建筑信息模型在水電站運維方面的應用

周 波， 賴 真 明， 彭 遠 方

(中電建水電開發(fā)集團有限公司，四川 成都 610094)

1 概 況

大渡河安谷水電站位于四川省樂山市境內(nèi)，是大渡河下游最后一個梯級電站，以發(fā)電、防洪、航運、供水等綜合利用的大(2)型水電工程。正常蓄水位為海拔高程398 m，額定水頭33 m，設計引用流量2 640.9 m3/s。樞紐布置從左至右為左岸副壩、左岸非溢流壩、13孔泄洪沖沙閘、河床式電站、船閘、右岸接頭壩。電站于2015年8月28日全部機組投產(chǎn)發(fā)電。電站裝機772 MW，安裝了4臺190 MW和1臺120 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組及調(diào)速、勵磁、監(jiān)控等輔助系統(tǒng)。電氣主接線形式為：5臺發(fā)電機側(cè)均采用發(fā)電機-變壓器單元接線，發(fā)電機出口設斷路器，220 kV側(cè)采用雙母線接線形式，共有兩回線接入系統(tǒng)[1]。

電站機電設備眾多，后期運營安全風險高、維護難度大。開展基于BIM技術(shù)的運維管理應用對降低電站運行安全風險、提升運維水平具有重要意義。

最早由俗稱BIM之父的美國喬治亞大學查克·伊士曼教授借鑒制造業(yè)的產(chǎn)品信息模型創(chuàng)建了BIM理念。2002年Autodesk公司提出BIM并推出了自己的BIM軟件產(chǎn)品。在我國對BIM的定義為：在建設工程及設施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結(jié)果的總稱[2]。住建部于2016年發(fā)布了《關(guān)于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，在此后三年的示范工程建設中，BIM技術(shù)應用已由單點應用逐步發(fā)展為與智能化應用相結(jié)合[3]。目前，BIM技術(shù)在設計、施工和運營維護全過程的集成應用已取得一定進展。

隨著BIM技術(shù)率先在建筑行業(yè)應用，由最初的設計企業(yè)發(fā)展到施工企業(yè)和業(yè)主單位，由傳統(tǒng)的建筑行業(yè)發(fā)展到水電行業(yè)、制造行業(yè)甚至交通行業(yè)，BIM理念逐步廣為接受。BIM能夠應用于工程項目規(guī)劃、勘察、設計、施工、運營維護等各階段，實現(xiàn)建筑全生命期和各參與方在同一多維建筑信息模型基礎上的數(shù)據(jù)共享，為產(chǎn)業(yè)鏈貫通、工業(yè)化建造和繁榮建筑創(chuàng)作提供技術(shù)保障。主要討論BIM在樂山市安谷水電站運維階段的應用，試圖改進傳統(tǒng)的運營維護管理方法，建立基于BIM應用的運營維護管理模式。

2 研究內(nèi)容及方法

水電站水工建筑物、機電設備數(shù)量繁多，以BIM技術(shù)作為水電站運維的基礎與信息載體，研究設備設施的數(shù)字化、KKS編碼、多業(yè)務協(xié)同、多元數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)集成可視化交互等關(guān)鍵技術(shù)及其集成應用。

2.1 設備設施數(shù)字化

設備設施數(shù)字化的第一步是三維建模，是可視化運維管理應用的基礎，在三維模型上賦能運維階段設備設施的空間信息、運維數(shù)據(jù)、采購信息、廠家圖紙、規(guī)范標準、技術(shù)要求、設備材質(zhì)等，形成數(shù)字資產(chǎn)臺賬。數(shù)據(jù)集中能提高運維管理效率及精準程度。

水電站涉及土建、機械、電氣三個大類的設備設施三維建模，不同的類別采用不同的三維建模軟件，采用Autodesk公司的Revit軟件對水電站的水工建筑物進行三維建模，達索公司的SolidWorks軟件對水輪發(fā)電機組及其他輔助機械設備三維建模，SolidWorks Electrical軟件對電站電氣系統(tǒng)進行三維建模。針對數(shù)量龐大的機械電氣設備，如何快速化完成設備的三維建模是該應用研究的重點。目前典型的快速化設計的理論和方法有：模塊化設計、參數(shù)化設計、產(chǎn)品族設計及可重構(gòu)設計等[4]。其中參數(shù)化設計是產(chǎn)品設計、系列化的一種簡單、高效和快速的方法，通過改變結(jié)構(gòu)特征某一部分或某幾部分的尺寸，基于參數(shù)化驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)對特征中相關(guān)部分的自動改動。采用參數(shù)化設計便于推廣到其他水電站，能夠快速完成相似水輪發(fā)電機組的三維建模。

在三維建模過程中，空間信息、設備材質(zhì)等內(nèi)容作為基本信息賦值到模型上，運維數(shù)據(jù)、采購信息、廠家圖紙、規(guī)范標準、技術(shù)要求等信息構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲體系，與三維模型形成外部關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設備設施數(shù)字化。

2.2 設備KKS編碼

KKS編碼作為電廠標識系統(tǒng)，用來標識電廠的部件及其輔助系統(tǒng)，是設備管理工作的基礎。采用KKS編碼給三維模型文件命名，文件系統(tǒng)一目了然。

編碼的基礎是采用合理的分類方法進行類別劃分，編碼應服從分類[5]。對水電站設備進行類別劃分，編碼采用五層代碼，電廠代碼為第一層，機組單元或公用系統(tǒng)作為第二層代碼，系統(tǒng)單元或稱為功能單位作為第三層代碼，設備單元作為第四層，部件或元件單元作為第五層。如安谷電站1號機組水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片KKS編碼為：81_10MEA80AE200。KKS編碼層級示意圖見圖1。

圖1 KKS編碼層級示意圖

2.3 多業(yè)務協(xié)同

水電站運維涉及的主要業(yè)務包括運行巡檢、定期檢查、監(jiān)測、檢修維護等。傳統(tǒng)的運維方式對以上業(yè)務獨立開展，甚至執(zhí)行人員都不相同，各負其責，業(yè)務相對獨立。

為了提高多業(yè)務執(zhí)行效率，建立一個統(tǒng)一平臺，整合各業(yè)務全流程數(shù)據(jù)。設備設施的三維數(shù)字模型是集合各業(yè)務數(shù)據(jù)的良好載體，集合運行巡檢、定期檢查、檢修維護等記錄數(shù)據(jù)，多業(yè)務協(xié)同開展。

2.4 多元數(shù)據(jù)融合

水電站設計、施工、運維等各階段全生命周期信息，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)(如施工期圖紙、質(zhì)檢報告等)、半靜態(tài)數(shù)據(jù)(如運行巡檢、檢修維護)、動態(tài)數(shù)據(jù)(如發(fā)電機出力、軸瓦溫度、工業(yè)電視監(jiān)控畫面等)。目前的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)量大、相互獨立，有必要對多元數(shù)據(jù)進行融合。

基于以上多元數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型對運維過程出現(xiàn)的異常狀況進行分析，如軸瓦溫度趨勢預判，以軸瓦運行的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合機組設計允許的軸瓦溫升值、機組運行環(huán)境溫度等靜態(tài)、半靜態(tài)數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，繪制溫升曲線加入趨勢預測判別條件，設置告警閾值，自動對軸瓦溫度進行監(jiān)測。

2.5 數(shù)據(jù)集成可視化交互

作者所在團隊基于BIM技術(shù)建立水電站智慧運營平臺，以水電站設備設施數(shù)字化為基礎與信息載體，通過數(shù)據(jù)駕駛艙設計，研究分析水電站運維各類業(yè)務關(guān)鍵總體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主要數(shù)據(jù)總覽，各業(yè)務數(shù)據(jù)實時穿透查詢，最終實現(xiàn)基于BIM的數(shù)據(jù)集成可視化交互。

3 工程應用

以樂山安谷水電站為樣板，嘗試了基于BIM技術(shù)的水電站運維管理應用。對安谷水電站大壩、廠房等水工建筑物、水輪發(fā)電機組等設備建立三維模型，建立電站設備KKS編碼體系，應用多業(yè)務協(xié)同技術(shù)與多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研發(fā)了基于BIM的電站智慧運營平臺，實現(xiàn)了運維階段多業(yè)務協(xié)同與多元數(shù)據(jù)融合。平臺采用Unity3D開發(fā)，接入生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集成可視化交互。

3.1 電站運行方面的應用

作為水電站監(jiān)控系統(tǒng)的補充，基于BIM技術(shù)的水電站三維可視化監(jiān)視系統(tǒng)將監(jiān)視功能發(fā)揮到最大。電站運行人員可以直觀地查看全廠生產(chǎn)信息，以及當前機組的發(fā)電機出力、實時電壓、電流等電氣信息。運行過程中設備告警信息及時彈出，并定位到該設備上，同時工業(yè)電視監(jiān)視畫面也定位到該設備上。

3.2 日常維護方面的應用

水電站日常維護主要工作之一是消除設備缺陷。在三維監(jiān)視界面顯示設備缺陷信息，動態(tài)提示維護人員受理消缺任務。缺陷的發(fā)現(xiàn)、登記、匯報、處理、驗收等工作每一步都留下記錄可追溯。發(fā)現(xiàn)故障時，可通過移動端進行故障登記，并在系統(tǒng)中查詢設備屬性、庫存?zhèn)浼刃畔ⅰ?/p>

3.3 機組檢修方面的應用

利用三維模型的空間屬性，在可視化平臺上進行機組檢修預演，虛擬拆卸、起吊、轉(zhuǎn)運、回裝及場地布置等檢修關(guān)鍵工序工藝均可無風險又形象生動地展示給檢修人員；利用三維模型包含的各零部件采購信息、廠家圖紙、規(guī)范標準、技術(shù)要求、設備材質(zhì)等數(shù)字化信息，檢修人員能方便、快速地獲取相關(guān)信息，編制檢修方案。

3.4 培訓方面的應用

基于水電站設備檢修規(guī)程及三維可視化技術(shù)，構(gòu)建設備檢修虛擬培訓場景，實現(xiàn)設備操作數(shù)字化，在虛擬場景中模擬組裝、拆卸、操作設備，提升受培人員技能。

水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)的三維模型，能對檢修人員進行結(jié)構(gòu)認識培訓，直觀了解水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)。

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進步，利用BIM技術(shù)的三維可視化技術(shù)對水電站運維管理還可進一步開發(fā)實用功能。比如定位功能，在系統(tǒng)中集成可視化巡檢路徑，并在系統(tǒng)中進行巡檢人員定位、巡檢信息錄入，水電站管理人員能方便快速調(diào)看巡檢記錄，及時獲取巡檢狀態(tài)，并能通過定位軌跡校驗巡檢人員的行動路線，通過可視化系統(tǒng)對巡檢人員進行指示，做到可視化管理。再如三維仿真功能，完成水電站全部機械、管路、電氣三維建模，開發(fā)仿真軟件，模擬開停機流程、模擬故障排除流程等，并可錄入操作題庫，讓運維人員在虛擬廠房操作設備，對運維人員進行虛實結(jié)合的培訓。

4 結(jié) 語

以水電站智慧運營為背景，研究了BIM技術(shù)在水電站設備設施數(shù)字化、KKS編碼、多業(yè)務協(xié)同、多元數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)集成可視化交互等關(guān)鍵技術(shù)，并以安谷水電站為例介紹了研究成果的應用，提升了水電站運維管理的數(shù)字化與智能化程度，提高了水電站運維管理的效率。