核電廠地下管網結構化數據建模研究

李 友，張夢雪，劉 聰，蘇宇琪，吳德成

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在設計數字化轉型過程中,中核工程制定了統一的頂層規劃并相應開發了若干個專業子平臺,以支撐專業人員設計活動、輸出符合規定的數字化交付品。其中,核電廠室外工程相關設計依托“室外工程設計平臺”實現。在室外工程設計平臺的系統開發過程中,充分考慮了室外工程設計各參與專業的需要,將設計工具軟件集成到平臺系統中,打通設計工具軟件和平臺之間的數據交換,實現設計數據的使用和管理。

1 地下管網設計的特點

核電廠地下管網設計在業務層面、數據來源層面及數據應用層面有其特殊性,具體如下：

業務層面,地下管網設計具有參與專業多、管道種類多、布置要求多的特點。核電廠地下管網設計內容主要包括兩類：地下廊道和地下直埋管道。地下廊道包括循環水進/排水廊道、重要廠用水進/排水廊道、綜合技術管廊、不同電壓等級的電纜溝等,地下直埋管道包括雨水管道、生活污水管道、含油廢水管道、次氯酸鈉管道、消防水管道、生活給水管道、生產水管道、通信管道、壓縮空氣管道、氫氣管道等。另外,在工程實踐過程中逐漸形成了以廊道為主、直埋為輔的布置方式[1-3]。

數據來源層面,涉及到的設計軟件和數據發布者比較復雜。在設計過程中由不同專業按照業務分工、使用不同類型的設計軟件完成設計任務,形成設計數據、幾何模型和圖紙文件。當存在設計接口和分包的情況時,同一專業的設計成果可能也是來源于不同設計軟件。

數據應用層面,工程對管網設計屬性數據的應用需求在逐漸提高。地下管網設計施工對最終成果的應用要點有以下方面：管網內容齊全無漏缺、空間關系清晰且合理無沖突、設計變更及時體現。這些要點決定了數據應用層面上既要包括數據又要包括幾何模型,甚至一定程度上幾何模型重要性更突出。同時,隨著BIM相關技術的成熟應用,類似材料統計、爆管模擬分析、設計數據可視化等功能要求也逐步成為常態。實現功能應用的第一步,是打破數據孤島、實現結構化數據集成。如果采取開發軟件接口的形式進行設計工具軟件的集成,在平臺系統開發過程中需投入大量人力和費用。當涉及的設計工具軟件較多時,這種應對方式是被動的,顯然不是最佳選擇。因此,還需要考慮一套更合適的解決方案來應對上述不利情況。

2 研究現狀

通過對相應關鍵詞的檢索,了解到目前有關結構化數據建模的研究主要集中在以下幾個方向：

1)基于Dynamo的結構化數據建模：Dynamo是Autodesk Revit平臺的開源插件,以一種可視化編程語言支持用戶對計算邏輯和流程進行預定義,通過設計輸入、軟件計算處理和軟件輸出的基本邏輯解決建模問題。由于具有可視化的特點,對無編程語言學習基礎的初學者較為友好,可以通過快速學習掌握軟件的使用。

2)無人機傾斜攝影建模：傾斜攝影建模是使用同一無人機飛行平臺上搭載多臺傳感器,從垂直、傾斜多個角度同步采集大量影像數據,再根據影像數據生成實景模型的一種建模方法。目前使用較多的是五鏡頭相機,分別從正攝和前、后、左、右五個方位進行數據采集,再配合定位模塊獲取位置和姿態等信息。數據采集完畢后進行質量分析,質量滿足要求的數據在專用軟件中處理,最終快速生成三維模型[4]。傾斜攝影建模方式具有建模尺度大、效率高、軟件操作簡單等優點,所建模型真實感強,紋理和色彩逼真。

3)激光點云建模：激光點云是使用三維激光掃描技術對已有建模物項進行掃描以獲得點云模型的建模方法。三維激光掃描技術是對物項表面進行高分辨率掃描,獲取大量的點以及三維坐標、反射率和紋理等信息。獲得數據后再使用專業軟件對點云模型進行拼接、去燥、匹配、修補等工作,形成完整的物項點云模型。三維激光掃描技術支持快速、連續的掃描方式,可獲得物體表面三維點云數據,精度較高、操作方便,適用于小規模精細模型的構建。

4)物探成果數據建模：物探成果數據建模主要用于城市既有地下管網的逆向建模,涉及電力、通信、光纜、給水、雨水、污水、天然氣等地下管線以及路燈、配電柜、交換機、消防栓、雨水井、雨水篦井、支墩、閥門等多種管線附屬物。操作層面,一般采用工程物探方法對區域地下管網進行探查,獲得地下管道及附屬物的相關信息作為地下管網信息模型建立的基礎數據。然后在相應的軟件中進行輸入、匹配,自動創建模型并匹配屬性、連接關系等。

為了統一技術要求,保證地下管線探測成果數據質量、規范作業方法和驗收標準,目前國家及行業層面均出臺了相關標準,主要包括CJJ 61—2017城市地下管線探測技術規程[5]、GB/T 41455—2022地下管線要素數據字典[6]、GB/T 29806—2013信息技術地下管線數據交換技術要求[7]等。

3 實施方案研究

3.1 技術路線選擇

從業務需求層面分析,設計端對地下管網結構化數據建模的需要主要體現在以下兩個方面：

1)集成非建模軟件來源的數據和模型。在設計過程中,平臺系統里集成的專業設計工具產生的數據是預定義的,可被讀取和識別的。但是,設計分包單位是不能使用開發的平臺系統的,并且他們使用什么類型的專業設計軟件、產生什么格式的數據文件也是難以控制的,所以怎么集成他們的設計數據是個難題。從利于數據交換的角度看,采取與源軟件解耦的、結構化數據的形式是最準確和最簡單的。

2)電廠已有管線數據集成和模型融合。在設計過程特別是改造項目的設計過程中,需要重點掌握和考慮已有管線對新設計管線的影響,包括接入點、空間關系、施工開挖影響等。考慮到電廠建設周期一般很長,建設過程中地下管網的增加、廢除、改線等活動頻繁,相對于收集資料重新翻模的方式,物探建模更準確、更便于操作。

綜上,物探成果數據建模的方式更適合目前的需要。

3.2 研究目標

建立一套適用地下管網結構化數據建模的方案,既可以得到幾何模型又可以將模型與結構化數據(屬性數據)建立準確的映射關系,實現通過結構化數據建立管道和節點模型。

3.3 研究內容

3.3.1 建模方法

參考國標及行業標準的做法,考慮將管道按照組成關系抽象為兩類物項：雨水管、電纜、套管等抽象為管段,雨水井、配電柜、手孔井等抽象為節點。通過對節點進行管道的定位,通過結構化數據中的關系進行管段與節點的匹配,同時再將設計、建造、運維中關注和需要的屬性分別賦予節點或管段,最終達到建立幾何模型及匹配屬性的目標。

3.3.2 管網數據梳理

管網數據的來源需要依賴業務活動的梳理和歸納,對地下管網管道和節點種類、需包含的設計屬性、施工及管理所需數據條目等內容進行詳細分析整理,形成數據梳理成果。

1)管道類型和屬性：地下管網主要涉及的管道種類包括雨水管道、生活污水管道、生產廢水管道、生活水管道、消防水管道、工業水管道、采暖管道、電氣管線、通信管線、儀控管線、氫氣管道、壓縮空氣管道等。通過對管道屬性的分析以及對同類型管道進行合并,形成四種類型,具體如下：

a.重力流管道,種類包括雨水管道、生活污水管道、生產廢水管道等;屬性包括管道名稱、管道內徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長度、管底標高、起終點定位坐標。

b.壓力流管道,種類包括生活水管道、消防水管道、工業水管道、采暖管道、氫氣管道、壓縮空氣管道等;屬性包括管道名稱、管道內徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長度、管中心標高、起終點定位坐標。

c.電儀管線,種類包括電氣管線、通信管線、儀控管線等;屬性包括管道名稱、套管內徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長度、管中心標高、起終點定位坐標。

d.氣體管道,種類包括氫氣管道、壓縮空氣管道等;屬性包括管道名稱、管道內徑、外徑、管材類型、管材名稱、管段長度、管中心標高、起終點定位坐標等。

2)節點類型和屬性：地下管網的節點類型主要包括檢查井、手孔井、水表井、箱變、配電柜、路燈等,屬性包括類型名稱、編號、定位坐標等。

3.3.3 數據格式定義

為了保證結構化數據的質量,需要從數據層面對涉及到的字段進行限定和規范。根據管網數據梳理結果,對兩類物項進行元數據的整理和定義,形成統一的數據文件模板(見表1,表2)。

表1 管段元數據

表2 節點元數據

3.3.4 建模流程

在實際操作過程中按照以下步驟完成結構化數據建模：第一步在Access軟件中分別按照管段和節點的元數據建立起兩張數據表,設置數據類型和約束條件,數據表文件格式存儲為*.MDB;第二步將已知的坐標信息、連接信息、附屬物信息、標高信息以及其他管理類信息錄入或導入數據表中,檢查數據的格式和完整性;第三步在GIS建模軟件中讀入*.MDB文件,并建立好元數據的映射關系;第四步根據人機交互情況進行必要的數據修正或格式調整;第五步在軟件完成自動建模并賦予模型相關屬性值(見圖1)。

4 模型應用

4.1 模型綜合及可視化展示

通過結構化數據建模可以擺脫對專業設計軟件的依賴,以一種便捷的方式實現對已有管線的建模。在設計過程,可以將結構化建模作為設計軟件建模的補充,根據需要選擇合適的方式。

結構化數據建立的地下管網模型可以與無人機模型、其他專業建模軟件的模型進行融合,按照特定的基點或工程坐標進行成果組織,獲得內容豐富的綜合模型(見圖2)。在綜合模型中,地下管網可顯示精確的外輪廓、可使用不同顏色標識不同類型的管道,顯示其準確的空間關系,以更直觀的形式去觀察。為防止動土開挖對直埋管線造成損害,直埋管線模型可顯示和查詢完整的三維數據信息,包括坐標、標高、長度、管徑等內容。結合應用軟件提供的瀏覽功能,還可以進行量測、剖切、注釋、多角度瀏覽等。

4.2 碰撞檢查

結構化數據建模方式建立的模型可以與其他軟件建立的模型進行碰撞檢查,準確性等方面,與建模軟件建立的模型無差異,可以實現碰撞問題一鍵檢查、一鍵定位、注釋說明、詳情查看、問題解決跟蹤等功能應用(見圖3)。

4.3 統計分析

結構化數據建模過程中將管道的連接關系、流向、壓力等拓撲關系一并帶入,基于此可以實現一些統計分析和判斷功能：

1)設備和材料統計。基于管件或管段的屬性字段進行分廠區、分區域篩選和統計,應用于設計階段材料清單出具、建設階段材料準備和管理、運維階段設備備件及維修更換管理等。

2)破管分析。結合一些壓力和流量傳感器,可以在運維階段進行壓力管道破管分析,快速診斷和定位,解決破管問題。

5 結論和展望

本文提出和驗證了一種適用于核電廠使用結構化數據建立地下管網管道和節點模型的方法,利用該方法可以擺脫對特定建模軟件的依賴,在設計過程中解決某些管道建模和數據賦予的問題。

數字化設計專業子平臺均為多項目管理的平臺系統,未來在平臺中會同時存在多個設計項目,結構化數據建模需要重點考慮以下幾個方面的問題：

1)元數據的統一,雖然目前建模軟件支持自定義元數據,但出于整體統一的考慮,需要建立和使用同一套元數據標準,對可能使用到的字段都做好定義和約束,確定數據文件格式和配置,這也有利于未來便捷的方式來檢查數據質量。同時,在元數據建立過程中宜與現行相關國家標準相統一,可參照GB/T 41455—2022地下管線要素數據字典等確定。

2)數據擴展,目前元數據的定義僅限于設計數據,考慮模型應用需要增加諸如建設日期、建設單位、權屬單位、使用狀態、維修情況等一系列字段,以便于更好的實現多元化功能,體現數據的價值。

3)管道和附屬物編碼,在元數據定義過程中宜同步進行管道類型和附屬物(檢查井、設備等)的統一編碼,以便實現相關屬性之間以及與模型元件庫的關聯。管道分類代碼可參照GB/T 29806—2013信息技術地下管線數據交換技術要求,設備代碼可參照GB/T 50549—2020電廠標識系統編碼標準[8]等。

4)材料庫統一,為了實現相關設計數據向下游建設和采購端延伸,需要考慮統一的材料庫,對地下管網需要用到的各類材料進行統一管理,保證在統計和算量環節能足夠精確。