水利水電工程數(shù)字資產(chǎn)平臺建設及應用

賈玉豪

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

在當今數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為時代的核心和關(guān)鍵生產(chǎn)要素，同時也是企業(yè)的核心資產(chǎn)[1]，工程數(shù)字資產(chǎn)可定義為工程從規(guī)劃設計、施工建設和運行維護全生命周期過程中形成的可以以電子數(shù)據(jù)形式存在的所有數(shù)字化資產(chǎn)[2-3]。隨著水利水電工程信息化和數(shù)字化的發(fā)展，水利水電工程在規(guī)劃設計、施工建設、生產(chǎn)運維過程中，產(chǎn)生了大量的圖紙、文檔、模型、施工過程信息、屬性信息、監(jiān)測信息、維護檢修信息等工程相關(guān)數(shù)據(jù)資產(chǎn)[4-5]，然而在實際應用中，比如在施工建設階段，搭建了水利水電工程管理信息系統(tǒng)、合同變更管理系統(tǒng)、安全隱患排查系統(tǒng)、公共試驗檢驗平臺等，實現(xiàn)對施工進度、質(zhì)量、安全、投資、合同、技術(shù)、資料等施工過程信息的管理，但各個系統(tǒng)建設標準不同、工程劃分標準不一致、系統(tǒng)應用程度不同、系統(tǒng)間互通性差，導致數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、數(shù)據(jù)存儲分散、數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性弱、數(shù)據(jù)共享困難、不能延伸到運維期使用等問題[6-8]。

目前水利水電工程數(shù)字資產(chǎn)的管理和應用還處于起步階段，通過運用BIM、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)[10-12]，以工程資產(chǎn)編碼為紐帶，工藝系統(tǒng)、設備、材料等為基本單元，利用規(guī)則和編碼有機關(guān)聯(lián)各相關(guān)數(shù)據(jù)、圖紙、資料和三維模型等工程內(nèi)容，將水利水電工程規(guī)劃設計、施工建設和運行維護等各環(huán)節(jié)中各個應用管理信息系統(tǒng)中的工程相關(guān)數(shù)據(jù)資產(chǎn)統(tǒng)一組織起來，搭建形成工程數(shù)字資產(chǎn)平臺，通過“統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一服務”，實現(xiàn)水利水電工程全生命周期工程數(shù)字資產(chǎn)的管理和共享服務，提高了數(shù)據(jù)的利用效率，更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值。

1 工程數(shù)字資產(chǎn)平臺總體架構(gòu)與功能設計

依據(jù)業(yè)務需求，對各種數(shù)據(jù)資料進行分類、收集、整理，集成各個管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，對各類信息進行整合，抽象出工程項目各類設備資產(chǎn)以及信息之間的關(guān)系，運用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ⒐こ虜?shù)字資產(chǎn)平臺，實現(xiàn)水電工程數(shù)字資產(chǎn)管理，為工程全生命周期管理提供服務。

1.1 平臺總體架構(gòu)

圖1 平臺總體架構(gòu)

原始數(shù)據(jù)層是工程數(shù)字資產(chǎn)平臺最基本的數(shù)據(jù)來源，包括靜態(tài)的基本信息數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。基本信息包括水文泥沙、水情氣象、地質(zhì)地災等環(huán)境信息，規(guī)劃、勘察、設計、施工、運行維護、更新改造、退役等管理和生產(chǎn)過程等各類技術(shù)經(jīng)濟信息，建設征地、移民安置、環(huán)保水保等社會信息；實時數(shù)據(jù)包括在線監(jiān)控系統(tǒng)、廊道巡檢、施工管理系統(tǒng)、預警預報系統(tǒng)、生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

服務層是工程數(shù)字資產(chǎn)平臺的核心，主要實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的對接，處理、分析和發(fā)布數(shù)據(jù)和服務，為應用層提供所需服務的功能。主要通過工程資產(chǎn)數(shù)字化基礎平臺、大數(shù)據(jù)平臺和三維輕量化平臺提供服務。

a)工程資產(chǎn)數(shù)字化基礎平臺。工程資產(chǎn)數(shù)字化基礎平臺利用ISM信息標準管理邏輯，貫穿整個數(shù)據(jù)、文檔、模型等工程信息的管理過程，提供對象和信息分類、編碼等；依賴于ISM信息標準管理定義工程數(shù)字資產(chǎn)編碼標準體系，對靜態(tài)基本信息數(shù)據(jù)的信息提取、驗證和轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)掛接實現(xiàn)文檔、屬性、模型等關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立，文件管理實現(xiàn)文件的查詢、預覽、下載與共享等功能。

b)大數(shù)據(jù)平臺。應用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對接監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同部門數(shù)據(jù)、網(wǎng)站數(shù)據(jù)、監(jiān)測設備數(shù)據(jù)等的各類實時數(shù)據(jù)進行采集清洗，比如數(shù)值特征等實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗，將來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行整合，形成一致的數(shù)據(jù)存儲，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)湖，進行數(shù)據(jù)跨庫關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲。采用標準數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)應用兼容，以及快速訪問與管理能力。

c)三維輕量化服務平臺。三維輕量化服務平臺依托于iModel2.0平臺的三維圖形引擎，通過其文件管理系統(tǒng)，對不同專業(yè)、不同格式模型進行構(gòu)件化處理，并通過工程數(shù)字資產(chǎn)編碼標準體系將模型構(gòu)件進行統(tǒng)一編碼，完成三維輕量化模型服務發(fā)布。資產(chǎn)管理平臺通過管理輕量化前的模型文件和輕量化后的服務地址，實現(xiàn)對統(tǒng)一模型服務的傳承、轉(zhuǎn)換和管理，應用層通過工程數(shù)字資產(chǎn)編碼，使模型構(gòu)件與業(yè)務數(shù)據(jù)充分融合，實現(xiàn)基于業(yè)務數(shù)據(jù)的三維模型在瀏覽器網(wǎng)頁輕量化展示。

應用層是工程數(shù)字資產(chǎn)平臺對外服務的窗口，為水利水電工程數(shù)據(jù)管理的各用戶業(yè)務應用系統(tǒng)使用人員提供操作界面，包括資產(chǎn)管理平臺和綜合應用平臺2個部分。

1.2 平臺功能設計

工程數(shù)字資產(chǎn)平臺建設的主要需求包括：建立數(shù)據(jù)整合規(guī)范以及數(shù)據(jù)集成化管理環(huán)節(jié)，為水利水電工程建設過程提供數(shù)據(jù)整合規(guī)范；建立完整的數(shù)字化交付流程，提升流程體系之間的關(guān)聯(lián)信息互動要求，優(yōu)化信息資源的收集和處理工作；對資產(chǎn)進行全周期數(shù)據(jù)分析和管理，為水利水電工程運行維護和管理的數(shù)據(jù)需求提供保障。平臺主要功能從2個方面設計：一是資產(chǎn)管理平臺，包括工程數(shù)據(jù)集成、工程信息管理、信息瀏覽圈閱、智能報表、數(shù)據(jù)導出、共享等；二是綜合應用平臺，包括工程基本信息總覽、工程全生命周期多維度數(shù)字資產(chǎn)展示查詢、工程數(shù)字資產(chǎn)場景應用、工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)字化分析等。

(2) 采取自1900年以來，美國地質(zhì)勘探局在建設場地一定范圍內(nèi)的地震觀測資料，通過分析建設場地相對于數(shù)次地震的相應烈度，采取相應的抗震設防烈度。

2 工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)治理

工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)治理是對工程項目各階段的數(shù)據(jù)、文檔、模型等工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行信息采集、整合、分類、映射等的過程。利用平臺存儲和管理項目全過程中完整、準確和及時的信息，建立文檔、記錄、資產(chǎn)、人員、流程和項目之間的橋梁，為各項專項業(yè)務應用提供數(shù)字化數(shù)據(jù)服務。

2.1 編碼規(guī)則

水利水電工程數(shù)字資產(chǎn)編碼的對象包括：建筑物、空間、元素、系統(tǒng)、設備、部件等工程相關(guān)資產(chǎn)，根據(jù)水利水電工程建設與運維的相關(guān)規(guī)定，每一個標注的對象編碼需滿足唯一性要求，同時通過利用BIM技術(shù)構(gòu)建形成的精細化三維模型，完成對實有工程數(shù)字資產(chǎn)對象的編碼標識。

基本編碼規(guī)則為水利水電工程數(shù)字資產(chǎn)編碼由通用編碼和子類編碼組成，并通過“-”連接。通用編碼由廠站碼和專業(yè)碼組成，用于標識廠站和所屬專業(yè)，專業(yè)包括土建、機電、監(jiān)測、金結(jié)等，分為兩級；子類編碼是對BIM模型按照土建、機電、監(jiān)測、金結(jié)等專業(yè)進行分類標識，分為四級，如土建專業(yè)子類編碼結(jié)構(gòu)由建筑物系統(tǒng)、建筑物、建筑物功能、元素四級組成，建筑物系統(tǒng)為擋水建筑物、泄水建筑物等，建筑物為擋水建筑物下的重力壩、拱壩等，建筑物功能為重力壩的溢流壩段、非溢流壩段等，元素為非溢流壩段的混凝土塊等；機電及金結(jié)專業(yè)子類編碼結(jié)構(gòu)完全按照KKS編碼中全廠碼、系統(tǒng)碼、設備碼、部件碼四級組成[13-14]。

2.2 工程數(shù)字資產(chǎn)采集

多年來水利信息化建設，提高了水利水電工程信息管理的水平，但工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)仍散落在各個業(yè)務應用系統(tǒng)中，通過分析資產(chǎn)管理和業(yè)務應用所需的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)源、明確數(shù)據(jù)采集范圍、屬性及采集方法。

工程數(shù)字資產(chǎn)的采集對象和數(shù)據(jù)源主要包括工程規(guī)劃設計、施工建設和運行維護全生命周期各階段各類信息系統(tǒng)和設備，如數(shù)字化協(xié)同設計系統(tǒng)、智能建造系統(tǒng)、生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)以及攝像頭、傳感器、采集設備等。采集內(nèi)容主要包括基礎數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)，如工程空間分布、工程信息、基礎地理空間數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行監(jiān)控數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)格式包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。采集方法包括人工錄入和自動化、半自動化數(shù)據(jù)提取等，通過數(shù)據(jù)庫、文件、TCP、UDP、HTTP、MQTT、OPC-UA、RTSP、SIP、數(shù)據(jù)接口、網(wǎng)絡爬蟲、在線填報等數(shù)據(jù)交換技術(shù)對外部各種數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進行信息采集[15-16]。

2.3 資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建以一套完整的工程數(shù)字資產(chǎn)編碼標準體系為核心，通過標準編碼作為信息紐帶，使得圖紙、文檔、進度、質(zhì)量、安全、設備信息、設備安裝數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等各類信息得以串聯(lián)和整合，建立一個貫穿水利水電工程全生命周期的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)。

在構(gòu)建資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型時，通過定義水輪機類、發(fā)電機類、板類、梁類、柱類、合同類、圖紙類、報告及說明類等類庫，實例化類定義數(shù)字資產(chǎn)對象，使得實物資產(chǎn)與數(shù)字資產(chǎn)一一對應，并利用工程數(shù)字資產(chǎn)編碼標準體系，通過統(tǒng)一編碼標準，對每一個對象賦予唯一ID。通過定義隸屬、父子、空間、系統(tǒng)、合同、工作分析結(jié)構(gòu)、生命階段等關(guān)聯(lián)關(guān)系類型，建立設備、模型、系統(tǒng)、文檔等數(shù)字資產(chǎn)對象之間的聯(lián)系，如設備所屬系統(tǒng)、設備所在空間、設備類型具有的屬性等。通過將模型構(gòu)件、圖紙、各類文檔、設備屬性、監(jiān)測數(shù)據(jù)掛接工程數(shù)字資產(chǎn)對象ID，實現(xiàn)各類信息的整合，完成整體資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建(圖2)。

圖2 資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

1號水輪機對象通過標準編碼體系生成唯一編碼，在相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性中掛接該編碼，可以集成關(guān)聯(lián)物料管理系統(tǒng)中的設備臺賬信息、運行維護系統(tǒng)中的運維數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)字化平臺中的關(guān)聯(lián)關(guān)系、協(xié)同設計軟件中的基礎信息、工程建設管理平臺中的工程建設信息、造價軟件中的算量信息等，完成1號水輪機資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

3 工程數(shù)字資產(chǎn)平臺實現(xiàn)

工程數(shù)字資產(chǎn)平臺建設的目的是實現(xiàn)與實體工程的共生共長，貫穿工程項目全生命周期，創(chuàng)造一個貫穿全生命周期準確信息的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)，為各項專項業(yè)務應用提供工程數(shù)字資產(chǎn)基礎服務。本平臺整體采用B/S架構(gòu)，資產(chǎn)管理平臺采用.net語言實現(xiàn)，綜合應用平臺后臺采用Java語言，前端采用Vue框架實現(xiàn)，數(shù)據(jù)交互采用Restful風格的API接口。

3.1 資產(chǎn)管理平臺主要實現(xiàn)功能

資產(chǎn)管理平臺主要通過工程數(shù)據(jù)集成、工程信息管理、信息瀏覽圈閱、智能報表、數(shù)據(jù)導出、共享等功能，實現(xiàn)對工程數(shù)字資產(chǎn)的整合集成、管理查詢、分析共享，為水利水電工程設計、建設和運維管理提供輔助支持。

a)工程數(shù)據(jù)集成。工程數(shù)據(jù)集成主要對多種來源的工程數(shù)據(jù)集成和關(guān)聯(lián)。通過將經(jīng)過工程資產(chǎn)數(shù)字化基礎平臺整合治理后包含資產(chǎn)對象、關(guān)聯(lián)關(guān)系、屬性信息等.xml格式的文件，與三維模型文件、圖紙、文檔等資產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時發(fā)布進入資產(chǎn)管理平臺，平臺根據(jù)資產(chǎn)編碼和關(guān)聯(lián)類型進行檢索和識別，自動建立以資產(chǎn)編碼為核心的資產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在web界面上提供上傳和發(fā)布按鈕，能夠增加和更新工程資產(chǎn)數(shù)據(jù)，并在工程信息管理界面展示集成成果。

b)工程信息管理。工程信息管理主要對土建、設備、部件、圖紙、工單等信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行查詢和展示，管理以資產(chǎn)編碼為中心的信息網(wǎng)。在web界面上展示了按照空間、專業(yè)、系統(tǒng)等分類的導航樹，通過點擊不同的節(jié)點，展示節(jié)點的詳細信息、關(guān)聯(lián)項、屬性、關(guān)聯(lián)文檔、2D視圖、3D視圖等信息。能夠使用戶可以在一個界面中查看與某個設備、板梁柱、系統(tǒng)等的資產(chǎn)編碼相關(guān)的所有信息，如屬性、圖文檔、三維模型、工單、數(shù)據(jù)表等。同時在工程信息管理界面的每個展示模塊提供了導出按鈕，在權(quán)限許可下，能夠?qū)g覽到的圖紙、文檔、模型等按預定義模板導出到本地指定位置(圖3)。

圖3 工程信息管理

圖3展示了1號機組—主機裝置—水輪機系統(tǒng)—水輪機—引水系統(tǒng)的蝸殼部分，以及蝸殼的詳細信息、屬性信息、關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)/空間/子對象/父對象、關(guān)聯(lián)文檔、以及2D/3D視圖等信息。

c)工程信息共享。工程信息共享支持資產(chǎn)管理平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)、文檔、三維模型接口共享。在實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)集成后，構(gòu)建形成了本平臺的資產(chǎn)數(shù)據(jù)中心，通過開發(fā)Restful風格的數(shù)據(jù)服務接口，在web界面上提供在線的接口地址，實現(xiàn)了根據(jù)AssObjId、DocId、ObjName、SysId等字段獲取文檔、設備、設備樹、合同、工程分解結(jié)構(gòu)等資產(chǎn)信息的共享功能。

3.2 綜合應用平臺主要實現(xiàn)功能

綜合應用平臺以某一已建電站為例，通過工程基本信息總覽、工程全生命周期多維度數(shù)字資產(chǎn)展示查詢、工程數(shù)字資產(chǎn)場景應用、工程數(shù)字資產(chǎn)數(shù)字化分析等功能實現(xiàn)對已建電站工程數(shù)字資產(chǎn)深層次、定制化應用。

a)工程基本信息總覽。工程基本信息總覽主要對水電站的基本信息、地理位置、電站組成結(jié)構(gòu)、發(fā)電機組等進行介紹。界面以全球藍色專題圖、傾斜攝影、三維模型為底，通過調(diào)用資產(chǎn)管理平臺的數(shù)據(jù)接口，展示了水電站的工程等級、最大壩高、壩型、竣工時間等信息，并結(jié)合底圖中三維模型，展示了溢流壩段、廠房、升船機等水工建筑物的地理位置和形狀，發(fā)電機、主變壓器、GIS、500Kv母線、二次盤柜等設備的空間位置和形狀。以及機組運行狀態(tài)、水雨情信息等監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 工程基本信息總覽

通過傾斜攝影和BIM模型組成的水電站全景視圖，展示水電站各個建筑物及設備之間的相對位置關(guān)系，以及水電站的基本信息、資產(chǎn)統(tǒng)計信息、設備故障率排名、重要設備廠商統(tǒng)計、混凝土統(tǒng)計分析、進度概況等信息。

b)多維全生命周期資產(chǎn)管理。多維全生命周期資產(chǎn)管理主要對工程數(shù)字資產(chǎn)的多維、全生命周期數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的展示以及三維模型操作。通過調(diào)用資產(chǎn)管理平臺、三維模型輕量化平臺的數(shù)據(jù)和模型服務接口，界面功能實現(xiàn)了工程類和設備類資產(chǎn)選擇，下設空間、專業(yè)、工程、系統(tǒng)不同的工程資產(chǎn)導航方式，并按照設計、施工/安裝、驗收、運維等不同生命周期階段，依托三維BIM模型，展示三維模型、二維圖紙、文檔、數(shù)據(jù)等工程數(shù)字資產(chǎn)。同時基于Web瀏覽器，實現(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切、隔離、測量、標注、協(xié)同等操作(圖5)。

圖5 多維全生命周期資產(chǎn)管理

以BIM模型為基礎，展示了設計階段水電站土建及金屬結(jié)構(gòu)工程維度的結(jié)構(gòu)劃分，以及關(guān)聯(lián)的環(huán)境、圖紙、文檔信息，同時提供三維模型操作。

c)工程數(shù)字資產(chǎn)場景應用。場景應用主要對土建施工過程、設備操作流程、設備拆解、運行原理等內(nèi)容進行展示和瀏覽。通過調(diào)用資產(chǎn)管理平臺、三維模型輕量化平臺的數(shù)據(jù)和模型服務接口，深入解析混凝土單倉澆筑數(shù)據(jù)、設備操作手冊、設備安裝手冊等文件，點擊具體場景項目時，以三維動畫或VR的形式動態(tài)展示應用場景，并輔以場景中工程資產(chǎn)對象相關(guān)聯(lián)的圖紙、文檔、圖表等預覽、下載功能，全方位展示資產(chǎn)對象。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)經(jīng)濟的理念和工程信息化、數(shù)字化的發(fā)展，促進了工程數(shù)字資產(chǎn)概念和應用的發(fā)展，針對水利水電工程設計、建設、運維等全生命周期階段不斷精細、完整、準確的智慧化建設的需求，本文設計和實現(xiàn)了工程數(shù)字資產(chǎn)平臺。

a)平臺能夠通過工程資產(chǎn)編碼，使得圖紙、文檔、進度、質(zhì)量、安全、設備信息、設備安裝數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等各類信息得以串聯(lián)和整合，建立了一個貫穿水利水電工程全生命周期的數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)。

b)平臺能夠利用集成的已建水電站工程資產(chǎn)數(shù)據(jù)，多維度、多形式展現(xiàn)土建、設備、系統(tǒng)等資產(chǎn)對象，初步形成了一個數(shù)字水利水電工程，提高了水利水電工程資產(chǎn)全生命周期的管控能力和資產(chǎn)價值。

然而，由于水利水電工程建設工期長、專業(yè)多、項目復雜，工程數(shù)字資產(chǎn)量較大，使得信息集成不全面，同時基于工程數(shù)字資產(chǎn)的智慧化應用也較少，平臺需要進一步迭代升級。