數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)研究

文｜孫海星

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)研究

文｜孫海星

信息系統(tǒng)的引入，滿(mǎn)足了專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提高了施工過(guò)程管理信息化管理水平。但由于施工企業(yè)業(yè)務(wù)覆蓋面廣，單項(xiàng)目的業(yè)務(wù)范圍就涵蓋了從設(shè)計(jì)、采購(gòu)到施工的全過(guò)程管理，各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)之間欠缺有機(jī)地集成，一定程度上存在“信息孤島”的現(xiàn)象，無(wú)法滿(mǎn)足整體管理的需要。同時(shí)，整體的信息化水平與國(guó)際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹啵嬖?D模型應(yīng)用程度還需提高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工信息的一致性、項(xiàng)目管理還需深化等差距，這些都制約著企業(yè)的業(yè)務(wù)提升，無(wú)法在國(guó)際舞臺(tái)上與同類(lèi)公司同臺(tái)競(jìng)技，迫切需要建設(shè)一個(gè)完整的IT系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)來(lái)完善提升。

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)平臺(tái)是需要滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造、調(diào)試等多方面的工程管理需求，以達(dá)到對(duì)工程進(jìn)度、投資、質(zhì)量、安全、技術(shù)和環(huán)境的綜合管控的一體化要求，借助先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)和管理軟件，提高效率、規(guī)范管理，并通過(guò)信息化平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)向電廠運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)無(wú)縫的數(shù)字化移交，為電廠后期的運(yùn)行和維護(hù)提供有效的信息支持與數(shù)據(jù)支持。

同時(shí)，該平臺(tái)也需要滿(mǎn)足業(yè)主對(duì)電廠日常運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)的需要，尤其是后期維護(hù)管理的需要，實(shí)現(xiàn)覆蓋集團(tuán)的核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域，從工程設(shè)計(jì)、施工到后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理的業(yè)務(wù)鏈條的全面管理提升。

一、項(xiàng)目目標(biāo)

項(xiàng)目建設(shè)的具體目標(biāo)是：

● 打通業(yè)務(wù)鏈

施工項(xiàng)目綜合信息平臺(tái)需要滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造、調(diào)試等多方面的工程管理需求，以達(dá)到對(duì)工程進(jìn)度、投資、質(zhì)量、安全、技術(shù)和環(huán)境的綜合管控的一體化要求，借助先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)和管理軟件，提高效率、規(guī)范管理，并通過(guò)電廠工程信息化平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)向電廠運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)無(wú)縫的數(shù)字化移交，為電廠后期的運(yùn)行和維護(hù)提供有效的信息支持與數(shù)據(jù)支持。

同時(shí)，該平臺(tái)也需要滿(mǎn)足業(yè)主對(duì)電廠日常運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)的需要，尤其是后期維護(hù)管理的需要，實(shí)現(xiàn)覆蓋集團(tuán)的核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域，從工程設(shè)計(jì)、施工到后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理的業(yè)務(wù)鏈條的全面管理提升。

● 提供領(lǐng)導(dǎo)決策支持

施工項(xiàng)目綜合信息平臺(tái)不僅是滿(mǎn)足日常業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的IT支撐系統(tǒng)，還需要提取項(xiàng)目運(yùn)行中的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并提供管理駕駛艙，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供輔助支持。

● 培養(yǎng)一支IT建設(shè)和維護(hù)隊(duì)伍

IT系統(tǒng)的建設(shè)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，參與項(xiàng)目建設(shè)的人員不僅需要了解業(yè)務(wù)運(yùn)行情況，還需要對(duì)IT技術(shù)有較為深入的了解，這樣才能保證項(xiàng)目的成功。在IT項(xiàng)目上線運(yùn)行后，也需要有一支獨(dú)立的IT隊(duì)伍對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)行維護(hù)，以保障業(yè)務(wù)的平穩(wěn)運(yùn)行。在該項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，培養(yǎng)內(nèi)部的一支IT建設(shè)和維護(hù)隊(duì)伍，來(lái)滿(mǎn)足集團(tuán)對(duì)信息化統(tǒng)一管理的要求，更好地支撐各單位的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。

二、技術(shù)方案

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)平臺(tái)（下簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺(tái)”）提供一套完整的數(shù)字化電廠模型，統(tǒng)一提供給業(yè)主方，工程公司以及供應(yīng)商統(tǒng)一的電廠數(shù)據(jù)視圖。通過(guò)集中管理項(xiàng)目準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)，采購(gòu)，建安，調(diào)試以及移交等不同階段數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的共享，流轉(zhuǎn)和可追溯。通過(guò)建立設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及建安調(diào)試數(shù)據(jù)之間的配置管理，實(shí)現(xiàn)建設(shè)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。最終這些數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的多維數(shù)字化電廠移交。

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)平臺(tái)由4部分組成：數(shù)據(jù)層、協(xié)同層、應(yīng)用層和集成層。

數(shù)據(jù)層包含了3部分內(nèi)容：3D xCAD接口，3D建模工具CATIA和3D數(shù)字化電廠模型。其中3D數(shù)字化電廠模型是數(shù)據(jù)層的核心，3D xCAD接口和CATIA是3D創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入的工具。

3D數(shù)字化電廠模型的來(lái)源有3方面：CNPE設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，外來(lái)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

CNPE設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自于設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，目前主要是AVEVA模型，是CNPE自主設(shè)計(jì)的電廠的3D模型。通過(guò)設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)和平臺(tái)的接口，把已發(fā)布狀態(tài)的設(shè)計(jì)模型發(fā)布到平臺(tái)的數(shù)據(jù)層進(jìn)行管理。

外來(lái)數(shù)據(jù)是指其他設(shè)計(jì)公司或供應(yīng)商提供的模型。例如田灣項(xiàng)目，平臺(tái)需要接收俄羅斯工程設(shè)計(jì)方提供的大量3D模型，包括CATIA，Intergraph和UG模型。另外，供應(yīng)商也應(yīng)該提供設(shè)備的3D模型。各種3D CAD工具提供的3D模型，將通過(guò)平臺(tái)提供的3D xCAD接口導(dǎo)入到平臺(tái)的數(shù)據(jù)層。外來(lái)數(shù)據(jù)可能還包含2D圖紙，需要通過(guò)CATIA的逆向工程轉(zhuǎn)換成3D模型。

歷史數(shù)據(jù)是指已有的電廠設(shè)計(jì)圖或物理廠房。歷史數(shù)據(jù)可能包括各種3D CAD工具產(chǎn)生的3D模型、2D圖紙。對(duì)于已建的物理廠房和設(shè)備，還可以通過(guò)激光掃描的方式來(lái)得到點(diǎn)云圖。各種3D CAD工具提供的三維模型，將通過(guò)平臺(tái)提供的3D xCAD接口導(dǎo)入到平臺(tái)的數(shù)據(jù)層。對(duì)于2D圖和掃描得到的點(diǎn)云圖，需要通過(guò)CATIA的逆向工程構(gòu)建3D模型，納入到平臺(tái)進(jìn)行管理。

協(xié)同層由2部分組成：系統(tǒng)工程和配置管理。系統(tǒng)工程是一個(gè)跨學(xué)科的方法，其目的是幫助實(shí)現(xiàn)成功的系統(tǒng)，RFLP（Requirement-Function-Logic-Physical，需求-功能-邏輯-物理）模型是實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科全生命周期管理的系統(tǒng)工程的管理流程。配置管理部分管理數(shù)據(jù)狀態(tài)和變更，保證數(shù)字化電廠與物理資產(chǎn)的一致性。

RFLP模型是系統(tǒng)工程方法論的最佳實(shí)踐，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)需求模型、功能模型、邏輯模型到物理模型創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)和追蹤，全面管理支持需求、功能、邏輯和物理及相關(guān)的數(shù)據(jù)，支持跨學(xué)科全生命周期管理，如下圖所示。

工程需求管理的目的在于準(zhǔn)確的捕獲業(yè)主的需求，作為工程投標(biāo)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并保證最終交付的電站滿(mǎn)足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等方面的要求。通過(guò)客戶(hù)體驗(yàn)和交互及時(shí)捕獲業(yè)主需求，并對(duì)業(yè)主需求進(jìn)行明確的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，形成需求結(jié)構(gòu)分解（RBS）。提供工程分類(lèi)、工程結(jié)構(gòu)、建筑和子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，支持?jǐn)?shù)據(jù)重用、設(shè)計(jì)和投標(biāo)報(bào)價(jià)。

功能模型描述了產(chǎn)品（或服務(wù)）所起的作用和所擔(dān)負(fù)的職能，針對(duì)設(shè)計(jì)需求，定義系統(tǒng)/子系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，并確定系統(tǒng)間輸入輸出關(guān)系。平臺(tái)中的功能模型將按照電廠的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定義、分析和分解。

邏輯模型是實(shí)現(xiàn)功能定義的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，可以用于系統(tǒng)行為建模與仿真，建立系統(tǒng)級(jí)的統(tǒng)一仿真平臺(tái)。邏輯模型應(yīng)該基于Modelica統(tǒng)一物理建模語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建，Modelica是多學(xué)科系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真系統(tǒng)解決方案的基礎(chǔ)?；贑ATIA System可以對(duì)Modelica邏輯模型進(jìn)行多學(xué)科系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真系統(tǒng)解決方案。

物理模型通過(guò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)層進(jìn)行管理，并和需求、功能和邏輯模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的追蹤，形成完整的系統(tǒng)工程管理流程。

配置管理部分管理數(shù)據(jù)狀態(tài)和變更，保證數(shù)字化電廠與物理資產(chǎn)的一致性。電廠對(duì)安全性的高度關(guān)注要求企業(yè)建立嚴(yán)格的配置管理流程。標(biāo)準(zhǔn)化的電站SSC模板是進(jìn)行配置管理和數(shù)據(jù)重用的基礎(chǔ)。集成、閉環(huán)的問(wèn)題管理和變更管理流程保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，并支持設(shè)計(jì)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。

應(yīng)用層提供了業(yè)主、工程公司和供應(yīng)商等各方所需的工程信息服務(wù)。平臺(tái)的搜索功能提供了基于屬性、分類(lèi)、關(guān)鍵字以及3D檢索功能。平臺(tái)的搜索能力還應(yīng)該支持海量的、多數(shù)據(jù)源的搜索能力，以支持智能化的搜索和基于搜索的應(yīng)用（SBA，Search Base Application）。平臺(tái)的瀏覽功能提供了從各個(gè)視圖對(duì)信息瀏覽的方式，并通過(guò)信息之間的關(guān)聯(lián)，可以瀏覽相關(guān)的信息。報(bào)表功能提供需求追蹤、BOM等常用的報(bào)表。通過(guò)系統(tǒng)的可視化功能，提供3D的分析、仿真、評(píng)審、演示和培訓(xùn)等服務(wù)。

集成層提供了和設(shè)計(jì)管理，采購(gòu)管理、施工管理、調(diào)試管理等系統(tǒng)的集成接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和這些系統(tǒng)之間的信息交流和共享。

構(gòu)件開(kāi)發(fā)均采用J2EE實(shí)現(xiàn)，采用J2EE方式進(jìn)行系統(tǒng)間的通訊與協(xié)作。

三、系統(tǒng)平臺(tái)功能建設(shè)

3D工廠數(shù)字化評(píng)審是一種正式的，流程化的，系統(tǒng)化的，可控制的審查，遍布整個(gè)工廠數(shù)字化研發(fā)過(guò)程，在預(yù)定義好的項(xiàng)目時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行，驗(yàn)證當(dāng)前的設(shè)計(jì)是否與約定的需求保持一致。

3D數(shù)字化工廠評(píng)審的目標(biāo)：

● 驗(yàn)證所有規(guī)劃的任務(wù)和交付物已經(jīng)被完成，并且滿(mǎn)足項(xiàng)目特定階段的成熟度要求

● 確定是否項(xiàng)目應(yīng)該按計(jì)劃進(jìn)行，在繼續(xù)開(kāi)始之前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理分析和重要問(wèn)題的決議

● 使下一階段的任務(wù)提前進(jìn)入，推動(dòng)并行工程的進(jìn)行

● 減小設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)問(wèn)題的可能性，降低問(wèn)題的影響

● 對(duì)供應(yīng)商的外包設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)同決策管理

碰撞與干涉分析，在已有3D模型的基礎(chǔ)上，在建造前事先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，更新設(shè)計(jì)，避免建造時(shí)才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、管路、設(shè)備等多專(zhuān)業(yè)間不同布局空間3D數(shù)字化工廠的協(xié)調(diào)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，減少設(shè)計(jì)變更，以最大限度地降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

人機(jī)工程應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)、人體力學(xué)、勞動(dòng)生理學(xué)、勞動(dòng)心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對(duì)人體結(jié)構(gòu)特征和機(jī)能特征進(jìn)行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動(dòng)時(shí)的相互關(guān)系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)；還提供人體各部分的出力范圍、以及動(dòng)作時(shí)的習(xí)慣等人體機(jī)能特征參數(shù)，分析人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)以及膚覺(jué)等感覺(jué)器官的機(jī)能特性；分析人在各種勞動(dòng)時(shí)的生理變化、能量消耗、疲勞機(jī)理以及人對(duì)各種勞動(dòng)負(fù)荷的適應(yīng)能力；探討人在工作中影響心理狀態(tài)的因素以及心理因素對(duì)工作效率的影響等。

人機(jī)工程將人在電廠工程環(huán)境中的行為進(jìn)行模擬仿真，提高高危、高輻射環(huán)境下人員工作的安全性：

● 工人工作過(guò)程仿真

● 最大化操作者的舒適程度

● 比較評(píng)估不同的操作方案

● 優(yōu)化人機(jī)操作流程

● 輻射環(huán)境下人體輻射量的

虛擬建造是基于4D數(shù)字化環(huán)境下的可視化仿真平臺(tái)，驗(yàn)證和規(guī)劃建設(shè)維護(hù)的時(shí)間表和任務(wù)分解，檢查設(shè)備拆卸時(shí)的潛在碰撞，以最大限度地降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

功能需求：

● 檢查物理活動(dòng)之間的沖突

● 檢查安全問(wèn)題

● 嘗試不同的施工方法

● 驗(yàn)證和加快施工維護(hù)進(jìn)度

● 捕獲和重用知識(shí)建設(shè)規(guī)劃

● 規(guī)劃信息以三維可視化形式展示

虛擬建造維護(hù)的益處：

● 降低成本：

◎?qū)ㄔ烨暗脑O(shè)計(jì)錯(cuò)誤識(shí)別以減少工程變更

◎提前預(yù)知建造施工任務(wù)間的沖突以減少施工變更

◎優(yōu)化建造施工任務(wù)分解以減少資源浪費(fèi)

● 施工時(shí)間大大縮短：

◎縮短了由于設(shè)計(jì)或規(guī)劃失誤而造成的工程拖延時(shí)間

◎驗(yàn)證重大關(guān)鍵施工任務(wù)計(jì)劃，縮短建設(shè)周期

◎縮短關(guān)鍵施工任務(wù)的員工學(xué)習(xí)培訓(xùn)時(shí)間

● 降低風(fēng)險(xiǎn)：

◎比較不同的施工方法，對(duì)不同施工方案進(jìn)行驗(yàn)證

◎在交互式的虛擬環(huán)境中，安全人員及早發(fā)現(xiàn)施工階段的安全隱患

◎基于3D模擬環(huán)境，開(kāi)展員工培訓(xùn)，提高工人的安全意識(shí)

● 改善溝通

◎以三維可視化的形式提供簡(jiǎn)單易懂的設(shè)計(jì)與施工信息說(shuō)明

◎虛擬模擬手段加強(qiáng)工人，工程人員，高級(jí)管理人員和客戶(hù)之間的信息溝通

動(dòng)態(tài)三維技術(shù)在設(shè)計(jì)、建造以及虛擬工廠規(guī)劃領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。相比于傳統(tǒng)的二維簡(jiǎn)圖表示及施工維修文檔說(shuō)明的方法，三維可視化的手段不僅對(duì)三維設(shè)計(jì)信息進(jìn)行重新利用，并且直觀清晰，有利于操作人員理解施工維護(hù)意圖，形成企業(yè)的智力資產(chǎn)。

虛擬培訓(xùn)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成實(shí)時(shí)的、具有三維信息的人工虛擬環(huán)境，學(xué)員通過(guò)運(yùn)用某些設(shè)備和相應(yīng)環(huán)境的各種感官刺激而進(jìn)入其中，并可根據(jù)需要通過(guò)多種交互設(shè)備來(lái)駕馭環(huán)境、操作工具和操作對(duì)象，從而達(dá)到提高培訓(xùn)對(duì)象各種技能和學(xué)習(xí)知識(shí)的目的。

這種培訓(xùn)的方式的優(yōu)點(diǎn)在于它的仿真性，超時(shí)空性，自主性和安全性。在培訓(xùn)中，學(xué)員能夠自主結(jié)合虛擬培訓(xùn)場(chǎng)地和設(shè)施，而學(xué)員可以在重復(fù)中不斷增強(qiáng)自己的訓(xùn)練效果；更重要的是這種虛擬環(huán)境使他們脫離了現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中的風(fēng)險(xiǎn)，并能從這種培訓(xùn)中獲得感性知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

虛擬體驗(yàn)是用戶(hù)使用前期的三維數(shù)字化工廠模型，交互式地瀏覽、體驗(yàn)電廠工廠，逼真的三維可視化工廠造型，廠區(qū)，設(shè)備，系統(tǒng)，電氣，管路等，讓用戶(hù)更容易理解工廠環(huán)境及運(yùn)行狀況，三維可視化培訓(xùn)，提高員工培訓(xùn)的學(xué)習(xí)效率，以及在線操作中的準(zhǔn)確性和有效性。

● 在體驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行可視化評(píng)審

● 基于逼真體驗(yàn)為設(shè)計(jì)與評(píng)審提供有利補(bǔ)充

● 通過(guò)為學(xué)員提供三維可視化體驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)員在操作前（培訓(xùn)）的準(zhǔn)備效率和操作中（監(jiān)測(cè)或在線幫助）的工作效率。

四、結(jié)論

數(shù)字化施工過(guò)程管理系統(tǒng)的實(shí)施可提升施工管理能力，為標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)提供工具及基礎(chǔ)，并為業(yè)主的后期運(yùn)維提供更為先進(jìn)、直觀的手段；進(jìn)度管理的有效提升使項(xiàng)目各方更容易達(dá)成共識(shí)，形成有效的工程管理知識(shí)體系，從而保證項(xiàng)目的工期及為后續(xù)工程提供經(jīng)驗(yàn)；該平臺(tái)的建設(shè)對(duì)工程管理的各方面能力提供了更強(qiáng)的管理能力，它將可全面提升工程的預(yù)算及費(fèi)用管理水平，使其更加準(zhǔn)確，進(jìn)一步提公司的管理水平，為在國(guó)際工程中提供競(jìng)爭(zhēng)的可能。

作者單位：北京中核華輝科技發(fā)展有限公司