基于BIM三維建模與實時數據交互的電廠管理系統設計與應用

鐘朝暉

（大唐佛山熱電有限責任公司，廣東 佛山 528500）

1 BIM三維技術與數據實時交互技術

1.1 BIM三維技術

建筑信息化模型（BIM）是一種融合了建筑學、幾何學、工程學等技術，應用關于建設工程項目設計、施工及運營全生命周期內的統一信息模型，該模型包含了過程中所有的信息，在建設的不同階段，各個參與方可以基于統一的信息模型，將各自的工作融合于信息化模型，彼此之間相互協調，在這個工程項目中進行各類不同專業的決策與應用，實現了不同階段信息集成與共享，以及工程信息的三維可視化應用，不僅大大提高了建設工程的質量和管理效率，同時節約了工程成本[1]。隨著BIM技術的不斷發展，其應用領域也不斷擴大。

BIM在建設工程中可實現多種不同的效果，幾乎能夠滿足不同階段的各種需求，如將專業化、抽象化的二維建筑設計進行形象化描述，實現建筑效果圖與動畫展示，依據建設過程中常用的橫梁、平板、柱子等建筑組件開展施工圖設計，甚至在建筑結構設計效果審核中運用BIM技術等[1]。

1.2 數據實時交互技術

數據實時交互技術是一種分析數據的常用方法，其核心是通過獲取用戶每一次的輸入數據，分析數據之間算法關系及相互聯系，以此來根據不同任務和目標獲取與之對應的結果[1]。由于傳統數據查詢模式算法成舊，獲取結果不準確，獲取效率不高。實時交互式數據查詢方式不僅能能夠準確獲得結果，同時能夠對交互過程進行分析，是近幾年研究的熱點內容之一[2]。對現有的實時交互式分析理論基礎、模型數據分析過程以及系統框架進行研究，是更好地利用實時數據交互技術的前提。

數據實時交互技術所研究的主要內容包括交互級響應時間、對跨模態數據的支持、實時交互式分析系統的實現等。實時交互式分析算法理論基礎主要涉及不同的算法，包括近似查詢處理算法、非結構化數據查詢算法和數據流算法等[2]。依據對數據處理的要求的不同，通常采用不同的獲取方式，如在近似查詢處理算法中SQL最常用的是聚集查詢，對于近似查詢處理引擎，查詢數字的實現在算法層面主要采用離線采樣技術。

數據采集的方式和手段隨互聯網技術的發展而產生了巨大的變化。非結構化數據越來越多地被應用于數據存儲中，由于數據本身特點，該類數據已不再適用于傳統的查詢方式，因此需要依托新型的非結構化數據算法設計。通常包括時空數據交互查詢技術、圖像數據交互式查詢技術和其他非結構化數據交互查詢技術等[1]。

數據流算法可認為是一個由海量數據組成的數據序列，通常采用亞線性空間數據結構查詢功能來實現該特殊類型數據結構獲取，常用方法有隨機采樣、直方圖采樣、頻繁項采樣、小波略圖及分位數采樣等方法，同時這些技術也常用于一些復雜的分析查詢。

1.3 基于實時數據平臺的電廠功能定位

1.3.1 電廠信息系統的組成

電廠實時數據平臺信息系統通常由過程自動化系統、廠級監控及信息系統和管理信息系統組成，與之對應的是面向生產運行操作者、面向生產和技術管理以及面向行政和經營管理。自動化系統是指該發電廠內的一級監控系統，通常包含單元機組的DCS系統、主控室的網絡系統、化水車間的化水程控系統、電氣車間運動的RTU系統、燃料車煤的運輸系統及燃油程控系統，這些系統多少和規模大小與電廠的有機容量往往相一致，裝機容量越大的機組監控系統就越好[3]。廠級監控信息系統的主要功能是完成發電過程中的綜合管理和系統檢測，最核心的作用是實現實時歷史數據的服務功能，在其價值方面主要體現在包含了SIS范圍的各種系統應用。管理信息系統主要用于滿足電廠內部管理，實現現代數字化的管理系統，主要有辦公自動化、技術監督管理、物資管理及計劃管理等模塊，這些模塊的功能和實現功能的程度都與發電廠MIS系統的軟硬件有密切關系，根據實際的需求選擇。此外對于電廠信息化的分類還有其他方法，但不管那種方法，都能實現用于生產工藝的管理部分，只是這些部分的歸并不同而已。

1.3.2 SIS系統的組成

SIS系統的體系結構包括多個程序，主要功能如下：實時/歷史數據服務系統主要實現數據的基礎保存和歷史數據的更新與記錄；實時數據采集系統主要實現該過程中各個環節的畫面采集，時刻保持所獲得的信息為及時所需；生產過程分析系統主要實現將獲得的數據進行分析，獲得定性的規律，指導今后的部署安排；客戶端組態顯示系統會將所收集及分析的結果展現在預先設置的系統中，直觀顯示不同因素之間的影響。

將SIS系統實時數據采集系統中獲取的數據經實時/歷史數據服務系統分析后，會以多種數據格式存儲在固定的存儲系統中，主要包括對廠級性能計算的風險、負荷優化的分配方法、設備壽命的計算等。此外，客戶端組態顯示SIS系統畫面，并以數據模型圖像的方式展現出來，從而使得用戶可查看實時數據、歷史數據及分析結果。

2 RTDP的功能框架

2.1 RTDP框架介紹

電廠實時數據平臺（Real-Time Data Plant, RTDP）是實現數據實時交互的核心框架，主要有如下功能。一是為計算機網絡上的各用戶提供從電廠中獲取的各種數據，主要包括化水過程、傳輸過程、燃油程控系統等。這些數據主要來自系統自帶的數據和實際工作中產生的數據，該過程能夠對數據采集的全過程進行監督控制，靈活地實現對全過程數據的實時把握。二是通過使用計算機內預置系統和軟件對收集的數據進行清洗和壓縮，將得到的數據進行整理匯總，同時按照固定的數據格式將其存儲，方便今后的查詢和使用。三是RTDP歸根結底還是一個基礎數據化管理系統，因此要實現底層數據之間的關聯和銜接，確保得到的數據準確性。

電廠實時數據平臺在接口方面也實現了數據輸入和輸出接口，輸入接口通常具有普遍性。由于大多數電廠實現流程工業，因此在實際工作過程中，即使同一廠家，所使用的計算機基礎系統也不一定完全相同，在進行數據交換或者結果驗證時存在很大的困難，此時就需要將不同規約數據存入RTDP的系統中，因此會有輸入接口。RTDP系統具有適用于多種設備的眾多類型數據接口，但是在接收數據存儲時還需要遵照開發時的內部協議進行數據傳輸，此外，由于許多電廠已經進行了管理信息系統的建設，這對于向電廠的管理信息系統傳送實時生產和歷史數據，為過程分析系統提供數據源，以及提高用戶的二次開發能力具有重要的意義。

2.2 RTDP與SIS的關系

RTDP是SIS系統的重要組成部分，同時兩者實現各自的功能，但是RTDP作為SIS的一部分，為各種電廠所開發的不同系統的分析數據完美結合到SIS系統提供了重要的方法和依據，兩者關系如圖1所示。

2.3 RTDP與實時數據庫的關系

RTDP是一個基礎模塊，又稱為“實時/歷史數據服務”，實時數據庫通常由歷史數據庫、實時數據庫、采集模塊、回送模塊事件記錄等組成。RTDP在上述模塊的基礎上，還實現了輸入（輸出）口標準化、用戶自定義界面及專家模塊目錄服務等功能，使得兩者之間的功能對接更加密切，也使得RTDP更適用于電廠建設的SIS建設。

3 電廠實時數據平臺的體系結構

3.1 實時/歷史數據服務程序

實時/歷史數據服務程序是該系統最主要內容，該系統的主要任務是接收和傳輸在設備實際工作過程中產生的數據，對于接收到的不同格式的數據進行格式轉換和統一化處理，確保實現不同環境的需求。其實平臺在提供數據的過程中，需要將實時數據或者歷史數據打包分裝，高效傳給其他程序，主要包括實時I/O設備模塊、歷史I/O設備、實時數據緩沖模塊、日志管理模塊及實時數據管理模塊等。通過實時/歷史數據服務程序，不僅將所需的數據進行了格式化保存，同時對數據的準確性進行了初步驗證，如果數據的記錄不準確，或者存在異常結果，可通過篩選功能將其單獨保存，同時對數據存在異常的原因進行分析。

3.2 實時數據的處理流程

該模塊的主要任務是將所獲得的實時數據打上時間標簽后進行重新處理，同時將數據送到服務器的數據隊列中。將服務器中的數據進行處理，如在線壓縮等，目的是將得到的數據以最小體積、最快速度和最高質量進行分析，同時根據數據產生的優先級順序、約束所限制條件等因素進行排序。對于緩沖區的數據進行數據格式轉換，經過這個環節該程序將現場各點的實時數據進行壓縮后，作為歷史數據存儲，如果想在客戶端上獲取歷史某天的數據，則通過壓縮模塊就能輕松獲得指定時間的數據。可見在處理過程中，最主要的是完成了各種格式數據類型的轉換，達到了數據類型歸一化的效果和目的，對于后面設計數據接口具有重要的作用。

3.3 輸入接口的具體設計

對于輸入接口的設計可以根據不同的需求有不同的設計，其中一種是客戶有冗余需求的，一般會配置計算機控制實際工作，一臺用于正常工作，另一臺用來備用，在此過程中會使用串口心跳線將其連接起來，實現彼此之間的信息傳遞。此外，由于這套系統軟件有自動監測功能，即每隔設置的一定時間和網絡，分別相互檢測一次并交換狀態數據，智能偵測對方的工作狀態，如果在檢查過程中有意外因素，就可以向服務器發送宣告信號[4]。該設計克服不同設備接口之間數據不一致的弊端，提高了數據傳輸的效率。

3.4 輸出接口的具體設計

由于對實時數據的讀取必須遵照相關的開發內部協議，因此，在輸出接口的設計過程中必須提供一種標準的且使用方便的方式來實現數據的讀取和寫入，利用分裝的思想將所有的內部通信協議、文件格式、壓縮算法等復雜的處理看作一個黑箱子，通過這個黑箱子不僅能對不確定的因素進行意外測試，同時還能增強系統的意外防范能力，對于系統整體性能具有重要的作用。此外，在設置協議傳輸方式的過程中需要考慮軟件的使用環境，同時設置攔截功能，當處于不安全的環境時，系統能夠發出信號，觸發攔截設置，將其直接過濾掉，并提供相應功能的方法屬性和事件使其調用，這就能夠達到設計出我們所需要的用于輸出接口的目的。

上述各個部件之間的物理組建雖然看似獨立，但是在數據傳輸的過程中是以其作為基礎的，因此彼此之間在功能和實現等方面都存在密切聯系，各部件之間只有相互配合才能實現眾多功能，才能實現數字化的統一協調管理。

4 BIM三維技術及數據交互電廠融合的應用

4.1 信息庫建設

利用BIM三維技術和數據交互式融合構建基本信息庫，該庫不僅包含在實際建設過程中會用到的基本的各類建筑要素三維模型，同時各種不同的模型之間存在內在的聯系，這些聯系使得模型在不同的建設環節過程中具有明顯不同的作用，扮演不同的角色[4]。所有在建設過程中的基本的三維BIM模型構成了今后會用的所有的基礎數據模型。此外在基于實時數據交互的機制中，能夠實時獲取和更新三維系統模型中的所有數據，兩者的有機結合是構建基礎信息庫最核心的內容，同時也是最重要的應用方面之一。

4.2 BIM模型組織創建

在使用BIM建模的過程中，確定其應用范圍和實際詳略要求是開展建模的第一步，同時也是最重要的內容。在電力建設工程中，需要根據實際的電力設備需求，確定工程的規模及各個部件的構成難易程度，這些環節的確定需要專業技術人員開展一系列的勘察后方可確定。在應用BIM技術的過程中，如果使用其進行內部所有零件的建模，這種模型的數據量會異常復雜龐大，但是如果能夠實現數據交互就可以輕松解決該問題。

5 結束語

BIM三維建模和數據交互式模型構建是數字化電廠設計的重要研究內容之一，本文在介紹BIM三維建模和數據交互式理論的基礎上，構建了基于實時數據平臺的電廠功能定位和電廠實時數據平臺的體系結構，最后提出了重要的應用方面和今后可能的發展方向。