發(fā)電工程數(shù)字化移交的探討

張 衛(wèi)，王郁旭

(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

傳統(tǒng)電廠通過全面采用數(shù)字化電廠技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)行、檢修、經(jīng)營管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠建設(shè)。技術(shù)層面上，分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采用現(xiàn)場總線，提高系統(tǒng)整體可靠性、準(zhǔn)確性以及安全性；運(yùn)行層面上，系統(tǒng)監(jiān)視范圍從傳統(tǒng)的系統(tǒng)端子排擴(kuò)展到全廠，實(shí)現(xiàn)全廠監(jiān)控，提供更多的設(shè)備信息，優(yōu)化了操作和維護(hù)；投資層面上，減少項(xiàng)目的綜合投資[1]。

從電廠的整個(gè)生命周期的角度來看，數(shù)字化電廠利用流程工業(yè)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電廠的體系結(jié)構(gòu)，采用可視化三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行全廠布置，以滿足設(shè)計(jì)、采購、施工、建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)行、培訓(xùn)、檢修與維護(hù)、改造直至拆除等各個(gè)階段的需求。數(shù)字化電廠基于先進(jìn)控制系統(tǒng)、安全高效的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，結(jié)合國際最新的管理理論和信息技術(shù)研究成果，實(shí)現(xiàn)電廠管控一體化系統(tǒng)的整合。數(shù)字化電廠以服務(wù)于企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resource planning，ERP)管理思想為導(dǎo)向，充分利用信息技術(shù)對(duì)電廠的經(jīng)營和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行全面改造與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大程度的效益。

數(shù)字化移交是數(shù)字化電廠建設(shè)的基礎(chǔ)。數(shù)字化移交將電廠建設(shè)過程中參建各方形成的數(shù)字化產(chǎn)品，以統(tǒng)一的編碼體系和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集和整理，形成電廠信息模型，為數(shù)字化電廠提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)字化移交在工程建設(shè)期共享這些數(shù)據(jù)，確保工程各參與方的有效溝通，同時(shí)可以向業(yè)主移交一個(gè)與物理電廠相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化電廠，為智能電廠的數(shù)字建設(shè)提供一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 移交現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)移交

當(dāng)前大部分電廠采用的是傳統(tǒng)移交，建設(shè)期各承包商按照范圍移交各自生成的文檔、資料、模型等。但傳統(tǒng)移交具有以下弊端：

1)傳統(tǒng)移交由于缺乏統(tǒng)一的移交規(guī)范，數(shù)據(jù)的完整性、合規(guī)性、一致性難以保證；

2)傳統(tǒng)移交后，還需投入大量時(shí)間和成本整理移交數(shù)據(jù)。

3)傳統(tǒng)移交的移交物與電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼沒有關(guān)聯(lián)。

4)傳統(tǒng)移交是面向施工，缺少支持電廠運(yùn)維的數(shù)據(jù)。

5)電廠缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，不能連接各個(gè)運(yùn)維應(yīng)用，也使得各類改造、大修等數(shù)據(jù)無法及時(shí)更新，導(dǎo)致基建期的數(shù)據(jù)逐漸失去使用價(jià)值。

1.2 數(shù)字化移交

近年來，電廠數(shù)字化移交逐漸受到業(yè)主的重視。建設(shè)期，數(shù)字化移交方依據(jù)統(tǒng)一的移交規(guī)范收集各承包商的文檔、資料、模型等，并建立以電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼為核心的關(guān)聯(lián)關(guān)系，按照一定的規(guī)則上載至移交平臺(tái)后整體移交。在運(yùn)行期，業(yè)主可以集成其他信息系統(tǒng)，形成有效的數(shù)字資產(chǎn)，提高電廠的信息化管理水平[2]。數(shù)字化移交作為信息集成化的一種手段，具有以下作用：

1)規(guī)范工程數(shù)據(jù)移交方式，提升業(yè)主側(cè)工程數(shù)據(jù)信息移交質(zhì)量。

2)通過漸進(jìn)式移交，各參建單位可以從數(shù)字化移交平臺(tái)查看模型、圖紙、文檔等信息。

3)在電廠運(yùn)行期，數(shù)字化移交的成果為運(yùn)維人員提供實(shí)時(shí)的模型、圖紙、文檔、屬性等信息，賦能運(yùn)維工作，提升運(yùn)維效率。

4)數(shù)字化移交提供與真實(shí)電廠保持一致的數(shù)字化電廠，在技改過程中提供三維可視技術(shù)協(xié)助。

5)數(shù)字化電廠是智能電廠的基礎(chǔ)，智能電廠需要數(shù)據(jù)、算法、業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等智慧工作，通過數(shù)字化移交，打造靜態(tài)數(shù)據(jù)基座；通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，打造動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)基座。

2 數(shù)字化移交應(yīng)用

數(shù)字化移交在基建期，對(duì)設(shè)計(jì)、采購、施工等階段產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量校驗(yàn)，形成模型和施工數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用場景。業(yè)主在使用數(shù)字化移交成果和電廠信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的過程中，為電廠的運(yùn)維工作提供信息查詢的功能，在運(yùn)行期形成了模型和信息可視化的場景，與電廠數(shù)字孿生應(yīng)用結(jié)合，形成基于機(jī)理模型、大數(shù)據(jù)模型等可預(yù)測性維護(hù)的應(yīng)用。

2.1 數(shù)字化移交基建期應(yīng)用

數(shù)字化移交實(shí)現(xiàn)了基建期工程各參與方的交互，設(shè)計(jì)單位通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同提高設(shè)計(jì)效率，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量；施工單位在接受設(shè)計(jì)單位的數(shù)字化內(nèi)容為施工可視化、材料管理提供幫助；業(yè)主在參與過程中，提高對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)督，在真實(shí)電廠建成前得到一個(gè)虛擬直觀的數(shù)字化模型[3]。數(shù)字化移交主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

1)施工進(jìn)度管理三維可視化

通過進(jìn)度計(jì)劃任務(wù)與三維模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度三維可視化管理，輔助施工人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常計(jì)劃。

數(shù)字化移交與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)安裝前現(xiàn)場模擬、承臺(tái)開挖放線、預(yù)埋管驗(yàn)收、土建預(yù)留孔洞施工復(fù)核、鋼結(jié)構(gòu)安裝復(fù)核、管道安裝指導(dǎo)和驗(yàn)收等多個(gè)應(yīng)用場景，達(dá)到施工作業(yè)可視化，提高施工精度和質(zhì)量。

2)設(shè)計(jì)圖紙交叉校驗(yàn)

對(duì)設(shè)計(jì)院、施工方、供應(yīng)商等提供的圖紙和文檔進(jìn)行檢查和信息的交叉校驗(yàn)，確保多方提供的圖紙信息、文檔數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

3)全過程多專業(yè)綜合碰撞檢查

在三維空間中發(fā)現(xiàn)電廠多方模型的碰撞，協(xié)助解決施工的潛在問題，避免施工現(xiàn)場存在的“差”“錯(cuò)”“碰”“漏”。

4)三維電纜智能敷設(shè)及材料統(tǒng)計(jì)

在三維空間中智能敷設(shè)電纜路徑，計(jì)算出每根電纜的長度，通過定尺定盤對(duì)電纜成本精確控制，提高電廠建設(shè)管理。

5)三維空間優(yōu)化管理

在三維可視化電廠空間中，從運(yùn)維需求出發(fā)，重點(diǎn)檢查電廠檢修通道、閥門高度和操作空間、消防通道、各類平臺(tái)的可達(dá)性等，完成對(duì)各類電廠設(shè)施布置的合理性檢查，提升電廠運(yùn)維的便利性。

2.2 數(shù)字化移交運(yùn)行期應(yīng)用

業(yè)主通過數(shù)字化移交平臺(tái)收集設(shè)計(jì)、采購、施工、調(diào)試等數(shù)據(jù)，整合電廠運(yùn)行管理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電廠數(shù)字化。以數(shù)字化移交平臺(tái)為基礎(chǔ)，電廠的運(yùn)營管理、設(shè)備資產(chǎn)管理與電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)等集成，實(shí)現(xiàn)電廠靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息的綜合高效查詢，拓展多種數(shù)字化應(yīng)用場景，如模擬檢修、三維可視化操作與消防演練等。電廠在數(shù)字化移交成果的應(yīng)用有以下幾方面：

1)全廠信息化模型三維顯示與漫游(包含地下管網(wǎng))

2) 數(shù)字化移交與電廠管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS) 、廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(supervisory information system，SIS)、視頻監(jiān)控、門禁周界、人員定位等系統(tǒng)結(jié)合，關(guān)聯(lián)管控對(duì)象，集成數(shù)據(jù)，提升電廠運(yùn)維效率，產(chǎn)生了以下具體應(yīng)用：

①對(duì)接MIS 系統(tǒng)，快速查詢基本參數(shù)信息、設(shè)計(jì)圖紙、歷史故障信息等，實(shí)現(xiàn)管道和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控；

②對(duì)接電廠兩票系統(tǒng)，創(chuàng)建虛擬電子圍欄，完成對(duì)電廠設(shè)備的檢維修安全管控；整合動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)以及SIS 數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做出預(yù)測；

③結(jié)合人員定位建立虛擬巡檢，實(shí)現(xiàn)巡檢人員現(xiàn)場實(shí)時(shí)指導(dǎo)及路線軌跡跟蹤、現(xiàn)場點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)和SIS 數(shù)據(jù)自動(dòng)比對(duì)等功能，保證巡檢人員走對(duì)巡檢路線，并對(duì)巡檢人員巡檢質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；

④對(duì)接視頻監(jiān)控和門禁周界，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、出入記錄查詢、異常報(bào)警、緊急聯(lián)動(dòng)、邏輯開門等；

3)數(shù)字化移交結(jié)合消防預(yù)案，利用虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬各種事故逃生演習(xí)；也可以結(jié)合設(shè)備精細(xì)模型搭建場景，提供設(shè)備模擬拆裝培訓(xùn)。

4)三維數(shù)字化模型對(duì)象的空間信息與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、工程計(jì)算、人工智能等工具結(jié)合，產(chǎn)生新的應(yīng)用：

①基于三維可視化的防磨防爆管理[4]

通過對(duì)六大管道和鍋爐受熱面焊口的詳細(xì)分類整理，基于現(xiàn)場感知設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及各類優(yōu)化算法完成對(duì)焊口防磨防爆、膨脹變形等關(guān)鍵特征的快速定位及預(yù)警。

②基于三維可視化的智慧水網(wǎng)建設(shè)[5]

利用三維成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)設(shè)備與管網(wǎng)系統(tǒng)的可視化，通過現(xiàn)場感知設(shè)備收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷、季節(jié)影響、水質(zhì)水量變化、環(huán)境溫度等因素，考慮處理后的水質(zhì)變化，結(jié)合多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)積累，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)分析，調(diào)節(jié)應(yīng)對(duì)。

3 數(shù)字化移交的發(fā)展趨勢

在基建期，設(shè)計(jì)院和工程總包單位一起推進(jìn)數(shù)字化正向設(shè)計(jì)，搭建設(shè)計(jì)審查移交一體化平臺(tái)，設(shè)計(jì)、計(jì)劃、采購、建造、安裝、調(diào)試等數(shù)據(jù)的進(jìn)一步整合；深化設(shè)計(jì)，施工單位參與完善小管道建模出圖，設(shè)備廠商細(xì)化設(shè)備建模，完善設(shè)備屬性和部件編碼；加強(qiáng)管控，逐步推廣項(xiàng)目漸進(jìn)式移交，實(shí)施三維設(shè)計(jì)審查提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；實(shí)施三維交底和重大施工工序的模擬，提高施工質(zhì)量；移交平臺(tái)對(duì)接技經(jīng)的概預(yù)算，及時(shí)為采購提供工程采購清單；對(duì)接項(xiàng)目施工計(jì)劃，可視化展示設(shè)計(jì)、施工、采購等環(huán)節(jié)，優(yōu)化項(xiàng)目建造周期；對(duì)接智慧工地、基建MIS、視頻安防、人員定位等模塊，提高對(duì)建造過程中的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的管理水平，形成以三維模型為承載、數(shù)據(jù)為支撐的全過程管控平臺(tái)。

在運(yùn)行期，數(shù)字化移交系統(tǒng)把三維模型、靜態(tài)文檔、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合在一起，形成電廠數(shù)字資產(chǎn)?？梢暬嗑S的數(shù)字信息集成應(yīng)用平臺(tái)，結(jié)合生產(chǎn)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)、無線工業(yè)網(wǎng)的信息，整合智能發(fā)電平臺(tái)和智慧管理平臺(tái)的各項(xiàng)功能，利用物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化移交信息的有效利用。

數(shù)字化移交為數(shù)字孿生模型的構(gòu)建提供了規(guī)范并準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)字孿生通過構(gòu)建物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)虛擬模型，從而對(duì)真實(shí)環(huán)境中的物理實(shí)體進(jìn)行仿真與表達(dá)，為實(shí)際生產(chǎn)提供智能運(yùn)行、生產(chǎn)優(yōu)化等幫助[6]。

數(shù)字化移交過程中通過對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用需求分析，收集與其相關(guān)的數(shù)字化內(nèi)容并整合，建立與數(shù)字孿生應(yīng)用所匹配的動(dòng)態(tài)虛擬模型，通過現(xiàn)場感知設(shè)備，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并與相關(guān)的數(shù)字化移交成果通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算分析、人工智能等調(diào)整、控制、預(yù)測設(shè)備的運(yùn)行，構(gòu)建智能電廠的數(shù)字孿生應(yīng)用。從而提高設(shè)備的可靠性，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電廠運(yùn)行效率，為電廠降本增效提供幫助。

4 結(jié)語

電廠正處于從信息化、數(shù)字化向智能化、智慧化變遷的進(jìn)程中。數(shù)字化移交正在當(dāng)下，以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字化移交能更好地為用戶創(chuàng)造價(jià)值?；ㄆ诘臄?shù)字化移交的一些應(yīng)用逐漸成為電廠建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。運(yùn)行期的數(shù)字化移交成果應(yīng)用需要進(jìn)一步的開發(fā)，在電廠智能化、智慧化的進(jìn)程中，通過與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能、5G 等技術(shù)的結(jié)合，將發(fā)揮更大的作用。