基于Digital-Twin 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的建設(shè)研究

滕 彥

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司， 上海 200434）

0 引言

著眼能源產(chǎn)業(yè)全局和長遠發(fā)展需求， 以改革創(chuàng)新為核心，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以智能化為基礎(chǔ)，緊緊圍繞構(gòu)建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，促進能源和信息深度融合， 推動能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、 新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展，推動能源領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，支撐和推進能源革命， 為實現(xiàn)我國從能源大國向能源強國轉(zhuǎn)變和經(jīng)濟提質(zhì)增效升級奠定堅實基礎(chǔ)。

隨著BIM 技術(shù)在國內(nèi)的快速發(fā)展，BIM 技術(shù)可在大型水電工程的設(shè)計、施工、竣工及運維全生命周期階段發(fā)揮巨大的價值[1]。數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)旨在利用先進的IT 技術(shù)為工具，采用先進的管理思想、強大的管理功能、領(lǐng)先的開發(fā)技術(shù)，建設(shè)一套完善的信息管理系統(tǒng)，對工程全生命周期的信息進行全過程管理， 從而達到保證水電站設(shè)備的安全可靠運行、降低總體運行成本、提高設(shè)備利用率和工作效率的目的， 并使其成為生產(chǎn)運營的信息平臺和可利用的高效管理手段。

1 Digital-Twin 數(shù)字孿生的介紹

Digital-Twin 數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是BIM 技術(shù)，BIM 重點在于三維數(shù)據(jù)信息模型化，體現(xiàn)為如下幾層含義：首先直觀的三維數(shù)據(jù)信息模型在進行建筑單體建設(shè)時， 可以進行碰撞檢查、精確算量以及虛擬施工等一系列應(yīng)用，實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計、精益管理的目的；其次BIM 技術(shù)提供一個持續(xù)的協(xié)同工作環(huán)境， 可以使項目中各個參與方都可以利用這個平臺及時溝通，共享項目信息，提高管理效率；第三BIM 技術(shù)中的數(shù)據(jù)信息移動交付可以提高對整個項目中工程數(shù)據(jù)信息的利用， 針對最終管控的目的進行有效的分類統(tǒng)計及數(shù)據(jù)挖掘， 實現(xiàn)運營主體的高效決策以及規(guī)模效應(yīng)中體現(xiàn)的高盈利[2]。

BIM 并不能替代Digital-Twin，BIM 技術(shù)的應(yīng)用主要基于設(shè)計和建造過程， 同時BIM 并不能對現(xiàn)實世界的操作做出反應(yīng)，BIM 只是Digital-Twin 的一個關(guān)鍵輸入。

Digital-Twin 是對真實資產(chǎn)、流程及系統(tǒng)的數(shù)字表達，它不是一個靜態(tài)的過程，是基于多數(shù)據(jù)源的實時同步，其中的數(shù)據(jù)可用來進行預估及性能優(yōu)化。 Digital-Twin 技術(shù)特征如下：

1.1 大體量

由以往傳統(tǒng)的文件級管理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫級數(shù)據(jù)管理，載體發(fā)生了改變。

1.2 面向過程的變更管理

針對不同階段不同版本的BIM 模型， 通過轉(zhuǎn)換服務(wù)將每一版BIM 模型的時間點、幾何屬性、物理屬性以及相關(guān)的圖紙、規(guī)格、分析模型等變更集存放進工程數(shù)據(jù)中心。了解引發(fā)變更的根源以及這種變更會帶來的影響對于項目的執(zhí)行過程來講至關(guān)重要。

1.3 部署方式

以云部署及云計算為主。

1.4 跨平臺的應(yīng)用方式

網(wǎng)頁、桌面、移動、大屏等客戶端均可使用。

因此零散的工程數(shù)據(jù)或BIM 模型并不能稱為Digital-Twin 數(shù)字孿生， 也無法進行數(shù)字化電子資產(chǎn)交付，只有數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間通過BIM 載體建立起關(guān)系才能真正形成數(shù)字化電子資產(chǎn)的核心。

2 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的總體技術(shù)路線及關(guān)鍵點

2.1 總體設(shè)計思路

以三峽集團烏東德、白鶴灘水電站為項目載體，建立一個貫穿項目全生命周期的數(shù)據(jù)集成平臺， 其核心思想是通過統(tǒng)一的平臺存儲和管理項目全過程中完整的信息，建立文檔、記錄、資產(chǎn)、人員、流程和項目之間的橋梁，創(chuàng)造一個全生命中周期準確信息的生態(tài)系統(tǒng)， 利用數(shù)據(jù)信息為參與項目的所有部門服務(wù)。

基于Digital-Twin 數(shù)字孿生的技術(shù)特點，本項研究的設(shè)計思路從數(shù)據(jù)層面和關(guān)聯(lián)關(guān)系層面進行梳理。

（1）數(shù)據(jù)層面：數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的數(shù)據(jù)層面可分為兩大類：一類是用來描述水電站本身是如何組織。 包括烏東德、白鶴灘水電站的系統(tǒng)、設(shè)備、部件等信息，從項目的工程文檔及三維模型中獲得，例如三維模型、屬性數(shù)據(jù)、設(shè)備材料列表等；另一類是項目的管理類信息。指與項目建設(shè)過程相關(guān)的管理信息，包括進度WBS 分解、變更記錄、質(zhì)量安全、管理人員等。 這其中既有階段性的靜態(tài)數(shù)據(jù)，又有整個過程的動態(tài)數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（2）關(guān)聯(lián)關(guān)系：第二個方面是如何建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，我們把它叫做數(shù)據(jù)信息模型。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的數(shù)據(jù)信息模型的規(guī)劃和建立取決于工程建設(shè)管理及最終運維管理要求的精細度。管理目標要求越細，數(shù)據(jù)信息模型越復雜。數(shù)據(jù)信息模型使用面向?qū)ο蟮膬?nèi)容存儲，可針對相關(guān)三維模型、所在系統(tǒng)、空間位置、人員組織等通過一定的編碼規(guī)則建立網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)關(guān)系， 最終形成的數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)模型可使不同的參與方通過不同的維度進行相關(guān)資料的檢索及三維定位， 同時根據(jù)各參與方的業(yè)務(wù)需求可衍生出不同的需求關(guān)系， 為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對接提供基礎(chǔ)。

圖2 關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2 技術(shù)關(guān)鍵點

根據(jù)總體設(shè)計思路的梳理， 在數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)建立的過程中有以下幾項技術(shù)關(guān)鍵點需要注意。

（1）水電站BIM 模型的建立[3]。構(gòu)建全專業(yè)模型，包括地質(zhì)、水工、水機、電氣、建筑等，模型到構(gòu)件級，可按要求進行功能和空間的拆分及組合。 模型深度滿足企業(yè)標準Q/CTG 95 規(guī)范及竣工驗收的深度要求，模型需支持以輕量化格式輸出。

（2）水電站信息收集的規(guī)則。 如何完整、高效、可控的收集和提交工程數(shù)據(jù)的方法， 是本項目要研究的重點之一（數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和管理）。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)信息收集主要有兩大部分構(gòu)成， 一個是設(shè)計信息的收集和整理理；一個二是施工數(shù)據(jù)的收集和整理。 烏東德、白鶴灘水電站的二維設(shè)計文檔一般由設(shè)計院提供， 可通過歸檔的設(shè)計院資料獲取圖紙信息。 施工管理數(shù)據(jù)主要由工程建設(shè)單位的施工月報、周報獲得。

（3）數(shù)據(jù)信息模型建立的規(guī)則。 數(shù)據(jù)信息模型的規(guī)劃和建立是數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的重點和難點。 數(shù)據(jù)信息模型的復雜程度取決于項目管理要求的精細度。

數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)使用面向?qū)ο蟮膬?nèi)容存儲，例如， 一份典型的工程設(shè)計清單關(guān)系數(shù)據(jù)庫的實施可能會如下圖所示，所有的數(shù)據(jù)信息都在一排，以固定的格式顯示，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)系

在數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)中， 這一排變成了至少四個對象，對象之間用一種關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，由原來單一的一個關(guān)系變成了多種網(wǎng)狀關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 面向?qū)ο蟮年P(guān)聯(lián)關(guān)系

數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)這種以對象為中心的特性允許數(shù)據(jù)可以自然地進行存儲， 并可以像現(xiàn)實世界物體那樣同其它組件建立關(guān)系。 例如，在設(shè)計系統(tǒng)中，工程師主要關(guān)心的是帶有位號的對象以及其設(shè)計參數(shù)。 從制造商需求的角度來看，模型的技術(shù)規(guī)格就變得更加重要。其所分配的位號對于他們來說，則沒有太大的關(guān)系。在水電站運維過程中， 運維人員主要是通過設(shè)備編碼來進行檢索和管理信息。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)提供了一個信息集來存儲信息， 對每一個組件來說這樣的信息集都處于中心位置，而且信息集與信息集之間的相互聯(lián)系也不相同。但只要從一個組件，就可以迅速找到完整的關(guān)聯(lián)信息。

（4）編碼體系的建立。編碼作為唯一索引在數(shù)據(jù)信息模型的建立中顯得至關(guān)重要， 因此水電站的編碼體系不僅可用于標識各種不同類型水電站的系統(tǒng)、 設(shè)備和部件等， 也要能標識在水電站工程建設(shè)過程中涉及的各類信息，并作為各參與方之間聯(lián)系的紐帶，同時用于水電站生命周期的全過程，為整個系統(tǒng)提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。編碼體系的組成如圖5 所示。

圖5 編碼體系結(jié)構(gòu)

（5）工程數(shù)據(jù)中心建立。數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)建設(shè)的主要工作量是工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，以Digital-Twin 技術(shù)為基礎(chǔ)，既包括BIM 模型數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)，也包括傳統(tǒng)的文檔數(shù)據(jù)。 收集的原始數(shù)據(jù)是分散的，面向各自的專業(yè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)之間通常不存在關(guān)系。 工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)貫穿于整個項目過程，要將現(xiàn)有的各類信息進行集成，依據(jù)項目需求和條件，運用面向?qū)ο蟮姆椒?，抽象出整個工程項目中的各類設(shè)備資產(chǎn)以及信息之間的關(guān)系。 工程數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃和建立不是一個一蹴而就的過程， 需以螺旋上升的方式隨著項目工程需求的日益清晰而逐步完善，這也對工程數(shù)據(jù)中心平臺的可擴展性提出了較高的要求。

3 實施工作內(nèi)容

以Digital-Twin 數(shù)字孿生的設(shè)計思路為基礎(chǔ)，在后續(xù)的實施過程中，主要有以下幾項工作：

3.1 資料收集及調(diào)研

（1）烏東德、白鶴灘規(guī)劃設(shè)計資料收集：與烏東德、白鶴灘工程建設(shè)部及相關(guān)設(shè)計單位對接，收集設(shè)計圖紙、設(shè)計文檔、計算資料、工程量清單等資料。

（2）烏東德、白鶴灘建設(shè)過程需求收集：與烏東德、白鶴灘工程建設(shè)部對接，主要部門為技術(shù)部以及合同部。 收集施工組織、過程管控、質(zhì)量管理、安全管理、采購管理、合同管理、驗收流程和產(chǎn)生的信息類型及樣例。

（3）長江電力運行過程需求收集：與運行單位進行溝通，可依托溪洛渡等大壩進行運行階段業(yè)務(wù)需求分析，反向驗證白鶴灘、烏東德信息的完整性。

3.2 水電站BIM 模型建立

（1）模型范圍：根據(jù)項目建設(shè)的實際需要， BIM 模型實施范圍為烏東德、 白鶴灘水電站范圍內(nèi)永久建筑物及涉及移民的淹沒區(qū)部分。

（2）模型規(guī)則：在建模過程中，需要根據(jù)BIM 軟件的特點確定四點規(guī)則：一是模型文件、構(gòu)件命名規(guī)則；二是模型拆分和裝配規(guī)則；三是建模單位、坐標、高程、基點設(shè)置原則；四是模型色彩規(guī)定。

（3）模型深度：根據(jù)國標及企標要求，烏東德、白鶴灘水電站模型深度單元應(yīng)不低于LOD3.0（施工深化深度），單元幾何精度達到G3 要求， 單元信息深度達到N4 要求。 在工程竣工后模型應(yīng)深化到竣工模型深度，以配合運維需要。

（4）模型編碼：根據(jù)編碼規(guī)則在模型建立過程中針對土建、機電及設(shè)備進行編碼，編碼信息需寫入模型屬性規(guī)定字段中。

3.3 以Digital-Twin 為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與整合

3.3.1 應(yīng)用需求

根據(jù)水電站業(yè)務(wù)梳理數(shù)據(jù)信息模型的應(yīng)用需求，主要包括：

（1）設(shè)計：協(xié)同管理維度、模擬優(yōu)化維度。

（2）工程建設(shè)管理：質(zhì)量維度、HSE 維度、工程清單維度、成本維度、物料資源維度、單元工程、人員組織維度。

（3）運維管理等：監(jiān)測管理維度、人員組織維度、資產(chǎn)管理維度、維護管理維度、調(diào)度管理維度。

3.3.2 數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與整合

以應(yīng)用需求為目標，主要處理幾種形式的數(shù)據(jù)：三維BIM 模型數(shù)據(jù)、 以數(shù)據(jù)庫/XML/EXCEL 格式存在的數(shù)據(jù)信息、文檔信息、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等。

（1）三維模型數(shù)據(jù)的輕量化轉(zhuǎn)換。三維模型數(shù)據(jù)加載主要通過輕量化轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)。 一是將不同BIM 軟件的格式通過標準化服務(wù)轉(zhuǎn)換為構(gòu)件級別的幾何和屬性數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)數(shù)據(jù)利用；二是模型的版本管理， 將過程中的修改也作為模型的組成部分通過變更集的方式進行記錄存入數(shù)據(jù)中， 使各個時間點設(shè)計模型的變化變得透明可控，對于后期工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計十分重要。

（2）EXCEL/XML 數(shù)據(jù)信息的導入。 對各專業(yè)的設(shè)備材料清冊進行導入。 將Excel 表中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML 文件， 然后利用平臺提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查服務(wù)將數(shù)據(jù)導入到平臺中。

（3） 業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的導入。 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)原則上由各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)生成， 由業(yè)務(wù)系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)完整性和準確性。初始數(shù)據(jù)可以由其他方式導入， 例如進度計劃從P6 或Project 軟件中直接導入、BIM 模型中的構(gòu)件對象和工程驗收文檔的關(guān)聯(lián)可以通過平臺使用Excel 預先定義好管理關(guān)系后進行批量的數(shù)據(jù)導入， 最大限度減少數(shù)據(jù)導入的工作量。

（4）工程數(shù)據(jù)中心的對象關(guān)聯(lián)。工程數(shù)據(jù)中心存儲大量工程數(shù)據(jù)，基于不用對象的層次和邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)對象的層級也會有所不同，可提供指定關(guān)聯(lián)規(guī)則（如解析編碼字段規(guī)則，層級規(guī)則等）由系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)信息的錄入。

（5） 多維度數(shù)據(jù)展示。通過工程數(shù)據(jù)中心面向?qū)ο蟮木W(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫技術(shù)的構(gòu)建，在系統(tǒng)中能以任意的維度展示相關(guān)信息。 例如：按系統(tǒng)功能分解展示、按區(qū)域分解展示、 按卷冊圖紙展示、按任意的管理視角展示等。 如圖6、圖7 所示。

圖6 按專業(yè)展示

圖7 按管理視角展示

3.4 相關(guān)技術(shù)文件建立

在實施過程中需要制定一系列技術(shù)標準文件， 以支撐數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)整個過程的實施，主要包括：

（1）數(shù)字水電站交付要求：依托白鶴灘、烏東德水電站竣工移交的要求，制定BIM 模型的交付范圍、交付的模型深度以及交付內(nèi)容等。

（2）數(shù)字水電站編碼規(guī)定：依托白鶴灘、烏東德水電站完成水電站水工建筑物及機電設(shè)備編碼規(guī)定及文檔編碼規(guī)定。

（3）數(shù)字化移交管理規(guī)定：依托白鶴灘、烏東德水電站制定數(shù)字化移交流程及配套的管理辦法。

4 結(jié)束語

雖然數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)目前僅處于可研階段，其未來的實施不僅對提高水電站信息化管理水平和管理效率具有重要作用， 在提高社會效益方面也具有重要意義，且具有很好的行業(yè)示范效應(yīng)。

（1）以Digital-Twin 數(shù)字孿生模型為核心，針對水電站正式運行前期，設(shè)計、施工以及監(jiān)理單位所完成的各類相關(guān)文件、數(shù)據(jù)進行移交管理，對數(shù)據(jù)移交的過程進行控制，從而有效保證工程信息移交的時間、進度以及質(zhì)量。

（2）為形成三峽集團層面工程交付數(shù)據(jù)中心打下基礎(chǔ)，通過后續(xù)數(shù)據(jù)的不斷積累為水電站運行維護全面實現(xiàn)信息化管理提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 極大地節(jié)省了后續(xù)相關(guān)運行維護管理系統(tǒng)建設(shè)的成本。

（3）基于全數(shù)據(jù)信息模型構(gòu)建起的數(shù)字水電站將直觀地展示水電站全貌， 并能夠通過可視化的手段對基礎(chǔ)設(shè)施進行模擬和管理。 在提高管理效率的同時， 也為對外宣傳、 提升企業(yè)形象帶來巨大效益。