數(shù)字化技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用

何姜江，袁多亮

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)及智能化軟件在工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電力行業(yè)的信息化建設(shè)不斷向前推進(jìn)，數(shù)字化交付、智能工廠建設(shè)成為工程公司的必然選擇。數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，對傳統(tǒng)工程公司的工作模式產(chǎn)出了巨大的挑戰(zhàn)。業(yè)主對工程項(xiàng)目的要求越來越高，這對工程公司設(shè)計(jì)技術(shù)和管理水平提出了更高的要求[1-2]。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)如何在工程全生命周期中應(yīng)用，設(shè)計(jì)成果如何在工程各參建方中得到有效利用，以提升工程質(zhì)量和管理水平，是現(xiàn)階段業(yè)主對數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)關(guān)注度的集中體現(xiàn)。對工程公司而言，數(shù)字化工程不僅是一個(gè)交付物，更是一種全新的項(xiàng)目管理模式和理念，即對項(xiàng)目數(shù)據(jù)、信息的全生命周期下的一體化集成管理。數(shù)字化工程管理模式的運(yùn)用，不僅能將設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行等各階段的工廠信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而且在工廠建設(shè)階段，采用該模式能起到縮短建設(shè)周期、節(jié)約建設(shè)投資的意義。本文從工程公司的角度全面闡述數(shù)字工廠的建設(shè)[3]。

1 數(shù)字化工程方案

為了滿足業(yè)主對數(shù)字化工程的高要求，提出一種數(shù)字化工程方案，該方案覆蓋工程設(shè)計(jì)、采購、建造、移交、運(yùn)維等工程全階段，涉及勘察設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位、業(yè)主單位等工程各參建方的協(xié)同參與。

數(shù)字化工程方案應(yīng)用于江西某百萬機(jī)組工程，實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)、全專業(yè)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，建造全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管控，并將全階段的數(shù)字化成果完整移交給業(yè)主，為后續(xù)電廠的運(yùn)維和管理提供支撐。在工程的設(shè)計(jì)階段，由工程協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺負(fù)責(zé)管控不同設(shè)計(jì)專業(yè)、不同設(shè)計(jì)平臺和軟件之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。在工程的建造階段，由工程建設(shè)管理平臺負(fù)責(zé)管控工程各參建方之間的協(xié)同工作。兩個(gè)平臺共同創(chuàng)建出的工程信息模型(engineering information model，EIM)，通過數(shù)字化移交平臺分階段移交給業(yè)主，幫助業(yè)主及時(shí)了解工程建設(shè)情況，控制投資費(fèi)用、掌握工程進(jìn)度，輔助管理決策。數(shù)字化移交平臺為工程參建方提供一個(gè)高效的信息共享平臺，并為后續(xù)電廠的運(yùn)維和管理提供重要支撐。工程竣工后，業(yè)主同時(shí)獲得實(shí)際的物理工廠和虛擬的三維數(shù)字化電廠。

1.1 整體框架

數(shù)字化工程的整體解決方案框架如圖1所示。在工程設(shè)計(jì)階段，由工程協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺負(fù)責(zé)管控不同設(shè)計(jì)專業(yè)、不同設(shè)計(jì)平臺和軟件之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。在工程的建造階段，由工程建設(shè)管理平臺負(fù)責(zé)管控工程各參建方之間的協(xié)同工作。兩個(gè)平臺共同創(chuàng)建出的工程信息模型，通過數(shù)字化移交平臺分階段移交給業(yè)主，幫助業(yè)主及時(shí)了解工程建設(shè)情況，控制投資費(fèi)用、掌握工程進(jìn)度，輔助管理決策。數(shù)字化移交平臺為工程參建方提供一個(gè)高效的信息共享平臺，并為后續(xù)電廠的運(yùn)維和管理提供重要支撐。工程竣工后，業(yè)主同時(shí)獲得實(shí)際的物理工廠和虛擬的三維數(shù)字化電廠，通過平臺維護(hù)，實(shí)現(xiàn)物理工廠和數(shù)字工廠信息同步。

圖1 數(shù)字化工程方案框架

1.2 平臺組成

數(shù)字化工程方案由工程設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺、工程建設(shè)管理平臺和數(shù)字化移交平臺組成。

1)工程設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺是工藝及電控設(shè)計(jì)平臺、機(jī)械布置設(shè)計(jì)平臺、土建設(shè)計(jì)平臺及其他數(shù)字化專業(yè)軟件之間的集成。

平臺以工程過程文檔、數(shù)據(jù)、模型的管理和使用為核心，以計(jì)劃、任務(wù)、表單為驅(qū)動，以提交、審批、分發(fā)為協(xié)作方式，完成了工程的角色定義、流程定制、內(nèi)容管理和過程控制，實(shí)現(xiàn)了全階段、全專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)管理。設(shè)計(jì)平臺包括三個(gè)子平臺，包括以COMOS軟件為基礎(chǔ)的工藝系統(tǒng)、電控?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)平臺，以PDMS軟件為基礎(chǔ)的機(jī)械布置設(shè)計(jì)平臺和以Revit軟件為基礎(chǔ)的土建設(shè)計(jì)平臺。建議數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與各子平臺間數(shù)據(jù)的雙向貫通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各子平臺間數(shù)據(jù)無縫交互、實(shí)時(shí)共享和高效協(xié)同，所創(chuàng)建的數(shù)字化模型精確，屬性信息完整，工程出圖內(nèi)容全面、信息豐富、圖例規(guī)范。

2)工程建設(shè)管理平臺

工程建設(shè)管理平臺是一個(gè)信息集成、資源共享、功能強(qiáng)大的管理平臺，包含了檔案管理、計(jì)劃管理、設(shè)備管理、物資管理、工程管理、質(zhì)量管理、安健環(huán)管理、基建財(cái)務(wù)管理等管理模塊。平臺以計(jì)劃管理為龍頭，項(xiàng)目進(jìn)度為主線，工程合同為核心，設(shè)備物資為基礎(chǔ)，安全質(zhì)量為保障，財(cái)務(wù)為稽核，辦公自動化為手段，圖紙檔案為載體，覆蓋電廠建設(shè)全過程。平臺對工程合同、設(shè)備采購、工程施工進(jìn)度及變更、工程質(zhì)量、工程檔案進(jìn)行全面化管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)主采購方、監(jiān)理方、施工方及分包單位同一平臺協(xié)同工作，用數(shù)字化手段協(xié)調(diào)參建各方的管理，為數(shù)字化移交提供支持。

3)數(shù)字化移交平臺

數(shù)字化移交平臺基于內(nèi)容管理數(shù)據(jù)庫對模型文件、電子文件進(jìn)行管理；基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫對設(shè)計(jì)對象、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；用Navisworks插件,實(shí)現(xiàn)二、三維模型的展示與導(dǎo)航，并查看相關(guān)圖紙及文檔。在設(shè)計(jì)數(shù)字化移交的支撐下，數(shù)字化移交平臺能夠?qū)崿F(xiàn)施工模擬、設(shè)備采購的可視化管理、與電廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)(enterprise asset management，EAM)、監(jiān)控信息系統(tǒng)(supervisory information system，SIS)集成，為電廠的建設(shè)、運(yùn)行、檢修、技改、可視化培訓(xùn)提供重要的數(shù)據(jù)支撐和開發(fā)平臺。

1.3 數(shù)字化工程優(yōu)勢

與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，各專業(yè)在數(shù)字化環(huán)境完成各自的設(shè)計(jì)，并自動生成施工圖和材料報(bào)表。施工圖設(shè)計(jì)深度滿足了工程的工廠化預(yù)制和現(xiàn)場施工要求，設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量大幅提升。

數(shù)字化電廠系統(tǒng)集成了電廠各階段數(shù)據(jù)和圖紙，與圖紙檔案管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，提高了數(shù)據(jù)查詢質(zhì)量及效率，減少了人工投入，有效節(jié)省了管理運(yùn)維成本。

利用數(shù)字化技術(shù)，及時(shí)識別危險(xiǎn)源、方案模擬、可視化安全交底等應(yīng)用，提升項(xiàng)目安全控制能力，能幫助項(xiàng)目經(jīng)理從容指揮控制生產(chǎn)，大幅提升精細(xì)化的管理水平，降低成本，實(shí)現(xiàn)應(yīng)收盡收，減少管理人力物力[4]。

2 數(shù)字化工程信息模型應(yīng)用

2.1 信息模型

通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺和工程建設(shè)平臺，實(shí)現(xiàn)模型屬性實(shí)時(shí)更新，保證模型信息準(zhǔn)確無誤，圖2可見數(shù)字電廠模型與物理電廠模型高度一致。工程信息模型設(shè)計(jì)階段的幾何屬性、性能屬性、適用系統(tǒng)屬性等及其相關(guān)設(shè)計(jì)文檔，都可通過協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺查閱。采購階段的廠家信息、價(jià)格信息、供貨信息、運(yùn)輸信息等及其相關(guān)文檔可通過工程建設(shè)管理平臺查閱。建造過程中的安裝信息、連接信息等及其相關(guān)文檔也可通過工程建設(shè)管理平臺查閱。針對移交后的運(yùn)維階段，工程信息模型提供了運(yùn)行指標(biāo)屬性供運(yùn)行人員與實(shí)際情況對比判斷系統(tǒng)可靠性。數(shù)字電廠屬性信息完整，包括設(shè)計(jì)、采購、施工、運(yùn)行各階段的數(shù)據(jù)，比如設(shè)計(jì)圖紙、產(chǎn)品信息、安裝信息、維護(hù)信息等，如圖3所示。

圖2 數(shù)字電廠模型與物理電廠對比

圖3 數(shù)字電廠屬性信息示意圖

2.2 模型應(yīng)用

1)設(shè)計(jì)階段工程信息模型應(yīng)用

從初步設(shè)計(jì)到竣工圖設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)期內(nèi)采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)手段創(chuàng)建工程信息模型。投標(biāo)階段完成了工藝仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置方案建模和工程量優(yōu)化。初步設(shè)計(jì)階段完成了主要設(shè)計(jì)原則擬定、材料規(guī)劃(SPEC定制)、工程數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置方案模型深化和工程量優(yōu)化。司令圖階段完成了工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)深化、布置方案深化和工程量優(yōu)化。施工圖階段完成了機(jī)械(工藝系統(tǒng)、布置)、電控和土建各領(lǐng)域各專業(yè)的施工詳圖設(shè)計(jì)和材料統(tǒng)計(jì)。

2)采購階段工程信息模型應(yīng)用

通過工程信息模型的建立，將數(shù)字化模型、材料報(bào)表與物資采購系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)物資采購可視化、精細(xì)化管理。為業(yè)主提供數(shù)字化采購支持，業(yè)主可以通過數(shù)字化移交平臺獲得采購所需的數(shù)字化信息。在產(chǎn)品詢價(jià)階段，提供建設(shè)電廠所需的設(shè)備和元件的技術(shù)規(guī)范書，指導(dǎo)業(yè)主按照設(shè)計(jì)需求向各廠家詢價(jià)。在合同簽訂階段，提供準(zhǔn)確的設(shè)備以及零部件的具體型號和精確數(shù)量，便于合同的簽訂，減少浪費(fèi)。一體化的設(shè)計(jì)采購流程保證了采購的物資和設(shè)計(jì)的一致性，保障了采購質(zhì)量。

3)建造階段工程信息模型應(yīng)用

運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)，建立用于進(jìn)行虛擬施工和施工過程控制、成本控制的模型。該模型能夠?qū)⒐に噮?shù)與影響施工的屬性聯(lián)系起來，以反映施工模型與設(shè)計(jì)模型間的交互作用。通過數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D+2D(三維+時(shí)間+費(fèi)用)條件下的施工模擬，保持了模型的一致性和可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)虛擬施工過程各階段和各方面的有效集成。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，施工現(xiàn)場人員可使用移動終端設(shè)備異地實(shí)時(shí)訪問數(shù)字化模型及文檔，實(shí)現(xiàn)可視化施工指導(dǎo)和可視化圖紙會審，達(dá)到了提升工程質(zhì)量，降低工程造價(jià)和縮短工程工期的目的，圖4為現(xiàn)場使用移動終端查看模型信息，指導(dǎo)現(xiàn)場施工安裝。

圖4 施工現(xiàn)場可視化指導(dǎo)

4)移交階段工程信息模型應(yīng)用

為保證項(xiàng)目設(shè)計(jì)、采購、建造、安裝、調(diào)試等階段順利實(shí)施，通過數(shù)字化移交平臺，將創(chuàng)建和維護(hù)的典型階段版本及最終版本的工程文件和模型的工程信息移交給業(yè)主、承包商、供應(yīng)商。數(shù)字化電廠移交的內(nèi)容主要由工程模型、設(shè)計(jì)文件及數(shù)據(jù)、設(shè)備文件及數(shù)據(jù)、建設(shè)施工文件及數(shù)據(jù)和KKS編碼構(gòu)成。

5)運(yùn)維階段工程信息模型應(yīng)用

工程竣工后，在數(shù)字化移交平臺上將工程信息模型與生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維階段的可視化管理。在數(shù)字電廠中，將設(shè)備模型與設(shè)計(jì)圖紙關(guān)聯(lián)，并實(shí)時(shí)記錄測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)行維護(hù)，如圖5所示。

圖5 可視化運(yùn)行監(jiān)控

實(shí)現(xiàn)了可視化檢修指導(dǎo)，對主要設(shè)備在檢修過程中的移動路徑拆卸、安裝、放置等進(jìn)行模擬，將大修主線計(jì)劃與三維數(shù)字化設(shè)備相結(jié)合，提供多專業(yè)協(xié)作空間，提高工作效率。

實(shí)現(xiàn)了隱蔽工程的可視化查詢，通過查詢工程信息模型，使地下管線及各種溝道等隱蔽工程一目了然，為日常的管理、改擴(kuò)建和企業(yè)發(fā)展提供全面準(zhǔn)確的信息。

實(shí)現(xiàn)可視化培訓(xùn)，以數(shù)字化模型為支撐，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，員工可身臨其境學(xué)習(xí)電廠日常維護(hù)和操作，提高培訓(xùn)效率。

3 創(chuàng)新應(yīng)用

通過虛擬現(xiàn)實(shí)及數(shù)字化仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化施工指導(dǎo)、設(shè)備檢修模擬和安全仿真培訓(xùn)，為業(yè)主提供一個(gè)高效、安全、可靠的數(shù)字化培訓(xùn)平臺，圖6為設(shè)備檢修模擬動畫示意圖。

圖6 設(shè)備檢修模擬動畫

在工程中應(yīng)用720°全景技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了移動端實(shí)時(shí)全景漫游瀏覽，為工程各參建方搭建交流平臺。

采用了云計(jì)算技術(shù)，可以突破地域和時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)異地辦公，合理配置硬件資源，提高了資源利用率和工作效率。

采用移動互聯(lián)技術(shù)將數(shù)字化設(shè)計(jì)成果為現(xiàn)場施工提供服務(wù)，將EIM的使用范圍擴(kuò)展出桌面，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型在施工現(xiàn)場手持設(shè)備上的應(yīng)用。

運(yùn)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電廠的智能點(diǎn)檢、巡檢及智能安防。智能機(jī)器人憑借智能定位系統(tǒng)、智能圖像識別技術(shù)以及多種無線傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能無紙化點(diǎn)檢、巡檢。在電廠危險(xiǎn)源區(qū)域設(shè)置電子圍欄，當(dāng)人員靠近時(shí)現(xiàn)場有明顯報(bào)警提示，并在三維虛擬電廠中發(fā)出報(bào)警，提醒人員離開。在電廠設(shè)備發(fā)生著火等事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的智能圖像識別能快速鎖定事故發(fā)生地，通知相關(guān)人員處理，情況嚴(yán)重時(shí)通過手機(jī)等移動端通知相關(guān)人員撤離，圖7為智能安防系統(tǒng)運(yùn)行界面。

圖7 智能安防系統(tǒng)運(yùn)行

4 結(jié)語

數(shù)字化設(shè)計(jì)涵蓋了投標(biāo)、初步設(shè)計(jì)、司令圖、施工圖設(shè)計(jì)等階段，建造了準(zhǔn)確和精細(xì)化的數(shù)字化模型。工程建造階段，數(shù)字化設(shè)計(jì)的成果對采購和施工起到了支撐作用。同時(shí)利用工程建設(shè)管理平臺，讓工程各參建方在同一平臺協(xié)同工作，對工程合同、工程費(fèi)用、設(shè)備采購、工程施工、工程質(zhì)量、工程圖檔等信息和流程進(jìn)行全面管理，最終達(dá)到了對工程安全、費(fèi)用、進(jìn)度、質(zhì)量的有效控制，提高了工程建設(shè)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。但平臺的應(yīng)用水平還需提高。目前工程建設(shè)管理平臺只能由各參建方手動上傳各階段數(shù)據(jù)和文檔，未能與各參建方自身內(nèi)部的管理軟件貫通或集成，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動交換，導(dǎo)致效率不高。