Electrical Designer：智能化設(shè)計 數(shù)據(jù)化交付

文｜胡婷 鄧新星

進入21世紀后不斷發(fā)展的計算機硬件和軟件為設(shè)計行業(yè)帶來全新的變革，設(shè)計手段和設(shè)計理念發(fā)生全新轉(zhuǎn)變。就其起源及特點，90年代時期設(shè)計軟件主要以圖形為導(dǎo)向解決專業(yè)模塊問題，而當今軟件則著眼于設(shè)計過程信息的全面流通及管理，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計。中國電建華東勘測設(shè)計研究院（以下簡稱“華東院”）在水電行業(yè)順應(yīng)并引領(lǐng)了發(fā)展的潮流，在2004年全方位引進了Bentley Micro Station平臺，并對各專業(yè)軟件進行了大量定制及二次開發(fā)，目前已在地質(zhì)、土建等領(lǐng)域占據(jù)了行業(yè)領(lǐng)頭羊位置。電氣設(shè)計軟件由于諸多歷史原因，未能在上一階段得到全面發(fā)展，但時至今日，Electrical Designer平臺已初步具備全面實現(xiàn)水電站電氣設(shè)計解決方案的能力。

圖1 Electrical Designer軟件體系架構(gòu)

圖2 Electrical Designer系統(tǒng)平臺方案

建立標準 無縫對接

Bentley平臺電氣三維設(shè)計軟件由變電電氣設(shè)計軟件Substation、橋架設(shè)計及電纜敷設(shè)軟件BRCM組成。華東院在現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上，進行了大量二次開發(fā)，以解決各類問題，形成一個完整的貫穿于電氣設(shè)計生產(chǎn)流程的原理接線、設(shè)備布置及電纜敷設(shè)的一體化平臺Electrical Designer軟件。以簡化設(shè)計生產(chǎn)流程，建立電氣三維數(shù)字化設(shè)計標準體系，并實現(xiàn)與其他專業(yè)數(shù)據(jù)無縫對接。軟件整體體系架構(gòu)如圖1所示。

Electrical Designer電氣三維設(shè)計系統(tǒng)是基于Bentley電氣設(shè)計軟件Substation與BRCM和協(xié)同工作平臺ProjectWise研發(fā)的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，軟件以工程數(shù)據(jù)庫為中心，模型為驅(qū)動，實現(xiàn)全過程數(shù)據(jù)的有序流動，如圖2所示。另外，軟件改變了傳統(tǒng)以圖形為導(dǎo)向的設(shè)計方式，呈現(xiàn)全新模式，即以數(shù)據(jù)庫為核心，將整個電氣系統(tǒng)設(shè)備分層存儲于中央數(shù)據(jù)庫，基于設(shè)計標準進行設(shè)備統(tǒng)一分類和編碼，并方便設(shè)計人員從各個環(huán)節(jié)入手設(shè)計。工程數(shù)據(jù)中心建立結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化工程數(shù)據(jù)管理機制，基于公共服務(wù)框架為設(shè)計、施工、運維一體化平臺服務(wù)，為實現(xiàn)工程全生命周期全過程奠定基礎(chǔ)。

專注設(shè)計 一舉多得

Electrical Designer軟件針對上述需求，做了大量定制工作，包括基于規(guī)程規(guī)范且完備的元件庫包括設(shè)計生產(chǎn)全過程需要的各類設(shè)備，包括變壓器、斷路器、接觸器、繼電器、熔斷器、電流互感器、電壓互感器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、GIS設(shè)備、絕緣子串、盤柜、照明、火警以及工業(yè)電視等。元件庫與參數(shù)庫的有效管理和推送保障工程設(shè)計標準化，并基于三維設(shè)計標準及經(jīng)驗最終實現(xiàn)項目模板化。其中，燈具模型如圖3所示。

建立主接線和廠用電設(shè)計中常用典型回路庫。針對廠用電模塊，創(chuàng)建廠用電回路選型表，以利用Bentley開發(fā)的廠用電模塊讀取負荷提資表，自動生成廠用電原理圖，最終生成的廠用電原理圖如圖4所示?；芈愤x型依據(jù)統(tǒng)一標準保證工程數(shù)據(jù)的準確性和一致性。設(shè)計信息保存在數(shù)據(jù)庫中，方便查詢修改，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動圖形，原理圖基于層級關(guān)系自動更新。

定制橋架庫以及電纜型號庫。BRCM軟件原生橋架庫種類繁多且規(guī)格不齊全，不利于設(shè)計人員選型?；诠こ绦枰Ａ籼砑訃鴥?nèi)廠商提供的橋架尺寸規(guī)格，建立統(tǒng)一的建模環(huán)境和標準；同時，根據(jù)廠家樣本添加電纜型號及相關(guān)信息至BRCM數(shù)據(jù)庫中，為電纜敷設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

華東院在Substation平臺下開發(fā)了照明、火警、埋管以及端子設(shè)計模塊，軟件貫穿于設(shè)計始終，提高了設(shè)計人員的工作質(zhì)量和效率。

Substation軟件無照明設(shè)計功能，無法實現(xiàn)模型分類及管理。工廠設(shè)計中，照明模型多樣化批量布置方式更有利于提高設(shè)計效率。二次開發(fā)的照明模塊提供了智能化工具以方便設(shè)計人員布置三維模型，繪制三維導(dǎo)線以分配電能，回路定義時軟件提供壓降校驗工具以計算電纜截面并自動獲取穿管。基于三維設(shè)計成果軟件自動生成二維布置圖及配電箱接線圖，并且具有標注及統(tǒng)計材料清單功能。

通訊專業(yè)設(shè)計火災(zāi)報警系統(tǒng)時，大部分時間用于探測器布置；人工計算結(jié)構(gòu)專業(yè)繪制的板梁高度差，劃分探測區(qū)域。工廠需要布置探測器數(shù)量眾多，花費時間于簡單重復(fù)勞動上將造成人力資源極大浪費。二次開發(fā)火災(zāi)報警模塊提供了探測器全自動化布置工具，考慮梁對探測器探測范圍影響，自動讀取并計算板梁高度差值等級，依據(jù)標準規(guī)范計算探測器數(shù)量及位置，從而可實現(xiàn)整個廠房探測器的一鍵布置，大大提高了設(shè)計效率，設(shè)計人員從而可將精力著眼于優(yōu)化設(shè)計上。

圖3 燈具模型展示

圖4 廠用電原理圖

水電站廠房中預(yù)埋大量電氣埋管，傳統(tǒng)二維設(shè)計只是在用電設(shè)備和控制設(shè)備間繪制示意性虛線，至于管徑是否與其他孔道、專業(yè)埋管有碰撞不得而知，無法保證設(shè)計合理性及準確性。二次開發(fā)埋管模塊可高效完成三維埋管參數(shù)化布置，綜合考慮了工程師后續(xù)材料統(tǒng)計和出圖符號化問題，可謂一舉多得，對電氣專業(yè)設(shè)計效率和質(zhì)量提升效果明顯。

圖5 照明設(shè)計效果圖

圖6 火警設(shè)計效果圖

圖7 埋管設(shè)計效果圖

圖8 端子設(shè)計效果圖

設(shè)計院電氣二次專業(yè)設(shè)計監(jiān)控保護回路時，往往基于設(shè)備廠商提供的圖紙人工對線，建立設(shè)備間端子連線。傳統(tǒng)方式以圖形為驅(qū)動，設(shè)計人員忙碌于無數(shù)張原理圖紙間，頻繁查找和修改工作難以保證設(shè)計的準確性和一致性。二次開發(fā)的端子模塊以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，存入設(shè)備廠商提供的端子信息至數(shù)據(jù)庫，端子接線基于數(shù)據(jù)庫信息有序設(shè)計，軟件自動更新圖紙插入的回路端子號。這種模式完全實現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同，后期將在工程模板化方面做進一步研究。

工廠設(shè)計涉及多個專業(yè)，專業(yè)之間存在實時交互與實時協(xié)作?，F(xiàn)有的設(shè)計軟件大都是相互獨立，針對某一專業(yè)或某一方面應(yīng)用的CAD工具，它們在開發(fā)平臺、體系結(jié)構(gòu)和模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面存在著較大的差異，無法形成完善的協(xié)作體系，從而使專業(yè)間不能良好溝通。i-model是對基礎(chǔ)設(shè)施信息進行開放式交換的文件格式，幾乎所有Bentley軟件之間的數(shù)據(jù)信息傳遞都可通過i-model來實現(xiàn)。華東院利用i-model機制針對電氣專業(yè)不同需求分別開發(fā)了多個模塊以讀取其他專業(yè)利用Bentley軟件設(shè)計的成果。

例如模型發(fā)布模塊發(fā)布ABD軟件建模信息，基于標準規(guī)范定制的schema。發(fā)布的信息包括板梁尺寸和位置信息以i-model為載體供電氣軟件使用。電氣軟件讀取發(fā)布的板梁信息劃分探測區(qū)域，從而自動布置探測器。

編碼讀取模塊讀取Bentley平臺下包括ABD軟件在內(nèi)的模型KKS編碼和分類碼信息。編碼貫穿于模型整個生命周期，保證編碼信息有序流動意義重大。電氣專業(yè)利用BRCM軟件敷設(shè)電纜時，需要讀取水機暖通等專業(yè)模型信息。利用編碼讀取模塊可有效讀取其他專業(yè)在ABD及PlantSpace等軟件下設(shè)計的模型編碼信息，實現(xiàn)專業(yè)間數(shù)據(jù)交互。

協(xié)同共享 有序調(diào)用

從軟件的專業(yè)模塊應(yīng)用上說，水電站電氣設(shè)計從專業(yè)上劃分，可以分為電氣一次、電氣二次及通訊三個子專業(yè)。電氣一次專業(yè)主要負責強電方面設(shè)計工作；電氣二次專業(yè)主要負責監(jiān)控、保護方面設(shè)計工作；通訊專業(yè)主要負責通訊、火災(zāi)報警、工業(yè)電視、站內(nèi)廣播設(shè)計工作。雖然各子專業(yè)涉及的設(shè)計內(nèi)容不同，但整體設(shè)計思路協(xié)調(diào)一致，即要解決電氣原理、電氣接線（端子圖）、電氣設(shè)備布置、電纜通道布置和電纜敷設(shè)等四方面工作。

目前Electrical Designer平臺下的電氣三維設(shè)計系統(tǒng)已具備實現(xiàn)上述設(shè)計內(nèi)容的專業(yè)模塊，包括一次主接線、廠用電接線、二次控制原理圖等設(shè)計通過Substation軟件實現(xiàn)；電氣連線中的各系統(tǒng)間端子圖設(shè)計通過二次開發(fā)模塊實現(xiàn)；電氣主設(shè)備布置設(shè)計通過Substation軟件實現(xiàn)，照明、火災(zāi)報警、工業(yè)電視、站內(nèi)廣播等設(shè)備布置通過二次開發(fā)模塊實現(xiàn)；電纜通道布置和電纜敷設(shè)設(shè)計通過BRCM軟件實現(xiàn)。

Electrical Designer電氣三維設(shè)計系統(tǒng)目前已在華東院各類項目中投入應(yīng)用，包括洪屏、仙游、績溪、成都地鐵等等，通過三維設(shè)計系統(tǒng)共輸出圖紙達80%以上，與其他專業(yè)的協(xié)同及碰撞檢查有效地減少了工廠系統(tǒng)布置設(shè)計的變更。

從電氣專業(yè)內(nèi)部設(shè)計信息數(shù)據(jù)流的管理和應(yīng)用上說，水電站電氣設(shè)計指工程師根據(jù)實現(xiàn)工程需要在現(xiàn)有設(shè)備和產(chǎn)品庫中選型，并按國家規(guī)范的規(guī)程進行核驗，選定合適產(chǎn)品后通過文本與圖紙的形式表達出來。筆者認為對計算機而言即為被選定信息數(shù)據(jù)從各個產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫流向工程數(shù)據(jù)庫的過程，完成工程設(shè)計后即控制各設(shè)計信息數(shù)據(jù)流得到一個全新的工程數(shù)據(jù)庫。

圖9 主接線設(shè)計

圖10 橋架和電纜溝設(shè)計

Electrical Designer電氣三維設(shè)計軟件基于此邏輯管理設(shè)計信息數(shù)據(jù)流。以設(shè)計數(shù)據(jù)中電纜信息流的管理和應(yīng)用為例，利用Substation軟件進行一次主接線、廠用電接線、二次控制原理圖設(shè)計后，所有設(shè)計信息包括各電纜信息存入工程數(shù)據(jù)庫；在Substation軟件完成電氣連線中的端子圖設(shè)計，所有設(shè)計信息包括各電纜信息存入工程數(shù)據(jù)庫；在Substation軟件完成電氣主設(shè)備布置設(shè)計，所有設(shè)計信息包括各設(shè)備位置和編碼信息存入工程數(shù)據(jù)庫。在BRCM軟件中完成電纜通道設(shè)計，所有設(shè)計信息包括各全廠電纜通道信息存入工程數(shù)據(jù)庫；最終在BRCM軟件中進行電纜敷設(shè)，利用上述已獲得電纜信息、設(shè)備位置信息、通道截面和位置信息進行電纜敷設(shè)。敷設(shè)完成后所有電纜的路徑信息將完善到原有工程數(shù)據(jù)庫。

上述電纜信息在各子軟件設(shè)計過程為先通過載流量、截面、芯數(shù)等信息從數(shù)據(jù)庫中選型，再按各自要完成的功能和要求校驗，最后存入工程數(shù)據(jù)庫；存入工程數(shù)據(jù)庫后，電纜信息可以不斷被其他子軟件調(diào)用，并且可以由其他子專業(yè)逐步完善各類數(shù)據(jù)，形成一套完整的工程數(shù)據(jù)。上述信息流在Electrical Designer電氣三維設(shè)計解決方案中暢通、受控且閉環(huán)。

從與其他專業(yè)配合外部設(shè)計信息數(shù)據(jù)流的管理和應(yīng)用上說，電氣三維設(shè)計系統(tǒng)從內(nèi)部流程上看是一個自成體系又相對封閉的環(huán)境。市面上大多數(shù)電氣軟件基本可實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)流動性，體系內(nèi)功能做得很完善，但電氣專業(yè)其外部配合設(shè)計的數(shù)據(jù)流入涉及專業(yè)多，目前其他軟件沒有合適的解決方案。Bentley公司基于“一個平臺，一個模型，一個數(shù)據(jù)架構(gòu)”理念，在Micro Station平臺（以下簡稱MS平臺）下實現(xiàn)各類項目、各專業(yè)信息數(shù)據(jù)流的有序調(diào)用。

圖11 電纜信息流

電氣專業(yè)與其他專業(yè)配合中所需信息，各專業(yè)在各自專業(yè)軟件中創(chuàng)建完善，電氣專業(yè)根據(jù)需要利用二次開發(fā)軟件讀取，如設(shè)備編碼信息、設(shè)備負荷信息、接線點位置信息等；電氣專業(yè)為其他專業(yè)提供的控制和信號等方面信息，其他專業(yè)采用同種模式主動調(diào)用。MS平臺下電氣模型可以與其他專業(yè)模型完美統(tǒng)一，模型底層采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu)支撐，以提高項目設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的準確性和一致性，為后期項目數(shù)據(jù)的管理和分析提供可能性。

從電氣設(shè)計校審流程上說，在具備電氣專業(yè)模塊，以及完整的內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)流管理基礎(chǔ)上，設(shè)計核審流程必不可少，以保證設(shè)計過程可控性，設(shè)計成果準確性和專業(yè)性，基于MS平臺在Project Wise軟件上開發(fā)的三維設(shè)計校審系統(tǒng)是對傳統(tǒng)校審模式的繼承和改良。ProjectWise作為MS平臺重要組成部分，是各專業(yè)協(xié)同設(shè)計基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)三維設(shè)計校審系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在當今社會大發(fā)展時代，各行各業(yè)都從IT時代逐步進入DT（大數(shù)據(jù)）時代。未來的電氣設(shè)計和產(chǎn)品交付也應(yīng)符合DT時代特征，這需要具備諸多特點，包括設(shè)計過程全面協(xié)同化，不再是一個人的單打獨斗，不同專業(yè)不同廠家都可以為同一工程協(xié)同設(shè)計；設(shè)計師工作區(qū)域世界化，設(shè)計師可以在世界任何位置通過網(wǎng)絡(luò)獲取設(shè)計信息。設(shè)計過程智能化和精細化，每個設(shè)計過程都可以得到計算機核驗和管理人員核審；設(shè)計成果數(shù)據(jù)化，一個完整工程即是一個數(shù)據(jù)合集；設(shè)計產(chǎn)品交付DT化，可以根據(jù)工程不同階段、不同單位、不同人員的需要提供不同交付內(nèi)容。

眼下，我們正身處時代變革關(guān)口，在新市場環(huán)境下，華東院選擇的MS平臺和執(zhí)行的三維設(shè)計理念已經(jīng)初步具備了DT時代特征，因此我們有責任和義務(wù)為行業(yè)開拓探索和完善新設(shè)計理念以及新解決方案，帶領(lǐng)設(shè)計行業(yè)盡快適應(yīng)DT時代需求。