建筑信息模型在水電站運維方面的應用

周 波， 賴 真 明， 彭 遠 方

(中電建水電開發集團有限公司，四川 成都 610094)

1 概 況

大渡河安谷水電站位于四川省樂山市境內，是大渡河下游最后一個梯級電站，以發電、防洪、航運、供水等綜合利用的大(2)型水電工程。正常蓄水位為海拔高程398 m，額定水頭33 m，設計引用流量2 640.9 m3/s。樞紐布置從左至右為左岸副壩、左岸非溢流壩、13孔泄洪沖沙閘、河床式電站、船閘、右岸接頭壩。電站于2015年8月28日全部機組投產發電。電站裝機772 MW，安裝了4臺190 MW和1臺120 MW的軸流轉槳式水輪發電機組及調速、勵磁、監控等輔助系統。電氣主接線形式為：5臺發電機側均采用發電機-變壓器單元接線，發電機出口設斷路器，220 kV側采用雙母線接線形式，共有兩回線接入系統[1]。

電站機電設備眾多，后期運營安全風險高、維護難度大。開展基于BIM技術的運維管理應用對降低電站運行安全風險、提升運維水平具有重要意義。

最早由俗稱BIM之父的美國喬治亞大學查克·伊士曼教授借鑒制造業的產品信息模型創建了BIM理念。2002年Autodesk公司提出BIM并推出了自己的BIM軟件產品。在我國對BIM的定義為：在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱[2]。住建部于2016年發布了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》，在此后三年的示范工程建設中，BIM技術應用已由單點應用逐步發展為與智能化應用相結合[3]。目前，BIM技術在設計、施工和運營維護全過程的集成應用已取得一定進展。

隨著BIM技術率先在建筑行業應用，由最初的設計企業發展到施工企業和業主單位，由傳統的建筑行業發展到水電行業、制造行業甚至交通行業，BIM理念逐步廣為接受。BIM能夠應用于工程項目規劃、勘察、設計、施工、運營維護等各階段，實現建筑全生命期和各參與方在同一多維建筑信息模型基礎上的數據共享，為產業鏈貫通、工業化建造和繁榮建筑創作提供技術保障。主要討論BIM在樂山市安谷水電站運維階段的應用，試圖改進傳統的運營維護管理方法，建立基于BIM應用的運營維護管理模式。

2 研究內容及方法

水電站水工建筑物、機電設備數量繁多，以BIM技術作為水電站運維的基礎與信息載體，研究設備設施的數字化、KKS編碼、多業務協同、多元數據融合、數據集成可視化交互等關鍵技術及其集成應用。

2.1 設備設施數字化

設備設施數字化的第一步是三維建模，是可視化運維管理應用的基礎，在三維模型上賦能運維階段設備設施的空間信息、運維數據、采購信息、廠家圖紙、規范標準、技術要求、設備材質等，形成數字資產臺賬。數據集中能提高運維管理效率及精準程度。

水電站涉及土建、機械、電氣三個大類的設備設施三維建模，不同的類別采用不同的三維建模軟件，采用Autodesk公司的Revit軟件對水電站的水工建筑物進行三維建模，達索公司的SolidWorks軟件對水輪發電機組及其他輔助機械設備三維建模，SolidWorks Electrical軟件對電站電氣系統進行三維建模。針對數量龐大的機械電氣設備，如何快速化完成設備的三維建模是該應用研究的重點。目前典型的快速化設計的理論和方法有：模塊化設計、參數化設計、產品族設計及可重構設計等[4]。其中參數化設計是產品設計、系列化的一種簡單、高效和快速的方法，通過改變結構特征某一部分或某幾部分的尺寸，基于參數化驅動技術，實現對特征中相關部分的自動改動。采用參數化設計便于推廣到其他水電站，能夠快速完成相似水輪發電機組的三維建模。

在三維建模過程中，空間信息、設備材質等內容作為基本信息賦值到模型上，運維數據、采購信息、廠家圖紙、規范標準、技術要求等信息構建統一的數據存儲體系，與三維模型形成外部關聯，實現設備設施數字化。

2.2 設備KKS編碼

KKS編碼作為電廠標識系統，用來標識電廠的部件及其輔助系統，是設備管理工作的基礎。采用KKS編碼給三維模型文件命名，文件系統一目了然。

編碼的基礎是采用合理的分類方法進行類別劃分，編碼應服從分類[5]。對水電站設備進行類別劃分，編碼采用五層代碼，電廠代碼為第一層，機組單元或公用系統作為第二層代碼，系統單元或稱為功能單位作為第三層代碼，設備單元作為第四層，部件或元件單元作為第五層。如安谷電站1號機組水輪機轉輪的葉片KKS編碼為：81_10MEA80AE200。KKS編碼層級示意圖見圖1。

圖1 KKS編碼層級示意圖

2.3 多業務協同

水電站運維涉及的主要業務包括運行巡檢、定期檢查、監測、檢修維護等。傳統的運維方式對以上業務獨立開展，甚至執行人員都不相同，各負其責，業務相對獨立。

為了提高多業務執行效率，建立一個統一平臺，整合各業務全流程數據。設備設施的三維數字模型是集合各業務數據的良好載體，集合運行巡檢、定期檢查、檢修維護等記錄數據，多業務協同開展。

2.4 多元數據融合

水電站設計、施工、運維等各階段全生命周期信息，包括靜態數據(如施工期圖紙、質檢報告等)、半靜態數據(如運行巡檢、檢修維護)、動態數據(如發電機出力、軸瓦溫度、工業電視監控畫面等)。目前的現狀數據量大、相互獨立，有必要對多元數據進行融合。

基于以上多元數據建立數學模型對運維過程出現的異常狀況進行分析，如軸瓦溫度趨勢預判，以軸瓦運行的歷史數據，結合機組設計允許的軸瓦溫升值、機組運行環境溫度等靜態、半靜態數據建立數學模型，繪制溫升曲線加入趨勢預測判別條件，設置告警閾值，自動對軸瓦溫度進行監測。

2.5 數據集成可視化交互

作者所在團隊基于BIM技術建立水電站智慧運營平臺，以水電站設備設施數字化為基礎與信息載體，通過數據駕駛艙設計，研究分析水電站運維各類業務關鍵總體數據，實現主要數據總覽，各業務數據實時穿透查詢，最終實現基于BIM的數據集成可視化交互。

3 工程應用

以樂山安谷水電站為樣板，嘗試了基于BIM技術的水電站運維管理應用。對安谷水電站大壩、廠房等水工建筑物、水輪發電機組等設備建立三維模型，建立電站設備KKS編碼體系，應用多業務協同技術與多元數據融合技術，研發了基于BIM的電站智慧運營平臺，實現了運維階段多業務協同與多元數據融合。平臺采用Unity3D開發，接入生產實時數據，實現了數據集成可視化交互。

3.1 電站運行方面的應用

作為水電站監控系統的補充，基于BIM技術的水電站三維可視化監視系統將監視功能發揮到最大。電站運行人員可以直觀地查看全廠生產信息，以及當前機組的發電機出力、實時電壓、電流等電氣信息。運行過程中設備告警信息及時彈出，并定位到該設備上，同時工業電視監視畫面也定位到該設備上。

3.2 日常維護方面的應用

水電站日常維護主要工作之一是消除設備缺陷。在三維監視界面顯示設備缺陷信息，動態提示維護人員受理消缺任務。缺陷的發現、登記、匯報、處理、驗收等工作每一步都留下記錄可追溯。發現故障時，可通過移動端進行故障登記，并在系統中查詢設備屬性、庫存備件等信息。

3.3 機組檢修方面的應用

利用三維模型的空間屬性，在可視化平臺上進行機組檢修預演，虛擬拆卸、起吊、轉運、回裝及場地布置等檢修關鍵工序工藝均可無風險又形象生動地展示給檢修人員；利用三維模型包含的各零部件采購信息、廠家圖紙、規范標準、技術要求、設備材質等數字化信息，檢修人員能方便、快速地獲取相關信息，編制檢修方案。

3.4 培訓方面的應用

基于水電站設備檢修規程及三維可視化技術，構建設備檢修虛擬培訓場景，實現設備操作數字化，在虛擬場景中模擬組裝、拆卸、操作設備，提升受培人員技能。

水輪發電機組結構的三維模型，能對檢修人員進行結構認識培訓，直觀了解水輪發電機組的結構。

隨著數字化技術的不斷進步，利用BIM技術的三維可視化技術對水電站運維管理還可進一步開發實用功能。比如定位功能，在系統中集成可視化巡檢路徑，并在系統中進行巡檢人員定位、巡檢信息錄入，水電站管理人員能方便快速調看巡檢記錄，及時獲取巡檢狀態，并能通過定位軌跡校驗巡檢人員的行動路線，通過可視化系統對巡檢人員進行指示，做到可視化管理。再如三維仿真功能，完成水電站全部機械、管路、電氣三維建模，開發仿真軟件，模擬開停機流程、模擬故障排除流程等，并可錄入操作題庫，讓運維人員在虛擬廠房操作設備，對運維人員進行虛實結合的培訓。

4 結 語

以水電站智慧運營為背景，研究了BIM技術在水電站設備設施數字化、KKS編碼、多業務協同、多元數據融合、數據集成可視化交互等關鍵技術，并以安谷水電站為例介紹了研究成果的應用，提升了水電站運維管理的數字化與智能化程度，提高了水電站運維管理的效率。