數字化技術在電力工程中的應用

何姜江，袁多亮

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

隨著新一代信息技術及智能化軟件在工程建設領域的廣泛應用，電力行業的信息化建設不斷向前推進，數字化交付、智能工廠建設成為工程公司的必然選擇。數字化技術的進步，對傳統工程公司的工作模式產出了巨大的挑戰。業主對工程項目的要求越來越高，這對工程公司設計技術和管理水平提出了更高的要求[1-2]。數字化設計技術如何在工程全生命周期中應用，設計成果如何在工程各參建方中得到有效利用，以提升工程質量和管理水平，是現階段業主對數字化設計技術關注度的集中體現。對工程公司而言，數字化工程不僅是一個交付物，更是一種全新的項目管理模式和理念，即對項目數據、信息的全生命周期下的一體化集成管理。數字化工程管理模式的運用，不僅能將設計、建造、運行等各階段的工廠信息進行關聯，而且在工廠建設階段，采用該模式能起到縮短建設周期、節約建設投資的意義。本文從工程公司的角度全面闡述數字工廠的建設[3]。

1 數字化工程方案

為了滿足業主對數字化工程的高要求，提出一種數字化工程方案，該方案覆蓋工程設計、采購、建造、移交、運維等工程全階段，涉及勘察設計單位、施工單位、監理單位、業主單位等工程各參建方的協同參與。

數字化工程方案應用于江西某百萬機組工程，實現全廠區、全專業進行數字化設計，建造全過程實現數字化管控，并將全階段的數字化成果完整移交給業主，為后續電廠的運維和管理提供支撐。在工程的設計階段，由工程協同設計管理平臺負責管控不同設計專業、不同設計平臺和軟件之間的協同設計。在工程的建造階段，由工程建設管理平臺負責管控工程各參建方之間的協同工作。兩個平臺共同創建出的工程信息模型(engineering information model，EIM)，通過數字化移交平臺分階段移交給業主，幫助業主及時了解工程建設情況，控制投資費用、掌握工程進度，輔助管理決策。數字化移交平臺為工程參建方提供一個高效的信息共享平臺，并為后續電廠的運維和管理提供重要支撐。工程竣工后，業主同時獲得實際的物理工廠和虛擬的三維數字化電廠。

1.1 整體框架

數字化工程的整體解決方案框架如圖1所示。在工程設計階段，由工程協同設計管理平臺負責管控不同設計專業、不同設計平臺和軟件之間的協同設計。在工程的建造階段，由工程建設管理平臺負責管控工程各參建方之間的協同工作。兩個平臺共同創建出的工程信息模型，通過數字化移交平臺分階段移交給業主，幫助業主及時了解工程建設情況，控制投資費用、掌握工程進度，輔助管理決策。數字化移交平臺為工程參建方提供一個高效的信息共享平臺，并為后續電廠的運維和管理提供重要支撐。工程竣工后，業主同時獲得實際的物理工廠和虛擬的三維數字化電廠，通過平臺維護，實現物理工廠和數字工廠信息同步。

圖1 數字化工程方案框架

1.2 平臺組成

數字化工程方案由工程設計協同管理平臺、工程建設管理平臺和數字化移交平臺組成。

1)工程設計協同管理平臺

數字化協同設計管理平臺是工藝及電控設計平臺、機械布置設計平臺、土建設計平臺及其他數字化專業軟件之間的集成。

平臺以工程過程文檔、數據、模型的管理和使用為核心，以計劃、任務、表單為驅動，以提交、審批、分發為協作方式，完成了工程的角色定義、流程定制、內容管理和過程控制，實現了全階段、全專業的協同設計管理。設計平臺包括三個子平臺，包括以COMOS軟件為基礎的工藝系統、電控數字化設計平臺，以PDMS軟件為基礎的機械布置設計平臺和以Revit軟件為基礎的土建設計平臺。建議數據中心，實現數據中心與各子平臺間數據的雙向貫通，進而實現各子平臺間數據無縫交互、實時共享和高效協同，所創建的數字化模型精確，屬性信息完整，工程出圖內容全面、信息豐富、圖例規范。

2)工程建設管理平臺

工程建設管理平臺是一個信息集成、資源共享、功能強大的管理平臺，包含了檔案管理、計劃管理、設備管理、物資管理、工程管理、質量管理、安健環管理、基建財務管理等管理模塊。平臺以計劃管理為龍頭，項目進度為主線，工程合同為核心，設備物資為基礎，安全質量為保障，財務為稽核，辦公自動化為手段，圖紙檔案為載體，覆蓋電廠建設全過程。平臺對工程合同、設備采購、工程施工進度及變更、工程質量、工程檔案進行全面化管理，實現業主采購方、監理方、施工方及分包單位同一平臺協同工作，用數字化手段協調參建各方的管理，為數字化移交提供支持。

3)數字化移交平臺

數字化移交平臺基于內容管理數據庫對模型文件、電子文件進行管理；基于關系數據庫對設計對象、數據進行管理；用Navisworks插件,實現二、三維模型的展示與導航，并查看相關圖紙及文檔。在設計數字化移交的支撐下，數字化移交平臺能夠實現施工模擬、設備采購的可視化管理、與電廠資產管理系統(enterprise asset management，EAM)、監控信息系統(supervisory information system，SIS)集成，為電廠的建設、運行、檢修、技改、可視化培訓提供重要的數據支撐和開發平臺。

1.3 數字化工程優勢

與傳統二維設計相比，采用數字化協同設計，各專業在數字化環境完成各自的設計，并自動生成施工圖和材料報表。施工圖設計深度滿足了工程的工廠化預制和現場施工要求，設計效率與質量大幅提升。

數字化電廠系統集成了電廠各階段數據和圖紙，與圖紙檔案管理系統有機結合，提高了數據查詢質量及效率，減少了人工投入，有效節省了管理運維成本。

利用數字化技術，及時識別危險源、方案模擬、可視化安全交底等應用，提升項目安全控制能力，能幫助項目經理從容指揮控制生產，大幅提升精細化的管理水平，降低成本，實現應收盡收，減少管理人力物力[4]。

2 數字化工程信息模型應用

2.1 信息模型

通過協同設計平臺和工程建設平臺，實現模型屬性實時更新，保證模型信息準確無誤，圖2可見數字電廠模型與物理電廠模型高度一致。工程信息模型設計階段的幾何屬性、性能屬性、適用系統屬性等及其相關設計文檔，都可通過協同設計管理平臺查閱。采購階段的廠家信息、價格信息、供貨信息、運輸信息等及其相關文檔可通過工程建設管理平臺查閱。建造過程中的安裝信息、連接信息等及其相關文檔也可通過工程建設管理平臺查閱。針對移交后的運維階段，工程信息模型提供了運行指標屬性供運行人員與實際情況對比判斷系統可靠性。數字電廠屬性信息完整，包括設計、采購、施工、運行各階段的數據，比如設計圖紙、產品信息、安裝信息、維護信息等，如圖3所示。

圖2 數字電廠模型與物理電廠對比

圖3 數字電廠屬性信息示意圖

2.2 模型應用

1)設計階段工程信息模型應用

從初步設計到竣工圖設計的整個設計期內采用了數字化設計手段創建工程信息模型。投標階段完成了工藝仿真、系統設計、布置方案建模和工程量優化。初步設計階段完成了主要設計原則擬定、材料規劃(SPEC定制)、工程數據庫準備、工藝系統設計、布置方案模型深化和工程量優化。司令圖階段完成了工藝系統設計深化、布置方案深化和工程量優化。施工圖階段完成了機械(工藝系統、布置)、電控和土建各領域各專業的施工詳圖設計和材料統計。

2)采購階段工程信息模型應用

通過工程信息模型的建立，將數字化模型、材料報表與物資采購系統集成,實現物資采購可視化、精細化管理。為業主提供數字化采購支持，業主可以通過數字化移交平臺獲得采購所需的數字化信息。在產品詢價階段，提供建設電廠所需的設備和元件的技術規范書，指導業主按照設計需求向各廠家詢價。在合同簽訂階段，提供準確的設備以及零部件的具體型號和精確數量，便于合同的簽訂，減少浪費。一體化的設計采購流程保證了采購的物資和設計的一致性，保障了采購質量。

3)建造階段工程信息模型應用

運用數字化技術，建立用于進行虛擬施工和施工過程控制、成本控制的模型。該模型能夠將工藝參數與影響施工的屬性聯系起來，以反映施工模型與設計模型間的交互作用。通過數字化技術，實現3D+2D(三維+時間+費用)條件下的施工模擬，保持了模型的一致性和可持續性，實現虛擬施工過程各階段和各方面的有效集成。運用互聯網和云技術，施工現場人員可使用移動終端設備異地實時訪問數字化模型及文檔，實現可視化施工指導和可視化圖紙會審，達到了提升工程質量，降低工程造價和縮短工程工期的目的，圖4為現場使用移動終端查看模型信息，指導現場施工安裝。

圖4 施工現場可視化指導

4)移交階段工程信息模型應用

為保證項目設計、采購、建造、安裝、調試等階段順利實施，通過數字化移交平臺，將創建和維護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主、承包商、供應商。數字化電廠移交的內容主要由工程模型、設計文件及數據、設備文件及數據、建設施工文件及數據和KKS編碼構成。

5)運維階段工程信息模型應用

工程竣工后，在數字化移交平臺上將工程信息模型與生產運營系統集成，實現運維階段的可視化管理。在數字電廠中，將設備模型與設計圖紙關聯，并實時記錄測點歷史數據，幫助運行維護，如圖5所示。

圖5 可視化運行監控

實現了可視化檢修指導，對主要設備在檢修過程中的移動路徑拆卸、安裝、放置等進行模擬，將大修主線計劃與三維數字化設備相結合，提供多專業協作空間，提高工作效率。

實現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、改擴建和企業發展提供全面準確的信息。

實現可視化培訓，以數字化模型為支撐，借助虛擬現實技術，員工可身臨其境學習電廠日常維護和操作，提高培訓效率。

3 創新應用

通過虛擬現實及數字化仿真技術，實現可視化施工指導、設備檢修模擬和安全仿真培訓，為業主提供一個高效、安全、可靠的數字化培訓平臺，圖6為設備檢修模擬動畫示意圖。

圖6 設備檢修模擬動畫

在工程中應用720°全景技術，實現了移動端實時全景漫游瀏覽，為工程各參建方搭建交流平臺。

采用了云計算技術，可以突破地域和時間限制，實現7×24小時異地辦公，合理配置硬件資源，提高了資源利用率和工作效率。

采用移動互聯技術將數字化設計成果為現場施工提供服務，將EIM的使用范圍擴展出桌面，實現了設計模型在施工現場手持設備上的應用。

運用人工智能技術，實現電廠的智能點檢、巡檢及智能安防。智能機器人憑借智能定位系統、智能圖像識別技術以及多種無線傳感器，實現機器人智能無紙化點檢、巡檢。在電廠危險源區域設置電子圍欄，當人員靠近時現場有明顯報警提示，并在三維虛擬電廠中發出報警，提醒人員離開。在電廠設備發生著火等事故時，監控系統的智能圖像識別能快速鎖定事故發生地，通知相關人員處理，情況嚴重時通過手機等移動端通知相關人員撤離，圖7為智能安防系統運行界面。

圖7 智能安防系統運行

4 結語

數字化設計涵蓋了投標、初步設計、司令圖、施工圖設計等階段，建造了準確和精細化的數字化模型。工程建造階段，數字化設計的成果對采購和施工起到了支撐作用。同時利用工程建設管理平臺，讓工程各參建方在同一平臺協同工作，對工程合同、工程費用、設備采購、工程施工、工程質量、工程圖檔等信息和流程進行全面管理，最終達到了對工程安全、費用、進度、質量的有效控制，提高了工程建設的管理水平和經濟效益，推廣應用前景廣闊。但平臺的應用水平還需提高。目前工程建設管理平臺只能由各參建方手動上傳各階段數據和文檔，未能與各參建方自身內部的管理軟件貫通或集成，不能進行數據的自動交換，導致效率不高。