關(guān)于我國水電工程智慧發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的思考

岳 蕾，馮 奕

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

1 水電工程智慧發(fā)展形勢(shì)和挑戰(zhàn)

目前，全球大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)正值活躍發(fā)展期，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等現(xiàn)代信息化技術(shù)(信息技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)與傳感技術(shù)等)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源成為水電工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的重要基礎(chǔ)性資源和創(chuàng)新要素，信息化技術(shù)與水電工程深入融合，并在流域安全應(yīng)急處置上發(fā)揮更大的作用。我國水電工程，尤其是大中型水電工程項(xiàng)目建設(shè)，呈現(xiàn)出智慧化技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用創(chuàng)新并行加速推進(jìn)的特點(diǎn)，數(shù)字化、信息化智能技術(shù)已在工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，水電行業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型全面開啟。

1.1 糯扎渡水電站

糯扎渡水電站在國內(nèi)率先運(yùn)用了數(shù)字大壩管理系統(tǒng)，在施工過程中運(yùn)用“數(shù)字大壩”技術(shù)[1]，實(shí)現(xiàn)高心墻堆石壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、壩料上壩運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控、PDA施工信息實(shí)時(shí)采集、土石方動(dòng)態(tài)調(diào)配和進(jìn)度實(shí)時(shí)控制及工程綜合信息的可視化管理。同時(shí)還建立了由自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)信息管理與綜合分析系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，涉及心墻堆石壩、導(dǎo)流洞、溢洪道、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)工程邊坡等的安全監(jiān)測(cè)[2]。

1.2 錦屏一級(jí)水電站

錦屏一級(jí)水電站的大壩建設(shè)采用了拱壩施工實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能溫控系統(tǒng)[3]。大壩混凝土施工質(zhì)量與進(jìn)度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土施工倉面信息、混凝土原材料檢驗(yàn)信息、混凝土試驗(yàn)檢信息、混凝土生產(chǎn)信息、纜機(jī)運(yùn)行信息、壩體混凝土溫度信息、灌漿信息、施工進(jìn)度信息等與質(zhì)量和進(jìn)度緊密相關(guān)的信息實(shí)時(shí)采集、傳輸、儲(chǔ)存、共享與反饋分析，開展了全壩全過程的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控和施工仿真與反饋分析。此外，根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合科學(xué)研究和現(xiàn)場(chǎng)深化試驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)踐了智能溫控系統(tǒng)，避免大壩出現(xiàn)裂縫。

1.3 白鶴灘、烏東德水電工程

白鶴灘、烏東德水電工程采用基于“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”的閉環(huán)智能控制理論，構(gòu)建了以工程建設(shè)資源要素動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理、業(yè)務(wù)流程數(shù)字化管理、工藝過程智能控制、實(shí)物成本精確分析、結(jié)構(gòu)安全與進(jìn)度耦合分析及聯(lián)動(dòng)調(diào)控的數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)了施工工藝過程、關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的智能監(jiān)測(cè)、智能分析、智能調(diào)控，提升了工程建設(shè)管理水平和管理效益。

1.4 金沙江上游蘇洼龍水電站

蘇洼龍水電站在施工過程中建立了堆石壩填筑施工精益化管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)、質(zhì)量驗(yàn)收系統(tǒng)等信息系統(tǒng)，采取動(dòng)態(tài)采集和數(shù)字化處理的方式對(duì)各類施工質(zhì)量信息和施工進(jìn)度信息進(jìn)行采集和處理，構(gòu)建三維虛擬模型，利用數(shù)字化信息平臺(tái)將空間信息更加直觀的表現(xiàn)出來，并在虛擬的“精益化施工管理系統(tǒng)”環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了各類工程信息的集成化、可視化[5]。

綜上所述，可知數(shù)字化、信息化、智能化對(duì)于提高水電工程建設(shè)質(zhì)量與速度，提升工程管理水平及流域安全應(yīng)急處置水平起到了重要作用，促進(jìn)了我國水電工程的安全健康快速發(fā)展，并有效釋放了水電工程建設(shè)和運(yùn)行的創(chuàng)新活力。但是，目前水電工程信息化和智能化建設(shè)大多處于自發(fā)使用狀態(tài)，沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)等不同階段的協(xié)同，標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)低下，與我國水電工程技術(shù)發(fā)展水平明顯不符。同時(shí)，面對(duì)信息數(shù)據(jù)的流動(dòng)性等特性，水電工程數(shù)據(jù)安全面臨的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)也不能忽視。

2 國內(nèi)外水電工程智慧建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的基本情況

2.1 國外標(biāo)準(zhǔn)化情況

國外工程領(lǐng)域一般集中在建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)標(biāo)準(zhǔn)體系，未形成專門針對(duì)水電工程智能化的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.1.1 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的BIM標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standard Organization，ISO)自1994年以來，陸續(xù)發(fā)布了11項(xiàng)與BIM相關(guān)的系列基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，供各國加以遵循，形成了一套內(nèi)容不同但形式統(tǒng)一的具體標(biāo)準(zhǔn)、指南。ISO發(fā)布的BIM標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 ISO發(fā)布的BIM標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 國際對(duì)象管理組織BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

國際對(duì)象管理組織(Object Management Group，OMG)，2004年發(fā)布了“業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)記第1版”(Business Process Modeling Notation (BPMN) V1.0)；2011年又發(fā)布了“業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)記第2版”(Business Process Modeling Notation(BPMN) V2.0)。作為流程圖的描述方法，BPMN整合了早期模型標(biāo)注方法的優(yōu)質(zhì)理念，具有可直接轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言、可基于XML方法進(jìn)行流程控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為IDM流程圖的繪制基礎(chǔ)。

OMG針對(duì)BIM技術(shù)，提出了指導(dǎo)業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.1.3 美國BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

美國是較早啟動(dòng)建筑業(yè)信息化研究的國家，發(fā)展至今，BIM研究與應(yīng)用都走在世界前列。目前，美國已發(fā)布了系列BIM標(biāo)準(zhǔn)、指南。

美國主要的BIM機(jī)構(gòu)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有

(1)美國總務(wù)署(General Service Administration，GSA)。GSA負(fù)責(zé)美國所有的聯(lián)邦設(shè)施的建造和運(yùn)營。早在2003年，為了提高建筑領(lǐng)域的生產(chǎn)效率、提升建筑業(yè)信息化水平，GSA下屬的公共建筑服務(wù)(Public Building Service)部門的首席設(shè)計(jì)師辦公室(Office of the Chief Architect，OCA)推出了“國家3D-4D-BIM計(jì)劃”(GSA’s National 3D-4D-BIM Program)，國家3D-4D-BIM計(jì)劃的目標(biāo)是為所有對(duì)3D-4D-BIM技術(shù)感興趣的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供“一站式”服務(wù)，雖然每個(gè)項(xiàng)目功能、特點(diǎn)各異，但OCA將幫助每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供獨(dú)特的戰(zhàn)略建議與技術(shù)支持。2007年GSA又發(fā)布了“BIM指南”(BIM Guide)，指南包括空間規(guī)劃驗(yàn)證、4D模擬，激光掃描、能耗和可持續(xù)發(fā)模擬、安全驗(yàn)證等內(nèi)容，這對(duì)于規(guī)范美國BIM應(yīng)用起到了重要作用。

(2)美國陸軍工程兵團(tuán)(U.S.Army Corps of Engineers，USACE)。USACE隸屬于美國聯(lián)邦政府和美國軍隊(duì)，為美國軍隊(duì)提供項(xiàng)目管理和施工管理服務(wù)，是世界最大的公共工程、設(shè)計(jì)和建筑管理機(jī)構(gòu)。2006年10月，USACE發(fā)布了為期15年的BIM發(fā)展路線規(guī)劃“建筑信息建模：美國陸軍工程兵團(tuán)軍事建設(shè)轉(zhuǎn)型和土木工程項(xiàng)目實(shí)施路線圖”(Building Information Modeling:A Road Map for Implementation to Support MILCON Transformation and Civil Works Projects within the U.S.Army Corps of Engineers)，為USACE采用和實(shí)施BIM技術(shù)制定戰(zhàn)略規(guī)劃，以提升規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量和效率。

2.1.4 英國BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(British Standards Institution，BSI)發(fā)布的BIM標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 BSI發(fā)布的BIM標(biāo)準(zhǔn)

除BSI之外，英國皇家特許測(cè)量師學(xué)會(huì)(Royal Institution of Chartered Surveyor，RICS)、英國“AEC(UK)BIM標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目委員會(huì)(British“AEC (UK)BIM standards”project committee)等機(jī)構(gòu)也發(fā)布了BIM標(biāo)準(zhǔn)。例如，2014年RICS發(fā)布“國際BIM實(shí)施指南第1版”(International BIM implementation guide V1.0)，2015年發(fā)布“面向成本經(jīng)理的BIM∶BIM模型的要求第1版”(BIM for Cost Managers:Requirements from the BIM Model V1.0)”；2010年英國“AEC(UK)BIM標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目委員會(huì)發(fā)布“英國BIM標(biāo)準(zhǔn)第1版”(AEC(UK)BIM Standard V1.0)，2012年發(fā)布“英國BIM標(biāo)準(zhǔn)第2版”(AEC(UK)BIM Standard V2.0)。

2.1.5 日本BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

日本于1995年開始大力推動(dòng)建筑業(yè)信息化。在此之后日本便發(fā)布了建筑信息化標(biāo)準(zhǔn)“日本式產(chǎn)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)”(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce)。2012年日本建筑學(xué)會(huì)(Japanese Institute of Architects，JIA)正式發(fā)布了“日本建筑學(xué)會(huì)BIM指導(dǎo)路線”(JIA BIM Guide line)，明確了BIM組織機(jī)構(gòu)以及人員職責(zé)要求，從BIM團(tuán)隊(duì)、BIM數(shù)據(jù)處理、BIM設(shè)計(jì)流程、應(yīng)用BIM進(jìn)行預(yù)算、模擬等方面為日本的設(shè)計(jì)院和施工企業(yè)應(yīng)用BIM提供了指導(dǎo)。

綜上所述，國際和國外主要標(biāo)準(zhǔn)化組織在交換存儲(chǔ)、分類編碼、交付集成、應(yīng)用指導(dǎo)四大組成內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立并不斷完善BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，但并未針對(duì)水電工程領(lǐng)域建立專門的行業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.2 國外相關(guān)技術(shù)組織情況

國外和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織并未針對(duì)水電行業(yè)建立相應(yīng)的技術(shù)組織，按照國際慣例，水電工程屬于大土建范疇，在工程建筑領(lǐng)域的主要國際信息化技術(shù)組織有：

(1)建筑信息組織(ISO/TC59/SC13)。ISO是一個(gè)全球性的非政府組織，也是目前國際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域中最具權(quán)威性的國際標(biāo)準(zhǔn)化專門機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)90年代，ISO成立了專門的技術(shù)委員會(huì)—建筑信息組織(ISO/TC59/SC13)，致力于建筑領(lǐng)域信息組織標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工作。

(2)國際對(duì)象管理組織(Object Management Group，OMG)。OMG是一個(gè)致力于建立程序、系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程的建模標(biāo)準(zhǔn)的國際協(xié)會(huì)。

(3)英國BIM工作小組(BIM Task Group)。2001年由英國內(nèi)閣辦公室公布了BIM技術(shù)相關(guān)的“政府建設(shè)政策”(Government Construction Strategy)，在強(qiáng)而有力的政府建設(shè)策略的支持下，英國首先成立了BIM工作小組(BIM Task Group)，研究以美國為主的BIM執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與流程，并重新定義電腦輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Drafting，CAD)與BIM的關(guān)系，將BIM的技術(shù)成熟度分為0～3四個(gè)等級(jí)，并由英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(British Standards Institution，BSI)發(fā)布了不同等級(jí)應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)。BSI是英國的國家標(biāo)準(zhǔn)組織(the UK’s National Standards Body，NSB)，同時(shí)也是首個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)制定和貫徹統(tǒng)一的英國標(biāo)準(zhǔn)(British Standards，BS)等工作。

2.3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化情況

目前，我國水電領(lǐng)域信息化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少。國家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)，現(xiàn)行有效；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)21項(xiàng)，其中，現(xiàn)行有效7項(xiàng)，正在編制14項(xiàng)。我國水電領(lǐng)域信息化標(biāo)準(zhǔn)具體見表3。

表3 我國水電領(lǐng)域信息化標(biāo)準(zhǔn)匯總

2.4 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)組織情況

2.4.1 全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)相關(guān)情況

我國在信息化領(lǐng)域建立了26個(gè)全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，涉及林業(yè)、新聞出版業(yè)、氣象、物流、審計(jì)、財(cái)政等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。其中與水電行業(yè)信息化密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)主要有信息技術(shù)、信息分類與編碼、電站過程監(jiān)控及信息、電力系統(tǒng)管理及其信息交換等4個(gè)全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(見表4)。但在水電工程領(lǐng)域未建立相關(guān)技術(shù)組織。

表4 全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)情況

2.4.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)相關(guān)情況

與水電行業(yè)信息化最為密切的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)是電力行業(yè)水電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(DL/ TC 17)，目前為第5屆，秘書處掛靠在中國水利水電科學(xué)研究院。負(fù)責(zé)歸口我國水電站自動(dòng)化方面的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定、修訂工作，具體包括：①發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②水輪機(jī)調(diào)速器的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；③水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；④水調(diào)及水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；⑤機(jī)組自動(dòng)化元件的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；⑥水電站自動(dòng)化相關(guān)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如，火災(zāi)報(bào)警裝置、工業(yè)電視等；⑦抽水蓄能機(jī)組自動(dòng)化的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 存在的問題及下一步工作建議

3.1 水電工程智慧發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化存在的主要問題

結(jié)合當(dāng)前水電工程智能發(fā)展面臨的形勢(shì)和挑戰(zhàn)，在梳理我國水電行業(yè)和水電密切相關(guān)的水利行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我們看出目前水電工程信息化領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作存在以下主要問題：一是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少、標(biāo)準(zhǔn)體系性不強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)制定工作缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。二是術(shù)語定義、圖示表達(dá)、分類分級(jí)等基礎(chǔ)性、通用性標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。三是部分關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)亟需制定，如數(shù)字電廠、數(shù)字流域、數(shù)字安全等重要領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)幾乎空白，對(duì)水電工程智能建造和智能監(jiān)測(cè)等重點(diǎn)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的支撐作用有待加強(qiáng)。

3.2 下一步工作建議

一是應(yīng)以“行業(yè)發(fā)展 標(biāo)準(zhǔn)先行”原則，加強(qiáng)水電工程智能化標(biāo)準(zhǔn)體系頂層設(shè)計(jì)，加速構(gòu)建水電工程數(shù)據(jù)安全保障和信息化、智能化體系，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)引領(lǐng)作用，為保障水電工程數(shù)據(jù)安全、助力水電行業(yè)智能化高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。

二是在《水電行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系》(2017年版)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理研究水電工程信息化現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)水電工程信息化發(fā)展需求，按照需求導(dǎo)向、先進(jìn)適用、急用先行的原則，系統(tǒng)推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，優(yōu)先開展基礎(chǔ)通用和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制，切實(shí)發(fā)揮信息化標(biāo)準(zhǔn)在推動(dòng)水電行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中的支撐和引領(lǐng)作用。