關(guān)于我國水電工程智慧發(fā)展標準化建設的思考

岳 蕾，馮 奕

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 水電工程智慧發(fā)展形勢和挑戰(zhàn)

目前，全球大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)正值活躍發(fā)展期，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等現(xiàn)代信息化技術(shù)(信息技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)與傳感技術(shù)等)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源成為水電工程建設和運行維護的重要基礎性資源和創(chuàng)新要素，信息化技術(shù)與水電工程深入融合，并在流域安全應急處置上發(fā)揮更大的作用。我國水電工程，尤其是大中型水電工程項目建設，呈現(xiàn)出智慧化技術(shù)演進與應用創(chuàng)新并行加速推進的特點，數(shù)字化、信息化智能技術(shù)已在工程建設中廣泛應用，水電行業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型全面開啟。

1.1 糯扎渡水電站

糯扎渡水電站在國內(nèi)率先運用了數(shù)字大壩管理系統(tǒng)，在施工過程中運用“數(shù)字大壩”技術(shù)[1]，實現(xiàn)高心墻堆石壩碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控、壩料上壩運輸實時監(jiān)控、PDA施工信息實時采集、土石方動態(tài)調(diào)配和進度實時控制及工程綜合信息的可視化管理。同時還建立了由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全監(jiān)測信息管理與綜合分析系統(tǒng)等幾個部分組成安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，涉及心墻堆石壩、導流洞、溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)工程邊坡等的安全監(jiān)測[2]。

1.2 錦屏一級水電站

錦屏一級水電站的大壩建設采用了拱壩施工實時監(jiān)控和智能溫控系統(tǒng)[3]。大壩混凝土施工質(zhì)量與進度實時控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了混凝土施工倉面信息、混凝土原材料檢驗信息、混凝土試驗檢信息、混凝土生產(chǎn)信息、纜機運行信息、壩體混凝土溫度信息、灌漿信息、施工進度信息等與質(zhì)量和進度緊密相關(guān)的信息實時采集、傳輸、儲存、共享與反饋分析，開展了全壩全過程的實時質(zhì)量監(jiān)控和施工仿真與反饋分析。此外，根據(jù)工程特點，結(jié)合科學研究和現(xiàn)場深化試驗，創(chuàng)新實踐了智能溫控系統(tǒng)，避免大壩出現(xiàn)裂縫。

1.3 白鶴灘、烏東德水電工程

白鶴灘、烏東德水電工程采用基于“全面感知、真實分析、實時控制”的閉環(huán)智能控制理論，構(gòu)建了以工程建設資源要素動態(tài)精準管理、業(yè)務流程數(shù)字化管理、工藝過程智能控制、實物成本精確分析、結(jié)構(gòu)安全與進度耦合分析及聯(lián)動調(diào)控的數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)[4]，實現(xiàn)了施工工藝過程、關(guān)鍵業(yè)務流程的智能監(jiān)測、智能分析、智能調(diào)控，提升了工程建設管理水平和管理效益。

1.4 金沙江上游蘇洼龍水電站

蘇洼龍水電站在施工過程中建立了堆石壩填筑施工精益化管理系統(tǒng)、現(xiàn)場實時圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量驗收系統(tǒng)等信息系統(tǒng)，采取動態(tài)采集和數(shù)字化處理的方式對各類施工質(zhì)量信息和施工進度信息進行采集和處理，構(gòu)建三維虛擬模型，利用數(shù)字化信息平臺將空間信息更加直觀的表現(xiàn)出來，并在虛擬的“精益化施工管理系統(tǒng)”環(huán)境下，實現(xiàn)了各類工程信息的集成化、可視化[5]。

綜上所述，可知數(shù)字化、信息化、智能化對于提高水電工程建設質(zhì)量與速度，提升工程管理水平及流域安全應急處置水平起到了重要作用，促進了我國水電工程的安全健康快速發(fā)展，并有效釋放了水電工程建設和運行的創(chuàng)新活力。但是，目前水電工程信息化和智能化建設大多處于自發(fā)使用狀態(tài)，沒有實現(xiàn)設計、施工和運行維護等不同階段的協(xié)同，標準化程度相對低下，與我國水電工程技術(shù)發(fā)展水平明顯不符。同時，面對信息數(shù)據(jù)的流動性等特性，水電工程數(shù)據(jù)安全面臨的風險和挑戰(zhàn)也不能忽視。

2 國內(nèi)外水電工程智慧建設標準化的基本情況

2.1 國外標準化情況

國外工程領(lǐng)域一般集中在建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)標準體系，未形成專門針對水電工程智能化的標準體系。

2.1.1 國際標準化組織的BIM標準

國際標準化組織(International Standard Organization，ISO)自1994年以來，陸續(xù)發(fā)布了11項與BIM相關(guān)的系列基礎標準，供各國加以遵循，形成了一套內(nèi)容不同但形式統(tǒng)一的具體標準、指南。ISO發(fā)布的BIM標準如表1所示。

表1 ISO發(fā)布的BIM標準

2.1.2 國際對象管理組織BIM標準體系

國際對象管理組織(Object Management Group，OMG)，2004年發(fā)布了“業(yè)務流程建模標記第1版”(Business Process Modeling Notation (BPMN) V1.0)；2011年又發(fā)布了“業(yè)務流程建模標記第2版”(Business Process Modeling Notation(BPMN) V2.0)。作為流程圖的描述方法，BPMN整合了早期模型標注方法的優(yōu)質(zhì)理念，具有可直接轉(zhuǎn)換為業(yè)務流程執(zhí)行語言、可基于XML方法進行流程控制等優(yōu)點，已成為IDM流程圖的繪制基礎。

OMG針對BIM技術(shù)，提出了指導業(yè)務流程的標準規(guī)范。

2.1.3 美國BIM標準體系

美國是較早啟動建筑業(yè)信息化研究的國家，發(fā)展至今，BIM研究與應用都走在世界前列。目前，美國已發(fā)布了系列BIM標準、指南。

美國主要的BIM機構(gòu)及相關(guān)標準有

(1)美國總務署(General Service Administration，GSA)。GSA負責美國所有的聯(lián)邦設施的建造和運營。早在2003年，為了提高建筑領(lǐng)域的生產(chǎn)效率、提升建筑業(yè)信息化水平，GSA下屬的公共建筑服務(Public Building Service)部門的首席設計師辦公室(Office of the Chief Architect，OCA)推出了“國家3D-4D-BIM計劃”(GSA’s National 3D-4D-BIM Program)，國家3D-4D-BIM計劃的目標是為所有對3D-4D-BIM技術(shù)感興趣的項目團隊提供“一站式”服務，雖然每個項目功能、特點各異，但OCA將幫助每個項目團隊提供獨特的戰(zhàn)略建議與技術(shù)支持。2007年GSA又發(fā)布了“BIM指南”(BIM Guide)，指南包括空間規(guī)劃驗證、4D模擬，激光掃描、能耗和可持續(xù)發(fā)模擬、安全驗證等內(nèi)容，這對于規(guī)范美國BIM應用起到了重要作用。

(2)美國陸軍工程兵團(U.S.Army Corps of Engineers，USACE)。USACE隸屬于美國聯(lián)邦政府和美國軍隊，為美國軍隊提供項目管理和施工管理服務，是世界最大的公共工程、設計和建筑管理機構(gòu)。2006年10月，USACE發(fā)布了為期15年的BIM發(fā)展路線規(guī)劃“建筑信息建模：美國陸軍工程兵團軍事建設轉(zhuǎn)型和土木工程項目實施路線圖”(Building Information Modeling:A Road Map for Implementation to Support MILCON Transformation and Civil Works Projects within the U.S.Army Corps of Engineers)，為USACE采用和實施BIM技術(shù)制定戰(zhàn)略規(guī)劃，以提升規(guī)劃、設計和施工質(zhì)量和效率。

2.1.4 英國BIM標準體系

英國標準協(xié)會(British Standards Institution，BSI)發(fā)布的BIM標準如表2所示。

表2 BSI發(fā)布的BIM標準

除BSI之外，英國皇家特許測量師學會(Royal Institution of Chartered Surveyor，RICS)、英國“AEC(UK)BIM標準”項目委員會(British“AEC (UK)BIM standards”project committee)等機構(gòu)也發(fā)布了BIM標準。例如，2014年RICS發(fā)布“國際BIM實施指南第1版”(International BIM implementation guide V1.0)，2015年發(fā)布“面向成本經(jīng)理的BIM∶BIM模型的要求第1版”(BIM for Cost Managers:Requirements from the BIM Model V1.0)”；2010年英國“AEC(UK)BIM標準”項目委員會發(fā)布“英國BIM標準第1版”(AEC(UK)BIM Standard V1.0)，2012年發(fā)布“英國BIM標準第2版”(AEC(UK)BIM Standard V2.0)。

2.1.5 日本BIM標準體系

日本于1995年開始大力推動建筑業(yè)信息化。在此之后日本便發(fā)布了建筑信息化標準“日本式產(chǎn)業(yè)信息化標準”(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce)。2012年日本建筑學會(Japanese Institute of Architects，JIA)正式發(fā)布了“日本建筑學會BIM指導路線”(JIA BIM Guide line)，明確了BIM組織機構(gòu)以及人員職責要求，從BIM團隊、BIM數(shù)據(jù)處理、BIM設計流程、應用BIM進行預算、模擬等方面為日本的設計院和施工企業(yè)應用BIM提供了指導。

綜上所述，國際和國外主要標準化組織在交換存儲、分類編碼、交付集成、應用指導四大組成內(nèi)容的基礎上，建立并不斷完善BIM標準體系，廣泛應用于工程建設領(lǐng)域，但并未針對水電工程領(lǐng)域建立專門的行業(yè)信息化標準體系。

2.2 國外相關(guān)技術(shù)組織情況

國外和國際標準化組織并未針對水電行業(yè)建立相應的技術(shù)組織，按照國際慣例，水電工程屬于大土建范疇，在工程建筑領(lǐng)域的主要國際信息化技術(shù)組織有：

(1)建筑信息組織(ISO/TC59/SC13)。ISO是一個全球性的非政府組織，也是目前國際標準化領(lǐng)域中最具權(quán)威性的國際標準化專門機構(gòu)。20世紀90年代，ISO成立了專門的技術(shù)委員會—建筑信息組織(ISO/TC59/SC13)，致力于建筑領(lǐng)域信息組織標準化、規(guī)范化工作。

(2)國際對象管理組織(Object Management Group，OMG)。OMG是一個致力于建立程序、系統(tǒng)和業(yè)務流程的建模標準的國際協(xié)會。

(3)英國BIM工作小組(BIM Task Group)。2001年由英國內(nèi)閣辦公室公布了BIM技術(shù)相關(guān)的“政府建設政策”(Government Construction Strategy)，在強而有力的政府建設策略的支持下，英國首先成立了BIM工作小組(BIM Task Group)，研究以美國為主的BIM執(zhí)行標準與流程，并重新定義電腦輔助設計(Computer Aided Drafting，CAD)與BIM的關(guān)系，將BIM的技術(shù)成熟度分為0～3四個等級，并由英國標準協(xié)會(British Standards Institution，BSI)發(fā)布了不同等級應符合的標準。BSI是英國的國家標準組織(the UK’s National Standards Body，NSB)，同時也是首個國家標準機構(gòu)，主要負責制定和貫徹統(tǒng)一的英國標準(British Standards，BS)等工作。

2.3 國內(nèi)標準化情況

目前，我國水電領(lǐng)域信息化相關(guān)標準較少。國家標準8項，現(xiàn)行有效；行業(yè)標準21項，其中，現(xiàn)行有效7項，正在編制14項。我國水電領(lǐng)域信息化標準具體見表3。

表3 我國水電領(lǐng)域信息化標準匯總

2.4 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)組織情況

2.4.1 全國標準化技術(shù)委員會相關(guān)情況

我國在信息化領(lǐng)域建立了26個全國標準化技術(shù)委員會，涉及林業(yè)、新聞出版業(yè)、氣象、物流、審計、財政等多個行業(yè)領(lǐng)域。其中與水電行業(yè)信息化密切相關(guān)的標準化技術(shù)委員會主要有信息技術(shù)、信息分類與編碼、電站過程監(jiān)控及信息、電力系統(tǒng)管理及其信息交換等4個全國標準化技術(shù)委員會(見表4)。但在水電工程領(lǐng)域未建立相關(guān)技術(shù)組織。

表4 全國標準化技術(shù)委員會情況

2.4.2 行業(yè)標準化技術(shù)委員會相關(guān)情況

與水電行業(yè)信息化最為密切的行業(yè)標準化技術(shù)委員會是電力行業(yè)水電站自動化標準化技術(shù)委員會(DL/ TC 17)，目前為第5屆，秘書處掛靠在中國水利水電科學研究院。負責歸口我國水電站自動化方面的電力行業(yè)標準制定、修訂工作，具體包括：①發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標準；②水輪機調(diào)速器的相關(guān)技術(shù)標準；③水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標準；④水調(diào)及水情自動測報系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標準；⑤機組自動化元件的相關(guān)技術(shù)標準；⑥水電站自動化相關(guān)的專業(yè)技術(shù)標準，例如，火災報警裝置、工業(yè)電視等；⑦抽水蓄能機組自動化的相關(guān)技術(shù)標準。

3 存在的問題及下一步工作建議

3.1 水電工程智慧發(fā)展標準化存在的主要問題

結(jié)合當前水電工程智能發(fā)展面臨的形勢和挑戰(zhàn)，在梳理我國水電行業(yè)和水電密切相關(guān)的水利行業(yè)相關(guān)標準的基礎上，我們看出目前水電工程信息化領(lǐng)域標準化工作存在以下主要問題：一是相關(guān)標準較少、標準體系性不強，標準制定工作缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。二是術(shù)語定義、圖示表達、分類分級等基礎性、通用性標準尚不完善。三是部分關(guān)鍵標準亟需制定，如數(shù)字電廠、數(shù)字流域、數(shù)字安全等重要領(lǐng)域標準幾乎空白，對水電工程智能建造和智能監(jiān)測等重點領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的支撐作用有待加強。

3.2 下一步工作建議

一是應以“行業(yè)發(fā)展 標準先行”原則，加強水電工程智能化標準體系頂層設計，加速構(gòu)建水電工程數(shù)據(jù)安全保障和信息化、智能化體系，充分發(fā)揮標準的基礎引領(lǐng)作用，為保障水電工程數(shù)據(jù)安全、助力水電行業(yè)智能化高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。

二是在《水電行業(yè)技術(shù)標準體系》(2017年版)的基礎上，進一步梳理研究水電工程信息化現(xiàn)有國家標準、行業(yè)標準，并在此基礎上根據(jù)水電工程信息化發(fā)展需求，按照需求導向、先進適用、急用先行的原則，系統(tǒng)推進相關(guān)標準的制修訂工作，優(yōu)先開展基礎通用和關(guān)鍵技術(shù)標準的編制，切實發(fā)揮信息化標準在推動水電行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中的支撐和引領(lǐng)作用。