4D模型技術在核電廠大修實施中的應用淺析

劉曉軍

摘要：核電廠的大修是一個復雜和系統性的工作，尤其是大修開展過程中涉及眾多大型設備的拆裝、狹小空間里的吊運和安置，關鍵路徑活動的優化，以及廠房設備的踩點等。如何有效地規避設備移動過程中的碰撞和損壞，更合理地安排關鍵路徑活動以縮短大修工期等，一直是核電廠大修實施的一個難點。本文通過簡要分析4D模型技術在大修實施中的應用場景、可行性分析和實現路徑圖，為解決大修實施中某些難點開辟出一個新的方向。

關鍵詞：4D模型;大修實施;應用分析

一、引言

國內某三代核電機組，在工程安裝階段運用4D模型技術成功實現壓力容器的引入就位，龐大的反應堆壓力容器逐一安全地通過反應堆廠房內一個接一個間隙微小的可能碰撞點，與之前的4D模型計算幾乎完全一致，實現4D模型技術在核電廠設備安裝過程中全程模擬。

由此，如果能將4D模型技術應用在核電廠大修實施中，這將為大修的實施和控制帶來極大收益。眾所周知，核電廠大修是一個繁瑣復雜的工程，它涉及很多重大設備的拆裝和吊運。如何在大修實施中制定合理的大修計劃、精準實現關鍵設備部件的吊裝、優化大修現場空間布置，以縮短大修工期、降低大修成本、最大程度提高電廠的經濟效率，已成為核電廠大修領域的一個重要課題。

二、4D模型技術介紹

2.1、4D模型技術的定義

在大修實施中所用到的4D模型技術，是以核電廠內廠房和設備的3D模型為基礎，加以大修計劃為時間軸，將大修主線計劃中的關鍵活動以動畫的形式，通過多角度、多層次的展現，生成關鍵活動的動態模擬。

目前用于國內核電廠的三維模型設計軟件主要有PDS和PDMS，通過此類軟件可實現對核電廠內廠房、設備和管道的全比例建模。另外，通過NavisWorks軟件則可以實現對核電廠三維模型的實時漫游、快速碰撞檢查和預測潛在問題、結合Primavera大修計劃軟件，實現4D進度模擬。

2.2、4D模型技術在核電廠大修中的嵌入

本文中4D模型技術借助三維軟件PDMS和NavisWorks，將核電廠內主要廠房和設備的3D模型與大修主線計劃相結合，動態模擬關鍵活動實施過程，以實現大修關鍵活動的可視化管理和大修資源的優化配置。另外，4D模型技術通過對現場實測數據建模，可以準確、有效地預測設備吊裝過程中的可能碰撞、摩擦及擠壓等風險，實現維修場地、大型吊具、維修人力的合理調配，為實現大修工期優化做出較大貢獻。

三、4D模型技術在大修中的應用場景設計

3.1、在大修實施中的應用場景

在核電廠大修實施過程中，通過4D模型技術對大修關鍵活動進行仿真，可以提前發現這些關鍵活動中可能發生的問題及風險;通過預先設定碰撞間隙裕度，并進行模擬的碰撞檢查，可以提前找到重要設備在起吊、安裝、拆卸等過程中可能的碰撞和偏離風險。對發現的上述問題則可以提前制定應對措施，規避相關風險。

同時，通過4D模型技術也可以對大修進度進行模擬，進而驗證大修主線計劃中的工期設置是否合理，主線計劃中的關鍵活動間的邏輯關系是否正確，對不合理的地方進行調整優化并反饋到大修主線計劃中。這樣通過不斷的模擬和調整，優化出最佳方案，并使大修主線計劃在執行過程中得到更有效的控制和監督。

另外，通過合理使用4D模型技術，還可以實現對大修過程中事件模擬分析和廠房/設備在線漫游，實現足不出戶即可熟悉廠房和設備的布置。

3.2、4D模型技術給大修帶來的收益

通過4D模型在線仿真可以發現大修實施過程中可能存在的問題和風險以及大修主線計劃中關鍵活動邏輯關系上的不合理之處，并針對性進行調整和優化。

通過4D模型技術，將極大地優化大修實施過程中人力、資源和場地的調配，確保大修關鍵活動的順利實施和大修工期的優化，給核電廠大修帶來極大的經濟利益。

同時，通過將4D模型動態演示給大修現場工作人員，可以讓他們更加直觀地了解大修中關鍵活動的具體實施細節和需要關注的要點，減少因信息匱乏和經驗欠缺而帶來的人因失誤，為大修的順利實施打下良好基礎。

四、4D模型技術在大修實施中的應用分析

4D模型技術通過對核電廠各房間、系統和設備的漫游，以及對重要設備的吊裝、拆卸、維修進行4D動態演示，并進行設備移動過程中的碰撞檢查以及項目進度模擬等，對大修維修活動的開展、大修計劃優化等產生重要指導意義。它在大修中的應用初步分析如下：

4.1 4D動畫演示

應用4D模型技術，可以創建核電廠機組的4D模型動畫并與之交互，結合4D動畫從不同角度、不同維度查看機組的管道和設備。例如通過輸入機組實際相關參數可以創建一個關于換料機將乏燃料從壓力容器中吊出、放入換料小車、通過傳輸通道、最后放入乏燃料水池中的一個模擬動畫，用于實際換料操作的參考。

燃料操作人員通過觀看這個動畫，即可作為換料操作前的一種模擬培訓，又可以對換料操作中可能存在的風險、操作的工期安排等做一個預先研判，優化操作工序，減少實際操作中人因失誤。

4.2 碰撞檢查

應用4D模型中的碰撞檢測（Clash Detective）工具可以有效地識別、檢驗和報告機組設備三維模型中潛在的碰撞。特別是在吊裝較大設備時，通過4D模型的碰撞檢查逐一識別出設備移動過程中潛在的碰撞點，使吊裝的設備精準地通過各個間隙微小的可能碰撞點，順利就位。

通過與其他工具相結合，還可以實現其他類型的碰撞檢測：

（1）將碰撞檢測工具與“對象動畫”聯系起來，可以自動檢查移動設備之間的碰撞。例如，起吊一臺水泵過程中，可能會碰到周圍一些管道和閥門，通過對碰撞結果提前模擬和檢測，可重新安排該水泵移動路線或者加強監視以消除該碰撞。

（2）將碰撞檢測工具與“TimeLiner”聯系起來，可對大修過程進行基于時間的碰撞檢查。例如，在大修過程中，由于反應堆廠房的空間局限和大修活動的復雜繁瑣，就可能發生在某一時刻將多個設備放置在同一場地，發生“碰撞”，通過應用4D模型技術進行基于時間的碰撞檢測，就可避免此類碰撞。

4.3 大修進度模擬

通過4D模型技術，可以將設備部件的三維模型對象與大修主線計劃中的作業關聯起來，模擬顯示每天將要進行的工作及完成率，并且還可以根據模擬效果導出圖像和動畫以供大修工作人員和大修管理人員做參考。

大修進度模擬的過程為：

首先，通過“TimeLiner”創建相關大修任務，這個可以通過系統接口自動導入大修主線計劃中的任務，也可以手動添加相關任務。每個任務都包含任務名稱、開始日期、結束日期以及任務類型，任務類型包括：安裝、拆除、吊運等。

其次，將每個任務附加到三維模型中的對象，這樣4D模型才起作用。根據大修計劃關鍵路徑中的任務類型和特征，選擇或搜索三維模型中計劃屬性值相同的模型對象形成選擇集或搜索集，通過將TimeLiner中的任務附加到場景區域中的對應的選擇集或搜索集中，就可實現任務與三維模型的關聯。

最后，通過播放模擬動畫，TimeLiner窗口將在任務執行時顯示這些任務，而場景區域則顯示根據任務類型隨時間添加或刪除的模型部分。當然，還可以把動畫添加到整個進度模擬中，來增強模擬的效果和質量。

五、4D模型在大修實施中應用的實現路徑圖

結合4D模型技術的發展現狀和核電廠大修的特殊性及復雜性，初步規劃4D模型技術在核電廠大修實施中的應用分三個階段來實現。

第一階段：通過NavisWorks軟件輔助實現反應堆廠房和汽輪機廠房內部的任意區域瀏覽、核電廠主要設備的三維展示以及反應堆廠房20m工作平臺三維立體多視角顯示，以此來輔助計劃人員對大修關鍵活動操作的講解。

第二階段：主要實現核電廠大修過程中關鍵設備吊裝、拆卸的4D模擬，通過多維度、多視角的動畫模擬，為維修人員提供盡可能多的參考，以達到進入反應堆廠房之前先練兵的目的;同時，還規劃在第二階段通過4D模型技術實現對大修關鍵路徑的進度模擬;這一階段的實現是建立在可以獲取足夠多的真實數據信息的基礎上的。

第三階段：在前面兩個階段均順利實現的基礎上，通過對大修關鍵活動的細化分析和梳理，整理出大修關鍵活動的主要工藝流程和坐標參數，進而實現對大修工藝的全真模擬，同時實現對大修關鍵路徑的全過程模擬。這一階段將是一個持續時間較長過程，并且需要經歷若干次大修的數據收集反饋、優化完善，最終為大修實施和優化創造價值。

六、結束語

綜上，如果4D模型技術能成功應用于核電廠大修實施中，將會極大促進核電廠大修優化管理，提高電廠的經濟效益，應用前景是非常可觀的。但目前這一技術在核電廠大修實施中的應用還處在起步階段，技術應用的智能化水平還不是很高，計算機承擔的分析推理的工作還離不開使用者的介入。這需要在現有軟硬件條件和前期應用經驗總結的基礎上，通過不斷探索研究與開發設計，將4D模型技術在核電廠大修實施中的應用向更深層、更智能化的方向推進。

參考文獻

[1]張蘇.基于改進的4D模型的可視化施工管理系統[J].計算機與數字工程，2009，37（04）：98-101.

[2]龔建立.核電廠大修計劃優化[J].科技視界，2016（07）：264+305.