4D模型技術(shù)在核電廠大修實施中的應(yīng)用淺析

劉曉軍

摘要：核電廠的大修是一個復(fù)雜和系統(tǒng)性的工作，尤其是大修開展過程中涉及眾多大型設(shè)備的拆裝、狹小空間里的吊運和安置，關(guān)鍵路徑活動的優(yōu)化，以及廠房設(shè)備的踩點等。如何有效地規(guī)避設(shè)備移動過程中的碰撞和損壞，更合理地安排關(guān)鍵路徑活動以縮短大修工期等，一直是核電廠大修實施的一個難點。本文通過簡要分析4D模型技術(shù)在大修實施中的應(yīng)用場景、可行性分析和實現(xiàn)路徑圖，為解決大修實施中某些難點開辟出一個新的方向。

關(guān)鍵詞：4D模型;大修實施;應(yīng)用分析

一、引言

國內(nèi)某三代核電機組，在工程安裝階段運用4D模型技術(shù)成功實現(xiàn)壓力容器的引入就位，龐大的反應(yīng)堆壓力容器逐一安全地通過反應(yīng)堆廠房內(nèi)一個接一個間隙微小的可能碰撞點，與之前的4D模型計算幾乎完全一致，實現(xiàn)4D模型技術(shù)在核電廠設(shè)備安裝過程中全程模擬。

由此，如果能將4D模型技術(shù)應(yīng)用在核電廠大修實施中，這將為大修的實施和控制帶來極大收益。眾所周知，核電廠大修是一個繁瑣復(fù)雜的工程，它涉及很多重大設(shè)備的拆裝和吊運。如何在大修實施中制定合理的大修計劃、精準(zhǔn)實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備部件的吊裝、優(yōu)化大修現(xiàn)場空間布置，以縮短大修工期、降低大修成本、最大程度提高電廠的經(jīng)濟效率，已成為核電廠大修領(lǐng)域的一個重要課題。

二、4D模型技術(shù)介紹

2.1、4D模型技術(shù)的定義

在大修實施中所用到的4D模型技術(shù)，是以核電廠內(nèi)廠房和設(shè)備的3D模型為基礎(chǔ)，加以大修計劃為時間軸，將大修主線計劃中的關(guān)鍵活動以動畫的形式，通過多角度、多層次的展現(xiàn)，生成關(guān)鍵活動的動態(tài)模擬。

目前用于國內(nèi)核電廠的三維模型設(shè)計軟件主要有PDS和PDMS，通過此類軟件可實現(xiàn)對核電廠內(nèi)廠房、設(shè)備和管道的全比例建模。另外，通過NavisWorks軟件則可以實現(xiàn)對核電廠三維模型的實時漫游、快速碰撞檢查和預(yù)測潛在問題、結(jié)合Primavera大修計劃軟件，實現(xiàn)4D進度模擬。

2.2、4D模型技術(shù)在核電廠大修中的嵌入

本文中4D模型技術(shù)借助三維軟件PDMS和NavisWorks，將核電廠內(nèi)主要廠房和設(shè)備的3D模型與大修主線計劃相結(jié)合，動態(tài)模擬關(guān)鍵活動實施過程，以實現(xiàn)大修關(guān)鍵活動的可視化管理和大修資源的優(yōu)化配置。另外，4D模型技術(shù)通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建模，可以準(zhǔn)確、有效地預(yù)測設(shè)備吊裝過程中的可能碰撞、摩擦及擠壓等風(fēng)險，實現(xiàn)維修場地、大型吊具、維修人力的合理調(diào)配，為實現(xiàn)大修工期優(yōu)化做出較大貢獻。

三、4D模型技術(shù)在大修中的應(yīng)用場景設(shè)計

3.1、在大修實施中的應(yīng)用場景

在核電廠大修實施過程中，通過4D模型技術(shù)對大修關(guān)鍵活動進行仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵活動中可能發(fā)生的問題及風(fēng)險;通過預(yù)先設(shè)定碰撞間隙裕度，并進行模擬的碰撞檢查，可以提前找到重要設(shè)備在起吊、安裝、拆卸等過程中可能的碰撞和偏離風(fēng)險。對發(fā)現(xiàn)的上述問題則可以提前制定應(yīng)對措施，規(guī)避相關(guān)風(fēng)險。

同時，通過4D模型技術(shù)也可以對大修進度進行模擬，進而驗證大修主線計劃中的工期設(shè)置是否合理，主線計劃中的關(guān)鍵活動間的邏輯關(guān)系是否正確，對不合理的地方進行調(diào)整優(yōu)化并反饋到大修主線計劃中。這樣通過不斷的模擬和調(diào)整，優(yōu)化出最佳方案，并使大修主線計劃在執(zhí)行過程中得到更有效的控制和監(jiān)督。

另外，通過合理使用4D模型技術(shù)，還可以實現(xiàn)對大修過程中事件模擬分析和廠房/設(shè)備在線漫游，實現(xiàn)足不出戶即可熟悉廠房和設(shè)備的布置。

3.2、4D模型技術(shù)給大修帶來的收益

通過4D模型在線仿真可以發(fā)現(xiàn)大修實施過程中可能存在的問題和風(fēng)險以及大修主線計劃中關(guān)鍵活動邏輯關(guān)系上的不合理之處，并針對性進行調(diào)整和優(yōu)化。

通過4D模型技術(shù)，將極大地優(yōu)化大修實施過程中人力、資源和場地的調(diào)配，確保大修關(guān)鍵活動的順利實施和大修工期的優(yōu)化，給核電廠大修帶來極大的經(jīng)濟利益。

同時，通過將4D模型動態(tài)演示給大修現(xiàn)場工作人員，可以讓他們更加直觀地了解大修中關(guān)鍵活動的具體實施細節(jié)和需要關(guān)注的要點，減少因信息匱乏和經(jīng)驗欠缺而帶來的人因失誤，為大修的順利實施打下良好基礎(chǔ)。

四、4D模型技術(shù)在大修實施中的應(yīng)用分析

4D模型技術(shù)通過對核電廠各房間、系統(tǒng)和設(shè)備的漫游，以及對重要設(shè)備的吊裝、拆卸、維修進行4D動態(tài)演示，并進行設(shè)備移動過程中的碰撞檢查以及項目進度模擬等，對大修維修活動的開展、大修計劃優(yōu)化等產(chǎn)生重要指導(dǎo)意義。它在大修中的應(yīng)用初步分析如下：

4.1 4D動畫演示

應(yīng)用4D模型技術(shù)，可以創(chuàng)建核電廠機組的4D模型動畫并與之交互，結(jié)合4D動畫從不同角度、不同維度查看機組的管道和設(shè)備。例如通過輸入機組實際相關(guān)參數(shù)可以創(chuàng)建一個關(guān)于換料機將乏燃料從壓力容器中吊出、放入換料小車、通過傳輸通道、最后放入乏燃料水池中的一個模擬動畫，用于實際換料操作的參考。

燃料操作人員通過觀看這個動畫，即可作為換料操作前的一種模擬培訓(xùn)，又可以對換料操作中可能存在的風(fēng)險、操作的工期安排等做一個預(yù)先研判，優(yōu)化操作工序，減少實際操作中人因失誤。

4.2 碰撞檢查

應(yīng)用4D模型中的碰撞檢測（Clash Detective）工具可以有效地識別、檢驗和報告機組設(shè)備三維模型中潛在的碰撞。特別是在吊裝較大設(shè)備時，通過4D模型的碰撞檢查逐一識別出設(shè)備移動過程中潛在的碰撞點，使吊裝的設(shè)備精準(zhǔn)地通過各個間隙微小的可能碰撞點，順利就位。

通過與其他工具相結(jié)合，還可以實現(xiàn)其他類型的碰撞檢測：

（1）將碰撞檢測工具與“對象動畫”聯(lián)系起來，可以自動檢查移動設(shè)備之間的碰撞。例如，起吊一臺水泵過程中，可能會碰到周圍一些管道和閥門，通過對碰撞結(jié)果提前模擬和檢測，可重新安排該水泵移動路線或者加強監(jiān)視以消除該碰撞。

（2）將碰撞檢測工具與“TimeLiner”聯(lián)系起來，可對大修過程進行基于時間的碰撞檢查。例如，在大修過程中，由于反應(yīng)堆廠房的空間局限和大修活動的復(fù)雜繁瑣，就可能發(fā)生在某一時刻將多個設(shè)備放置在同一場地，發(fā)生“碰撞”，通過應(yīng)用4D模型技術(shù)進行基于時間的碰撞檢測，就可避免此類碰撞。

4.3 大修進度模擬

通過4D模型技術(shù)，可以將設(shè)備部件的三維模型對象與大修主線計劃中的作業(yè)關(guān)聯(lián)起來，模擬顯示每天將要進行的工作及完成率，并且還可以根據(jù)模擬效果導(dǎo)出圖像和動畫以供大修工作人員和大修管理人員做參考。

大修進度模擬的過程為：

首先，通過“TimeLiner”創(chuàng)建相關(guān)大修任務(wù)，這個可以通過系統(tǒng)接口自動導(dǎo)入大修主線計劃中的任務(wù)，也可以手動添加相關(guān)任務(wù)。每個任務(wù)都包含任務(wù)名稱、開始日期、結(jié)束日期以及任務(wù)類型，任務(wù)類型包括：安裝、拆除、吊運等。

其次，將每個任務(wù)附加到三維模型中的對象，這樣4D模型才起作用。根據(jù)大修計劃關(guān)鍵路徑中的任務(wù)類型和特征，選擇或搜索三維模型中計劃屬性值相同的模型對象形成選擇集或搜索集，通過將TimeLiner中的任務(wù)附加到場景區(qū)域中的對應(yīng)的選擇集或搜索集中，就可實現(xiàn)任務(wù)與三維模型的關(guān)聯(lián)。

最后，通過播放模擬動畫，TimeLiner窗口將在任務(wù)執(zhí)行時顯示這些任務(wù)，而場景區(qū)域則顯示根據(jù)任務(wù)類型隨時間添加或刪除的模型部分。當(dāng)然，還可以把動畫添加到整個進度模擬中，來增強模擬的效果和質(zhì)量。

五、4D模型在大修實施中應(yīng)用的實現(xiàn)路徑圖

結(jié)合4D模型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和核電廠大修的特殊性及復(fù)雜性，初步規(guī)劃4D模型技術(shù)在核電廠大修實施中的應(yīng)用分三個階段來實現(xiàn)。

第一階段：通過NavisWorks軟件輔助實現(xiàn)反應(yīng)堆廠房和汽輪機廠房內(nèi)部的任意區(qū)域瀏覽、核電廠主要設(shè)備的三維展示以及反應(yīng)堆廠房20m工作平臺三維立體多視角顯示，以此來輔助計劃人員對大修關(guān)鍵活動操作的講解。

第二階段：主要實現(xiàn)核電廠大修過程中關(guān)鍵設(shè)備吊裝、拆卸的4D模擬，通過多維度、多視角的動畫模擬，為維修人員提供盡可能多的參考，以達到進入反應(yīng)堆廠房之前先練兵的目的;同時，還規(guī)劃在第二階段通過4D模型技術(shù)實現(xiàn)對大修關(guān)鍵路徑的進度模擬;這一階段的實現(xiàn)是建立在可以獲取足夠多的真實數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上的。

第三階段：在前面兩個階段均順利實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過對大修關(guān)鍵活動的細化分析和梳理，整理出大修關(guān)鍵活動的主要工藝流程和坐標(biāo)參數(shù)，進而實現(xiàn)對大修工藝的全真模擬，同時實現(xiàn)對大修關(guān)鍵路徑的全過程模擬。這一階段將是一個持續(xù)時間較長過程，并且需要經(jīng)歷若干次大修的數(shù)據(jù)收集反饋、優(yōu)化完善，最終為大修實施和優(yōu)化創(chuàng)造價值。

六、結(jié)束語

綜上，如果4D模型技術(shù)能成功應(yīng)用于核電廠大修實施中，將會極大促進核電廠大修優(yōu)化管理，提高電廠的經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景是非常可觀的。但目前這一技術(shù)在核電廠大修實施中的應(yīng)用還處在起步階段，技術(shù)應(yīng)用的智能化水平還不是很高，計算機承擔(dān)的分析推理的工作還離不開使用者的介入。這需要在現(xiàn)有軟硬件條件和前期應(yīng)用經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過不斷探索研究與開發(fā)設(shè)計，將4D模型技術(shù)在核電廠大修實施中的應(yīng)用向更深層、更智能化的方向推進。

參考文獻

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