核電廠地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模研究

李 友，張夢(mèng)雪，劉 聰，蘇宇琪，吳德成

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在設(shè)計(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中,中核工程制定了統(tǒng)一的頂層規(guī)劃并相應(yīng)開(kāi)發(fā)了若干個(gè)專業(yè)子平臺(tái),以支撐專業(yè)人員設(shè)計(jì)活動(dòng)、輸出符合規(guī)定的數(shù)字化交付品。其中,核電廠室外工程相關(guān)設(shè)計(jì)依托“室外工程設(shè)計(jì)平臺(tái)”實(shí)現(xiàn)。在室外工程設(shè)計(jì)平臺(tái)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,充分考慮了室外工程設(shè)計(jì)各參與專業(yè)的需要,將設(shè)計(jì)工具軟件集成到平臺(tái)系統(tǒng)中,打通設(shè)計(jì)工具軟件和平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的使用和管理。

1 地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

核電廠地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)在業(yè)務(wù)層面、數(shù)據(jù)來(lái)源層面及數(shù)據(jù)應(yīng)用層面有其特殊性,具體如下：

業(yè)務(wù)層面,地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)具有參與專業(yè)多、管道種類多、布置要求多的特點(diǎn)。核電廠地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括兩類：地下廊道和地下直埋管道。地下廊道包括循環(huán)水進(jìn)/排水廊道、重要廠用水進(jìn)/排水廊道、綜合技術(shù)管廊、不同電壓等級(jí)的電纜溝等,地下直埋管道包括雨水管道、生活污水管道、含油廢水管道、次氯酸鈉管道、消防水管道、生活給水管道、生產(chǎn)水管道、通信管道、壓縮空氣管道、氫氣管道等。另外,在工程實(shí)踐過(guò)程中逐漸形成了以廊道為主、直埋為輔的布置方式[1-3]。

數(shù)據(jù)來(lái)源層面,涉及到的設(shè)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)發(fā)布者比較復(fù)雜。在設(shè)計(jì)過(guò)程中由不同專業(yè)按照業(yè)務(wù)分工、使用不同類型的設(shè)計(jì)軟件完成設(shè)計(jì)任務(wù),形成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、幾何模型和圖紙文件。當(dāng)存在設(shè)計(jì)接口和分包的情況時(shí),同一專業(yè)的設(shè)計(jì)成果可能也是來(lái)源于不同設(shè)計(jì)軟件。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層面,工程對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求在逐漸提高。地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)施工對(duì)最終成果的應(yīng)用要點(diǎn)有以下方面：管網(wǎng)內(nèi)容齊全無(wú)漏缺、空間關(guān)系清晰且合理無(wú)沖突、設(shè)計(jì)變更及時(shí)體現(xiàn)。這些要點(diǎn)決定了數(shù)據(jù)應(yīng)用層面上既要包括數(shù)據(jù)又要包括幾何模型,甚至一定程度上幾何模型重要性更突出。同時(shí),隨著B(niǎo)IM相關(guān)技術(shù)的成熟應(yīng)用,類似材料統(tǒng)計(jì)、爆管模擬分析、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可視化等功能要求也逐步成為常態(tài)。實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)用的第一步,是打破數(shù)據(jù)孤島、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成。如果采取開(kāi)發(fā)軟件接口的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)工具軟件的集成,在平臺(tái)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需投入大量人力和費(fèi)用。當(dāng)涉及的設(shè)計(jì)工具軟件較多時(shí),這種應(yīng)對(duì)方式是被動(dòng)的,顯然不是最佳選擇。因此,還需要考慮一套更合適的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)上述不利情況。

2 研究現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)相應(yīng)關(guān)鍵詞的檢索,了解到目前有關(guān)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模的研究主要集中在以下幾個(gè)方向：

1)基于Dynamo的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模：Dynamo是Autodesk Revit平臺(tái)的開(kāi)源插件,以一種可視化編程語(yǔ)言支持用戶對(duì)計(jì)算邏輯和流程進(jìn)行預(yù)定義,通過(guò)設(shè)計(jì)輸入、軟件計(jì)算處理和軟件輸出的基本邏輯解決建模問(wèn)題。由于具有可視化的特點(diǎn),對(duì)無(wú)編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的初學(xué)者較為友好,可以通過(guò)快速學(xué)習(xí)掌握軟件的使用。

2)無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模：傾斜攝影建模是使用同一無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,從垂直、傾斜多個(gè)角度同步采集大量影像數(shù)據(jù),再根據(jù)影像數(shù)據(jù)生成實(shí)景模型的一種建模方法。目前使用較多的是五鏡頭相機(jī),分別從正攝和前、后、左、右五個(gè)方位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,再配合定位模塊獲取位置和姿態(tài)等信息。數(shù)據(jù)采集完畢后進(jìn)行質(zhì)量分析,質(zhì)量滿足要求的數(shù)據(jù)在專用軟件中處理,最終快速生成三維模型[4]。傾斜攝影建模方式具有建模尺度大、效率高、軟件操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),所建模型真實(shí)感強(qiáng),紋理和色彩逼真。

3)激光點(diǎn)云建模：激光點(diǎn)云是使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)已有建模物項(xiàng)進(jìn)行掃描以獲得點(diǎn)云模型的建模方法。三維激光掃描技術(shù)是對(duì)物項(xiàng)表面進(jìn)行高分辨率掃描,獲取大量的點(diǎn)以及三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息。獲得數(shù)據(jù)后再使用專業(yè)軟件對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行拼接、去燥、匹配、修補(bǔ)等工作,形成完整的物項(xiàng)點(diǎn)云模型。三維激光掃描技術(shù)支持快速、連續(xù)的掃描方式,可獲得物體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),精度較高、操作方便,適用于小規(guī)模精細(xì)模型的構(gòu)建。

4)物探成果數(shù)據(jù)建模：物探成果數(shù)據(jù)建模主要用于城市既有地下管網(wǎng)的逆向建模,涉及電力、通信、光纜、給水、雨水、污水、天然氣等地下管線以及路燈、配電柜、交換機(jī)、消防栓、雨水井、雨水篦井、支墩、閥門(mén)等多種管線附屬物。操作層面,一般采用工程物探方法對(duì)區(qū)域地下管網(wǎng)進(jìn)行探查,獲得地下管道及附屬物的相關(guān)信息作為地下管網(wǎng)信息模型建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后在相應(yīng)的軟件中進(jìn)行輸入、匹配,自動(dòng)創(chuàng)建模型并匹配屬性、連接關(guān)系等。

為了統(tǒng)一技術(shù)要求,保證地下管線探測(cè)成果數(shù)據(jù)質(zhì)量、規(guī)范作業(yè)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),目前國(guó)家及行業(yè)層面均出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),主要包括CJJ 61—2017城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程[5]、GB/T 41455—2022地下管線要素?cái)?shù)據(jù)字典[6]、GB/T 29806—2013信息技術(shù)地下管線數(shù)據(jù)交換技術(shù)要求[7]等。

3 實(shí)施方案研究

3.1 技術(shù)路線選擇

從業(yè)務(wù)需求層面分析,設(shè)計(jì)端對(duì)地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模的需要主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)集成非建模軟件來(lái)源的數(shù)據(jù)和模型。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,平臺(tái)系統(tǒng)里集成的專業(yè)設(shè)計(jì)工具產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是預(yù)定義的,可被讀取和識(shí)別的。但是,設(shè)計(jì)分包單位是不能使用開(kāi)發(fā)的平臺(tái)系統(tǒng)的,并且他們使用什么類型的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、產(chǎn)生什么格式的數(shù)據(jù)文件也是難以控制的,所以怎么集成他們的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是個(gè)難題。從利于數(shù)據(jù)交換的角度看,采取與源軟件解耦的、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形式是最準(zhǔn)確和最簡(jiǎn)單的。

2)電廠已有管線數(shù)據(jù)集成和模型融合。在設(shè)計(jì)過(guò)程特別是改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要重點(diǎn)掌握和考慮已有管線對(duì)新設(shè)計(jì)管線的影響,包括接入點(diǎn)、空間關(guān)系、施工開(kāi)挖影響等?？紤]到電廠建設(shè)周期一般很長(zhǎng),建設(shè)過(guò)程中地下管網(wǎng)的增加、廢除、改線等活動(dòng)頻繁,相對(duì)于收集資料重新翻模的方式,物探建模更準(zhǔn)確、更便于操作。

綜上,物探成果數(shù)據(jù)建模的方式更適合目前的需要。

3.2 研究目標(biāo)

建立一套適用地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模的方案,既可以得到幾何模型又可以將模型與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù))建立準(zhǔn)確的映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)通過(guò)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立管道和節(jié)點(diǎn)模型。

3.3 研究?jī)?nèi)容

3.3.1 建模方法

參考國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的做法,考慮將管道按照組成關(guān)系抽象為兩類物項(xiàng)：雨水管、電纜、套管等抽象為管段,雨水井、配電柜、手孔井等抽象為節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管道的定位,通過(guò)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的關(guān)系進(jìn)行管段與節(jié)點(diǎn)的匹配,同時(shí)再將設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維中關(guān)注和需要的屬性分別賦予節(jié)點(diǎn)或管段,最終達(dá)到建立幾何模型及匹配屬性的目標(biāo)。

3.3.2 管網(wǎng)數(shù)據(jù)梳理

管網(wǎng)數(shù)據(jù)的來(lái)源需要依賴業(yè)務(wù)活動(dòng)的梳理和歸納,對(duì)地下管網(wǎng)管道和節(jié)點(diǎn)種類、需包含的設(shè)計(jì)屬性、施工及管理所需數(shù)據(jù)條目等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析整理,形成數(shù)據(jù)梳理成果。

1)管道類型和屬性：地下管網(wǎng)主要涉及的管道種類包括雨水管道、生活污水管道、生產(chǎn)廢水管道、生活水管道、消防水管道、工業(yè)水管道、采暖管道、電氣管線、通信管線、儀控管線、氫氣管道、壓縮空氣管道等。通過(guò)對(duì)管道屬性的分析以及對(duì)同類型管道進(jìn)行合并,形成四種類型,具體如下：

a.重力流管道,種類包括雨水管道、生活污水管道、生產(chǎn)廢水管道等;屬性包括管道名稱、管道內(nèi)徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長(zhǎng)度、管底標(biāo)高、起終點(diǎn)定位坐標(biāo)。

b.壓力流管道,種類包括生活水管道、消防水管道、工業(yè)水管道、采暖管道、氫氣管道、壓縮空氣管道等;屬性包括管道名稱、管道內(nèi)徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長(zhǎng)度、管中心標(biāo)高、起終點(diǎn)定位坐標(biāo)。

c.電儀管線,種類包括電氣管線、通信管線、儀控管線等;屬性包括管道名稱、套管內(nèi)徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長(zhǎng)度、管中心標(biāo)高、起終點(diǎn)定位坐標(biāo)。

d.氣體管道,種類包括氫氣管道、壓縮空氣管道等;屬性包括管道名稱、管道內(nèi)徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長(zhǎng)度、管中心標(biāo)高、起終點(diǎn)定位坐標(biāo)等。

2)節(jié)點(diǎn)類型和屬性：地下管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)類型主要包括檢查井、手孔井、水表井、箱變、配電柜、路燈等,屬性包括類型名稱、編號(hào)、定位坐標(biāo)等。

3.3.3 數(shù)據(jù)格式定義

為了保證結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的質(zhì)量,需要從數(shù)據(jù)層面對(duì)涉及到的字段進(jìn)行限定和規(guī)范。根據(jù)管網(wǎng)數(shù)據(jù)梳理結(jié)果,對(duì)兩類物項(xiàng)進(jìn)行元數(shù)據(jù)的整理和定義,形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件模板(見(jiàn)表1,表2)。

表1 管段元數(shù)據(jù)

表2 節(jié)點(diǎn)元數(shù)據(jù)

3.3.4 建模流程

在實(shí)際操作過(guò)程中按照以下步驟完成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模：第一步在Access軟件中分別按照管段和節(jié)點(diǎn)的元數(shù)據(jù)建立起兩張數(shù)據(jù)表,設(shè)置數(shù)據(jù)類型和約束條件,數(shù)據(jù)表文件格式存儲(chǔ)為*.MDB;第二步將已知的坐標(biāo)信息、連接信息、附屬物信息、標(biāo)高信息以及其他管理類信息錄入或?qū)霐?shù)據(jù)表中,檢查數(shù)據(jù)的格式和完整性;第三步在GIS建模軟件中讀入*.MDB文件,并建立好元數(shù)據(jù)的映射關(guān)系;第四步根據(jù)人機(jī)交互情況進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)修正或格式調(diào)整;第五步在軟件完成自動(dòng)建模并賦予模型相關(guān)屬性值(見(jiàn)圖1)。

4 模型應(yīng)用

4.1 模型綜合及可視化展示

通過(guò)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模可以擺脫對(duì)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的依賴,以一種便捷的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)已有管線的建模。在設(shè)計(jì)過(guò)程,可以將結(jié)構(gòu)化建模作為設(shè)計(jì)軟件建模的補(bǔ)充,根據(jù)需要選擇合適的方式。

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立的地下管網(wǎng)模型可以與無(wú)人機(jī)模型、其他專業(yè)建模軟件的模型進(jìn)行融合,按照特定的基點(diǎn)或工程坐標(biāo)進(jìn)行成果組織,獲得內(nèi)容豐富的綜合模型(見(jiàn)圖2)。在綜合模型中,地下管網(wǎng)可顯示精確的外輪廓、可使用不同顏色標(biāo)識(shí)不同類型的管道,顯示其準(zhǔn)確的空間關(guān)系,以更直觀的形式去觀察。為防止動(dòng)土開(kāi)挖對(duì)直埋管線造成損害,直埋管線模型可顯示和查詢完整的三維數(shù)據(jù)信息,包括坐標(biāo)、標(biāo)高、長(zhǎng)度、管徑等內(nèi)容。結(jié)合應(yīng)用軟件提供的瀏覽功能,還可以進(jìn)行量測(cè)、剖切、注釋、多角度瀏覽等。

4.2 碰撞檢查

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模方式建立的模型可以與其他軟件建立的模型進(jìn)行碰撞檢查,準(zhǔn)確性等方面,與建模軟件建立的模型無(wú)差異,可以實(shí)現(xiàn)碰撞問(wèn)題一鍵檢查、一鍵定位、注釋說(shuō)明、詳情查看、問(wèn)題解決跟蹤等功能應(yīng)用(見(jiàn)圖3)。

4.3 統(tǒng)計(jì)分析

結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模過(guò)程中將管道的連接關(guān)系、流向、壓力等拓?fù)潢P(guān)系一并帶入,基于此可以實(shí)現(xiàn)一些統(tǒng)計(jì)分析和判斷功能：

1)設(shè)備和材料統(tǒng)計(jì)?；诠芗蚬芏蔚膶傩宰侄芜M(jìn)行分廠區(qū)、分區(qū)域篩選和統(tǒng)計(jì),應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段材料清單出具、建設(shè)階段材料準(zhǔn)備和管理、運(yùn)維階段設(shè)備備件及維修更換管理等。

2)破管分析。結(jié)合一些壓力和流量傳感器,可以在運(yùn)維階段進(jìn)行壓力管道破管分析,快速診斷和定位,解決破管問(wèn)題。

5 結(jié)論和展望

本文提出和驗(yàn)證了一種適用于核電廠使用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立地下管網(wǎng)管道和節(jié)點(diǎn)模型的方法,利用該方法可以擺脫對(duì)特定建模軟件的依賴,在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決某些管道建模和數(shù)據(jù)賦予的問(wèn)題。

數(shù)字化設(shè)計(jì)專業(yè)子平臺(tái)均為多項(xiàng)目管理的平臺(tái)系統(tǒng),未來(lái)在平臺(tái)中會(huì)同時(shí)存在多個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1)元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,雖然目前建模軟件支持自定義元數(shù)據(jù),但出于整體統(tǒng)一的考慮,需要建立和使用同一套元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)可能使用到的字段都做好定義和約束,確定數(shù)據(jù)文件格式和配置,這也有利于未來(lái)便捷的方式來(lái)檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí),在元數(shù)據(jù)建立過(guò)程中宜與現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一,可參照GB/T 41455—2022地下管線要素?cái)?shù)據(jù)字典等確定。

2)數(shù)據(jù)擴(kuò)展,目前元數(shù)據(jù)的定義僅限于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),考慮模型應(yīng)用需要增加諸如建設(shè)日期、建設(shè)單位、權(quán)屬單位、使用狀態(tài)、維修情況等一系列字段,以便于更好的實(shí)現(xiàn)多元化功能,體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值。

3)管道和附屬物編碼,在元數(shù)據(jù)定義過(guò)程中宜同步進(jìn)行管道類型和附屬物(檢查井、設(shè)備等)的統(tǒng)一編碼,以便實(shí)現(xiàn)相關(guān)屬性之間以及與模型元件庫(kù)的關(guān)聯(lián)。管道分類代碼可參照GB/T 29806—2013信息技術(shù)地下管線數(shù)據(jù)交換技術(shù)要求,設(shè)備代碼可參照GB/T 50549—2020電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼標(biāo)準(zhǔn)[8]等。

4)材料庫(kù)統(tǒng)一,為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向下游建設(shè)和采購(gòu)端延伸,需要考慮統(tǒng)一的材料庫(kù),對(duì)地下管網(wǎng)需要用到的各類材料進(jìn)行統(tǒng)一管理,保證在統(tǒng)計(jì)和算量環(huán)節(jié)能足夠精確。