基于三維數(shù)字化技術的智慧電廠一體化數(shù)據(jù)平臺

國家能源集團內(nèi)蒙古上海廟發(fā)電有限公司 魏銘毅 張雨蓉

本文簡單分析三維數(shù)字化的采集原理以及電廠運用。重點討論一體化數(shù)據(jù)平臺建設在智慧電廠中的設計實現(xiàn)，分別敘述建模范圍、圖檔管理、集成生產(chǎn)資料、安防管理等。

根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，直至2019年末，國內(nèi)發(fā)電設備的容量超過20 億kW，而火電領域的設備容量占比接近60%。其中，煤電機組占據(jù)火電設備總容量的87%以上。國內(nèi)全年的火力發(fā)電達到50450 億kW 左右，接近發(fā)電總量的70%，增幅為2.4%。如今，其他新能源的發(fā)電機組容量與實際發(fā)電量不斷增多，但是傳統(tǒng)火力發(fā)電還是占據(jù)首位。

1 三維數(shù)字化技術

1.1 采集原理

單就三維信息采集方面的問題，根據(jù)運行原理可分成三項，即接觸式、非接觸式與逐層掃描方式。簡單探討前兩種，（1）是接觸式，其借助三坐標測量設備探針逐個獲取目標對象的立體空間坐標。該設備的測量精度能達到±0.5μm，并且在目標對象的外觀色彩與反射特性上無特殊標準。獲取數(shù)據(jù)中，探針需要始終壓著目標對象，所以本身易變形的目標很難實現(xiàn)準確采集。而且其探針也容易對目標表層有影響。（2）是非接觸式的光學采集。比如光三角法就是根據(jù)立體面，通過照明光束完成結構數(shù)據(jù)調(diào)整。基于三角測量原理，立體面會使成像光線發(fā)生角度變化，由此可得到幾何數(shù)據(jù)，確認距離參數(shù)。

1.2 電廠運用

三維數(shù)字化本質(zhì)上屬于信息管理的方法，通過數(shù)字化的設計及移交。既能直接反映出電廠建筑與機組、人員狀態(tài)與點位，便于相關人員查找機組圖檔數(shù)據(jù)，又能給平日生產(chǎn)與改造活動提供輔助信息，優(yōu)化內(nèi)部人員的培訓效果與可視化。雖然近些年有多種清潔能源被開發(fā)使用，但火電的電量實際比例依舊超過60%，而對于現(xiàn)代的火電廠來說，數(shù)字化和智能化是如今電力領域達成現(xiàn)代化的關鍵方向[1]。

2 智慧電廠一體化數(shù)據(jù)平臺的設計運用

以傳統(tǒng)火電廠為例，探究打造智慧電廠的設計方向，利用三維數(shù)字化的方法，開發(fā)一體化的數(shù)據(jù)平臺，設定圖檔管理與生產(chǎn)信息集成等若干功能模塊，秉承電廠全生命周期的思路，借助設計環(huán)節(jié)的信息資料與3D 模型，能利用3D 可視化、瀏覽器以及數(shù)據(jù)庫多項技術，把電廠立體模型和各項數(shù)據(jù)整合起來，構建可視化的數(shù)據(jù)管理模式。

2.1 建模范圍準確

電廠機組與建筑數(shù)量龐大，要按照專業(yè)劃分成建筑與鍋爐、電氣、暖通、總圖等多項部分，所有專業(yè)在建模過程中，應當提前整理相應的圖紙信息，基于此實施歸類分析等準備工作，而后就可在專業(yè)軟件系統(tǒng)中輸入相關數(shù)據(jù)，構建起數(shù)字化電廠。建模期間，全部數(shù)據(jù)庫都需按照樹狀結構排列，各個層次數(shù)據(jù)對象都帶有對應的空間點位、設計參數(shù)與管理屬性。在電廠建模中，所得數(shù)字化模型要確保精準，精確還原實物圖紙造型規(guī)格，保持比例準確，甚至還要顯現(xiàn)出實物對象的紋理與材質(zhì)，完全達到復刻還原的程度。在確定模型精度達標的條件下，不設置任何冗余要素，并且不要擋住隱藏內(nèi)容，沒有重復元素。在上述環(huán)節(jié)中，牽涉到較多任務量與人工資源，會增加三維數(shù)字化的運用成本。

建模過程的操作規(guī)范流程為：（1）命名，三維模型上的所有層次均需要進行命名，這樣可保障迅速辨別及確定模型類別，有效優(yōu)化模型導航的效果，而且要注意的是，層次名稱需在數(shù)據(jù)平臺中具備唯一性。（2）層次結構，利用層次結構可以顯現(xiàn)出數(shù)據(jù)模型對應范圍與類別，體現(xiàn)出實物對象的PBS 結構。（3）材料以及其他內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫，借此可反映出電廠生產(chǎn)中的材料屬性與實際用量。

2.2 圖檔內(nèi)容管理

圖檔資料的管理一般包括模型以及數(shù)據(jù)等，還有對應的關系轉移，牽涉信息采集匯總、建設導航關系、信息結構性處理。此外，圖檔資料管理還要具備文檔批量導入、信息儲存和其他模型與文件創(chuàng)建關系、設置資料使用權限等，平臺用戶能直接閱覽電廠數(shù)字化模型、圖檔內(nèi)容等，支持相互之間建立智能關系，進行多維度呈現(xiàn)。操作用戶能直接導入電廠生產(chǎn)活動及運維中形成的數(shù)據(jù)文件，對其加以分類、整理，創(chuàng)建數(shù)據(jù)聯(lián)系，設置與瀏覽權限劃分結果等，并且全部圖檔內(nèi)容均可以被完整檢索，而且其管理行為應當精細到全部獨立模型與信息、圖檔。智能電廠的數(shù)據(jù)平臺開發(fā)應當達到信息集成化和3D 場景的使用標準，被一體化平臺的其他單元設計，予以可用的接口條件。

在圖檔管理單元中，具體包含三個模塊，分別是模塊、數(shù)據(jù)和文檔。借助專門軟件程序完成圖檔管理，支持高效查找到信息內(nèi)容的效果。根據(jù)對圖檔管理部分的基本探討，可選擇日記程序與數(shù)據(jù)庫等方法，構建此系統(tǒng)模塊，由此加強電廠項目文檔資料的管理。其中，圖檔內(nèi)容管理具體包括下述幾項內(nèi)容：（1）設計方不同專業(yè)圖紙內(nèi)容、移交中的設計信息材料、廠家信息和三維數(shù)字化電廠模型。（2）電廠建設期間的進度、管理、聯(lián)系單、變更簽證、質(zhì)量檢測信息、驗收資料與材料檢測信息等。（3）有關廠家提供的機組文件，如結構圖紙、技術參數(shù)、立體模型構圖等。（4）工程建設期間，關聯(lián)設計方、機組廠家、分包方等形成的立體模型資料，通過相關方審核，根據(jù)建議要求深化設計，關聯(lián)到整個三維模型上。（5）基于流程圖內(nèi)容文件，繪制出數(shù)字化的流程圖，并證明系統(tǒng)平臺內(nèi)流程圖所有標識出的機組設備均可以完成激活動作，用于系統(tǒng)操作導航，支持3D 與2D 的模型導航。（6）統(tǒng)計整理工程中所有資料內(nèi)容，并對信息實施深度挖掘，構成系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫。

一體化數(shù)據(jù)平臺下設置圖檔管理模塊，實際價值體現(xiàn)在：（1）有效提高管理效率與合理性。其是以設計文件信息為基礎實行管理工作，切實消除人工管理的不足，加深圖檔內(nèi)容的現(xiàn)代化程度，更重要的是，可以推動該類信息價值有效發(fā)揮出來；（2）可以逐漸轉變常規(guī)人工管理的固化思維，令電廠的管理形式得以優(yōu)化；（3）數(shù)據(jù)平臺能夠實現(xiàn)圖檔內(nèi)容可追溯；（4）有利于提升電廠資料管理的規(guī)范性[2]。

2.3 集成生產(chǎn)信息

電廠經(jīng)營過程中，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)是基于SIS（監(jiān)控數(shù)據(jù)系統(tǒng)）實現(xiàn)，根據(jù)其實時更新的數(shù)據(jù)庫資料，保障此項功能持續(xù)運轉。同時，設置運行與機組管理兩條功能軸線，搭配可靠性、業(yè)績考評與耗差分析。智能電廠內(nèi)，應當設置SIS 系統(tǒng)、門禁、倉儲與監(jiān)控等多項集成內(nèi)容，為此建設一體化的數(shù)據(jù)平臺，達到對生產(chǎn)活動的程序化、數(shù)字化、標準化管理，這利于保障電廠安全、穩(wěn)定地生產(chǎn)，并有助于控制生產(chǎn)能耗，優(yōu)化生產(chǎn)運營效益與市場競爭力。如今，三維數(shù)字化下的電廠一體化數(shù)據(jù)平臺，還可運用第三方系統(tǒng)，比如辦公自動化（OA）、企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）、數(shù)據(jù)服務總線（ESB）等，能按照智慧電廠的現(xiàn)實需要，設置運行系統(tǒng)，相應數(shù)據(jù)處理過程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程Fig.1 System data processing process

該處理過程的相關使用介紹為：（1）是數(shù)據(jù)解析引擎，給系統(tǒng)工作予以接口；（2）是通過接口，可以從相連的若干系統(tǒng)中獲取到所需資料，并且會對數(shù)據(jù)內(nèi)容的實時性進行判斷；（3）是接口在取得數(shù)據(jù)資料后，會利用引擎完成解析動作，把所得結果儲存到實時數(shù)據(jù)模塊，在此過程中，引擎會直接保留目標的屬性信息，轉移到校驗引擎中，把目標屬性資料和數(shù)據(jù)庫內(nèi)既有的屬性內(nèi)容，按照設置規(guī)則進行比較后，最終完成信息保存。上述運行流程需借助數(shù)據(jù)服務總線達成。

2.4 安防功能實現(xiàn)

三維數(shù)字化電廠應當擁有人員定位、關鍵區(qū)域管控等多項功能，可結合人員所處點位，實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)。利用定位系統(tǒng)，標記出人員在電廠內(nèi)的位置，通過屏幕可看到頭像及工號，便于迅速確認實際方位。根據(jù)電廠日常生產(chǎn)活動，可確認內(nèi)部的關鍵區(qū)域，比如配電室與主變等，對該類區(qū)域實施監(jiān)控，操作人員可設置區(qū)域與機組點位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能直接生成立體數(shù)字化圍欄，配備相應的警報與預警等模塊，確保電廠內(nèi)部人員與機組的安全。

（1）借助數(shù)據(jù)接口獲取定位系統(tǒng)信息，取得人員坐標數(shù)據(jù)，并讀取對應的名字與坐標，并通過點場內(nèi)MIS系統(tǒng)，取得工作票等資料，操作人員通過點擊對應的標簽，屏幕自動彈出相關的信息資料。在人員定位顯示，有兩種視圖可選，分別是：總覽視圖，能顯示出全廠的場景，此時直接展示的內(nèi)容僅有人員概要資料；詳細視圖，直接點擊需要查看的標簽及空間，能隨即切換至相應的詳細視圖，此時點擊標簽能隨即獲得人員的詳細資料，以及工作票等內(nèi)容。而對于定位修正，則要結合廠內(nèi)實際位置與數(shù)字化模型中4 處基準點實現(xiàn)[3]。（2）關鍵區(qū)域與機組監(jiān)測。一方面，關鍵區(qū)域涉及到編號、命名、范圍邊界、危險級別等；另一方面，機組監(jiān)測。利用系統(tǒng)設置各區(qū)域與機組的定位數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)字圍欄，可用功能有越線報警、濃度報警等。借助對關鍵區(qū)域與機組的動態(tài)監(jiān)測，有利于維護生產(chǎn)環(huán)境的安全性，預防危險事故，并降低由事故引起的損失。（3）回看異常滯留報警路徑。相關人員能利用數(shù)據(jù)平臺，了解人員移動軌跡，借助接口從定位系統(tǒng)中獲得人員移動的數(shù)據(jù)資料，把其導入到電廠數(shù)字化模型上，完成全程回看，進一步優(yōu)化巡檢流程，支持改進路線軌跡。（4）報表統(tǒng)計。把人員定位融入到考勤管理部分，保留電廠內(nèi)工作者出入某個區(qū)域的信息記錄，平臺管理者能對此類記錄實行高級檢索，如名字、工種及時間等。

2.5 機組全面管理

運用三維數(shù)字化，把機組運行臺賬信息以可視化的形式呈現(xiàn)出來，并將信息插入電廠模型上，利用標識系統(tǒng)編碼，確定機組實際點位，而且支持查找機組實時與歷史運行資料，包含臺賬、檢修記錄、故障信息等。在數(shù)據(jù)平臺上，此類信息均是3D 標簽的狀態(tài)，標記在電廠模型上，通過點擊標簽就能讀取有關資料。

（1）機組臺賬。機組詳情集成了初期設計與運維全程的信息，具體包含：缺陷數(shù)據(jù)與檢修記錄，二者均是有SIS 系統(tǒng)取得；有關文件，主要是機組有關圖紙、廠家提供的文件等；3D 模型，包括單體與測點數(shù)據(jù)，此種模型能隨意旋轉、縮放與移動，而各測點則設置成標簽的樣式，顯示在模型上；工況資料，機組工況信息同樣是由SIS 系統(tǒng)取得；屬性，也就是機組的技術參數(shù)；零部件參數(shù)。（2）鍋爐四管。以Web 端為載體進行模型展示，并與鍋爐測溫系統(tǒng)連接，根據(jù)實際溫度情況，突出相應顏色的管道。首先，動態(tài)檢測和報警具體是把鍋爐機組的水冷壁3D 模型和實時系統(tǒng)內(nèi)容關聯(lián)起來，全程監(jiān)控及報警機組煙溫與壁溫等信息，把對應結果利用3D的形成展示出來，使管理員能直觀掌握實時信息在立體數(shù)字模型上的分布情況。其次，動態(tài)測點攜帶的標簽是各項實時數(shù)據(jù)對應的模型點位，支持增刪、更改。最后，測點信息的動態(tài)呈現(xiàn)，也就是將各個測點內(nèi)容和SIS 系統(tǒng)信息建立關聯(lián)。

相關人員確認某個測點后，系統(tǒng)能顯示出相應測點內(nèi)容，并根據(jù)設置溫度區(qū)間對應的不同顏色，讓人員能快速判斷實際溫度所在區(qū)間，而且支持選定某個時間段，系統(tǒng)自動會生成對應的測點變化曲線。

2.6 VR 技術運用

智慧電廠中的數(shù)據(jù)平臺建設，利用三維數(shù)字化的技術打造系統(tǒng)模型，在此基礎上可借助VR 進一步優(yōu)化場景。比如在鍋爐輔機裝置與檢修中，可利用VR 實現(xiàn)虛擬呈現(xiàn)，甚至具有現(xiàn)場操作的成效，機組零部件有千余個，并達到百萬級的三角面。所以，怎樣基于既有硬件性能，又能構建起詳細、大體量的模型，還需確保場景效果與畫面幀數(shù)至少達到90FPS，是開發(fā)平臺系統(tǒng)需要考慮的關鍵[4]。

以鍋爐機組為例，VR 技術科運用到機組結構、拆裝與啟停三個系統(tǒng)單元中。人員帶上VR 設備，能隨即看到相應的模擬環(huán)境。借助該種運行模式，實現(xiàn)機組結構、檢修流程、巡檢過程以及數(shù)據(jù)資料等內(nèi)容的可視化與動態(tài)交互，這能消除在人員培訓中無法進行實戰(zhàn)的缺陷。

3 結語

為提升自身的智能化水平，電廠應當積極開發(fā)一體化的數(shù)據(jù)平臺。依托于三維數(shù)字化，把電廠建設、運營全程進行集約化處理，實行動態(tài)化管理，將整個電廠實時狀態(tài)通過數(shù)字化的形式呈現(xiàn)出來。同時，電廠需結合現(xiàn)實發(fā)展情況，可以先成為常規(guī)的數(shù)字化電廠，通過不斷升級改造，達到智慧電廠的終極目標。