水利工程數字化治理平臺研究與應用

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，數字化技術在各個領域都得到了廣泛應用。針對水利工程全生命周期各階段存在的管理難題以及工程交付過程數據復雜，數據格式較多，數據規(guī)范參差不齊等實際情況。開發(fā)研究水利工程數字化治理平臺顯得尤為必要，對于水利工程數字化交付和工程全生命周期管理具有重要意義。文章主要探討研究了水利工程數字化治理平臺系統框架、主要功能等關鍵技術，推進水利工程數字化治理平臺在實際項目中的應用，可為后續(xù)類似工程提供經驗和重要支撐。

關鍵詞：水利工程；全生命周期；工程交付；數字化治理；數字化

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0130-06

Research and Application of Digital Governance Platform for

Water Conservancy Engineering

WANG Leili1， HUO Jianwei1，2， ZHANG Junhui1，2， HU Yi1，2

（1.Yunhe （Henan） Information Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China;

2.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： With the continuous development of society， digital technology has been widely applied in various fields. In response to the management difficulties in various stages of the full lifecycle of water conservancy engineering， as well as the complex process data of engineering delivery， multiple data formats， and uneven data specifications. It is particularly necessary to develop and research a digital governance platform for water conservancy engineering. The digital delivery and full lifecycle management of water conservancy engineering are of great significance. This paper mainly explores and researches the key technologies such as the system framework and main functions of the digital governance platform for water conservancy engineering， and promotes the application of the digital governance platform for water conservancy engineering in practical projects， which can provide experience and important support for similar projects in the future.

Keywords： water conservancy engineering; full lifecycle; engineering delivery; digital governance; digitization

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.027

0 引 言

近年來隨著科學技術的快速發(fā)展，水利工程項目的完工交付逐漸走向了數字化。水利工程數字化治理指以工程對象為中心，對于工程項目建設期間產生的靜態(tài)信息進行數字化創(chuàng)建到移交的工作過程[1]。涵蓋信息交付策略制定、交付基礎制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗、信息移交和信息驗收[2]。21世紀初期，開始出現數字化交付且初見成效。部分大型工程設計企業(yè)在管道設計工作中引入管道3D模型軟件[3]。通過提高軟件智能化水平，整合工程中其他專業(yè)的內容，在一個平臺完成設計工作，由此提出了數字化交付的概念。文章結合某引調水工程的實例，從構件編碼標準化，竣工BIM模型化、模型輕量化處理、結構信息數據庫等方面推進建設工程數字化治理平臺；該平臺以工程編碼為紐帶，工藝系統、設備、材料等為基本單元，實現工程資產信息的全生命周期管理，同時結合水利工程信息化建設需求，提出了水利工程數字化治理平臺建設的總體目標和框架，探討了系統的建設內容，以期為水利工程數字化治理平臺設計和建設提供思路和參考。

通過規(guī)則和編碼有機關聯各相關數據、圖紙、資料和三維模型等工程內容，建立起伴隨項目建設過程的工程數據倉庫，完善與實體工程完全一致的數據底座。同時應用數字孿生、大數據分析、云計算等新一代信息技術，以水利工程項目為對象，探索水利工程資產全生命周期數字化服務體系，最終構建基于工程設計、工程采購、工程施工以及項目管理的綜合數字化集成平臺，對應物理意義上工廠的數字化體現，能同時具備工廠屬性和工程屬性的綜合智能數字化系統[4]。

1 平臺架構

水利工程數字化治理平臺服務于工程全生命周期，打通設計、建設、交付、運維環(huán)節(jié)的信息孤島，提供全生命周期資產信息管理服務，系統架構分為三層：外部數據創(chuàng)建層、數據集成層、數據使用層，如圖1所示。

1.1 外部數據創(chuàng)建層

外部數據創(chuàng)建層主要是建設期的設計、采購、安裝、調試、運行數據，以及運維期的維修維護等數據。

水利工程數據源主要包括：三維模型、二維圖紙和工程建設數據等。其中三維模型，來源于大壩和隧洞設計的三維軟件或者廠房和機電設備的三維設計軟件，例如：E3D、Revit、Catia、Solidworks等；二維圖紙，來源于二維設計的AUTOCAD、AVEVA Diagram等；工程建設管理系統的數據，包括工程的投資、進度、質量信息等；以及各種格式的文檔、圖表等。

1.2 數據集成層

數據集成層包括各種數據集成接口Gateway、三維可視化引擎、數據轉換、權限管理、數據校驗、集成開放接口等，能將不同來源的數據導入系統，并進行基于位號的自動熱點化關聯，建立三維模型、二維圖紙、屬性、文檔之間的互相關聯關系，如圖2所示。

1.3 應用層

應用層包括：信息分類管理、可視化報表、三維可視化瀏覽、信息自定義查詢、4D施工、采購進度可視化、維修維護信息可視化等。

2 平臺主要研究內容

2.1 模型管理

工程數字化治理平臺中的三維模型，不論其來自哪里、原格式如何，均可以直接在網頁瀏覽器（IE、Firefox、Google Chrome等）中瀏覽，而不依賴源系統（軟件）的可視化功能。在工程數字化治理平臺可以完成三維模型的旋轉、縮放、剖切、隔離、測量、標注等基本可視化操作，以3D為基礎的平面剖圖、系統圖、詳圖等，確保了各行業(yè)內部平面剖圖、系統圖、詳圖等之間的協調和及時避免了專業(yè)之間的不協調和不對稱[5]。且其三維模型與設計軟件中的模型分解結構完全一致，如圖3所示。

用戶能夠對三維模型進行標注，使用二維、三維的可視化標注工具，進行云線段、自由線段、規(guī)則圖形、文字等不同形式的標注。還可以使用支點到點、法向距離、最短距離、角度、直徑等多種測量工具，將測量值作為標注添加在模型上。同時還可將標注的信息保存并分發(fā)給其他用戶查看。

2.2 類庫及信息標準管理

工程數字化治理平臺能夠依據EPC發(fā)布的項目類庫，來定義系統的數據模型，包括工廠對象類、屬性、文檔類型、各類對象間的關聯關系等，并使用特定工具來管理類庫。同時，系統的數據模型可以根據實際需要，隨時進行靈活地調整類庫內容，使之能夠滿足數據交付需要。在從各來源提取信息時，依據項目類庫進行配置，以確保多來源、多格式數據信息的一致性。

2.2.1 信息瀏覽

工程數字化治理平臺采用行業(yè)領先的流文件技術實現異地分布式流暢瀏覽三維模型及二維圖紙，提高瀏覽速度以及增強數據安全性，可通過互聯網完全在桌面實現對三維模型的旋轉、縮放、剖切、隔離、測量、標注、協同等操作，支持可視化設計評審等。

在平臺上實現可控的數字化工程設計信息的移交管理，包括但不限于：超過兩百多種的文件，包括三維模型、二維圖紙、文檔、數據等，都可以脫離專有應用程序的瀏覽，如圖4所示。

2.2.2 信息分解結構

三維模型、圖紙、文檔、數據等信息發(fā)布進入工程數字化治理平臺之后，可以按照用戶使用習慣、用途靈活地進行組織，形成多種項目信息樹狀分解結構，滿足不同的導航要求。

根據文檔的屬性信息以及其他信息（專業(yè)、裝置、承包商等），終端用戶可以自定義文檔分解結構目錄樹。由于已經在工程數字化治理平臺中建立了文檔位號的關聯關系，所以可直接從文檔跳轉至關聯的位號，可供用戶進行點擊，以便查看此位號相關的詳細信息。為了加快瀏覽響應，便于管理，通常會將數據、文檔和三維模型的格式轉換為平臺讀取和顯示的首選格式，而對于三維模型還需要進行顏色批量修改[7]。因此平臺應提供可對多種常用格式進行格式轉換的高效工具。

工程數字化治理平臺還具備文檔版本管理功能，可以為文檔設置版本號。打開文檔時默認打開最新版本，同時可以選擇查看文檔的歷史版本。另外支持對文檔下載、打印等相關操作按照用戶權限進行控制。

2.3 數據管理

對于不同來源的數據，工程數字化治理平臺可以通過不同分組方式，組織、展示設備、管線等的屬性數據，能夠在關系型數據庫中對數據進行集中存儲，并且能夠快速將平臺數據以Excel或Xml格式導出，如圖5所示。導出內容可由用戶自定義。

2.3.1 圖紙管理

用戶能夠在使用工程數字化治理平臺的可視化功能，在網頁瀏覽器（IE、Firefox、Google Chrome等）中直接瀏覽不同來源、不同格式的二維圖紙（如DWG、PDF格式等），且不依賴源系統或其他軟件的可視化功能。

經過處理后，原格式為DWG的圖紙也是包含熱點的，如圖6所示，用戶可以點擊圖紙上熱點化的位號，即可打開位號的信息卡片，查看此位號相關的詳細信息。

用戶能夠不影響原圖紙文件內容的條件下，使用云線段、自由線段、規(guī)則圖形、文字等不同形式的標注工具，對圖紙進行標注。同時用戶還能夠將標注保存下來，分享給其他用戶用于討論。

2.3.2 位號管理

工程數字化治理平臺能夠全面管理設備、部件、儀表的位號、位號與相關圖紙、工單、電子圖檔等信息之間的關聯關系，建立以位號為中心的信息網，能夠有效解決位號來源于多個不同單位的多編碼匹配問題。通過三維模型、2D圖紙、文件中的熱點，或搜索等方式，來查看位號的相關詳細信息。對機電產品進行了機械和電子產品的零部件代碼編寫，并將其作為獨特的識別標志，以便后續(xù)的建模、映射和傳承。并將各個行業(yè)的機械部件代碼編目歸檔，并將其用作機械裝備的資料詞典。組件代碼包括18個位數，分為五個等級[8]。任何一個位號，均可以在一個界面中查看與之相關的所有信息，包括屬性、P&ID、三維模型、布置圖、數據表等。

該平臺提供了位號信息的綜合展示界面，通過此界面用戶可以在一個界面中查看與某個設備、儀表、管線等的位號相關的所有信息：屬性、圖文檔、三維模型、查詢表單、工單、數據表等。如圖7所示，展示了設備“E-9001“的圖紙、模型對比瀏覽，如果有多個圖文檔和模型，亦可以進行切換，在切換完成后自動縮放到當前查看的位號并高亮顯示。

2.3.3 普通文檔管理

發(fā)布到工程數字化治理平臺的圖文檔，可以直接通過網頁瀏覽器查看文件內容，不依賴源系統（軟件）。對于Office文檔、非掃描文字版PDF文檔等文件，經過處理后可以根據編碼規(guī)則形成帶位號熱點的文檔，用戶通過點擊位號熱點即可快速查看其相關的詳細信息。

2.3.4 文檔位號關聯清單

使用平臺各種數據集成接口Gateway，利用其內置的全文檢索、正則表達式匹配等技術，能夠完成對各種源格式文檔（AutoCAD、Excel、Word等）的數據分析、提取、整理，并自動生成所處理的文檔與從其中提取出的位號的關聯關系清單。之后通過加載此清單，就可以在系統內自動建立文檔與位號的關聯關系。

2.4 信息導出和打印

工程數字化治理平臺支持平臺內的數據、文檔、三維模型的導出和打印。系統提供了默認的基礎導出模板，用戶還可以根據需要自定義的導出模板。

2.5 報表管理

工程數字化治理平臺能夠提供包括SSRS報表、可視化報表在內的多種報表形式。這些類型的報表都支持通過配置或二次開發(fā)的方式，定制滿足設計、施工、運維數據的表格、圖表等不同展示形式的統計分析報表。

2.6 施工可視化管理

工程數字化治理平臺能夠結合三維模型設計進度及施工信息維護，實現施工進度可視化。同時還能夠結合施工信息，實現施工質量可視化?？梢暬@示實際施工的質量和設計的差異。

2.7 信息搜索

工程數字化治理平臺能夠提供多種方式對信息進行查詢，用戶可以根據名稱、編號、屬性值等信息，查詢設備、各類圖紙、文件等內容。而且，所有搜索結果均是經過用戶權限過濾的，用戶只能搜索出符合自己瀏覽權限的內容。

3 平臺應用

水利工程數字化治理平臺目前已在實際項目中得到應用。通過使用本平臺，可快速了解工程的整個全生命周期的相關過程資料，可快速獲取該項目設計階段、建設階段、調試運行等各階段的圖紙、文檔、報告等數據清單，甚至可以細化到整個全線工程的某一個點位上的關鍵設備相關資料信息，極大地提高了工作效率和管理水平。

通過使用本平臺研究開發(fā)成果，用戶不僅得到一座物理工廠，而且移交了一座數字工廠。數字化交付內容為交付物和交付物之間的關聯信息，交付物包括數據、文檔和三維模型，其中數據是指項目建設階段關于工廠對象的結構化數據和非結構化數據，文檔是指與項目交工技術文件[9]相對應一致的電子文檔，三維模型是指項目竣工圖階段形成的3D模型。水利工程數字化治理平臺的成功應用，可以協助業(yè)主建立資產信息門戶，方便維修維護資產改造時的數據查詢和數據復用，提升了數據的復用性、數據的標準化、數據的完整性。為整個工程提供了準確高效的信息支撐，為工程的各級領導和決策者提供了可靠的決策依據。

本平臺研究緊密結合工程交付管理需要，能夠完成工程全生命周期中各類資料的數字化管理及可視化瀏覽查閱，與傳統的紙質材料為主體的交付方式相比，數字化交付的方式視覺方面更為直觀，更為方便快捷，具有較高的技術水平和科技含量；具有較好的市場推廣和應用前景[10]。

4 結 論

水利工程數字化治理平臺的研究目前已在某引調水工程中得到應用，并發(fā)揮了相應的作用，平臺的成功應用提高了客戶的工作效率和管理水平。主要為客戶提供一個完整的工程信息模型、一個信息查詢與復用的基礎數據平臺。同時，該平臺易于與工程生產、運營、管理、檔案等系統進行信息交互。通用的移交平臺將應運而生，漸成主流，以數字化接收平臺的共性而建，兼顧多種個性化配置，少量將以定制開發(fā)滿足市場的特別需求。平臺研究開發(fā)過程中積累了很好的經驗和行之有效的方法，比如具有針對性的設備編碼規(guī)則、多源異構數據兼容、可配置的數據模型；內置數據模型、靈活的數據存儲結構、解決不同種類數據存儲；面向對象詳細設計方法和獨立測試過程等。這些都將為國內外后續(xù)類似項目建設提供很好的工作方向和項目經驗。

參考文獻：

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設部.石油化工工程數字化交付標準：GB/T 51296-2018 [S].北京：中國計劃出版社，2018.

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設部.石油化工工程數字化交付標準：英文版：GB/T 51296—2018E [S].北京：中國計劃出版社，2018.

[3] 田宇.數字化交付在工程設計中的運用 [J].工程建設與設計，2023（18）：101-103.

[4] 壽海濤.數字化工廠與數字化交付 [J].石油化工設計，2017，34（1）：44-47+7.

[5] 吳東輝，錢曉麗，施彬彬，等.基于BIM技術的機電系統信息化管理研究與探索 [J].安裝，2021（8）：55-59.

[6] 蔣飛.化工項目集成設計和數字化交付技術的研究 [J].當代化工研究，2021（24）：64-66.

[7] 葉鋒，蔣波，龐修海.鎮(zhèn)海沸騰床渣油加氫裝置數字化交付探索與實踐 [J].煉油技術與工程，2019，49（6）：46-49.

[8] 楊文廣，張茜.淺析基于工程數字化的新一代管理信息化理論建構及實踐展望 [J].土木建筑工程信息技術，2021，13（1）：113-121.

[9] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.石油化工建設工程項目交工技術文件規(guī)定：SH/T 3503—2017 [S].北京：中國石化出版社，2017.

[10] 李珍.基于工程項目數字化交付的文檔管理 [J].現代企業(yè)，2019（3）：22+11.

作者簡介：王磊力（1987—），男，漢族，河南睢縣人，本科，研究方向：系統集成、水利信息化。

收稿日期：2024-01-09