對應(yīng)的問題。如圖6—7所示。

圖6 文檔管理功能

圖7 文檔關(guān)聯(lián)功能

6 結(jié)論

數(shù)字化交付平臺不僅支撐著電站建設(shè)期的工程項目數(shù)據(jù)成果，滿足運(yùn)營維護(hù)期的業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)字化需求，而且具備對現(xiàn)有和未來發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，可有效支撐企業(yè)級數(shù)據(jù)挖掘、分析和輔助決策，蘊(yùn)藏了巨大的二次利用經(jīng)濟(jì)價值。