海上風(fēng)電工程全生命周期數(shù)字孿生解決方案

金 飛，葉曉冬，馬 斐，滕 彥

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

海上風(fēng)電近年來(lái)在技術(shù)革新和國(guó)家政策的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，進(jìn)入了大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，這對(duì)工程建設(shè)的質(zhì)量和效率提出了很高的要求。海上風(fēng)電工程涉及范圍廣，工程復(fù)雜度高，具有建設(shè)條件復(fù)雜、專業(yè)種類(lèi)眾多、可到達(dá)性差、運(yùn)行維護(hù)困難等特點(diǎn)。同時(shí)，近期國(guó)家能源主管部門(mén)出臺(tái)了一系列海上風(fēng)電建設(shè)管理和價(jià)格政策，明確了海上風(fēng)電的補(bǔ)貼退坡的節(jié)奏，更突顯了海上風(fēng)電全生命周期的精細(xì)化管理和成本控制的重要性[1]。因此迫切需要通過(guò)數(shù)字化和信息化等手段，推動(dòng)海上風(fēng)電工程高質(zhì)量高效率發(fā)展。

近年來(lái)數(shù)字化智慧風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)成為業(yè)內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)，圍繞體系架構(gòu)[2]、解決方案[3]、項(xiàng)目管理[4]、運(yùn)營(yíng)維護(hù)[5]等方面做了很多研究工作。然而，大多數(shù)研究只關(guān)注工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中某些階段，目前國(guó)內(nèi)能夠覆蓋海上風(fēng)電全生命周期的數(shù)字孿生研究尚處于起步階段。

對(duì)于海上風(fēng)電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在數(shù)字化方面做了很多研究與應(yīng)用[6- 7]，創(chuàng)建了三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立了完整的全專業(yè)海上風(fēng)電場(chǎng)三維數(shù)字化模型，以整體風(fēng)電場(chǎng)全專業(yè)BIM模型設(shè)計(jì)為核心，在BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行碰撞檢查、設(shè)計(jì)優(yōu)化，避免后續(xù)施工階段出現(xiàn)大量返工工作；通過(guò)參數(shù)化建模等創(chuàng)新應(yīng)用提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

對(duì)于海上風(fēng)電工程施工階段，基于BIM技術(shù)的項(xiàng)目管理系統(tǒng)能夠基于BIM模型對(duì)各類(lèi)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可視化管理，以BIM模型的變化更新來(lái)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工進(jìn)度和成果，實(shí)時(shí)掌握施工進(jìn)程[8]，并同時(shí)利用BIM施工方案模擬可以對(duì)施工的重點(diǎn)或難點(diǎn)部分進(jìn)行可見(jiàn)性模擬和分析，提高施工方案的可執(zhí)行性。

對(duì)于海上風(fēng)電工程運(yùn)維階段，目前設(shè)備資產(chǎn)的資料信息分散缺少統(tǒng)一的管理體系。同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的獨(dú)立造成了數(shù)據(jù)孤島，缺少業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)?，F(xiàn)有多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)界面根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型劃分子系統(tǒng)，運(yùn)行人員要查看多個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)需要來(lái)回切換界面窗口或多屏查看，增加了無(wú)效操作時(shí)間，無(wú)法有效提高工作效率。

1 難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 全生命周期數(shù)字孿生體系

目前針對(duì)海上風(fēng)電工程單個(gè)建設(shè)階段已有數(shù)字化實(shí)施案例，而能夠覆蓋全生命周期的數(shù)字孿生體系研究是一個(gè)難點(diǎn)，其關(guān)鍵在于BIM模型及數(shù)據(jù)能夠在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段中得到繼承、深化與提升?；谝?guī)劃設(shè)計(jì)階段建立的BIM模型，施工階段進(jìn)行模型深化，并賦予施工屬性信息，竣工時(shí)形成數(shù)字資產(chǎn)；運(yùn)維階段基于前述階段的BIM模型，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型互聯(lián)，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。由此建立的全生命周期的數(shù)字孿生體系能夠充分發(fā)揮數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)，提升工程數(shù)字化價(jià)值。

1.2 信息分類(lèi)與編碼標(biāo)準(zhǔn)

由于國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展起步較晚，尚未形成成熟的編碼體系。而海上風(fēng)電與其他傳統(tǒng)能源相比，有著很多不同點(diǎn)，需要建立起符合海上風(fēng)電工程的信息分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息模型的唯一索引，標(biāo)識(shí)各種不同類(lèi)型的系統(tǒng)、設(shè)備和部件，同時(shí)標(biāo)識(shí)在工程建設(shè)過(guò)程中涉及的各類(lèi)信息，如各類(lèi)文檔、單元工程、人員、組織等，并作為各專業(yè)設(shè)計(jì)人員，采購(gòu)人員，項(xiàng)目管理人員、現(xiàn)場(chǎng)施工人員、運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員等之間聯(lián)系的紐帶。

BIM模型需要與施工進(jìn)度計(jì)劃、項(xiàng)目成本、運(yùn)維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的進(jìn)行雙向關(guān)聯(lián)，模型關(guān)聯(lián)上述數(shù)據(jù)后，能夠在瀏覽模型的過(guò)程中，查看任一構(gòu)件對(duì)應(yīng)的進(jìn)度計(jì)劃節(jié)點(diǎn)工期、清單工程量和造價(jià)、設(shè)備監(jiān)測(cè)狀態(tài)等信息[9]。模型與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，可以提供給不同業(yè)務(wù)人員和項(xiàng)目參與方獲取所需的信息，在同一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，確保項(xiàng)目數(shù)據(jù)的一致性，并能夠直觀地通過(guò)模型可視化的方式呈現(xiàn)。

1.3 全生命周期的數(shù)字資產(chǎn)體系

為了提高設(shè)備資產(chǎn)在全生命周期中所產(chǎn)生信息的高利用率，需要將各階段的資料信息進(jìn)行數(shù)字化處理以數(shù)據(jù)庫(kù)形式儲(chǔ)存，并使用一個(gè)唯一索引將數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)備資產(chǎn)關(guān)聯(lián)，形成物理設(shè)備的數(shù)字資產(chǎn)體系，如圖1所示。

圖1 數(shù)字資產(chǎn)體系示意圖

2 解決方案

海上風(fēng)電工程全生命周期數(shù)字孿生解決方案以BIM技術(shù)為核心，結(jié)合GIS、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿信息技術(shù)，服務(wù)海上風(fēng)電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段，實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)的智能化、數(shù)字化、信息化的創(chuàng)新運(yùn)用。BIM模型及數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)中得到繼承、深化與提升。以下按照規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段進(jìn)行方案內(nèi)容的詳細(xì)介紹。整體方案的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 全生命周期數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)圖

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

2.1.1主要功能

智慧規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)場(chǎng)智能選址布局、環(huán)境條件分析，并且集成海上風(fēng)電設(shè)計(jì)過(guò)程各專業(yè)所使用的各類(lèi)工具，為各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。充分運(yùn)用BIM、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，融合了氣象信息庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS地圖服務(wù)、圖形引擎、各類(lèi)算法庫(kù)等服務(wù)支撐工具，在規(guī)劃階段可為用戶提供包括測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)評(píng)估、風(fēng)電場(chǎng)宏觀、微觀選址及發(fā)電量計(jì)算、風(fēng)資源評(píng)價(jià)、地形圖生成及處理、工程海域波浪要素設(shè)計(jì)等功能，結(jié)合造價(jià)信息管理平臺(tái)得出的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)的風(fēng)場(chǎng)布局與風(fēng)機(jī)規(guī)劃布局方案。通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)整合包括風(fēng)機(jī)機(jī)組、海上升壓站、海纜及地形地質(zhì)在內(nèi)的BIM信息模型和GIS模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可視化、審核智能化，減少了過(guò)程協(xié)調(diào)中各種資源消耗。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、凈高分析、管道綜合優(yōu)化、工程自動(dòng)算量、三維出圖、場(chǎng)景漫游等功能。通過(guò)智慧設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)整個(gè)新能源電站的設(shè)計(jì)工作流程進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，實(shí)現(xiàn)信息的集中存儲(chǔ)和訪問(wèn)，并對(duì)校核或?qū)徟鷻?quán)限進(jìn)行管理。通過(guò)協(xié)同工作模式減少過(guò)程協(xié)調(diào)中各種資源消耗，避免設(shè)計(jì)時(shí)專業(yè)間的碰撞問(wèn)題和重復(fù)修改的過(guò)程，提高設(shè)計(jì)過(guò)程的效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1.2創(chuàng)新應(yīng)用

(1)智慧選址

智慧規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建，能夠輸出全國(guó)任意區(qū)域200m×200m精度格點(diǎn)數(shù)據(jù)、風(fēng)資源分布圖譜信息(如圖3所示)；基于GIS空間分析技術(shù)，將風(fēng)資源分布圖、海圖、海洋功能區(qū)劃圖、海洋氣象信息加載到同一地理空間進(jìn)行綜合分析，分析結(jié)果為風(fēng)資源評(píng)估、海洋環(huán)境評(píng)估提供可靠依據(jù)。平臺(tái)可根據(jù)分析結(jié)果提供風(fēng)電場(chǎng)的宏觀、微觀的推薦選址。確定選址后，平臺(tái)可自動(dòng)規(guī)劃裝機(jī)容量。

圖3 風(fēng)資源圖譜分析

(2)參數(shù)化單元庫(kù)與出圖

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、電氣橋架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模難點(diǎn)，平臺(tái)創(chuàng)新性地利用BIM軟件的自定義參數(shù)化功能，將海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)中的常用節(jié)點(diǎn)類(lèi)型以及電氣橋架通過(guò)參數(shù)化編程的方式制作成單元庫(kù)(如圖4所示)。參數(shù)化單元庫(kù)在不同項(xiàng)目中快速調(diào)用，大大提高建模效率。同時(shí)，配合二維切圖，可以將三維模型快速轉(zhuǎn)換成二維圖紙，同時(shí)支持二維圖紙與三維模型聯(lián)動(dòng)，參數(shù)化修改的參數(shù)能夠反映在二維切圖中，大大提高了出圖效率。

圖4 參數(shù)化單元庫(kù)

2.2 施工階段

2.2.1基本功能

智慧施工管理平臺(tái)為工程建設(shè)參與單位提供BIM協(xié)同工作平臺(tái)與管理數(shù)據(jù)中心。BIM協(xié)同工作平臺(tái)以集成各專業(yè)的BIM模型為核心載體，關(guān)聯(lián)施工過(guò)程中的進(jìn)度、質(zhì)量、安全、文件、工程量等信息，利用BIM模型的形象直觀、可計(jì)算分析的特性，為工程的進(jìn)度、質(zhì)量管控等提供數(shù)據(jù)支撐，為工程建設(shè)參與單位提供全階段的信息查詢與分析服務(wù)。施工管理數(shù)據(jù)中心將施工階段中產(chǎn)生的管理數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與融合。各參與方可在基于BIM的智慧建設(shè)管理平臺(tái)上進(jìn)行模型變更管理；建設(shè)方可利用平臺(tái)基于輕量化的BIM模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化的進(jìn)度計(jì)劃管理、質(zhì)量管理、安全管理以及成本管理模塊的應(yīng)用及數(shù)據(jù)填報(bào)，利用平臺(tái)更有效的實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度的動(dòng)態(tài)控制，進(jìn)而提高施工質(zhì)量和有效控制施工進(jìn)度。

2.2.2主要應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的BIM模型，進(jìn)行施工深化。對(duì)深化后的BIM模型進(jìn)行4D施工組織方案模擬，根據(jù)風(fēng)電工程分部分項(xiàng)劃分情況、施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)度、工程施工特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)三維模型進(jìn)行實(shí)體切割，形成可以反映施工作業(yè)對(duì)象和結(jié)果的施工作業(yè)單元實(shí)體模型，再與施工進(jìn)度相鏈接，形成4D施工資源信息模型，根據(jù)構(gòu)件選擇施工機(jī)械及機(jī)械的運(yùn)行方式，確定施工的方式、順序和所需臨時(shí)設(shè)施及安裝位置，通過(guò)預(yù)演進(jìn)度對(duì)整體施工方案進(jìn)行優(yōu)化及調(diào)整。同時(shí)，對(duì)專項(xiàng)BIM施工方案模擬，對(duì)重要的施工環(huán)節(jié)或采用施工工藝的關(guān)鍵部位等施工指導(dǎo)措施進(jìn)行模擬和分析，以提高計(jì)劃的可執(zhí)行性，進(jìn)度模擬示意圖如圖5所示。

圖5 施工進(jìn)度模擬

2.3 運(yùn)維階段

2.3.1全生命周期公共信息模型

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建立設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期公共信息模型(CIM)，如圖6所示。以前述兩階段的BIM模型為載體，資產(chǎn)編碼為紐帶將設(shè)備資產(chǎn)在建設(shè)期、運(yùn)營(yíng)期所產(chǎn)生的各類(lèi)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)，在后端數(shù)據(jù)庫(kù)中以資產(chǎn)編碼作為唯一索引可迅速各維度的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，前端采用一個(gè)界面同時(shí)展示設(shè)備資產(chǎn)所有關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

圖6 公共信息模型

2.3.2虛擬風(fēng)場(chǎng)

應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)建立還原海上風(fēng)電場(chǎng)虛擬場(chǎng)景模型(虛擬風(fēng)場(chǎng)，如圖7所示)。以GIS地圖為底板，在其上構(gòu)件海洋、風(fēng)機(jī)機(jī)組、海纜、海上升壓站等模型，將設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障告警預(yù)警、環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，運(yùn)用模型的可視化效果更直觀的展現(xiàn)數(shù)據(jù)，在同一個(gè)界面中用戶能更全面地掌握風(fēng)電場(chǎng)全局信息[10]。

圖7 虛擬風(fēng)場(chǎng)

2.3.3智能預(yù)警

結(jié)合預(yù)警智能算法，系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷故障類(lèi)型、自動(dòng)報(bào)警/預(yù)警并發(fā)起運(yùn)維流程，結(jié)合排程智能算法，系統(tǒng)可生成最優(yōu)運(yùn)維計(jì)劃并自動(dòng)派單，運(yùn)維人員通過(guò)手持終端記錄整個(gè)運(yùn)維過(guò)程并反饋系統(tǒng)完成業(yè)務(wù)閉環(huán)，智能預(yù)警示意圖如圖8所示。

圖8 智能預(yù)警

3 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電工程全生命周期數(shù)字孿生解決方案基于“全生命周期管理”的核心思想和BIM技術(shù)，突出“創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)、智慧、綠色”理念，為用戶提供技術(shù)先進(jìn)、管理創(chuàng)新、電網(wǎng)友好、生態(tài)和諧的智慧風(fēng)場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營(yíng)一體化解決方案。以BIM模型為核心，覆蓋海上風(fēng)電工程全生命周期內(nèi)各參建方的各類(lèi)相關(guān)文件、數(shù)據(jù)、信息，并對(duì)數(shù)據(jù)移交的過(guò)程進(jìn)行控制，從而有效保證工程信息移交的時(shí)間、進(jìn)度以及質(zhì)量，利用數(shù)字孿生技術(shù)助力海上風(fēng)電工程實(shí)現(xiàn)降本增效。