核電站建造階段數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)用實(shí)踐

肖映灼，葉勇，孫海峰

（中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司）

1 引言

數(shù)字化技術(shù)加速發(fā)展，成為引領(lǐng)新一輪科技革命的主導(dǎo)力量，新技術(shù)促使企業(yè)商業(yè)模式和運(yùn)營(yíng)模式發(fā)生變化。核電站建造階段作為銜接設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)的承前啟后階段，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型在核電站全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈上具有重要的價(jià)值。

2 傳統(tǒng)建造模式存在的問(wèn)題

核電站建造階段是核電站從圖紙到現(xiàn)實(shí)的實(shí)體形成關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與數(shù)字化管理模式相比，傳統(tǒng)的核電站建造管理模式和國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)行業(yè)一樣存在著數(shù)字化程度低、信息化應(yīng)用水平落后、管理粗放、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差等共同特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：

①考核管理體系陳舊，需要建立數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新度量標(biāo)準(zhǔn)；

②組織架構(gòu)孤立，需要將數(shù)字化納入業(yè)務(wù)架構(gòu)中；

③戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃短視，需要建立中長(zhǎng)期數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)及路線圖；

④經(jīng)驗(yàn)技能有限，需要重塑數(shù)字化業(yè)務(wù)及技術(shù)能力；

⑤協(xié)作創(chuàng)新不足，需要建立數(shù)字化轉(zhuǎn)型平臺(tái)加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新[1]。

3 行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的現(xiàn)狀分析

3.1 核電站建造階段數(shù)字化是薄弱環(huán)節(jié)

國(guó)外的核電站數(shù)字化著重設(shè)計(jì)和運(yùn)維階段的研究與應(yīng)用。在設(shè)計(jì)階段通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)論證核電站的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性；在運(yùn)行階段通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)即時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)，確保運(yùn)行穩(wěn)定，并通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)快速找到故障解決方法。但在建造階段，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用卻并未得到高度的重視。從國(guó)內(nèi)大環(huán)境分析，核電站的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用集中體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)階段，其次是設(shè)計(jì)階段。對(duì)于建造階段的數(shù)字化應(yīng)用，既沒(méi)有形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也缺少優(yōu)秀的應(yīng)用案例。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，現(xiàn)階段核電站建造數(shù)字化應(yīng)用依舊是薄弱環(huán)節(jié)，亟待補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 核電站全生命周期“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重

核電工程建設(shè)項(xiàng)目體量大、規(guī)模大、工期長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)尚未有核電站建設(shè)項(xiàng)目EPC總承包的案例，由于不同單位與業(yè)務(wù)之間的技術(shù)壁壘、管理流程障礙等諸多因素，導(dǎo)致核電站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、運(yùn)營(yíng)各階段“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象普遍存在，要實(shí)現(xiàn)核電站項(xiàng)目全生命周期的全數(shù)字化還有很多核心問(wèn)題需要解決。

3.3 數(shù)字化應(yīng)用數(shù)據(jù)交互障礙

核電站數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)必須依托基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件研發(fā)，而目前核電站不同階段的數(shù)據(jù)協(xié)同與流轉(zhuǎn)主要通過(guò)以STEP技術(shù)為基底的IFC來(lái)實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)信息稍顯復(fù)雜的領(lǐng)域普遍存在數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)不可信等質(zhì)量問(wèn)題，存在嚴(yán)重的技術(shù)壁壘。因此，若想得到更廣泛的信任和應(yīng)用，還需要更加穩(wěn)定且簡(jiǎn)化。

第二，如何防范水權(quán)交易損害水源地居民的權(quán)益？從我國(guó)現(xiàn)有的水權(quán)交易實(shí)踐來(lái)看，水權(quán)交易不但無(wú)法對(duì)既有的用水者予以補(bǔ)償，反而可能會(huì)損害水源地用水戶的權(quán)益。譬如，在東陽(yáng)義烏案例中，東陽(yáng)市政府和義烏市政府的水權(quán)交易遭到水源地用水者—東陽(yáng)市橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民—的強(qiáng)烈反對(duì)。理論上，用水者是水權(quán)交易市場(chǎng)的支持者而非反對(duì)者，因?yàn)榻灰子欣蓤D。那么橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民作為用水者為何極力抵制且反對(duì)呢？因?yàn)?，橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民認(rèn)為，東陽(yáng)義烏水權(quán)交易侵犯了他們的實(shí)際利益。

4 解決思路及良好實(shí)踐

以數(shù)字化手段解析管理對(duì)象、貫通管理層級(jí)，建設(shè)數(shù)字核電站，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型。管理的數(shù)字化往往滯后于業(yè)務(wù)的數(shù)字化，因此在核電站建造階段，應(yīng)以建造目標(biāo)和需求為出發(fā)點(diǎn)，充分利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)通信、云計(jì)算以及虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)字技術(shù)，覆蓋核電站建造全過(guò)程和人、機(jī)、料、法、環(huán)等全生產(chǎn)要素，推動(dòng)項(xiàng)目管理模式變革，提高工程建造的生產(chǎn)力和效率，構(gòu)建數(shù)字建造新模式。

4.1 工程實(shí)體的數(shù)字化

工程實(shí)體的數(shù)字化主要指圍繞工程產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)品的數(shù)字化模擬及其與實(shí)體工程的互聯(lián)互通，這是目前核電數(shù)字化的主要表現(xiàn)形式之一，也是數(shù)字孿生核電站的內(nèi)涵之一。在核電站建造階段，將核電站建兩遍：虛擬建造在前，實(shí)體建造在后。在項(xiàng)目管理過(guò)程中，流動(dòng)的是數(shù)據(jù)而不是文件，通過(guò)數(shù)據(jù)的持續(xù)一致性流轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體的數(shù)字化。

W公司在多個(gè)堆型的核電站建造過(guò)程中，均應(yīng)用以BIM為核心的數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)體的數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維可視化建模、碰撞檢查、精確算量、鋼筋下料及加工數(shù)據(jù)推送、施工方案論證、虛擬建造等多項(xiàng)數(shù)字化應(yīng)用，并將數(shù)字化應(yīng)用融入業(yè)務(wù)中，改變技術(shù)、商務(wù)、物資、進(jìn)度、施工管理等各業(yè)務(wù)傳統(tǒng)流程，通過(guò)崗位級(jí)應(yīng)用降低人因管理失誤，提高工作效率?？梢哉f(shuō)核電站工程實(shí)體的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)核電站建造階段數(shù)字化的重要基礎(chǔ)。

4.2 工程生產(chǎn)要素的數(shù)字化

在核電站工程實(shí)體數(shù)字化業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)下，對(duì)核電站建造階段各要素進(jìn)行數(shù)字化應(yīng)用，使核電站建造階段數(shù)字化轉(zhuǎn)型“活”起來(lái)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括人、機(jī)、料、法、環(huán)五大工程生產(chǎn)要素的數(shù)字化。

4.2.1 人——管理數(shù)字化

在人因方面主要體現(xiàn)為管理的數(shù)字化。圍繞企業(yè)管理，在管理標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)管理的信息化，進(jìn)而在信息化的基礎(chǔ)上過(guò)渡到數(shù)字化和智能化階段。將傳統(tǒng)的管理業(yè)務(wù)信息化、簡(jiǎn)單重復(fù)的管理動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高工作質(zhì)量和管理效率。

W公司在某核電站建設(shè)項(xiàng)目中啟用了人員定位系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員所在的核島區(qū)域及活動(dòng)軌跡及時(shí)準(zhǔn)確地反映在系統(tǒng)中，并設(shè)置警戒區(qū)域，助力項(xiàng)目人員安全管理。在所有易造成人員集聚排隊(duì)等候的門(mén)禁閘口啟用了智能人臉識(shí)別系統(tǒng)，在不摘口罩的前提下，系統(tǒng)只需對(duì)眼部瞳孔識(shí)別則可準(zhǔn)確識(shí)別人員并放行，提高通行效率，助力疫情常態(tài)化防控。W公司在該項(xiàng)目管理數(shù)字化方面還啟用了在線考試系統(tǒng)、人員考勤管理系統(tǒng)、塔群防碰撞等智能化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的應(yīng)用助推管理數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用發(fā)展，大大提高了管理效率。

在機(jī)械方面主要體現(xiàn)為工機(jī)具智能化，它是指核電站建造過(guò)程中部分作業(yè)工具借助數(shù)字化實(shí)現(xiàn)工機(jī)具的智能化，例如，焊接機(jī)器人、三維掃描儀、3D打印、車(chē)間自動(dòng)加工機(jī)床、智能化裝配式工廠、砌磚機(jī)器人等。

在民用建筑工程建造領(lǐng)域，智能化工機(jī)具早已屢見(jiàn)不鮮。博智林機(jī)器人公司研發(fā)了一系列建筑施工智能機(jī)器人，中建集團(tuán)也在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改良以更切合實(shí)際應(yīng)用。而核電站異形結(jié)構(gòu)較多、工作面狹窄的施工環(huán)境較多、施工質(zhì)量要求高、建安交叉作業(yè)較多等，客觀上沒(méi)能給普通的建筑施工機(jī)器人創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境和條件，但這并非意味著核電站建造階段沒(méi)有智能化工機(jī)具的應(yīng)用可能。核電站作為大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，涉及的產(chǎn)業(yè)鏈范圍較廣、建造復(fù)雜程度較高，有著比普通民用建筑更多的智能化工機(jī)具應(yīng)用場(chǎng)景。

W公司在核電站施工中，根據(jù)核島埋件工藝特點(diǎn)，研發(fā)出六軸運(yùn)動(dòng)焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋件穿孔塞焊孔位自動(dòng)識(shí)別、機(jī)器人自動(dòng)抓取鋼筋進(jìn)孔入位自動(dòng)焊接，可滿足選定型號(hào)埋件的自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)，焊接過(guò)程參數(shù)固化，成品焊接接口質(zhì)量穩(wěn)定，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)大大降低了施工成本。

隨著國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)程度不斷提高、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用不斷推廣普及，未來(lái)工機(jī)具智能化應(yīng)用門(mén)檻必定會(huì)降低，且人機(jī)交互友好性越來(lái)越強(qiáng)。

4.2.3 料——材料管理數(shù)字化

在材料方面主要體現(xiàn)為材料管理的數(shù)字化，指材料在運(yùn)輸、車(chē)間加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝等各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，使材料的各環(huán)節(jié)狀態(tài)管理受控。核電站建造階段所使用的材料總量大且種類(lèi)繁多，給材料管理工作帶來(lái)挑戰(zhàn)，通過(guò)材料管理的數(shù)字化能提升項(xiàng)目的精細(xì)化管理水平，節(jié)約材料，降低成本。

W公司在核電站施工中將數(shù)字化技術(shù)融入鋼筋材料管理過(guò)程中：

①在鋼筋下料環(huán)節(jié)通過(guò)BIM可視化技術(shù)，在無(wú)限接近現(xiàn)場(chǎng)施工工況的可視化環(huán)境下建立BIM鋼筋模型，基于該模型數(shù)據(jù)，可自動(dòng)輸出鋼筋排版圖、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)鋼筋工程量；

②在鋼筋材料加工計(jì)劃數(shù)據(jù)推送環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)BIM系統(tǒng)與企業(yè)核電項(xiàng)目綜合管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)推動(dòng)，將BIM鋼筋數(shù)據(jù)匹配到該系統(tǒng)中，改變傳統(tǒng)單純依靠人工手動(dòng)錄入的工作方式，經(jīng)測(cè)試，工作效率提高近20%。同時(shí)，大大降低甚至杜絕人工輸入錯(cuò)誤的低級(jí)失誤，此環(huán)節(jié)充分解放人力，將簡(jiǎn)單重復(fù)的機(jī)械工作交給了數(shù)字驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)自動(dòng)完成。

4.2.4 法——工藝的數(shù)字化

在施工方法方面主要體現(xiàn)為工藝的數(shù)字化，通過(guò)可視化、虛擬建造等數(shù)字化手段，分析工藝方法，使其合理可行，并可通過(guò)多次模擬反復(fù)論證，尋求最優(yōu)施工工藝，提高建造作業(yè)效率。

W公司在某核電站輔助廠房某墻體有2處大型主蒸汽管道貫穿，且每處主蒸汽管道加厚區(qū)域有8個(gè)貫穿件和2個(gè)方形洞口，預(yù)埋物項(xiàng)繁多，貫穿件周?chē)h(huán)形鋼筋直徑較大、數(shù)量多、類(lèi)型復(fù)雜，施工難度較大。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)可視化模擬，將主蒸汽管道處的鋼筋綁扎分成近30個(gè)施工步驟，在虛擬建造的環(huán)境中，能清晰地判斷每綁扎一步后現(xiàn)場(chǎng)形成的焊接操作空間、鋼筋下一圈綁扎等，避免了傳統(tǒng)模式下綁上去才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后又返工的現(xiàn)象。最終項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)字化模擬，通過(guò)場(chǎng)外綁扎后整體吊裝就位的方式進(jìn)行施工，施工效率和質(zhì)量均達(dá)到較高水平，該項(xiàng)施工較國(guó)內(nèi)同類(lèi)堆型核電站同區(qū)域施工縮短工期1個(gè)月。

4.2.5 環(huán)——工地的數(shù)字化

在環(huán)境方面主要體現(xiàn)為工地的數(shù)字化，即智慧工地建設(shè)。它是建立在高度信息化基礎(chǔ)上的一種支持人事物全面感知、施工技術(shù)全面智能、工作互通互聯(lián)、信息協(xié)同共享、決策科學(xué)分析、風(fēng)險(xiǎn)智慧預(yù)控的新型信息化手段。

目前，國(guó)內(nèi)部分核電站已經(jīng)建立了一體化的生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)、數(shù)字化平臺(tái)、三維可視化平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等，通過(guò)前期的應(yīng)用已經(jīng)積累了良好的基礎(chǔ)，具備一定的數(shù)字孿生核電站的基礎(chǔ)[2]。例如，國(guó)內(nèi)某在建核電站項(xiàng)目的業(yè)主X公司，其信息化部門(mén)牽頭聯(lián)合土建承包商和安裝承包商共同建立核電站大數(shù)據(jù)平臺(tái)，旨在通過(guò)核電站建造階段土建與安裝全專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化應(yīng)用，賦能核電站建造管理及運(yùn)維管理。

W公司在統(tǒng)籌建設(shè)智慧工地平臺(tái)過(guò)程中，全面推廣勞務(wù)實(shí)名制、吊鉤可視化、卸料平臺(tái)監(jiān)測(cè)、施工電梯安全檢測(cè)、智能水電表、智能變電箱、車(chē)輛出入識(shí)別等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)核電站施工一線崗位作業(yè)層數(shù)字化，提高核電站建造項(xiàng)目的整體管理效率。

5 結(jié)語(yǔ)

核電站建造各參與方應(yīng)在業(yè)主統(tǒng)建的平臺(tái)和管理體系下，積極對(duì)接核電站全生命周期及產(chǎn)業(yè)鏈上下游，通過(guò)工程實(shí)體和“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等工程各生產(chǎn)要素的數(shù)字化，推進(jìn)核電站建造進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全等作業(yè)過(guò)程數(shù)字化和建筑實(shí)體數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理層數(shù)字化，推動(dòng)項(xiàng)目組織與決策的數(shù)字化，提升項(xiàng)目的集成化和精細(xì)化水平，實(shí)現(xiàn)核電站建造階段數(shù)字化應(yīng)用與轉(zhuǎn)型，最終賦能核電行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。