海上風(fēng)電工程技術(shù)資產(chǎn)數(shù)字化平臺設(shè)計(jì)

摘要：海上風(fēng)電場工程龐大復(fù)雜，該文針對重大工程數(shù)字資產(chǎn)建設(shè)和管理的需要及工程特點(diǎn)，運(yùn)用BIM、IoT、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了海上風(fēng)電工程資產(chǎn)數(shù)字化平臺，運(yùn)用于工程全生命周期的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各個(gè)階段，為海上風(fēng)電工程數(shù)字化技術(shù)資產(chǎn)的創(chuàng)建、存儲、利用提供了有力的工具，為海上風(fēng)電大規(guī)模、低成本開發(fā)和快速可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：BIM;IoT;大數(shù)據(jù);海上風(fēng)電;數(shù)字資產(chǎn)

中圖分類號：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0092-03

海上風(fēng)電場作為一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，具有建設(shè)條件復(fù)雜、專業(yè)種類眾多、可到達(dá)性差、運(yùn)行維護(hù)困難等特點(diǎn)，目前國內(nèi)海上風(fēng)電建設(shè)尚處于起步階段，迫切需要通過數(shù)字化和信息化等手段，推動海上風(fēng)電技術(shù)和管理的重大變革。

數(shù)字工程建設(shè)在國際大型項(xiàng)目中已經(jīng)成為常態(tài)，許多重大工程通過BIM全生命周期的應(yīng)用和數(shù)據(jù)收集，形成一套完整的數(shù)字資產(chǎn)，為后續(xù)運(yùn)維管理提供良好的數(shù)據(jù)支撐。在數(shù)字化交付基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的管理思想及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，將有助于實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的數(shù)字化管理。

1 BIM

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）起源于美國，1975年“BIM之父”——喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授創(chuàng)建了BIM理念至今，BIM技術(shù)的研究經(jīng)歷了三大階段：萌芽階段、產(chǎn)生階段和發(fā)展階段。隨著對BIM技術(shù)的不斷探索，以及對建筑全生命周期的深入理解，把BIM比較多地定義為Building Information Modeling[1]。BIM是利用數(shù)字模型對建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的過程。BIM能夠應(yīng)用于工程項(xiàng)目規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)等各階段，實(shí)現(xiàn)建筑全生命期各參與方在同一多維建筑信息模型基礎(chǔ)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[2]。

數(shù)字工程建設(shè)在國際大型項(xiàng)目中已經(jīng)成為常態(tài)，例如英國倫敦CrossRail項(xiàng)目，業(yè)主通過BIM全生命周期的應(yīng)用和數(shù)據(jù)收集，已形成一套完整的地鐵電子資產(chǎn)，為后續(xù)運(yùn)維管理提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)國內(nèi)核電、國網(wǎng)公司已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付，采用先進(jìn)的管理思想、強(qiáng)大的管理功能、領(lǐng)先的開發(fā)技術(shù)，完善的信息管理系統(tǒng)，對工程全生命周期的數(shù)字化進(jìn)行全過程管理[3，4]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of? Things）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。IoT在智慧運(yùn)維中的作用，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、端到端的通訊、綜合智能分析、優(yōu)化運(yùn)行控制等。對這些靜態(tài)信息和實(shí)時(shí)測控信息進(jìn)行融合，根據(jù)優(yōu)化控制的要求，尋找合適的算法合理地來分配整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率。具體可應(yīng)用在人員管理、空間管理、安全管理、能源管理等方面[5，6]。

3 項(xiàng)目意義

本數(shù)字化平臺建設(shè)的意義在于：

1） 針對已完工風(fēng)電工程項(xiàng)目，通過建立虛擬風(fēng)場BIM信息模型，整合其前期零散的建設(shè)期檔案，實(shí)現(xiàn)已完工風(fēng)電工程的工程資產(chǎn)、檔案數(shù)字化，對后續(xù)運(yùn)維能力提供持續(xù)支持。同時(shí)，BIM可與運(yùn)維對接，通過對運(yùn)營大數(shù)據(jù)分析評估，提出后期技術(shù)改造推薦策略，并利用BIM模型，對技改策略進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其可行性與實(shí)際效果。

2） 針對新開工風(fēng)電工程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化流程管理，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、竣工等數(shù)據(jù)信息的一體化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化管理并實(shí)現(xiàn)異地多方協(xié)調(diào)工作管理?？⒐るA段形成一套可交付的和實(shí)際風(fēng)電工程1：1信息還原的數(shù)字孿生虛擬風(fēng)場竣工電子資產(chǎn)，將風(fēng)場BIM模型與規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工信息及電子數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，可用于海上風(fēng)電工程智慧運(yùn)維平臺，通過運(yùn)營期大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的集成實(shí)現(xiàn)集控、運(yùn)維、生產(chǎn)管理、資產(chǎn)管理等功能。同時(shí)，通過大數(shù)據(jù)分析，對風(fēng)電場運(yùn)營效果進(jìn)行評估，提出風(fēng)場選址規(guī)劃、機(jī)位布置、風(fēng)機(jī)選擇、調(diào)度控制等方面的優(yōu)化意見，實(shí)現(xiàn)全生命周期的閉環(huán)管理。

3） 建立基于全生命周期的海上風(fēng)電工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)文件和編碼標(biāo)準(zhǔn)等，為日后相關(guān)行業(yè)海上風(fēng)電工程數(shù)字化工作的開展起到示范作用。

4） 在具體工程項(xiàng)目中應(yīng)用虛擬風(fēng)電場全生命周期工程數(shù)字化，形成一套完整的海上風(fēng)電工程數(shù)字化技術(shù)資產(chǎn)，打造海上風(fēng)電行業(yè)示范項(xiàng)目。

5） 針對海上風(fēng)電工程項(xiàng)目所覆蓋的感知、分析、預(yù)警、決策、控制等環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，與先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，構(gòu)建數(shù)字化、智能化應(yīng)用場景，在智能在線監(jiān)測感知、設(shè)備健康智能管理、氣象監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)功率預(yù)測、風(fēng)場運(yùn)營評估等方面實(shí)現(xiàn)智慧技術(shù)融合和創(chuàng)新突破，實(shí)現(xiàn)“海上風(fēng)電業(yè)務(wù)+智慧技術(shù)”的融合創(chuàng)新。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

本平臺關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1） 參數(shù)化建模方法關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對海上風(fēng)電工程BIM各專業(yè)參數(shù)化建模方法進(jìn)行研究，提高三維模型設(shè)計(jì)效率和精準(zhǔn)度，透明化人員負(fù)荷，減少項(xiàng)目人員投入。同時(shí)，通過參數(shù)化建模方法的研究，完善各類標(biāo)準(zhǔn)化庫，為后續(xù)工程打好基礎(chǔ)。

2） 基于BIM+IoT+大數(shù)據(jù)的運(yùn)維管理模式研究

針對海上運(yùn)維特殊環(huán)境，考慮氣象、人員、船舶、備件、發(fā)電量等相關(guān)因素，建立一套從人員優(yōu)化、成本優(yōu)化、時(shí)間優(yōu)化和發(fā)電量優(yōu)化的四個(gè)維度并適用于海上運(yùn)維的管理模式。同時(shí)，運(yùn)用RFID、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，利用智能手持終端將巡檢內(nèi)容固化，實(shí)現(xiàn)巡檢過程電子化、流程化，保障巡檢過程質(zhì)量可控有效，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)巡檢路線和巡檢計(jì)劃自動推進(jìn)，提升巡檢效率和巡檢質(zhì)量。避免了傳統(tǒng)巡檢模式巡檢效率低及后期可追溯性不強(qiáng)，不利于風(fēng)電領(lǐng)域巡檢工作多而雜等缺點(diǎn)。

3） 基于大數(shù)據(jù)的海上風(fēng)電工程知識圖譜構(gòu)建技術(shù)研究

通過研究海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)知識圖譜的構(gòu)建模型和技術(shù)架構(gòu)，搭建海上風(fēng)電工程知識庫，在匯聚和融合海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)知識資源的基礎(chǔ)上，以大數(shù)據(jù)平臺分布式存儲和高性能計(jì)算為支撐環(huán)境，詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)體知識抽取、實(shí)體對齊和關(guān)系發(fā)現(xiàn)、知識融合與語義豐富化、語義化存儲、質(zhì)量管理等技術(shù)，支持智能知識服務(wù)產(chǎn)品的研發(fā)，提升精準(zhǔn)知識發(fā)現(xiàn)能力。

4） 基于云計(jì)算的設(shè)備智能預(yù)警技術(shù)研究

通過對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，基于云算法對設(shè)備健康度進(jìn)行評估并進(jìn)行分級，包括設(shè)備健康、異常和故障，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測性預(yù)警，在故障發(fā)生前及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，通過大數(shù)據(jù)及專家?guī)爝M(jìn)行故障智能診斷，按照匹配程度推薦運(yùn)檢策略，操作人員通過選擇確認(rèn)故障及策略可直接生成最優(yōu)計(jì)劃排程，并一鍵進(jìn)行工單派送，提高整個(gè)流程的效率。

5 面向全生命周期的海上風(fēng)電工程數(shù)字資產(chǎn)平臺

海上風(fēng)電工程數(shù)字資產(chǎn)平臺可運(yùn)用于工程全生命周期各個(gè)階段：

1） 規(guī)劃階段

海上風(fēng)電工程智慧規(guī)劃管理平臺，集成全國風(fēng)能氣象地理信息數(shù)據(jù)，與三峽集團(tuán)已投運(yùn)風(fēng)場運(yùn)營大數(shù)據(jù)結(jié)合，通過大數(shù)據(jù)與人工智能算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場優(yōu)化選址、項(xiàng)目預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)性分析、風(fēng)險(xiǎn)分析等功能，對工程項(xiàng)目可行性進(jìn)行初步評估。

海上風(fēng)電工程智慧規(guī)劃管理平臺通過智能算法可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)機(jī)機(jī)位自動布置和集電線路的自動布置，并根據(jù)布置方案自動生成短路電流計(jì)算報(bào)告書、海纜選型報(bào)告書和項(xiàng)目建設(shè)成本計(jì)算書，大大減少了可行性研究階段耗費(fèi)的時(shí)間成本，且保證了方案的經(jīng)濟(jì)性，便于更準(zhǔn)確地預(yù)估和控制成本。對于變動情況，只需在軟件平臺進(jìn)行調(diào)整輸入即可立刻得到新的最優(yōu)方案，無須人為手動重新計(jì)算。

2） 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段建設(shè)包括風(fēng)機(jī)機(jī)組BIM模型、海上升壓站BIM模型、海纜路由BIM模型、陸上集控中心BIM模型及地形地質(zhì)BIM模型等在內(nèi)的風(fēng)電場全專業(yè)BIM信息模型，通過三維模型的精確定位及直觀性進(jìn)行碰撞檢查、設(shè)計(jì)優(yōu)化，以避免后續(xù)大量的施工返工工作;通過提取BIM信息模型中的信息可進(jìn)行精確工程量計(jì)算，為造價(jià)控制、施工決算提供有利的依據(jù);通過BIM模型移動端瀏覽及三維管綜出圖指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少現(xiàn)場變更，節(jié)約成本，縮短工期。

風(fēng)電場碰撞檢測及三維管線綜合的主要目的是基于各專業(yè)模型，應(yīng)用Bentley Navigator等BIM軟件檢查施工圖設(shè)計(jì)階段的碰撞，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙范圍內(nèi)各種管線布置與結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備平面布置和豎向高程相協(xié)調(diào)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，以避免空間沖突，盡可能減少碰撞、優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳遞到施工階段。通過整合結(jié)構(gòu)、舾裝、電氣、暖通、給排水等專業(yè)模型，可形成整合的風(fēng)場全專業(yè)BIM信息模型。

風(fēng)電場三維設(shè)計(jì)是對傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的一次變革，它不僅是設(shè)計(jì)工具的更替，更重要的是設(shè)計(jì)模式的變更，由以前的串聯(lián)模式變成現(xiàn)在的并行模式。通過基于BIM的風(fēng)電場協(xié)同設(shè)計(jì)平臺對整個(gè)風(fēng)電場BIM設(shè)計(jì)工作流程進(jìn)行管理和控制，并對校核或?qū)徟鷻?quán)限進(jìn)行管理。通過多專業(yè)集成平臺直接在設(shè)計(jì)中避開其他專業(yè)的碰撞，從而進(jìn)行合理布置。且各專業(yè)三維模型實(shí)時(shí)更新，設(shè)計(jì)參數(shù)通過平臺接口得到了有效的傳遞利用，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免了重復(fù)修改的過程。將項(xiàng)目周期中各個(gè)參與方集成在一個(gè)統(tǒng)一的工作平臺上，改變傳統(tǒng)的分散的交流模式，實(shí)現(xiàn)信息的集中存儲和訪問，從而縮短項(xiàng)目周期時(shí)間，增強(qiáng)信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高各參與方協(xié)同工作的效率，以“三維協(xié)同設(shè)計(jì)”方法對設(shè)計(jì)手段、設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)再造，提高整體設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

3） 施工階段

在施工安裝階段對規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的風(fēng)電場全專業(yè)BIM信息模型進(jìn)行深化，并針對深化后的風(fēng)電場BIM模型進(jìn)行包括碰撞檢測及三維管線綜合優(yōu)化、工程自動算量、4D施工模擬等在內(nèi)的BIM應(yīng)用優(yōu)化，對設(shè)計(jì)模型進(jìn)一步優(yōu)化和深化，減少現(xiàn)場變更，縮短工期。同時(shí)，通過虛擬施工模擬對關(guān)鍵施工安裝步驟進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證工序流程的可行性，為實(shí)際施工安裝提供有力指導(dǎo)。

施工安裝結(jié)束后，形成完整的風(fēng)電場BIM竣工電子資產(chǎn)，包括設(shè)計(jì)、施工階段風(fēng)電場完整BIM模型和包含完整屬性信息的數(shù)據(jù)文檔，便于業(yè)主對工程信息的多維度查詢，也為后期風(fēng)電場運(yùn)維提供了完整的前期建設(shè)數(shù)據(jù)，對運(yùn)營決策提供了支持幫助。

4） 竣工階段

風(fēng)電場從規(guī)劃設(shè)計(jì)到建造施工過程中，建立了BIM全專業(yè)信息模型，再根據(jù)工程變更、現(xiàn)場實(shí)際情況，對BIM模型進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整，最終形成竣工BIM模型。在已有二維圖紙、三維模型、報(bào)告、設(shè)備清單、編碼規(guī)則等的基礎(chǔ)上，通過一定的規(guī)則建立資產(chǎn)設(shè)施與人、空間以及各種數(shù)據(jù)文檔的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成工程竣工階段的BIM電子資產(chǎn)信息交付平臺。風(fēng)電工程業(yè)主可分別從文檔、工藝系統(tǒng)、空間位置、質(zhì)量安全、單元工程及組織結(jié)構(gòu)等多維度由三維模型出發(fā)進(jìn)行工程信息的多種查詢。同時(shí)，基于BIM的竣工電子資產(chǎn)信息也可以為后期風(fēng)電場運(yùn)營維護(hù)提供數(shù)據(jù)和決策支持，為海上風(fēng)電全生命周期降本增效增磚添瓦。

5） 運(yùn)維階段

基于BIM信息模型的海上風(fēng)電工程智慧運(yùn)維平臺功能包括全風(fēng)場資產(chǎn)管理、集中監(jiān)控、運(yùn)維檢修、評估交易、生產(chǎn)管理和綜合展示等，利用前期大數(shù)據(jù)完成包括設(shè)備健康管理、智能故障診斷、預(yù)測性維護(hù)、最優(yōu)運(yùn)檢計(jì)劃排程、趨勢分析、超短期功率預(yù)測、自動報(bào)警等在內(nèi)的決策分析。通過對風(fēng)場運(yùn)維實(shí)際情況進(jìn)行多維度評估，對整體運(yùn)維集控策略進(jìn)行迭代優(yōu)化，同時(shí)，通過風(fēng)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對前期規(guī)劃設(shè)計(jì)和建造施工成果進(jìn)行評估分析，提出優(yōu)化意見，從而形成全生命周期完整的閉環(huán)解決方案。

6 結(jié)論

綜合運(yùn)用建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)海上風(fēng)電工程技術(shù)資產(chǎn)數(shù)字化平臺，可運(yùn)用于工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、竣工、運(yùn)維等全生命周期各個(gè)階段，對工程數(shù)字化資產(chǎn)的建立、維護(hù)及運(yùn)用均起到積極的作用，在實(shí)際工程建設(shè)中也取得了良好的效果。隨著信息技術(shù)尤其是大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，平臺中的各類數(shù)據(jù)也將發(fā)揮更大的作用。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-10-12

作者簡介：衛(wèi)慧（1971—），女，上海人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楣こ虜?shù)字化、智慧工程、地理信息系統(tǒng)與建筑信息模型研究與應(yīng)用。