基于BIM三維建模與實(shí)時數(shù)據(jù)交互的電廠管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

鐘朝暉

（大唐佛山熱電有限責(zé)任公司，廣東 佛山 528500）

1 BIM三維技術(shù)與數(shù)據(jù)實(shí)時交互技術(shù)

1.1 BIM三維技術(shù)

建筑信息化模型（BIM）是一種融合了建筑學(xué)、幾何學(xué)、工程學(xué)等技術(shù)，應(yīng)用關(guān)于建設(shè)工程項(xiàng)目設(shè)計、施工及運(yùn)營全生命周期內(nèi)的統(tǒng)一信息模型，該模型包含了過程中所有的信息，在建設(shè)的不同階段，各個參與方可以基于統(tǒng)一的信息模型，將各自的工作融合于信息化模型，彼此之間相互協(xié)調(diào)，在這個工程項(xiàng)目中進(jìn)行各類不同專業(yè)的決策與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了不同階段信息集成與共享，以及工程信息的三維可視化應(yīng)用，不僅大大提高了建設(shè)工程的質(zhì)量和管理效率，同時節(jié)約了工程成本[1]。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。

BIM在建設(shè)工程中可實(shí)現(xiàn)多種不同的效果，幾乎能夠滿足不同階段的各種需求，如將專業(yè)化、抽象化的二維建筑設(shè)計進(jìn)行形象化描述，實(shí)現(xiàn)建筑效果圖與動畫展示，依據(jù)建設(shè)過程中常用的橫梁、平板、柱子等建筑組件開展施工圖設(shè)計，甚至在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效果審核中運(yùn)用BIM技術(shù)等[1]。

1.2 數(shù)據(jù)實(shí)時交互技術(shù)

數(shù)據(jù)實(shí)時交互技術(shù)是一種分析數(shù)據(jù)的常用方法，其核心是通過獲取用戶每一次的輸入數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)之間算法關(guān)系及相互聯(lián)系，以此來根據(jù)不同任務(wù)和目標(biāo)獲取與之對應(yīng)的結(jié)果[1]。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模式算法成舊，獲取結(jié)果不準(zhǔn)確，獲取效率不高。實(shí)時交互式數(shù)據(jù)查詢方式不僅能能夠準(zhǔn)確獲得結(jié)果，同時能夠?qū)换ミ^程進(jìn)行分析，是近幾年研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一[2]。對現(xiàn)有的實(shí)時交互式分析理論基礎(chǔ)、模型數(shù)據(jù)分析過程以及系統(tǒng)框架進(jìn)行研究，是更好地利用實(shí)時數(shù)據(jù)交互技術(shù)的前提。

數(shù)據(jù)實(shí)時交互技術(shù)所研究的主要內(nèi)容包括交互級響應(yīng)時間、對跨模態(tài)數(shù)據(jù)的支持、實(shí)時交互式分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等。實(shí)時交互式分析算法理論基礎(chǔ)主要涉及不同的算法，包括近似查詢處理算法、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢算法和數(shù)據(jù)流算法等[2]。依據(jù)對數(shù)據(jù)處理的要求的不同，通常采用不同的獲取方式，如在近似查詢處理算法中SQL最常用的是聚集查詢，對于近似查詢處理引擎，查詢數(shù)字的實(shí)現(xiàn)在算法層面主要采用離線采樣技術(shù)。

數(shù)據(jù)采集的方式和手段隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了巨大的變化。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)越來越多地被應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲中，由于數(shù)據(jù)本身特點(diǎn)，該類數(shù)據(jù)已不再適用于傳統(tǒng)的查詢方式，因此需要依托新型的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)算法設(shè)計。通常包括時空數(shù)據(jù)交互查詢技術(shù)、圖像數(shù)據(jù)交互式查詢技術(shù)和其他非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交互查詢技術(shù)等[1]。

數(shù)據(jù)流算法可認(rèn)為是一個由海量數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)序列，通常采用亞線性空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)查詢功能來實(shí)現(xiàn)該特殊類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲取，常用方法有隨機(jī)采樣、直方圖采樣、頻繁項(xiàng)采樣、小波略圖及分位數(shù)采樣等方法，同時這些技術(shù)也常用于一些復(fù)雜的分析查詢。

1.3 基于實(shí)時數(shù)據(jù)平臺的電廠功能定位

1.3.1 電廠信息系統(tǒng)的組成

電廠實(shí)時數(shù)據(jù)平臺信息系統(tǒng)通常由過程自動化系統(tǒng)、廠級監(jiān)控及信息系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)組成，與之對應(yīng)的是面向生產(chǎn)運(yùn)行操作者、面向生產(chǎn)和技術(shù)管理以及面向行政和經(jīng)營管理。自動化系統(tǒng)是指該發(fā)電廠內(nèi)的一級監(jiān)控系統(tǒng)，通常包含單元機(jī)組的DCS系統(tǒng)、主控室的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、化水車間的化水程控系統(tǒng)、電氣車間運(yùn)動的RTU系統(tǒng)、燃料車煤的運(yùn)輸系統(tǒng)及燃油程控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)多少和規(guī)模大小與電廠的有機(jī)容量往往相一致，裝機(jī)容量越大的機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)就越好[3]。廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)的主要功能是完成發(fā)電過程中的綜合管理和系統(tǒng)檢測，最核心的作用是實(shí)現(xiàn)實(shí)時歷史數(shù)據(jù)的服務(wù)功能，在其價值方面主要體現(xiàn)在包含了SIS范圍的各種系統(tǒng)應(yīng)用。管理信息系統(tǒng)主要用于滿足電廠內(nèi)部管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化的管理系統(tǒng)，主要有辦公自動化、技術(shù)監(jiān)督管理、物資管理及計劃管理等模塊，這些模塊的功能和實(shí)現(xiàn)功能的程度都與發(fā)電廠MIS系統(tǒng)的軟硬件有密切關(guān)系，根據(jù)實(shí)際的需求選擇。此外對于電廠信息化的分類還有其他方法，但不管那種方法，都能實(shí)現(xiàn)用于生產(chǎn)工藝的管理部分，只是這些部分的歸并不同而已。

1.3.2 SIS系統(tǒng)的組成

SIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括多個程序，主要功能如下：實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)保存和歷史數(shù)據(jù)的更新與記錄；實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)該過程中各個環(huán)節(jié)的畫面采集，時刻保持所獲得的信息為及時所需；生產(chǎn)過程分析系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得定性的規(guī)律，指導(dǎo)今后的部署安排；客戶端組態(tài)顯示系統(tǒng)會將所收集及分析的結(jié)果展現(xiàn)在預(yù)先設(shè)置的系統(tǒng)中，直觀顯示不同因素之間的影響。

將SIS系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)分析后，會以多種數(shù)據(jù)格式存儲在固定的存儲系統(tǒng)中，主要包括對廠級性能計算的風(fēng)險、負(fù)荷優(yōu)化的分配方法、設(shè)備壽命的計算等。此外，客戶端組態(tài)顯示SIS系統(tǒng)畫面，并以數(shù)據(jù)模型圖像的方式展現(xiàn)出來，從而使得用戶可查看實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

2 RTDP的功能框架

2.1 RTDP框架介紹

電廠實(shí)時數(shù)據(jù)平臺（Real-Time Data Plant, RTDP）是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時交互的核心框架，主要有如下功能。一是為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的各用戶提供從電廠中獲取的各種數(shù)據(jù)，主要包括化水過程、傳輸過程、燃油程控系統(tǒng)等。這些數(shù)據(jù)主要來自系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)和實(shí)際工作中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，該過程能夠?qū)?shù)據(jù)采集的全過程進(jìn)行監(jiān)督控制，靈活地實(shí)現(xiàn)對全過程數(shù)據(jù)的實(shí)時把握。二是通過使用計算機(jī)內(nèi)預(yù)置系統(tǒng)和軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和壓縮，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，同時按照固定的數(shù)據(jù)格式將其存儲，方便今后的查詢和使用。三是RTDP歸根結(jié)底還是一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化管理系統(tǒng)，因此要實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和銜接，確保得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

電廠實(shí)時數(shù)據(jù)平臺在接口方面也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸入和輸出接口，輸入接口通常具有普遍性。由于大多數(shù)電廠實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)，因此在實(shí)際工作過程中，即使同一廠家，所使用的計算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)也不一定完全相同，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或者結(jié)果驗(yàn)證時存在很大的困難，此時就需要將不同規(guī)約數(shù)據(jù)存入RTDP的系統(tǒng)中，因此會有輸入接口。RTDP系統(tǒng)具有適用于多種設(shè)備的眾多類型數(shù)據(jù)接口，但是在接收數(shù)據(jù)存儲時還需要遵照開發(fā)時的內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此外，由于許多電廠已經(jīng)進(jìn)行了管理信息系統(tǒng)的建設(shè)，這對于向電廠的管理信息系統(tǒng)傳送實(shí)時生產(chǎn)和歷史數(shù)據(jù)，為過程分析系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，以及提高用戶的二次開發(fā)能力具有重要的意義。

2.2 RTDP與SIS的關(guān)系

RTDP是SIS系統(tǒng)的重要組成部分，同時兩者實(shí)現(xiàn)各自的功能，但是RTDP作為SIS的一部分，為各種電廠所開發(fā)的不同系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)完美結(jié)合到SIS系統(tǒng)提供了重要的方法和依據(jù)，兩者關(guān)系如圖1所示。

2.3 RTDP與實(shí)時數(shù)據(jù)庫的關(guān)系

RTDP是一個基礎(chǔ)模塊，又稱為“實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)”，實(shí)時數(shù)據(jù)庫通常由歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、采集模塊、回送模塊事件記錄等組成。RTDP在上述模塊的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了輸入（輸出）口標(biāo)準(zhǔn)化、用戶自定義界面及專家模塊目錄服務(wù)等功能，使得兩者之間的功能對接更加密切，也使得RTDP更適用于電廠建設(shè)的SIS建設(shè)。

3 電廠實(shí)時數(shù)據(jù)平臺的體系結(jié)構(gòu)

3.1 實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)程序

實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)程序是該系統(tǒng)最主要內(nèi)容，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收和傳輸在設(shè)備實(shí)際工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對于接收到的不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一化處理，確保實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境的需求。其實(shí)平臺在提供數(shù)據(jù)的過程中，需要將實(shí)時數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)打包分裝，高效傳給其他程序，主要包括實(shí)時I/O設(shè)備模塊、歷史I/O設(shè)備、實(shí)時數(shù)據(jù)緩沖模塊、日志管理模塊及實(shí)時數(shù)據(jù)管理模塊等。通過實(shí)時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)程序，不僅將所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行了格式化保存，同時對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了初步驗(yàn)證，如果數(shù)據(jù)的記錄不準(zhǔn)確，或者存在異常結(jié)果，可通過篩選功能將其單獨(dú)保存，同時對數(shù)據(jù)存在異常的原因進(jìn)行分析。

3.2 實(shí)時數(shù)據(jù)的處理流程

該模塊的主要任務(wù)是將所獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)簽后進(jìn)行重新處理，同時將數(shù)據(jù)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)隊(duì)列中。將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如在線壓縮等，目的是將得到的數(shù)據(jù)以最小體積、最快速度和最高質(zhì)量進(jìn)行分析，同時根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的優(yōu)先級順序、約束所限制條件等因素進(jìn)行排序。對于緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，經(jīng)過這個環(huán)節(jié)該程序?qū)F(xiàn)場各點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，作為歷史數(shù)據(jù)存儲，如果想在客戶端上獲取歷史某天的數(shù)據(jù)，則通過壓縮模塊就能輕松獲得指定時間的數(shù)據(jù)?？梢娫谔幚磉^程中，最主要的是完成了各種格式數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，達(dá)到了數(shù)據(jù)類型歸一化的效果和目的，對于后面設(shè)計數(shù)據(jù)接口具有重要的作用。

3.3 輸入接口的具體設(shè)計

對于輸入接口的設(shè)計可以根據(jù)不同的需求有不同的設(shè)計，其中一種是客戶有冗余需求的，一般會配置計算機(jī)控制實(shí)際工作，一臺用于正常工作，另一臺用來備用，在此過程中會使用串口心跳線將其連接起來，實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳遞。此外，由于這套系統(tǒng)軟件有自動監(jiān)測功能，即每隔設(shè)置的一定時間和網(wǎng)絡(luò)，分別相互檢測一次并交換狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能偵測對方的工作狀態(tài)，如果在檢查過程中有意外因素，就可以向服務(wù)器發(fā)送宣告信號[4]。該設(shè)計克服不同設(shè)備接口之間數(shù)據(jù)不一致的弊端，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

3.4 輸出接口的具體設(shè)計

由于對實(shí)時數(shù)據(jù)的讀取必須遵照相關(guān)的開發(fā)內(nèi)部協(xié)議，因此，在輸出接口的設(shè)計過程中必須提供一種標(biāo)準(zhǔn)的且使用方便的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入，利用分裝的思想將所有的內(nèi)部通信協(xié)議、文件格式、壓縮算法等復(fù)雜的處理看作一個黑箱子，通過這個黑箱子不僅能對不確定的因素進(jìn)行意外測試，同時還能增強(qiáng)系統(tǒng)的意外防范能力，對于系統(tǒng)整體性能具有重要的作用。此外，在設(shè)置協(xié)議傳輸方式的過程中需要考慮軟件的使用環(huán)境，同時設(shè)置攔截功能，當(dāng)處于不安全的環(huán)境時，系統(tǒng)能夠發(fā)出信號，觸發(fā)攔截設(shè)置，將其直接過濾掉，并提供相應(yīng)功能的方法屬性和事件使其調(diào)用，這就能夠達(dá)到設(shè)計出我們所需要的用于輸出接口的目的。

上述各個部件之間的物理組建雖然看似獨(dú)立，但是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中是以其作為基礎(chǔ)的，因此彼此之間在功能和實(shí)現(xiàn)等方面都存在密切聯(lián)系，各部件之間只有相互配合才能實(shí)現(xiàn)眾多功能，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。

4 BIM三維技術(shù)及數(shù)據(jù)交互電廠融合的應(yīng)用

4.1 信息庫建設(shè)

利用BIM三維技術(shù)和數(shù)據(jù)交互式融合構(gòu)建基本信息庫，該庫不僅包含在實(shí)際建設(shè)過程中會用到的基本的各類建筑要素三維模型，同時各種不同的模型之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，這些聯(lián)系使得模型在不同的建設(shè)環(huán)節(jié)過程中具有明顯不同的作用，扮演不同的角色[4]。所有在建設(shè)過程中的基本的三維BIM模型構(gòu)成了今后會用的所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。此外在基于實(shí)時數(shù)據(jù)交互的機(jī)制中，能夠?qū)崟r獲取和更新三維系統(tǒng)模型中的所有數(shù)據(jù)，兩者的有機(jī)結(jié)合是構(gòu)建基礎(chǔ)信息庫最核心的內(nèi)容，同時也是最重要的應(yīng)用方面之一。

4.2 BIM模型組織創(chuàng)建

在使用BIM建模的過程中，確定其應(yīng)用范圍和實(shí)際詳略要求是開展建模的第一步，同時也是最重要的內(nèi)容。在電力建設(shè)工程中，需要根據(jù)實(shí)際的電力設(shè)備需求，確定工程的規(guī)模及各個部件的構(gòu)成難易程度，這些環(huán)節(jié)的確定需要專業(yè)技術(shù)人員開展一系列的勘察后方可確定。在應(yīng)用BIM技術(shù)的過程中，如果使用其進(jìn)行內(nèi)部所有零件的建模，這種模型的數(shù)據(jù)量會異常復(fù)雜龐大，但是如果能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互就可以輕松解決該問題。

5 結(jié)束語

BIM三維建模和數(shù)據(jù)交互式模型構(gòu)建是數(shù)字化電廠設(shè)計的重要研究內(nèi)容之一，本文在介紹BIM三維建模和數(shù)據(jù)交互式理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于實(shí)時數(shù)據(jù)平臺的電廠功能定位和電廠實(shí)時數(shù)據(jù)平臺的體系結(jié)構(gòu)，最后提出了重要的應(yīng)用方面和今后可能的發(fā)展方向。