海上風電工程技術資產數字化平臺設計

摘要：海上風電場工程龐大復雜，該文針對重大工程數字資產建設和管理的需要及工程特點，運用BIM、IoT、大數據等技術，設計開發了海上風電工程資產數字化平臺，運用于工程全生命周期的規劃、設計、施工、運維等各個階段，為海上風電工程數字化技術資產的創建、存儲、利用提供了有力的工具，為海上風電大規模、低成本開發和快速可持續發展提供了技術支撐。

關鍵詞：BIM;IoT;大數據;海上風電;數字資產

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0092-03

海上風電場作為一項龐大的系統工程，具有建設條件復雜、專業種類眾多、可到達性差、運行維護困難等特點，目前國內海上風電建設尚處于起步階段，迫切需要通過數字化和信息化等手段，推動海上風電技術和管理的重大變革。

數字工程建設在國際大型項目中已經成為常態，許多重大工程通過BIM全生命周期的應用和數據收集，形成一套完整的數字資產，為后續運維管理提供良好的數據支撐。在數字化交付基礎上，采用先進的管理思想及物聯網、大數據等先進技術，將有助于實現工程全生命周期的數字化管理。

1 BIM

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）起源于美國，1975年“BIM之父”——喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授創建了BIM理念至今，BIM技術的研究經歷了三大階段：萌芽階段、產生階段和發展階段。隨著對BIM技術的不斷探索，以及對建筑全生命周期的深入理解，把BIM比較多地定義為Building Information Modeling[1]。BIM是利用數字模型對建設項目進行設計、施工和運營的過程。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[2]。

數字工程建設在國際大型項目中已經成為常態，例如英國倫敦CrossRail項目，業主通過BIM全生命周期的應用和數據收集，已形成一套完整的地鐵電子資產，為后續運維管理提供良好的數據基礎。同時國內核電、國網公司已基本實現數字化交付，采用先進的管理思想、強大的管理功能、領先的開發技術，完善的信息管理系統，對工程全生命周期的數字化進行全過程管理[3，4]。

2 物聯網技術

物聯網（IoT，Internet of? Things）即“萬物相連的互聯網”，是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，實現在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，通過信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。IoT在智慧運維中的作用，包括實時數據采集、端到端的通訊、綜合智能分析、優化運行控制等。對這些靜態信息和實時測控信息進行融合，根據優化控制的要求，尋找合適的算法合理地來分配整個系統運行的效率。具體可應用在人員管理、空間管理、安全管理、能源管理等方面[5，6]。

3 項目意義

本數字化平臺建設的意義在于：

1） 針對已完工風電工程項目，通過建立虛擬風場BIM信息模型，整合其前期零散的建設期檔案，實現已完工風電工程的工程資產、檔案數字化，對后續運維能力提供持續支持。同時，BIM可與運維對接，通過對運營大數據分析評估，提出后期技術改造推薦策略，并利用BIM模型，對技改策略進行仿真分析，驗證其可行性與實際效果。

2） 針對新開工風電工程項目，實現海上風電工程項目的標準化流程管理，通過數字化手段實現海上風電場規劃、設計、施工、竣工等數據信息的一體化、可視化和網絡化管理并實現異地多方協調工作管理。竣工階段形成一套可交付的和實際風電工程1：1信息還原的數字孿生虛擬風場竣工電子資產，將風場BIM模型與規劃、設計、施工信息及電子數據有機結合，可用于海上風電工程智慧運維平臺，通過運營期大量運行數據的集成實現集控、運維、生產管理、資產管理等功能。同時，通過大數據分析，對風電場運營效果進行評估，提出風場選址規劃、機位布置、風機選擇、調度控制等方面的優化意見，實現全生命周期的閉環管理。

3） 建立基于全生命周期的海上風電工程技術標準體系，包括規劃、設計、施工、運維各階段的相關標準、指導文件和編碼標準等，為日后相關行業海上風電工程數字化工作的開展起到示范作用。

4） 在具體工程項目中應用虛擬風電場全生命周期工程數字化，形成一套完整的海上風電工程數字化技術資產，打造海上風電行業示范項目。

5） 針對海上風電工程項目所覆蓋的感知、分析、預警、決策、控制等環節的業務特點，與先進的物聯網、云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術進行深度融合，構建數字化、智能化應用場景，在智能在線監測感知、設備健康智能管理、氣象監測預警、風功率預測、風場運營評估等方面實現智慧技術融合和創新突破，實現“海上風電業務+智慧技術”的融合創新。

4 關鍵技術研究

本平臺關鍵技術主要包括：

1） 參數化建模方法關鍵技術研究

通過對海上風電工程BIM各專業參數化建模方法進行研究，提高三維模型設計效率和精準度，透明化人員負荷，減少項目人員投入。同時，通過參數化建模方法的研究，完善各類標準化庫，為后續工程打好基礎。

2） 基于BIM+IoT+大數據的運維管理模式研究

針對海上運維特殊環境，考慮氣象、人員、船舶、備件、發電量等相關因素，建立一套從人員優化、成本優化、時間優化和發電量優化的四個維度并適用于海上運維的管理模式。同時，運用RFID、大數據分析等技術，利用智能手持終端將巡檢內容固化，實現巡檢過程電子化、流程化，保障巡檢過程質量可控有效，實現最優巡檢路線和巡檢計劃自動推進，提升巡檢效率和巡檢質量。避免了傳統巡檢模式巡檢效率低及后期可追溯性不強，不利于風電領域巡檢工作多而雜等缺點。

3） 基于大數據的海上風電工程知識圖譜構建技術研究

通過研究海上風電大數據知識圖譜的構建模型和技術架構，搭建海上風電工程知識庫，在匯聚和融合海上風電大數據知識資源的基礎上，以大數據平臺分布式存儲和高性能計算為支撐環境，詳細設計和實現實體知識抽取、實體對齊和關系發現、知識融合與語義豐富化、語義化存儲、質量管理等技術，支持智能知識服務產品的研發，提升精準知識發現能力。

4） 基于云計算的設備智能預警技術研究

通過對設備運行數據在線監測，基于云算法對設備健康度進行評估并進行分級，包括設備健康、異常和故障，根據運行數據趨勢可實現故障預測性預警，在故障發生前及時發現異常，通過大數據及專家庫進行故障智能診斷，按照匹配程度推薦運檢策略，操作人員通過選擇確認故障及策略可直接生成最優計劃排程，并一鍵進行工單派送，提高整個流程的效率。

5 面向全生命周期的海上風電工程數字資產平臺

海上風電工程數字資產平臺可運用于工程全生命周期各個階段：

1） 規劃階段

海上風電工程智慧規劃管理平臺，集成全國風能氣象地理信息數據，與三峽集團已投運風場運營大數據結合，通過大數據與人工智能算法，實現風場優化選址、項目預計經濟性分析、風險分析等功能，對工程項目可行性進行初步評估。

海上風電工程智慧規劃管理平臺通過智能算法可實現最優風機機位自動布置和集電線路的自動布置，并根據布置方案自動生成短路電流計算報告書、海纜選型報告書和項目建設成本計算書，大大減少了可行性研究階段耗費的時間成本，且保證了方案的經濟性，便于更準確地預估和控制成本。對于變動情況，只需在軟件平臺進行調整輸入即可立刻得到新的最優方案，無須人為手動重新計算。

2） 設計階段

在設計階段建設包括風機機組BIM模型、海上升壓站BIM模型、海纜路由BIM模型、陸上集控中心BIM模型及地形地質BIM模型等在內的風電場全專業BIM信息模型，通過三維模型的精確定位及直觀性進行碰撞檢查、設計優化，以避免后續大量的施工返工工作;通過提取BIM信息模型中的信息可進行精確工程量計算，為造價控制、施工決算提供有利的依據;通過BIM模型移動端瀏覽及三維管綜出圖指導現場施工，減少現場變更，節約成本，縮短工期。

風電場碰撞檢測及三維管線綜合的主要目的是基于各專業模型，應用Bentley Navigator等BIM軟件檢查施工圖設計階段的碰撞，完成項目設計圖紙范圍內各種管線布置與結構、電氣設備平面布置和豎向高程相協調的三維協同設計工作，以避免空間沖突，盡可能減少碰撞、優化設計，避免設計錯誤傳遞到施工階段。通過整合結構、舾裝、電氣、暖通、給排水等專業模型，可形成整合的風場全專業BIM信息模型。

風電場三維設計是對傳統二維設計的一次變革，它不僅是設計工具的更替，更重要的是設計模式的變更，由以前的串聯模式變成現在的并行模式。通過基于BIM的風電場協同設計平臺對整個風電場BIM設計工作流程進行管理和控制，并對校核或審批權限進行管理。通過多專業集成平臺直接在設計中避開其他專業的碰撞，從而進行合理布置。且各專業三維模型實時更新，設計參數通過平臺接口得到了有效的傳遞利用，提高了設計質量，避免了重復修改的過程。將項目周期中各個參與方集成在一個統一的工作平臺上，改變傳統的分散的交流模式，實現信息的集中存儲和訪問，從而縮短項目周期時間，增強信息的準確性和及時性，提高各參與方協同工作的效率，以“三維協同設計”方法對設計手段、設計流程實現再造，提高整體設計效率和質量。

3） 施工階段

在施工安裝階段對規劃設計階段的風電場全專業BIM信息模型進行深化，并針對深化后的風電場BIM模型進行包括碰撞檢測及三維管線綜合優化、工程自動算量、4D施工模擬等在內的BIM應用優化，對設計模型進一步優化和深化，減少現場變更，縮短工期。同時，通過虛擬施工模擬對關鍵施工安裝步驟進行仿真分析，驗證工序流程的可行性，為實際施工安裝提供有力指導。

施工安裝結束后，形成完整的風電場BIM竣工電子資產，包括設計、施工階段風電場完整BIM模型和包含完整屬性信息的數據文檔，便于業主對工程信息的多維度查詢，也為后期風電場運維提供了完整的前期建設數據，對運營決策提供了支持幫助。

4） 竣工階段

風電場從規劃設計到建造施工過程中，建立了BIM全專業信息模型，再根據工程變更、現場實際情況，對BIM模型進行維護和調整，最終形成竣工BIM模型。在已有二維圖紙、三維模型、報告、設備清單、編碼規則等的基礎上，通過一定的規則建立資產設施與人、空間以及各種數據文檔的關聯關系，形成工程竣工階段的BIM電子資產信息交付平臺。風電工程業主可分別從文檔、工藝系統、空間位置、質量安全、單元工程及組織結構等多維度由三維模型出發進行工程信息的多種查詢。同時，基于BIM的竣工電子資產信息也可以為后期風電場運營維護提供數據和決策支持，為海上風電全生命周期降本增效增磚添瓦。

5） 運維階段

基于BIM信息模型的海上風電工程智慧運維平臺功能包括全風場資產管理、集中監控、運維檢修、評估交易、生產管理和綜合展示等，利用前期大數據完成包括設備健康管理、智能故障診斷、預測性維護、最優運檢計劃排程、趨勢分析、超短期功率預測、自動報警等在內的決策分析。通過對風場運維實際情況進行多維度評估，對整體運維集控策略進行迭代優化，同時，通過風場實際運行數據對前期規劃設計和建造施工成果進行評估分析，提出優化意見，從而形成全生命周期完整的閉環解決方案。

6 結論

綜合運用建筑信息模型、物聯網、大數據等技術，設計開發海上風電工程技術資產數字化平臺，可運用于工程規劃、設計、施工、竣工、運維等全生命周期各個階段，對工程數字化資產的建立、維護及運用均起到積極的作用，在實際工程建設中也取得了良好的效果。隨著信息技術尤其是大數據及人工智能技術的不斷發展，平臺中的各類數據也將發揮更大的作用。

參考文獻：

[1] 羅淑平，許桂芳.BIM技術在建筑設計及施工過程中的應用[J].價值工程，2018，37（3）：176-177.

[2] 羅嵐，李永超，楊淼，等.基于BIM的全生命期障礙及應用績效評價模型研究[J].工程管理學報，2018，32（1）：41-46.

[3] 金和平，柳東，張睿，等.基于BIM的水電資產全生命周期管理系統架構及實踐[J].水電與抽水蓄能，2021，7（4）：7-14.

[4] Antony Oliver， CROSSRAIL AND BENTLEY SYSTEMS LAUNCH UK's FIRST DEDICATED BIM ACADEMY[J].Building Engineer，2012，87（10）：11.

[5] 買亞鋒，張琪瑋，沙建奇.基于BIM+物聯網的智能建造綜合管理系統研究[J].建筑經濟，2020，41（6）：61-64.

[6] Dave B，Buda A，Nurminen A，et al.A framework for integrating BIM and IoT through open standards[J].Automation in Construction，2018，95：35-45.

【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-10-12

作者簡介：衛慧（1971—），女，上海人，碩士，高級工程師，研究方向為工程數字化、智慧工程、地理信息系統與建筑信息模型研究與應用。