數(shù)字工程
——三維設(shè)計(jì)的擴(kuò)展應(yīng)用

文｜ 陳明 葉銳

數(shù)字電站是信息化、數(shù)字化的虛擬工程。是把關(guān)于電站工程系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成可以理解的信息，轉(zhuǎn)換成具有工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值的知識(shí)。以計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電站的數(shù)據(jù)接收、質(zhì)量管理、存儲(chǔ)、關(guān)系維護(hù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、遠(yuǎn)程同步傳輸、可視化綜合展示等功能，及時(shí)準(zhǔn)確地管理電站的各類結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電站數(shù)字信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)。建立起一個(gè)科學(xué)、合理、與物理資產(chǎn)一一對(duì)應(yīng)的虛擬資產(chǎn)，構(gòu)建數(shù)字電站管理綜合信息應(yīng)用。

海南瓊中抽水蓄能電站裝機(jī)容量600兆瓦，裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為200兆瓦的可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房系統(tǒng)、開關(guān)站和出線場(chǎng)等部分組成。由中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司全額投資，調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司負(fù)責(zé)建設(shè)，中國水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)勘測(cè)設(shè)計(jì)。海南瓊中抽水蓄能電站靜態(tài)投資約34.6億元，總投資約41.1億元。海南瓊中抽水蓄能電站投產(chǎn)后可降低海南電力系統(tǒng)火電機(jī)組年均調(diào)峰率10.87個(gè)百分點(diǎn)，提高系統(tǒng)火電年發(fā)電率用小時(shí)數(shù)374小時(shí)。同時(shí)，電站投運(yùn)后可節(jié)省海南電力系統(tǒng)火電標(biāo)煤耗16.31萬噸，相應(yīng)節(jié)省系統(tǒng)燃料費(fèi)13864萬元；同時(shí)可減少二氧化碳排放約42.7萬噸，減少二氧化硫及粉塵排放約0.14萬噸，使電網(wǎng)更好地服務(wù)國際旅游島建設(shè)并推動(dòng)海南節(jié)能減排，對(duì)海南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

圖1 海南瓊中抽水蓄能電站模型圖

管理高效、表現(xiàn)豐富、分析準(zhǔn)確

在以數(shù)字化信息為資源、互聯(lián)網(wǎng)交互為動(dòng)脈的時(shí)代，空間信息處理技術(shù)以信息、硬件、軟件和功能一體化的系統(tǒng)形式，展示了強(qiáng)大的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。社會(huì)發(fā)展已走入了以數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)等為標(biāo)志的全方位信息化進(jìn)程，數(shù)字地球、數(shù)字中國、數(shù)字城市，直至數(shù)字海洋、數(shù)字油田、數(shù)字礦山和數(shù)字煤田等，數(shù)字化趨勢(shì)已引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注，相關(guān)應(yīng)用數(shù)字工程相繼上馬。隨著國家節(jié)能、環(huán)保、綠色能源政策的推行，一批批在建水電站相繼投產(chǎn)的形勢(shì)下為推進(jìn)企業(yè)資產(chǎn)的集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化管理，項(xiàng)目業(yè)主關(guān)注重點(diǎn)從水電站建設(shè)轉(zhuǎn)移到電站開發(fā)、建設(shè)與運(yùn)營并重和均衡發(fā)展上，對(duì)工程全生命周期過程中的設(shè)計(jì)、施工、移交及運(yùn)營提出了更高的要求。

“數(shù)字電站”從學(xué)科角度講，也稱“工程系統(tǒng)數(shù)字學(xué)”，是把關(guān)于電站工程系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成可以理解的信息，轉(zhuǎn)換成具有工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值的知識(shí)。數(shù)字電站建設(shè)將使工程規(guī)劃管理具有更高的效率，更豐富的表現(xiàn)手法，更多的信息量，更高的分析能力和準(zhǔn)確性，提高工程生產(chǎn)和管理的時(shí)效性、有效性、資源優(yōu)化配置水平、綜合實(shí)力，促進(jìn)工程的可持續(xù)發(fā)展。尤其是空間信息綜合能力與直觀表現(xiàn)能力，能在有準(zhǔn)確坐標(biāo)、時(shí)間和對(duì)象屬性的多維虛擬環(huán)境中，進(jìn)行規(guī)劃、決策和管理，在處理工程復(fù)雜系統(tǒng)問題時(shí)，能幫助人們更好地建立全局觀念與模擬直觀感。

通過對(duì)海南瓊中抽水蓄能電站的數(shù)字化應(yīng)用，無論業(yè)主公司還是工程公司均希望對(duì)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、交付、運(yùn)營過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的信息管理.通過客觀的數(shù)據(jù)反應(yīng)、分析工程的全生命周期，以尋求高效的管理方案以及最佳的決策支持。

本項(xiàng)目以資產(chǎn)全生命周期管理和技術(shù)狀態(tài)管理等國外先進(jìn)的管理理論為主要依據(jù)，針對(duì)抽水蓄能電站全生命周期中的技術(shù)和管理特點(diǎn)，利用海南瓊中抽水蓄能電站三維數(shù)字化模型，開展國外相關(guān)先進(jìn)的資產(chǎn)管理理論和數(shù)字化技術(shù)在抽水蓄能電站全生命周期中的應(yīng)用研究，基于三維模型建立海南瓊中電站的“工程信息模型”、“工程數(shù)據(jù)中心”這一與實(shí)體電站一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字電站。并根據(jù)業(yè)主需求以統(tǒng)一、可控的方式向相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，從而保障數(shù)據(jù)的有效性、標(biāo)準(zhǔn)性和一致性，或者建立相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)以支撐各參建方在工程施工、運(yùn)維期的管理。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持異構(gòu)平臺(tái)上的各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息的管理，支持通過內(nèi)容管理系統(tǒng)不斷地收集、整理、驗(yàn)證、管理數(shù)據(jù)，為工程管理提供有力的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)架構(gòu)如下：

系統(tǒng)可劃分為四層，包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、工程數(shù)據(jù)中心層、信息服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層為數(shù)字電站的數(shù)據(jù)來源。由參建各方參與數(shù)據(jù)采集錄入，廣泛收集勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備廠商相關(guān)資料，利用設(shè)計(jì)方提供的三維模型為水電站分階段建立涵蓋測(cè)繪、地質(zhì)、土建、電氣、水機(jī)、暖通、給排水等配套設(shè)施及設(shè)備的工程三維信息模型。

工程數(shù)據(jù)中心層由設(shè)計(jì)方實(shí)現(xiàn)數(shù)字化抽蓄水電站的數(shù)據(jù)接收、質(zhì)量管理、存儲(chǔ)、關(guān)系維護(hù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、遠(yuǎn)程同步傳輸、可視化綜合展示等功能，及時(shí)準(zhǔn)確地匯總、管理抽水蓄能電站的各種數(shù)字化信息，包括工程邏輯主數(shù)據(jù)、工程文檔、歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、三維模型、數(shù)據(jù)關(guān)系維護(hù)，實(shí)現(xiàn)電站數(shù)字化信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)。

信息服務(wù)層利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)根據(jù)業(yè)主需求提供系統(tǒng)應(yīng)用方式。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是根據(jù)業(yè)主需求定制開發(fā)相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，例如施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量管理、施工安全管理等以滿足業(yè)主在工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營期的管理。也可通過數(shù)據(jù)接口支持業(yè)主現(xiàn)有的信息化管理系統(tǒng)，例如P6、ERP等。

系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

工程三維信息模型。工程信息模型是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖五大特點(diǎn)。

由設(shè)計(jì)方提供的三維信息模型是工程數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)。只有建立起一個(gè)科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)模型才能夠?qū)崿F(xiàn)和物理資產(chǎn)一一對(duì)應(yīng)的虛擬資產(chǎn)。利用參建各方采集的數(shù)據(jù)以及由設(shè)計(jì)方提供的三維模型，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量校驗(yàn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)集成成為“工程三維信息模型”進(jìn)行數(shù)據(jù)輕量化處理，將其作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)發(fā)布至“工程數(shù)據(jù)中心”。

圖2 數(shù)字電站系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

工程數(shù)據(jù)中心。工程數(shù)據(jù)中心是以工程三維信息模型為紐帶，建立起反應(yīng)工程全貌的信息架構(gòu)。有機(jī)關(guān)聯(lián)工程對(duì)象所涉及的各類相關(guān)數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)資料（包括圖紙、算稿、規(guī)范、報(bào)告、修改通知單等）、施工資料（包括施工過程管理資料、施工質(zhì)量管理、施工進(jìn)度管理資料等）、監(jiān)理資料、監(jiān)測(cè)資料、運(yùn)營管理資料（包括運(yùn)營數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)營狀態(tài)、設(shè)備檢修資料等）。形成覆蓋設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營期的工程數(shù)據(jù)倉庫，并基于數(shù)據(jù)中心建立起公共信息服務(wù)框架以及運(yùn)行時(shí)支撐環(huán)境。

數(shù)字電站業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

工程三維信息綜合查詢。工程三維信息綜合查詢是將海南瓊中抽水蓄能電站設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期的資料（包括圖紙、規(guī)范、圖片、影像、文檔、進(jìn)度、報(bào)告、檢修記錄等）融合到三維模型中，實(shí)現(xiàn)工程信息的三維可視化查詢和關(guān)聯(lián)檢索。具備電站各系統(tǒng)屬性信息、圖檔資料、廠家資料、維護(hù)記錄等的多維信息查詢功能。建立起一一對(duì)應(yīng)于實(shí)體電站的數(shù)字電站，實(shí)現(xiàn)水電站設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)管理。

施工進(jìn)度可視化管理。研究結(jié)合P6編制的總進(jìn)度計(jì)劃，將已有工程信息模型按WBS結(jié)構(gòu)分解為適當(dāng)粒度的進(jìn)度模型單元，賦予進(jìn)度信息，可依據(jù)時(shí)間開關(guān)模型單元顯示，實(shí)現(xiàn)施工過程的虛擬動(dòng)態(tài)仿真。直觀展現(xiàn)施工范圍、層面及順序，使各施工包的邏輯關(guān)系清晰明了。通過進(jìn)一步賦予場(chǎng)地、人、材、機(jī)、料等資源信息，使設(shè)備材料進(jìn)場(chǎng)、勞動(dòng)力配置、機(jī)械臺(tái)班等工作安排更合理、經(jīng)濟(jì)，有效提高施工組織水平，消除相關(guān)隱患，防止事故，減少響應(yīng)處理時(shí)間與成本，有助于業(yè)主進(jìn)行項(xiàng)目精細(xì)化、高效化管理，增強(qiáng)施工過程中決策、控制與優(yōu)化能力。

施工資源動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控。在現(xiàn)有的施工進(jìn)度模擬方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行費(fèi)用均衡優(yōu)化，將施工進(jìn)度、三維模型、資源需求等與工程項(xiàng)目成本管理系統(tǒng)相結(jié)合，研究抽水蓄能電站施工資源的動(dòng)態(tài)管理和成本實(shí)時(shí)監(jiān)控，工期調(diào)整后的資源投入的合理選擇，提高施工項(xiàng)目管理水平和成本控制能力。

施工質(zhì)量管理。質(zhì)量監(jiān)控主要指對(duì)水電工程施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和直觀展示，并支持進(jìn)行可視化查詢和定位，主要包括：施工質(zhì)量監(jiān)控信息可視化查詢、單元工程質(zhì)量信息可視化查詢、質(zhì)量參數(shù)超標(biāo)預(yù)警提示等。

施工質(zhì)量監(jiān)控信息可視化查詢：施工質(zhì)量監(jiān)控相關(guān)的數(shù)據(jù)通過與其所屬的工程模型空間對(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)在三維可視化環(huán)境中對(duì)正在施工部位的施工質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與展示，包括碾壓軌跡、施工質(zhì)量相關(guān)監(jiān)控和檢測(cè)參數(shù)，更直觀地監(jiān)控工程施工過程、展示質(zhì)量控制成效。

單元工程質(zhì)量信息可視化查詢：將大壩及灌漿工程施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、PDA采集的工程施工質(zhì)量信息、試驗(yàn)檢測(cè)（原材料、設(shè)備、中間產(chǎn)品等）等信息集成于相應(yīng)的單元工程對(duì)應(yīng)的三維模型中，進(jìn)行單元或分部工程質(zhì)量進(jìn)行全面分析，為單元工程、分部工程、單位工程質(zhì)量評(píng)定進(jìn)行決策支持。同時(shí)，利用單元工程對(duì)應(yīng)的三維模型對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)單元工程施工質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)和評(píng)定結(jié)果的可視化查詢。

施工安全管理。對(duì)本項(xiàng)目在施工過程中存在的危險(xiǎn)和有害因素進(jìn)行辨識(shí)、分析，提出消除危險(xiǎn)、有害因素及其發(fā)生條件的對(duì)策、措施，以確保建設(shè)工程項(xiàng)目的工程安全、施工安全和項(xiàng)目建設(shè)的有序進(jìn)行。

提供安全培訓(xùn)、安全檢查、安全措施、安全會(huì)議及安全事故方面的信息，內(nèi)容應(yīng)符合監(jiān)理人的要求和安全管理辦法規(guī)定的有關(guān)內(nèi)容：施工危險(xiǎn)點(diǎn)、源的辨識(shí)及預(yù)測(cè)，工程安全、施工安全管理措施。針對(duì)本項(xiàng)目施工期可能發(fā)生的事故和所有危險(xiǎn)源制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置方案，形成應(yīng)急預(yù)案體系。

電纜敷設(shè)三維可視化管理。采用BRCM對(duì)電纜進(jìn)行自動(dòng)敷設(shè)，整個(gè)敷設(shè)過程，精確化三維建模，對(duì)電纜橋架、動(dòng)力及控制設(shè)備等進(jìn)行智能編號(hào)，自動(dòng)計(jì)算電纜起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)路徑，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出電纜長(zhǎng)度，模擬敷設(shè)整個(gè)廠房的電纜，取代了電氣專業(yè)手工實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)的狀況，提高了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)軟件工具

將電纜敷設(shè)成果，在運(yùn)營期加以利用，并將電纜、橋架、設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系直觀生動(dòng)的體現(xiàn)在數(shù)字電站中，實(shí)現(xiàn)電纜精細(xì)化管控。

三維數(shù)字化巡檢系統(tǒng)。通過制定巡檢計(jì)劃，系統(tǒng)在三維場(chǎng)景中繪制出巡檢路徑，完成實(shí)際巡檢路徑與預(yù)設(shè)巡檢路徑的比對(duì)；采用巡視記錄表單、移動(dòng)設(shè)備、二維碼、拍攝等多種手段采集巡檢數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)可通過移動(dòng)、無線設(shè)備上傳至服務(wù)器。可在虛擬場(chǎng)景中漫游查詢巡檢記錄，檢查巡檢工作。系統(tǒng)能根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)生成報(bào)表及分析圖，運(yùn)維人員根據(jù)巡檢點(diǎn)異常記錄統(tǒng)計(jì)發(fā)起檢修任務(wù)。

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，中國電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司發(fā)布了海南瓊中抽水蓄能電站輕量化i-model模型?？梢酝ㄟ^WiFi、3G網(wǎng)絡(luò)連接到平臺(tái)，也可以離線訪問下載的項(xiàng)目資源?？稍谝苿?dòng)終端iPad上直接查詢工程三維模型、圖紙、報(bào)表、工程文檔等。極大的提高了工程資料瀏覽的便捷性，方便監(jiān)理、工程管理者實(shí)時(shí)查看對(duì)比設(shè)計(jì)方案與實(shí)體建筑，并采集錄入數(shù)據(jù)、照片、視頻資料。

對(duì)數(shù)字工程的研究是對(duì)三維設(shè)計(jì)的擴(kuò)展應(yīng)用，并對(duì)建模技術(shù)、信息技術(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面提出更高要求，也是中國電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司作為設(shè)計(jì)企業(yè)從勘測(cè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)向工程項(xiàng)目數(shù)字化管理服務(wù)領(lǐng)域拓展的契機(jī)。對(duì)于在建項(xiàng)目，能夠挖掘設(shè)計(jì)施工一體化過程中的數(shù)據(jù)資源，面向業(yè)主管理應(yīng)用，提供較以往更準(zhǔn)確、更豐富的信息，管控項(xiàng)目實(shí)施。對(duì)于已建成項(xiàng)目，可以結(jié)合運(yùn)營管理需求，利用工程三維信息模型研發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，提高業(yè)主管理效率。數(shù)字工程將改變工程的生產(chǎn)方式，它將在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、安全、管理、教育、可持續(xù)發(fā)展的決策等領(lǐng)域產(chǎn)生廣闊的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。