基于三維數字化技術的智慧電廠一體化數據平臺

國家能源集團內蒙古上海廟發電有限公司 魏銘毅 張雨蓉

本文簡單分析三維數字化的采集原理以及電廠運用。重點討論一體化數據平臺建設在智慧電廠中的設計實現，分別敘述建模范圍、圖檔管理、集成生產資料、安防管理等。

根據相關統計數據，直至2019年末，國內發電設備的容量超過20 億kW，而火電領域的設備容量占比接近60%。其中，煤電機組占據火電設備總容量的87%以上。國內全年的火力發電達到50450 億kW 左右，接近發電總量的70%，增幅為2.4%。如今，其他新能源的發電機組容量與實際發電量不斷增多，但是傳統火力發電還是占據首位。

1 三維數字化技術

1.1 采集原理

單就三維信息采集方面的問題，根據運行原理可分成三項，即接觸式、非接觸式與逐層掃描方式。簡單探討前兩種，（1）是接觸式，其借助三坐標測量設備探針逐個獲取目標對象的立體空間坐標。該設備的測量精度能達到±0.5μm，并且在目標對象的外觀色彩與反射特性上無特殊標準。獲取數據中，探針需要始終壓著目標對象，所以本身易變形的目標很難實現準確采集。而且其探針也容易對目標表層有影響。（2）是非接觸式的光學采集。比如光三角法就是根據立體面，通過照明光束完成結構數據調整。基于三角測量原理，立體面會使成像光線發生角度變化，由此可得到幾何數據，確認距離參數。

1.2 電廠運用

三維數字化本質上屬于信息管理的方法，通過數字化的設計及移交。既能直接反映出電廠建筑與機組、人員狀態與點位，便于相關人員查找機組圖檔數據，又能給平日生產與改造活動提供輔助信息，優化內部人員的培訓效果與可視化。雖然近些年有多種清潔能源被開發使用，但火電的電量實際比例依舊超過60%，而對于現代的火電廠來說，數字化和智能化是如今電力領域達成現代化的關鍵方向[1]。

2 智慧電廠一體化數據平臺的設計運用

以傳統火電廠為例，探究打造智慧電廠的設計方向，利用三維數字化的方法，開發一體化的數據平臺，設定圖檔管理與生產信息集成等若干功能模塊，秉承電廠全生命周期的思路，借助設計環節的信息資料與3D 模型，能利用3D 可視化、瀏覽器以及數據庫多項技術，把電廠立體模型和各項數據整合起來，構建可視化的數據管理模式。

2.1 建模范圍準確

電廠機組與建筑數量龐大，要按照專業劃分成建筑與鍋爐、電氣、暖通、總圖等多項部分，所有專業在建模過程中，應當提前整理相應的圖紙信息，基于此實施歸類分析等準備工作，而后就可在專業軟件系統中輸入相關數據，構建起數字化電廠。建模期間，全部數據庫都需按照樹狀結構排列，各個層次數據對象都帶有對應的空間點位、設計參數與管理屬性。在電廠建模中，所得數字化模型要確保精準，精確還原實物圖紙造型規格，保持比例準確，甚至還要顯現出實物對象的紋理與材質，完全達到復刻還原的程度。在確定模型精度達標的條件下，不設置任何冗余要素，并且不要擋住隱藏內容，沒有重復元素。在上述環節中，牽涉到較多任務量與人工資源，會增加三維數字化的運用成本。

建模過程的操作規范流程為：（1）命名，三維模型上的所有層次均需要進行命名，這樣可保障迅速辨別及確定模型類別，有效優化模型導航的效果，而且要注意的是，層次名稱需在數據平臺中具備唯一性。（2）層次結構，利用層次結構可以顯現出數據模型對應范圍與類別，體現出實物對象的PBS 結構。（3）材料以及其他內容的數據庫，借此可反映出電廠生產中的材料屬性與實際用量。

2.2 圖檔內容管理

圖檔資料的管理一般包括模型以及數據等，還有對應的關系轉移，牽涉信息采集匯總、建設導航關系、信息結構性處理。此外，圖檔資料管理還要具備文檔批量導入、信息儲存和其他模型與文件創建關系、設置資料使用權限等，平臺用戶能直接閱覽電廠數字化模型、圖檔內容等，支持相互之間建立智能關系，進行多維度呈現。操作用戶能直接導入電廠生產活動及運維中形成的數據文件，對其加以分類、整理，創建數據聯系，設置與瀏覽權限劃分結果等，并且全部圖檔內容均可以被完整檢索，而且其管理行為應當精細到全部獨立模型與信息、圖檔。智能電廠的數據平臺開發應當達到信息集成化和3D 場景的使用標準，被一體化平臺的其他單元設計，予以可用的接口條件。

在圖檔管理單元中，具體包含三個模塊，分別是模塊、數據和文檔。借助專門軟件程序完成圖檔管理，支持高效查找到信息內容的效果。根據對圖檔管理部分的基本探討，可選擇日記程序與數據庫等方法，構建此系統模塊，由此加強電廠項目文檔資料的管理。其中，圖檔內容管理具體包括下述幾項內容：（1）設計方不同專業圖紙內容、移交中的設計信息材料、廠家信息和三維數字化電廠模型。（2）電廠建設期間的進度、管理、聯系單、變更簽證、質量檢測信息、驗收資料與材料檢測信息等。（3）有關廠家提供的機組文件，如結構圖紙、技術參數、立體模型構圖等。（4）工程建設期間，關聯設計方、機組廠家、分包方等形成的立體模型資料，通過相關方審核，根據建議要求深化設計，關聯到整個三維模型上。（5）基于流程圖內容文件，繪制出數字化的流程圖，并證明系統平臺內流程圖所有標識出的機組設備均可以完成激活動作，用于系統操作導航，支持3D 與2D 的模型導航。（6）統計整理工程中所有資料內容，并對信息實施深度挖掘，構成系統化的數據庫。

一體化數據平臺下設置圖檔管理模塊，實際價值體現在：（1）有效提高管理效率與合理性。其是以設計文件信息為基礎實行管理工作，切實消除人工管理的不足，加深圖檔內容的現代化程度，更重要的是，可以推動該類信息價值有效發揮出來；（2）可以逐漸轉變常規人工管理的固化思維，令電廠的管理形式得以優化；（3）數據平臺能夠實現圖檔內容可追溯；（4）有利于提升電廠資料管理的規范性[2]。

2.3 集成生產信息

電廠經營過程中，生產管理數據是基于SIS（監控數據系統）實現，根據其實時更新的數據庫資料，保障此項功能持續運轉。同時，設置運行與機組管理兩條功能軸線，搭配可靠性、業績考評與耗差分析。智能電廠內，應當設置SIS 系統、門禁、倉儲與監控等多項集成內容，為此建設一體化的數據平臺，達到對生產活動的程序化、數字化、標準化管理，這利于保障電廠安全、穩定地生產，并有助于控制生產能耗，優化生產運營效益與市場競爭力。如今，三維數字化下的電廠一體化數據平臺，還可運用第三方系統，比如辦公自動化（OA）、企業管理系統（ERP）、數據服務總線（ESB）等，能按照智慧電廠的現實需要，設置運行系統，相應數據處理過程，如圖1所示。

圖1 系統數據處理過程Fig.1 System data processing process

該處理過程的相關使用介紹為：（1）是數據解析引擎，給系統工作予以接口；（2）是通過接口，可以從相連的若干系統中獲取到所需資料，并且會對數據內容的實時性進行判斷；（3）是接口在取得數據資料后，會利用引擎完成解析動作，把所得結果儲存到實時數據模塊，在此過程中，引擎會直接保留目標的屬性信息，轉移到校驗引擎中，把目標屬性資料和數據庫內既有的屬性內容，按照設置規則進行比較后，最終完成信息保存。上述運行流程需借助數據服務總線達成。

2.4 安防功能實現

三維數字化電廠應當擁有人員定位、關鍵區域管控等多項功能，可結合人員所處點位，實現可視化呈現。利用定位系統，標記出人員在電廠內的位置，通過屏幕可看到頭像及工號，便于迅速確認實際方位。根據電廠日常生產活動，可確認內部的關鍵區域，比如配電室與主變等，對該類區域實施監控，操作人員可設置區域與機組點位數據，系統能直接生成立體數字化圍欄，配備相應的警報與預警等模塊，確保電廠內部人員與機組的安全。

（1）借助數據接口獲取定位系統信息，取得人員坐標數據，并讀取對應的名字與坐標，并通過點場內MIS系統，取得工作票等資料，操作人員通過點擊對應的標簽，屏幕自動彈出相關的信息資料。在人員定位顯示，有兩種視圖可選，分別是：總覽視圖，能顯示出全廠的場景，此時直接展示的內容僅有人員概要資料；詳細視圖，直接點擊需要查看的標簽及空間，能隨即切換至相應的詳細視圖，此時點擊標簽能隨即獲得人員的詳細資料，以及工作票等內容。而對于定位修正，則要結合廠內實際位置與數字化模型中4 處基準點實現[3]。（2）關鍵區域與機組監測。一方面，關鍵區域涉及到編號、命名、范圍邊界、危險級別等；另一方面，機組監測。利用系統設置各區域與機組的定位數據，形成三維數字圍欄，可用功能有越線報警、濃度報警等。借助對關鍵區域與機組的動態監測，有利于維護生產環境的安全性，預防危險事故，并降低由事故引起的損失。（3）回看異常滯留報警路徑。相關人員能利用數據平臺，了解人員移動軌跡，借助接口從定位系統中獲得人員移動的數據資料，把其導入到電廠數字化模型上，完成全程回看，進一步優化巡檢流程，支持改進路線軌跡。（4）報表統計。把人員定位融入到考勤管理部分，保留電廠內工作者出入某個區域的信息記錄，平臺管理者能對此類記錄實行高級檢索，如名字、工種及時間等。

2.5 機組全面管理

運用三維數字化，把機組運行臺賬信息以可視化的形式呈現出來，并將信息插入電廠模型上，利用標識系統編碼，確定機組實際點位，而且支持查找機組實時與歷史運行資料，包含臺賬、檢修記錄、故障信息等。在數據平臺上，此類信息均是3D 標簽的狀態，標記在電廠模型上，通過點擊標簽就能讀取有關資料。

（1）機組臺賬。機組詳情集成了初期設計與運維全程的信息，具體包含：缺陷數據與檢修記錄，二者均是有SIS 系統取得；有關文件，主要是機組有關圖紙、廠家提供的文件等；3D 模型，包括單體與測點數據，此種模型能隨意旋轉、縮放與移動，而各測點則設置成標簽的樣式，顯示在模型上；工況資料，機組工況信息同樣是由SIS 系統取得；屬性，也就是機組的技術參數；零部件參數。（2）鍋爐四管。以Web 端為載體進行模型展示，并與鍋爐測溫系統連接，根據實際溫度情況，突出相應顏色的管道。首先，動態檢測和報警具體是把鍋爐機組的水冷壁3D 模型和實時系統內容關聯起來，全程監控及報警機組煙溫與壁溫等信息，把對應結果利用3D的形成展示出來，使管理員能直觀掌握實時信息在立體數字模型上的分布情況。其次，動態測點攜帶的標簽是各項實時數據對應的模型點位，支持增刪、更改。最后，測點信息的動態呈現，也就是將各個測點內容和SIS 系統信息建立關聯。

相關人員確認某個測點后，系統能顯示出相應測點內容，并根據設置溫度區間對應的不同顏色，讓人員能快速判斷實際溫度所在區間，而且支持選定某個時間段，系統自動會生成對應的測點變化曲線。

2.6 VR 技術運用

智慧電廠中的數據平臺建設，利用三維數字化的技術打造系統模型，在此基礎上可借助VR 進一步優化場景。比如在鍋爐輔機裝置與檢修中，可利用VR 實現虛擬呈現，甚至具有現場操作的成效，機組零部件有千余個，并達到百萬級的三角面。所以，怎樣基于既有硬件性能，又能構建起詳細、大體量的模型，還需確保場景效果與畫面幀數至少達到90FPS，是開發平臺系統需要考慮的關鍵[4]。

以鍋爐機組為例，VR 技術科運用到機組結構、拆裝與啟停三個系統單元中。人員帶上VR 設備，能隨即看到相應的模擬環境。借助該種運行模式，實現機組結構、檢修流程、巡檢過程以及數據資料等內容的可視化與動態交互，這能消除在人員培訓中無法進行實戰的缺陷。

3 結語

為提升自身的智能化水平，電廠應當積極開發一體化的數據平臺。依托于三維數字化，把電廠建設、運營全程進行集約化處理，實行動態化管理，將整個電廠實時狀態通過數字化的形式呈現出來。同時，電廠需結合現實發展情況，可以先成為常規的數字化電廠，通過不斷升級改造，達到智慧電廠的終極目標。