寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)

陳慧清，黃 勇，王晨祥，霍云超，郭 園，馬月英

（1.青海省門源神牛水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 門源 810300；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)模式和數(shù)字經(jīng)濟(jì)大浪潮下，國家提出了水利信息化的重要戰(zhàn)略部署，將網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水利工程實際相融合，創(chuàng)新傳統(tǒng)水利工程的管理模式，提高管理效率，既可以降低管理成本，積極響應(yīng)國家的能源結(jié)構(gòu)供給側(cè)改革的大戰(zhàn)略，同時將新技術(shù)應(yīng)用到水利工程建設(shè)中去，緊跟科技前沿。

本文研究對象寺溝口水電站位于青海省門源回族自治縣境內(nèi)，是大通河干流上一座重要的水電站，其主要建筑物有溢流壩、泄洪閘及引水發(fā)電建筑物等組成。正常蓄水位為2424 m，總庫容500 萬m3，最大發(fā)電頭22 m，總裝機12 MW，保證出力2607 kW，多年平均發(fā)電量6425 萬kW·h。

現(xiàn)狀條件下寺溝口水電站管理水平較低，為提升電站管理能力和企業(yè)效益，充分保障該區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，亟需通過生產(chǎn)運維模式改革，建設(shè)以智慧運維管控和區(qū)域運檢中心為支撐的“無人值班，少人值守”的新型管理模式，這都要以水電站的數(shù)字化建設(shè)為前提，因此本文對寺溝口水電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。

1 數(shù)字電廠的發(fā)展及研究

通過對水電站數(shù)字化建設(shè)的研究探討，寺溝口水電站數(shù)字化改造已具備一定理論依據(jù)：一是對部分傳統(tǒng)水電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)表明，水電站的數(shù)字化建設(shè)將極大提高傳統(tǒng)水電站的信息化、可視化水平；二是云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺、5G、三維可視化等技術(shù)日趨完善，提供了技術(shù)基礎(chǔ)；三是國家政策支持，水利信息化建設(shè)已成為大浪潮，理論日益完善[1]。

目前，在國家政策的支持下，我國專家學(xué)者對水電站數(shù)字化深入研究，取得豐碩的研究成果。張宏等對數(shù)字化水電站的特點和優(yōu)勢進(jìn)行了闡述，驗證水電站數(shù)字化在技術(shù)上是可行的[2]；熊保鋒等認(rèn)為水電站數(shù)字化建設(shè)應(yīng)以全生命周期管理原則,以數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ),以智能控制為建設(shè)手段，以自動化、互動化、人性化為基本特征，突出安全、高效可靠、綠色環(huán)保、和諧友好[3]；桂遠(yuǎn)乾等根據(jù)數(shù)字化水電站的設(shè)計思想，提出來金沙水電站數(shù)字化開關(guān)站的設(shè)計方案[4]；張紅芳等以漫灣水電站為研究對象,提出了適合于漫灣水電站的數(shù)字化建設(shè)方案，研究結(jié)果表明,我國大中型水電站要實現(xiàn)數(shù)字化在技術(shù)上不光可行，且能是水電站更好地發(fā)揮社會精益效益[5]；肖平等以大崗山水電站數(shù)字化建設(shè)為例，總結(jié)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果[6]。

綜上，數(shù)字水電站建設(shè)技術(shù)上可行，應(yīng)用效果好，是順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)模式提升管理效率的必然。

2 水電站數(shù)字化構(gòu)架

數(shù)字化水電站，是從水電站自身特點出發(fā)，以國外先進(jìn)的管理理論為知識支撐，借助先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，建立水電站的全信息數(shù)字模型、數(shù)據(jù)中心、各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)等，來實現(xiàn)水電站的同一平臺化、智慧化，提高傳統(tǒng)水電站的管理水平[7]。

2.1 水電站全信息數(shù)字模型構(gòu)建

全信息數(shù)字模型建設(shè)是數(shù)字電站建設(shè)的基礎(chǔ)。全信息數(shù)字模型建設(shè)包括三維數(shù)字化建模、模型屬性完善、模型融合集成等。

（1）三維數(shù)字化建模。依據(jù)數(shù)字化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合水電站相關(guān)資料，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化逆向建模。建模的內(nèi)容包括首部樞紐、廠房、生活區(qū)、開關(guān)站等在內(nèi)的所有設(shè)備設(shè)施（水工建筑物、設(shè)備、管線等），建模標(biāo)準(zhǔn)及精度嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，模型組織結(jié)構(gòu)以方便應(yīng)用為原則、參照電廠運維管理模式進(jìn)行劃分。

（2）模型屬性完善。設(shè)備屬性完善是數(shù)字電站建設(shè)的重要步驟，也是電站數(shù)字化模型建設(shè)的重要內(nèi)容。對于一個設(shè)備，從設(shè)計、采購、制造、安裝、調(diào)試、到運維，都有大量的幾何參數(shù)和物理參數(shù)。只有將這些實際參數(shù)和信息附加至相應(yīng)的三維模型上，模型有了信息，虛擬模型和實際設(shè)備才會產(chǎn)生關(guān)系，虛擬模型才能用于實際模型的管理。

（3）模型融合集成。水電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由地質(zhì)、壩工、泄水、廠房、水機、金結(jié)、給排水、暖通、消防等多專業(yè)組成。不同專業(yè)采用的三維建模軟件也各不相同，從而導(dǎo)致整個電站的模型是孤立、分散的。因此，需要在各專業(yè)三維建模的基礎(chǔ)上，通過模型轉(zhuǎn)換工具將不同的三維模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式并進(jìn)行融合集成。

2.2 水電站全壽命周期管理系統(tǒng)建設(shè)

以水電站全信息三維數(shù)字模型為載體，設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)為核心，構(gòu)建水電站全壽命周期管理系統(tǒng)。水電站全壽命周期管理系統(tǒng)包括三維綜合展示模塊、數(shù)字化文檔管理模塊、數(shù)字化設(shè)備管理模塊、仿真培訓(xùn)模塊等構(gòu)成。

2.2.1 三維綜合展示

將水電站所有設(shè)施設(shè)備三維模型在統(tǒng)一平臺上進(jìn)行展示，并按照統(tǒng)一的空間對象及數(shù)據(jù)編碼規(guī)則關(guān)聯(lián)集成設(shè)備全面綜合信息數(shù)據(jù)（如設(shè)備狀態(tài)信息、缺陷信息、臺賬信息、物資信息、文檔等），在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的集成展示、查詢共享、統(tǒng)計分析等。通過三維模型，可快速查詢相關(guān)設(shè)施設(shè)備模型的外形及空間位置，同時獲取相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，輔助電廠運行維護(hù)。

2.2.2 數(shù)字化文檔管理

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是數(shù)字電站建設(shè)的靈魂，數(shù)字化文檔管理是數(shù)字電站建設(shè)的必要內(nèi)容，通過編碼編號將各種非結(jié)構(gòu)化圖文檔資料與相應(yīng)的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)可視化圖文檔資料管理。整合寺溝口水電站在設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運維修試過程中的圖紙、報告、圖片、操作說明、維修手冊等圖文檔資料，在數(shù)據(jù)梳理及編碼編號的基礎(chǔ)上，建立圖文檔與相關(guān)數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以三維模型為載體對圖文檔資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)可視化圖文檔資料集成管理及應(yīng)用。

2.2.3 數(shù)字化設(shè)備管理模塊

遵循設(shè)備全壽命周期管理理念，將設(shè)備巡檢、維護(hù)、檢修、更換、報廢全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化），以數(shù)字模型為載體，通過設(shè)備唯一標(biāo)識碼統(tǒng)籌和關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)設(shè)備全壽命周期可視化管理。在三維可視化環(huán)境下，對設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果、檢修計劃、檢修報告等信息數(shù)據(jù)與電站設(shè)備空間對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)展示、查詢與分析。

2.2.4 仿真培訓(xùn)

基于水電站三維數(shù)字模型，集成培訓(xùn)知識和考題，在三維可視化環(huán)境下建立交互式仿真培訓(xùn)模塊。仿真培訓(xùn)包括運行操作培訓(xùn)和檢修培訓(xùn)，融入運維檢修規(guī)程、工作票、操作票、安全措施等。培訓(xùn)系統(tǒng)分為培訓(xùn)和考試兩種模式。在培訓(xùn)模式下，系統(tǒng)根據(jù)課程內(nèi)容，在三維可視化環(huán)境下，對典型運行操作和檢修過程進(jìn)行仿真演示，并配以語音、文字等內(nèi)容進(jìn)行講解；在考試模式下在，人員可以在仿真平臺上進(jìn)行三維可視化仿真運行操作和機組三維可視化仿真拆裝，并對考試情況進(jìn)行評價。

2.3 水電站動態(tài)數(shù)據(jù)集成

基于水電站全壽命周期管理系統(tǒng)，在虛擬可視化環(huán)境下，集成水電站監(jiān)測、監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)。利用三維場景與可視化信息集成展示開發(fā)維護(hù)工具，將水工建筑物缺陷的位置在三維可視化信息集成展示與會商平臺上進(jìn)行標(biāo)識，并關(guān)聯(lián)缺陷相關(guān)的文字描述、圖片和記錄表格等數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示、查詢、統(tǒng)計與分析等。

2.4 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線

依據(jù)數(shù)字化框架，寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線見圖1。

圖1 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線

3 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)成果

3.1 水電站全信息數(shù)字模型

（1）結(jié)合寺溝口水電站自身特點，依據(jù)《發(fā)電工程數(shù)據(jù)移交》《水電工程設(shè)計信息模型數(shù)據(jù)交付規(guī)程》《水電工程三維激光掃描測量規(guī)程》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寺溝口水電站設(shè)計圖紙、改造記錄等歷史資料，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行建模，其中寺溝口水電站大壩建模見圖2。

圖2 水電站大壩建模

（2）模型屬性完善。將水電站所有設(shè)備的幾何參數(shù)和物理參數(shù)附加至相應(yīng)的三維模型上，屬性完善示例見圖3。

圖3 屬性完善示例

（3）模型融合集成。將各專業(yè)三維建模成果通過模型轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式并進(jìn)行融合集成，模型融合集成實例見圖4。

圖4 模型融合集成示例

3.2 寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)建設(shè)成果

3.2.1 三維綜合展示結(jié)果

將寺溝口水電站所有設(shè)施設(shè)備三維模型集中在統(tǒng)一平臺上，通過三維模型，進(jìn)行可視化展示，三維綜合展示模型見圖5。

圖5 三維綜合展示

3.2.2 數(shù)字化文檔管理成果

通過編碼編號將寺溝口水電站各種非結(jié)構(gòu)化圖文檔資料與相應(yīng)的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)起來，整合寺溝口水電站在設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運維修試過程中的圖紙、報告、圖片、操作說明、維修手冊等圖文檔資料，在數(shù)據(jù)梳理及編碼編號的基礎(chǔ)上，建立圖文檔與相關(guān)數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以三維模型為載體對圖文檔資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)字化文檔管理成果見圖6。

圖6 數(shù)字化文檔管理-模型與圖紙關(guān)聯(lián)

3.2.3 數(shù)字化設(shè)備管理模塊

將寺溝口水電站設(shè)備巡檢、維護(hù)、檢修、更換、報廢全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化），以數(shù)字模型為載體，通過設(shè)備唯一標(biāo)識碼統(tǒng)籌和關(guān)聯(lián)起來，數(shù)字化設(shè)備管理模塊成果見圖7。

圖7 數(shù)字化文檔管理-模型與圖片等多媒體關(guān)聯(lián)

3.2.4 仿真培訓(xùn)

基于寺溝口水電站三維數(shù)字模型，集成培訓(xùn)知識和考題，在三維可視化環(huán)境下建立交互式仿真培訓(xùn)模塊。寺溝口水電站仿真培訓(xùn)的結(jié)果見圖8。

圖8 水輪發(fā)電機組仿真培訓(xùn)

3.3 寺溝口水電站動態(tài)數(shù)據(jù)集成展示

集成水電站監(jiān)測、監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示、查詢、統(tǒng)計與分析等，寺溝口水電站動態(tài)數(shù)據(jù)集成成果見圖9。

圖9 視頻監(jiān)控信息集成管理

4 結(jié)論

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，響應(yīng)國家水利信息化政策，通過構(gòu)建寺溝口水電站全信息數(shù)字模型和寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)的搭建，將有效提高了寺溝口水電站現(xiàn)有的管理水平，實現(xiàn)寺溝口水電站的數(shù)字化，同時充分保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，充分發(fā)揮社會經(jīng)濟(jì)效益，創(chuàng)新寺口溝水電站傳統(tǒng)管理模式，提高傳統(tǒng)水電站管理水平。