基于生命周期的船閘在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)研究

原國(guó)智 廣西西江集團(tuán)紅花二線(xiàn)船閘有限公司

陳帥 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

隨著信息管理技術(shù)的發(fā)展以及三維數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)的運(yùn)維管理是基于信息模型（BIM）、在線(xiàn)監(jiān)控、信息管理系統(tǒng)的生命周期管理方法。生命周期管理方法是涉及多學(xué)科、多物理空間、過(guò)程及環(huán)境功能的專(zhuān)門(mén)管理方法，該方法在船閘設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維中有廣闊的應(yīng)用空間。將其應(yīng)用于研究船閘機(jī)電設(shè)備在線(xiàn)管理可以提高船閘的運(yùn)管效率，實(shí)現(xiàn)船閘全生命周期的可視、可預(yù)測(cè)管理。

BIM+在線(xiàn)監(jiān)控+信息管理系統(tǒng)的運(yùn)維管理方法在船閘管理的運(yùn)用，解決了船閘機(jī)電設(shè)備的空間管理、資產(chǎn)管理、設(shè)備故障的定位排查和安全管理等傳統(tǒng)的運(yùn)維難題，同時(shí)也使運(yùn)維在可視化、可預(yù)測(cè)、精確性方面都得到了大幅提升。生命周期的在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)覆蓋設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維三個(gè)階段。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM技術(shù)、仿真分析對(duì)施工圖進(jìn)行優(yōu)化，精確表達(dá)復(fù)雜船閘結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系；在施工階段，通過(guò)可視化交底實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工的無(wú)縫對(duì)接，信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口和在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)為運(yùn)維階段的全要素監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析提供必要的基礎(chǔ)條件；在運(yùn)維階段，通過(guò)數(shù)據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)管理、數(shù)據(jù)分析展示和3D指導(dǎo)學(xué)習(xí)管理，提升船閘機(jī)電設(shè)備運(yùn)維效率、避免重大事故的發(fā)生。

1.基于生命周期的船閘在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

設(shè)計(jì)階段，基于生命周期的運(yùn)維管理方法主要是運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照設(shè)備數(shù)據(jù)的處理和傳輸方法不同，將船閘在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)分成信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口、在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地機(jī)電設(shè)備。根據(jù)機(jī)電設(shè)備的空間分布和數(shù)量規(guī)劃系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為基礎(chǔ)，規(guī)劃具體監(jiān)控設(shè)備、管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)形式和軟件功能，結(jié)合前期BIM模型規(guī)劃的機(jī)電設(shè)備查漏補(bǔ)缺，避免因設(shè)計(jì)失誤造成的問(wèn)題，最終將優(yōu)化后的方案落實(shí)在施工圖上。

1.1 機(jī)電設(shè)備方案設(shè)計(jì)

基于BIM的設(shè)計(jì)方案可以充分發(fā)掘機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)價(jià)值，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，及時(shí)矯正設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。BIM技術(shù)可以針對(duì)船閘不同的機(jī)電設(shè)備分類(lèi)建模，擬定初步方案，采用模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建船閘的金屬結(jié)構(gòu)模塊、土建預(yù)埋和電氣設(shè)備模塊，審核無(wú)誤后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬仿真，BIM技術(shù)可結(jié)合制造安裝工藝、安裝位置對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行虛擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中的自查，避免了因設(shè)計(jì)失誤造成的設(shè)備“漏、碰”等問(wèn)題，確保設(shè)計(jì)過(guò)程的可靠性和合理性。

1.2 機(jī)電設(shè)備仿真分析

通過(guò)設(shè)計(jì)前期建立的模型，BIM技術(shù)可對(duì)船閘機(jī)電設(shè)備進(jìn)行仿真分析。運(yùn)用可視化技術(shù)，以圖形和報(bào)表的形式形象的模擬出設(shè)計(jì)方案在施工和運(yùn)行期間的各種狀態(tài)，將仿真的結(jié)果詳盡的輸出給設(shè)計(jì)人員。通過(guò)虛擬模型的仿真，可以準(zhǔn)確的分析出船閘機(jī)電設(shè)備在各種狀態(tài)下的運(yùn)行情況，大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)船閘機(jī)電設(shè)備方案優(yōu)化，主要是運(yùn)用以往類(lèi)似的船閘工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)的工程進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)；所采用的方法是提取以往的模型，與當(dāng)前工程BIM模型比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程（圖1）。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程過(guò)程

施工圖往往是各個(gè)專(zhuān)業(yè)相互協(xié)調(diào)后的繁雜工程，運(yùn)用BIM優(yōu)化船閘設(shè)計(jì)時(shí)，可直接對(duì)相應(yīng)的模型參數(shù)進(jìn)行修改，不同專(zhuān)業(yè)的圖紙均同步更新，避免了圖紙修改過(guò)程中的遺漏。同時(shí)，在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，為保證優(yōu)化達(dá)到最佳效果，可以利用類(lèi)似工程的BIM庫(kù)中的三維模型，結(jié)合本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在可視化環(huán)境下優(yōu)化方案，更新設(shè)計(jì)圖紙，減少工作量，提升設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

2.基于生命周期的船閘在線(xiàn)管理系統(tǒng)在建設(shè)階段的應(yīng)用

建設(shè)階段，利用BIM技術(shù)搭建的虛擬數(shù)據(jù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)船閘機(jī)電設(shè)備施工的可視化與可預(yù)見(jiàn)性。BIM虛擬環(huán)境可以對(duì)施工過(guò)程中機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析，對(duì)分散在整個(gè)平臺(tái)上的施工點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪和修改等動(dòng)態(tài)維護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的一致性。機(jī)電設(shè)備施工完成后，基于生命周期的船閘在線(xiàn)管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際施工情況對(duì)信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口和在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和修改。

2.1 機(jī)電設(shè)備可視化交底

不同于傳統(tǒng)的施工交底，基于BIM技術(shù)的施工圖交底在可視化環(huán)境中將相關(guān)的設(shè)備的屬性信息準(zhǔn)確的傳遞給施工人員。當(dāng)施工人員發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的屬性信息與設(shè)計(jì)不符時(shí)，可及時(shí)糾正相關(guān)施工方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的“錯(cuò)、漏、碰、缺”，以避免造成不可變更的錯(cuò)誤。

2.2 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)是基于生命周期的在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)的主要組成部分，系統(tǒng)采用目前應(yīng)用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)成以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的Browser/Server(B/S)體系架構(gòu)，通信協(xié)議采用國(guó)際通行的TCP/IP協(xié)議。信息管理系統(tǒng)完成船閘機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維管理、故障數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、設(shè)備空間管理和運(yùn)行環(huán)境管理等數(shù)據(jù)管理。B/S（Browser/Server）架構(gòu)將系統(tǒng)分成客戶(hù)端、信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)，客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器(Browser)訪(fǎng)問(wèn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)與依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的不同類(lèi)型的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。船閘管理系統(tǒng)的B/S架構(gòu)把傳統(tǒng)分散的處理方式轉(zhuǎn)換為集中的服務(wù)器端處理，實(shí)現(xiàn)了不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的方式（電腦端、手機(jī)移動(dòng)端等）接入，方便船閘管理人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控和系統(tǒng)遷移，利于整個(gè)系統(tǒng)的使用和推廣。

2.3 在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的船閘控制系統(tǒng)，在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)是廣義的船閘全要素監(jiān)控系統(tǒng)。除船閘PLC控制系統(tǒng)外，在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)還融合了金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、浮式系船柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)的在線(xiàn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)由C/S（Client/Server）架構(gòu)組成，按照自下到上劃分為現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層和集中控制層。

現(xiàn)地控制層將設(shè)備狀態(tài)采集至集中控制層，集中控制層通過(guò)I/O服務(wù)器將相關(guān)的設(shè)備信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生的報(bào)警故障信息及時(shí)通知管理人員，管理人員通過(guò)在現(xiàn)地控制層向機(jī)電設(shè)備發(fā)出指令，執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮客戶(hù)端PC的處理能力，客戶(hù)端將處理后的業(yè)務(wù)再提交給服務(wù)器，增強(qiáng)系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)控和事務(wù)處理能力。

3.基于生命周期的船閘在線(xiàn)管理系統(tǒng)在運(yùn)維階段的應(yīng)用

運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段是整個(gè)船閘工程在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)的最后一個(gè)階段，也是生命周期的在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)中最長(zhǎng)的階段。BIM將設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)核實(shí)比對(duì)后，統(tǒng)一交付到建設(shè)完成的管理系統(tǒng)中，將相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中。管理系統(tǒng)將接收到的BIM原始數(shù)據(jù)和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的報(bào)警、故障，精準(zhǔn)指導(dǎo)運(yùn)維過(guò)程。

3.1 運(yùn)維數(shù)據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)管理

運(yùn)維數(shù)據(jù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)管理包括對(duì)船閘驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、人字門(mén)、充泄水閥門(mén)和船閘系船柱等相關(guān)船閘設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。對(duì)上述設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)的結(jié)果及時(shí)存儲(chǔ)，作為運(yùn)維數(shù)據(jù)保存，并將保存的結(jié)果與BIM模型交底的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比，精確分析出故障原因，提示管理人員進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，降低管理強(qiáng)度，提升船閘整體的運(yùn)行效率。

3.2 管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析展示

綜合信息展示系統(tǒng)是一個(gè)綜合船閘機(jī)電設(shè)備各類(lèi)數(shù)據(jù)資源的綜合服務(wù)功能模塊。系統(tǒng)通過(guò)信息分析展示功能，向用戶(hù)全景地展示船閘機(jī)電設(shè)備各類(lèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使管理人員能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀?；谏芷诘拇l在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)采用BIM技術(shù)建立的模型作為空間信息作為基礎(chǔ)，采用WebGIS技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)和基于“一張圖”服務(wù)（圖2），提供各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)、查詢(xún)及應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)管和建設(shè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

圖2 船閘數(shù)據(jù)分析展示

3.3 3D指導(dǎo)與學(xué)習(xí)管理

借助3D動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于具有明確分析診斷模型的故障，系統(tǒng)采用基于故障樹(shù)的故障診斷方法，建立一套完善的、與機(jī)電設(shè)備及運(yùn)行方式相適應(yīng)的故障診斷知識(shí)庫(kù)，結(jié)合全息數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行分析和診斷。針對(duì)尚未發(fā)生的故障，系統(tǒng)采用自學(xué)習(xí)功能，以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)分析方法與BIM技術(shù)建立的模型為核心，在專(zhuān)家系統(tǒng)的指導(dǎo)下分析不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行工況，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析總結(jié)設(shè)備正常運(yùn)行區(qū)間參數(shù)為正常樣本，當(dāng)參數(shù)偏離正常運(yùn)行區(qū)間、出現(xiàn)突變或長(zhǎng)時(shí)間形成變化趨勢(shì)時(shí)即產(chǎn)生故障預(yù)警。故障預(yù)警提示管理人員，經(jīng)人工確認(rèn)后，可添加進(jìn)故障庫(kù)，形成故障樹(shù)，利于后續(xù)的故障診斷。建立開(kāi)放詳細(xì)的專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)，對(duì)產(chǎn)生的缺陷提供詳細(xì)的維護(hù)檢修方案，指導(dǎo)生產(chǎn)、提高效率。

4.結(jié)論

1）基于生命周期的船閘在線(xiàn)運(yùn)維管理系統(tǒng)大幅的減少了設(shè)計(jì)方案修改帶來(lái)的設(shè)計(jì)變更時(shí)間，提升了設(shè)計(jì)效率；憑借其模型化成圖、可視化施工交底，避免了因設(shè)計(jì)過(guò)程中的遺漏造成施工的返工。

2）運(yùn)維階段BIM技術(shù)的延伸、在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的無(wú)縫對(duì)接，一體化綜合平臺(tái)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析展示功能為運(yùn)維人員提供了一個(gè)高效的指導(dǎo)學(xué)習(xí)、設(shè)施維護(hù)的便捷手段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了船閘機(jī)電設(shè)備的科學(xué)管理，提升了運(yùn)維效率，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了船閘科學(xué)、高效管理。