基于三維數(shù)字化技術(shù)的智慧電廠一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)

國(guó)家能源集團(tuán)內(nèi)蒙古上海廟發(fā)電有限公司 魏銘毅 張雨蓉

本文簡(jiǎn)單分析三維數(shù)字化的采集原理以及電廠運(yùn)用。重點(diǎn)討論一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)在智慧電廠中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，分別敘述建模范圍、圖檔管理、集成生產(chǎn)資料、安防管理等。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，直至2019年末，國(guó)內(nèi)發(fā)電設(shè)備的容量超過20 億kW，而火電領(lǐng)域的設(shè)備容量占比接近60%。其中，煤電機(jī)組占據(jù)火電設(shè)備總?cè)萘康?7%以上。國(guó)內(nèi)全年的火力發(fā)電達(dá)到50450 億kW 左右，接近發(fā)電總量的70%，增幅為2.4%。如今，其他新能源的發(fā)電機(jī)組容量與實(shí)際發(fā)電量不斷增多，但是傳統(tǒng)火力發(fā)電還是占據(jù)首位。

1 三維數(shù)字化技術(shù)

1.1 采集原理

單就三維信息采集方面的問題，根據(jù)運(yùn)行原理可分成三項(xiàng)，即接觸式、非接觸式與逐層掃描方式。簡(jiǎn)單探討前兩種，（1）是接觸式，其借助三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備探針逐個(gè)獲取目標(biāo)對(duì)象的立體空間坐標(biāo)。該設(shè)備的測(cè)量精度能達(dá)到±0.5μm，并且在目標(biāo)對(duì)象的外觀色彩與反射特性上無特殊標(biāo)準(zhǔn)。獲取數(shù)據(jù)中，探針需要始終壓著目標(biāo)對(duì)象，所以本身易變形的目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采集。而且其探針也容易對(duì)目標(biāo)表層有影響。（2）是非接觸式的光學(xué)采集。比如光三角法就是根據(jù)立體面，通過照明光束完成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)調(diào)整?；谌菧y(cè)量原理，立體面會(huì)使成像光線發(fā)生角度變化，由此可得到幾何數(shù)據(jù)，確認(rèn)距離參數(shù)。

1.2 電廠運(yùn)用

三維數(shù)字化本質(zhì)上屬于信息管理的方法，通過數(shù)字化的設(shè)計(jì)及移交。既能直接反映出電廠建筑與機(jī)組、人員狀態(tài)與點(diǎn)位，便于相關(guān)人員查找機(jī)組圖檔數(shù)據(jù)，又能給平日生產(chǎn)與改造活動(dòng)提供輔助信息，優(yōu)化內(nèi)部人員的培訓(xùn)效果與可視化。雖然近些年有多種清潔能源被開發(fā)使用，但火電的電量實(shí)際比例依舊超過60%，而對(duì)于現(xiàn)代的火電廠來說，數(shù)字化和智能化是如今電力領(lǐng)域達(dá)成現(xiàn)代化的關(guān)鍵方向[1]。

2 智慧電廠一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)運(yùn)用

以傳統(tǒng)火電廠為例，探究打造智慧電廠的設(shè)計(jì)方向，利用三維數(shù)字化的方法，開發(fā)一體化的數(shù)據(jù)平臺(tái)，設(shè)定圖檔管理與生產(chǎn)信息集成等若干功能模塊，秉承電廠全生命周期的思路，借助設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的信息資料與3D 模型，能利用3D 可視化、瀏覽器以及數(shù)據(jù)庫多項(xiàng)技術(shù)，把電廠立體模型和各項(xiàng)數(shù)據(jù)整合起來，構(gòu)建可視化的數(shù)據(jù)管理模式。

2.1 建模范圍準(zhǔn)確

電廠機(jī)組與建筑數(shù)量龐大，要按照專業(yè)劃分成建筑與鍋爐、電氣、暖通、總圖等多項(xiàng)部分，所有專業(yè)在建模過程中，應(yīng)當(dāng)提前整理相應(yīng)的圖紙信息，基于此實(shí)施歸類分析等準(zhǔn)備工作，而后就可在專業(yè)軟件系統(tǒng)中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建起數(shù)字化電廠。建模期間，全部數(shù)據(jù)庫都需按照樹狀結(jié)構(gòu)排列，各個(gè)層次數(shù)據(jù)對(duì)象都帶有對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)位、設(shè)計(jì)參數(shù)與管理屬性。在電廠建模中，所得數(shù)字化模型要確保精準(zhǔn)，精確還原實(shí)物圖紙?jiān)煨鸵?guī)格，保持比例準(zhǔn)確，甚至還要顯現(xiàn)出實(shí)物對(duì)象的紋理與材質(zhì)，完全達(dá)到復(fù)刻還原的程度。在確定模型精度達(dá)標(biāo)的條件下，不設(shè)置任何冗余要素，并且不要擋住隱藏內(nèi)容，沒有重復(fù)元素。在上述環(huán)節(jié)中，牽涉到較多任務(wù)量與人工資源，會(huì)增加三維數(shù)字化的運(yùn)用成本。

建模過程的操作規(guī)范流程為：（1）命名，三維模型上的所有層次均需要進(jìn)行命名，這樣可保障迅速辨別及確定模型類別，有效優(yōu)化模型導(dǎo)航的效果，而且要注意的是，層次名稱需在數(shù)據(jù)平臺(tái)中具備唯一性。（2）層次結(jié)構(gòu)，利用層次結(jié)構(gòu)可以顯現(xiàn)出數(shù)據(jù)模型對(duì)應(yīng)范圍與類別，體現(xiàn)出實(shí)物對(duì)象的PBS 結(jié)構(gòu)。（3）材料以及其他內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫，借此可反映出電廠生產(chǎn)中的材料屬性與實(shí)際用量。

2.2 圖檔內(nèi)容管理

圖檔資料的管理一般包括模型以及數(shù)據(jù)等，還有對(duì)應(yīng)的關(guān)系轉(zhuǎn)移，牽涉信息采集匯總、建設(shè)導(dǎo)航關(guān)系、信息結(jié)構(gòu)性處理。此外，圖檔資料管理還要具備文檔批量導(dǎo)入、信息儲(chǔ)存和其他模型與文件創(chuàng)建關(guān)系、設(shè)置資料使用權(quán)限等，平臺(tái)用戶能直接閱覽電廠數(shù)字化模型、圖檔內(nèi)容等，支持相互之間建立智能關(guān)系，進(jìn)行多維度呈現(xiàn)。操作用戶能直接導(dǎo)入電廠生產(chǎn)活動(dòng)及運(yùn)維中形成的數(shù)據(jù)文件，對(duì)其加以分類、整理，創(chuàng)建數(shù)據(jù)聯(lián)系，設(shè)置與瀏覽權(quán)限劃分結(jié)果等，并且全部圖檔內(nèi)容均可以被完整檢索，而且其管理行為應(yīng)當(dāng)精細(xì)到全部獨(dú)立模型與信息、圖檔。智能電廠的數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)應(yīng)當(dāng)達(dá)到信息集成化和3D 場(chǎng)景的使用標(biāo)準(zhǔn)，被一體化平臺(tái)的其他單元設(shè)計(jì)，予以可用的接口條件。

在圖檔管理單元中，具體包含三個(gè)模塊，分別是模塊、數(shù)據(jù)和文檔。借助專門軟件程序完成圖檔管理，支持高效查找到信息內(nèi)容的效果。根據(jù)對(duì)圖檔管理部分的基本探討，可選擇日記程序與數(shù)據(jù)庫等方法，構(gòu)建此系統(tǒng)模塊，由此加強(qiáng)電廠項(xiàng)目文檔資料的管理。其中，圖檔內(nèi)容管理具體包括下述幾項(xiàng)內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)方不同專業(yè)圖紙內(nèi)容、移交中的設(shè)計(jì)信息材料、廠家信息和三維數(shù)字化電廠模型。（2）電廠建設(shè)期間的進(jìn)度、管理、聯(lián)系單、變更簽證、質(zhì)量檢測(cè)信息、驗(yàn)收資料與材料檢測(cè)信息等。（3）有關(guān)廠家提供的機(jī)組文件，如結(jié)構(gòu)圖紙、技術(shù)參數(shù)、立體模型構(gòu)圖等。（4）工程建設(shè)期間，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方、機(jī)組廠家、分包方等形成的立體模型資料，通過相關(guān)方審核，根據(jù)建議要求深化設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)到整個(gè)三維模型上。（5）基于流程圖內(nèi)容文件，繪制出數(shù)字化的流程圖，并證明系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)流程圖所有標(biāo)識(shí)出的機(jī)組設(shè)備均可以完成激活動(dòng)作，用于系統(tǒng)操作導(dǎo)航，支持3D 與2D 的模型導(dǎo)航。（6）統(tǒng)計(jì)整理工程中所有資料內(nèi)容，并對(duì)信息實(shí)施深度挖掘，構(gòu)成系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫。

一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)下設(shè)置圖檔管理模塊，實(shí)際價(jià)值體現(xiàn)在：（1）有效提高管理效率與合理性。其是以設(shè)計(jì)文件信息為基礎(chǔ)實(shí)行管理工作，切實(shí)消除人工管理的不足，加深圖檔內(nèi)容的現(xiàn)代化程度，更重要的是，可以推動(dòng)該類信息價(jià)值有效發(fā)揮出來；（2）可以逐漸轉(zhuǎn)變常規(guī)人工管理的固化思維，令電廠的管理形式得以優(yōu)化；（3）數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)圖檔內(nèi)容可追溯；（4）有利于提升電廠資料管理的規(guī)范性[2]。

2.3 集成生產(chǎn)信息

電廠經(jīng)營(yíng)過程中，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)是基于SIS（監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)，根據(jù)其實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫資料，保障此項(xiàng)功能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，設(shè)置運(yùn)行與機(jī)組管理兩條功能軸線，搭配可靠性、業(yè)績(jī)考評(píng)與耗差分析。智能電廠內(nèi)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置SIS 系統(tǒng)、門禁、倉(cāng)儲(chǔ)與監(jiān)控等多項(xiàng)集成內(nèi)容，為此建設(shè)一體化的數(shù)據(jù)平臺(tái)，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的程序化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，這利于保障電廠安全、穩(wěn)定地生產(chǎn)，并有助于控制生產(chǎn)能耗，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效益與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。如今，三維數(shù)字化下的電廠一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，還可運(yùn)用第三方系統(tǒng)，比如辦公自動(dòng)化（OA）、企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）、數(shù)據(jù)服務(wù)總線（ESB）等，能按照智慧電廠的現(xiàn)實(shí)需要，設(shè)置運(yùn)行系統(tǒng)，相應(yīng)數(shù)據(jù)處理過程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程Fig.1 System data processing process

該處理過程的相關(guān)使用介紹為：（1）是數(shù)據(jù)解析引擎，給系統(tǒng)工作予以接口；（2）是通過接口，可以從相連的若干系統(tǒng)中獲取到所需資料，并且會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行判斷；（3）是接口在取得數(shù)據(jù)資料后，會(huì)利用引擎完成解析動(dòng)作，把所得結(jié)果儲(chǔ)存到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊，在此過程中，引擎會(huì)直接保留目標(biāo)的屬性信息，轉(zhuǎn)移到校驗(yàn)引擎中，把目標(biāo)屬性資料和數(shù)據(jù)庫內(nèi)既有的屬性內(nèi)容，按照設(shè)置規(guī)則進(jìn)行比較后，最終完成信息保存。上述運(yùn)行流程需借助數(shù)據(jù)服務(wù)總線達(dá)成。

2.4 安防功能實(shí)現(xiàn)

三維數(shù)字化電廠應(yīng)當(dāng)擁有人員定位、關(guān)鍵區(qū)域管控等多項(xiàng)功能，可結(jié)合人員所處點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)可視化呈現(xiàn)。利用定位系統(tǒng)，標(biāo)記出人員在電廠內(nèi)的位置，通過屏幕可看到頭像及工號(hào)，便于迅速確認(rèn)實(shí)際方位。根據(jù)電廠日常生產(chǎn)活動(dòng)，可確認(rèn)內(nèi)部的關(guān)鍵區(qū)域，比如配電室與主變等，對(duì)該類區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)控，操作人員可設(shè)置區(qū)域與機(jī)組點(diǎn)位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能直接生成立體數(shù)字化圍欄，配備相應(yīng)的警報(bào)與預(yù)警等模塊，確保電廠內(nèi)部人員與機(jī)組的安全。

（1）借助數(shù)據(jù)接口獲取定位系統(tǒng)信息，取得人員坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并讀取對(duì)應(yīng)的名字與坐標(biāo)，并通過點(diǎn)場(chǎng)內(nèi)MIS系統(tǒng)，取得工作票等資料，操作人員通過點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，屏幕自動(dòng)彈出相關(guān)的信息資料。在人員定位顯示，有兩種視圖可選，分別是：總覽視圖，能顯示出全廠的場(chǎng)景，此時(shí)直接展示的內(nèi)容僅有人員概要資料；詳細(xì)視圖，直接點(diǎn)擊需要查看的標(biāo)簽及空間，能隨即切換至相應(yīng)的詳細(xì)視圖，此時(shí)點(diǎn)擊標(biāo)簽?zāi)茈S即獲得人員的詳細(xì)資料，以及工作票等內(nèi)容。而對(duì)于定位修正，則要結(jié)合廠內(nèi)實(shí)際位置與數(shù)字化模型中4 處基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)[3]。（2）關(guān)鍵區(qū)域與機(jī)組監(jiān)測(cè)。一方面，關(guān)鍵區(qū)域涉及到編號(hào)、命名、范圍邊界、危險(xiǎn)級(jí)別等；另一方面，機(jī)組監(jiān)測(cè)。利用系統(tǒng)設(shè)置各區(qū)域與機(jī)組的定位數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)字圍欄，可用功能有越線報(bào)警、濃度報(bào)警等。借助對(duì)關(guān)鍵區(qū)域與機(jī)組的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于維護(hù)生產(chǎn)環(huán)境的安全性，預(yù)防危險(xiǎn)事故，并降低由事故引起的損失。（3）回看異常滯留報(bào)警路徑。相關(guān)人員能利用數(shù)據(jù)平臺(tái)，了解人員移動(dòng)軌跡，借助接口從定位系統(tǒng)中獲得人員移動(dòng)的數(shù)據(jù)資料，把其導(dǎo)入到電廠數(shù)字化模型上，完成全程回看，進(jìn)一步優(yōu)化巡檢流程，支持改進(jìn)路線軌跡。（4）報(bào)表統(tǒng)計(jì)。把人員定位融入到考勤管理部分，保留電廠內(nèi)工作者出入某個(gè)區(qū)域的信息記錄，平臺(tái)管理者能對(duì)此類記錄實(shí)行高級(jí)檢索，如名字、工種及時(shí)間等。

2.5 機(jī)組全面管理

運(yùn)用三維數(shù)字化，把機(jī)組運(yùn)行臺(tái)賬信息以可視化的形式呈現(xiàn)出來，并將信息插入電廠模型上，利用標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼，確定機(jī)組實(shí)際點(diǎn)位，而且支持查找機(jī)組實(shí)時(shí)與歷史運(yùn)行資料，包含臺(tái)賬、檢修記錄、故障信息等。在數(shù)據(jù)平臺(tái)上，此類信息均是3D 標(biāo)簽的狀態(tài)，標(biāo)記在電廠模型上，通過點(diǎn)擊標(biāo)簽就能讀取有關(guān)資料。

（1）機(jī)組臺(tái)賬。機(jī)組詳情集成了初期設(shè)計(jì)與運(yùn)維全程的信息，具體包含：缺陷數(shù)據(jù)與檢修記錄，二者均是有SIS 系統(tǒng)取得；有關(guān)文件，主要是機(jī)組有關(guān)圖紙、廠家提供的文件等；3D 模型，包括單體與測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，此種模型能隨意旋轉(zhuǎn)、縮放與移動(dòng)，而各測(cè)點(diǎn)則設(shè)置成標(biāo)簽的樣式，顯示在模型上；工況資料，機(jī)組工況信息同樣是由SIS 系統(tǒng)取得；屬性，也就是機(jī)組的技術(shù)參數(shù)；零部件參數(shù)。（2）鍋爐四管。以Web 端為載體進(jìn)行模型展示，并與鍋爐測(cè)溫系統(tǒng)連接，根據(jù)實(shí)際溫度情況，突出相應(yīng)顏色的管道。首先，動(dòng)態(tài)檢測(cè)和報(bào)警具體是把鍋爐機(jī)組的水冷壁3D 模型和實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來，全程監(jiān)控及報(bào)警機(jī)組煙溫與壁溫等信息，把對(duì)應(yīng)結(jié)果利用3D的形成展示出來，使管理員能直觀掌握實(shí)時(shí)信息在立體數(shù)字模型上的分布情況。其次，動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)攜帶的標(biāo)簽是各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模型點(diǎn)位，支持增刪、更改。最后，測(cè)點(diǎn)信息的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，也就是將各個(gè)測(cè)點(diǎn)內(nèi)容和SIS 系統(tǒng)信息建立關(guān)聯(lián)。

相關(guān)人員確認(rèn)某個(gè)測(cè)點(diǎn)后，系統(tǒng)能顯示出相應(yīng)測(cè)點(diǎn)內(nèi)容，并根據(jù)設(shè)置溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的不同顏色，讓人員能快速判斷實(shí)際溫度所在區(qū)間，而且支持選定某個(gè)時(shí)間段，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)生成對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)變化曲線。

2.6 VR 技術(shù)運(yùn)用

智慧電廠中的數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，利用三維數(shù)字化的技術(shù)打造系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上可借助VR 進(jìn)一步優(yōu)化場(chǎng)景。比如在鍋爐輔機(jī)裝置與檢修中，可利用VR 實(shí)現(xiàn)虛擬呈現(xiàn)，甚至具有現(xiàn)場(chǎng)操作的成效，機(jī)組零部件有千余個(gè)，并達(dá)到百萬級(jí)的三角面。所以，怎樣基于既有硬件性能，又能構(gòu)建起詳細(xì)、大體量的模型，還需確保場(chǎng)景效果與畫面幀數(shù)至少達(dá)到90FPS，是開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)需要考慮的關(guān)鍵[4]。

以鍋爐機(jī)組為例，VR 技術(shù)科運(yùn)用到機(jī)組結(jié)構(gòu)、拆裝與啟停三個(gè)系統(tǒng)單元中。人員帶上VR 設(shè)備，能隨即看到相應(yīng)的模擬環(huán)境。借助該種運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)組結(jié)構(gòu)、檢修流程、巡檢過程以及數(shù)據(jù)資料等內(nèi)容的可視化與動(dòng)態(tài)交互，這能消除在人員培訓(xùn)中無法進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)的缺陷。

3 結(jié)語

為提升自身的智能化水平，電廠應(yīng)當(dāng)積極開發(fā)一體化的數(shù)據(jù)平臺(tái)。依托于三維數(shù)字化，把電廠建設(shè)、運(yùn)營(yíng)全程進(jìn)行集約化處理，實(shí)行動(dòng)態(tài)化管理，將整個(gè)電廠實(shí)時(shí)狀態(tài)通過數(shù)字化的形式呈現(xiàn)出來。同時(shí)，電廠需結(jié)合現(xiàn)實(shí)發(fā)展情況，可以先成為常規(guī)的數(shù)字化電廠，通過不斷升級(jí)改造，達(dá)到智慧電廠的終極目標(biāo)。