高文松，王剛，尹金亮，劉正強

(國家電投集團河南電力有限公司 技術信息中心，鄭州 450000)

0 引言

伴隨發(fā)電行業(yè)自動化、智能化水平的不斷提高，電廠數(shù)據(jù)資源呈現(xiàn)多樣化、大量級、高速率等特點。在設計和建造期間，電廠產(chǎn)生大量的設計和建造數(shù)據(jù)；在運行和維護期間，電廠積累大量的生產(chǎn)、管理、維修、診斷、報警數(shù)據(jù)。而電廠數(shù)據(jù)資源利用和整合能力不足，受制于數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)分析能力和工具的限制，數(shù)據(jù)利用水平較低，各業(yè)務部門之間數(shù)據(jù)共享能力不強，在一定程度上制約了電廠業(yè)務的發(fā)展和工作效率的提升。

因此，無論從有效利用數(shù)據(jù)資源，為電力行業(yè)提供更為優(yōu)質服務的角度考慮，還是從目前信息化、智能化技術本身的發(fā)展趨勢角度考慮，利用大數(shù)據(jù)技術，整合各種數(shù)據(jù)資源，打通電廠全生命周期過程中的數(shù)據(jù)孤島，開展三維數(shù)字化電廠項目建設具有重要意義。部分院校和科研院所在電廠地基巖土三維建模、地下管網(wǎng)建設、設備二/三維協(xié)同設計、熱控電纜數(shù)字化布線、設備動態(tài)管理與維修、虛擬仿真互動教學平臺建設等方面已經(jīng)開展了三維數(shù)字化技術的研究和應用[1-6]。

1 數(shù)字化電廠與三維數(shù)字化技術

數(shù)字化電廠包括電廠設計、建設、營運、管理等電廠全生存周期各個過程的數(shù)字化，在建立電廠數(shù)字模型的基礎上，充分利用系統(tǒng)集成、專家系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息處理和通信技術、智能控制和管理決策技術，實現(xiàn)電廠管控的信息化、智能化，最大限度實現(xiàn)電廠的安全、高效、環(huán)保運行狀態(tài)[7]。

三維數(shù)字化技術是建立在數(shù)字化、虛擬化、智能化計算機輔助設計平臺的基礎上，讓對象更立體化、更形象化的一種表現(xiàn)方式。三維數(shù)字化電廠建立的三維虛擬空間，給人以直觀、逼真、身臨其境之感，將不易察覺的設計缺陷、不易理解的設備信息展現(xiàn)給使用者，可以大大提高工作質量和效率。需要說明的是，三維數(shù)字化技術是數(shù)字化電廠的一種表現(xiàn)形式和重要組成之一，而不是數(shù)字化電廠的全部。

在電廠全生命周期中，設計、基建、運行和維護期的海量數(shù)據(jù)源包含了大量的設備設計參數(shù)、運行狀態(tài)和參數(shù)耦合關聯(lián)的重要信息。三維數(shù)字化電廠平臺可以實現(xiàn)電廠全生命周期的數(shù)據(jù)管理，能夠以三維虛擬的形式集成和實現(xiàn)電廠設備三維數(shù)字化模型。平臺具有可擴展性，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)(如廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)、辦公自動化系統(tǒng)(OA)、消防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、統(tǒng)一門戶系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理平臺等)的數(shù)據(jù)通信。此外，電廠員工可在平臺上建立企業(yè)知識庫模型、數(shù)字化流程等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的智能管理和共享，提高發(fā)電企業(yè)的設備管理、監(jiān)控水平和企業(yè)效益。

2 三維數(shù)字化電廠設計及其應用

在項目基建期，運用三維數(shù)字化協(xié)同設計進行建模，為項目提供精準模型和精確材料統(tǒng)計。三維電纜、管網(wǎng)敷設及統(tǒng)計，可以減少管線管材、電纜橋架等材料的不合理浪費，降低工程造價、提高建造質量、縮短建設周期。多專業(yè)綜合碰撞檢查可以提前預判并協(xié)調(diào)設計院、供貨商、施工單位解決碰撞問題，極大地提高作業(yè)效率、確保作業(yè)安全，避免返工和質量問題發(fā)生。重點設備精細化建模和關鍵組件外形搭建，包括汽輪機及燃氣輪機等模型設備，實現(xiàn)關鍵組件的獨立顯示、拆分和信息關聯(lián)管理。三維模型導航系統(tǒng)通過仿真電廠全景模型，可以實現(xiàn)360°全景漫游巡視，電廠運維人員操作虛擬工程師在虛擬場景中漫游，結合預定義交互式場景，實現(xiàn)虛擬仿真安全技術措施布置、閥門等能動設備的操作模擬和拆裝模擬，全面提升業(yè)務水平。

2.1 創(chuàng)建三維信息化模型

2.1.1 二維智能流程圖

以工藝流程圖為基礎繪制智能流程圖，圖中設備帶有電廠標識系統(tǒng)(KKS)編碼且能被激活，實現(xiàn)二/三維模型切換和導航。平臺中二維流程圖與KKS編碼、三維模型及相關設計、施工信息的關聯(lián)和深度結合，實現(xiàn)工藝流程圖可視化管理操作。真空泵板式換熱器出水手閥二/三維模型導航如圖1所示。

圖1 二/三維模型導航圖

2.1.2 三維信息化模型

三維模型以設備廠家、設計院、施工單位的圖紙資料為基礎，根據(jù)現(xiàn)場實際建筑及設備信息建立，將結構復雜、工藝流程繁瑣、圖形平面上無法準確定位表達的源點設施裝置，以直觀性、三維立體化、局部微觀精確化表達，實現(xiàn)以三維模型為核心的數(shù)字化電廠信息(三維模型、工程圖紙和文件等)的可集成化和關聯(lián)性管理。三維模型一般包括廠房綜合布置模型、建筑結構模型、熱機模型、電氣模型、建筑內(nèi)給排水及通風模型等。廠房綜合布置模型如圖2所示。

2.1.3 三維精細化建模

在三維信息化電廠模型建設過程中，可以對電廠中重點設備進行精細化建模，依據(jù)設備外形圖、部件圖及零件圖構建精細的三維設備模型，含設備外形、內(nèi)部結構、能動部件、層次結構，包括幾何外形、材質、設備部件編碼等信息；可實現(xiàn)設備模擬安裝、設備拆解、虛擬培訓、備品備件可視化管理等項目后續(xù)應用。減速器精細化模型如圖3所示。

圖2 廠房綜合布置模型

圖3 機力塔減速器精細化模型

2.2 基建期全過程多專業(yè)綜合碰撞檢查

通過三維建模，除了各專業(yè)對象本身實體的幾何尺寸之外，還需要賦予模型對象操作空間，保溫厚度等信息，在三維空間中發(fā)現(xiàn)平面設計中建筑、結構、熱機、化學、水工、電氣、熱控、曖通全專業(yè)的碰撞，為設備、閥門等需要維護的設施預留足夠操作空間，并定期反饋詳細碰撞清單，協(xié)助電廠解決施工潛在問題，降低建設成本，縮短工期，提升項目建設水平。在三維數(shù)字化電廠信息管理平臺中，能夠自動顯示碰撞點位置及相應坐標，透明顯示碰撞空間內(nèi)的對象干涉情況。典型碰撞位置信息顯示如圖4所示。

2.3 基建期三維電纜敷設及統(tǒng)計

三維電纜橋架節(jié)點數(shù)據(jù)庫以電纜橋架的端接、彎頭、三通、四通、豎井出口等作為節(jié)點，實現(xiàn)電纜的三維敷設，電纜具備路徑計算功能，選擇電纜能夠自動計算電纜的長度，可以導出電纜路徑清單以及敷設設備報表等。三維電纜敷設軟件具有最短路徑優(yōu)化算法，可以根據(jù)三維模型中的橋架走向，自動選擇最短的電纜路徑，減少在施工過程中因為電纜走線不合理而造成的浪費。

2.4 施工模擬

通過三維可視化系統(tǒng)與施工計劃相鏈接，使工程項目提前在計算機平臺實現(xiàn)整個施工過程全周期模擬，將空間信息與時間信息整合在一個模型中，可以直觀、精確地反映整個建筑的施工過程。施工模擬技術可在工程建造過程中實現(xiàn)人、機、料的合理部署，工程流水段的劃分和工序工藝的合理安排，優(yōu)化施工組織設計。通過從無到有的建設過程模擬，可合理制定施工計劃、精確掌握施工進度，優(yōu)化使用施工資源以及科學地進行場地布置，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統(tǒng)一管理和控制，以縮短工期、降低成本、提高質量。廠房施工模擬如圖5所示。

圖4 典型碰撞位置信息顯示

圖5 廠房施工模擬

2.5 虛擬仿真培訓

利用三維虛擬仿真工藝流程模擬能更好地滿足電廠業(yè)務需求，由傳統(tǒng)的二維圖面介紹到三維直觀空間上的轉變，采用直觀的三維方式展現(xiàn)給用戶，讓用戶多方位、多角度更深入理解現(xiàn)場工藝原理，從而更全面地了解整個廠區(qū)運行的工藝流程。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模擬工作流程，掌握每一步操作的設備、設備位置及正確的操作方式，避免實際操作過程中的誤操作。將操作者與現(xiàn)場實際環(huán)境一致的三維虛擬環(huán)境結合在一起。通過構建與標準業(yè)務流程一致的虛擬仿真培訓模塊，可以建立發(fā)電廠的人員培訓系統(tǒng)，形成典型危險點庫、反事故措施預案庫、設備檢修作業(yè)庫、運行操作標準庫等知識體系。操作仿真如圖6所示。

圖6 操作仿真

2.6 三維數(shù)字化信息管理平臺

三維數(shù)字化電廠信息管理平臺具有易維護、可擴展和較高的可用性、開放性、安全性和友好的人機交互界面，具備結構化數(shù)據(jù)檢索、報表定制及瀏覽等功能，采用標準、統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)存取格式，以便實現(xiàn)不同應用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享和交互。平臺能夠與電廠SIS通信，調(diào)取并關聯(lián)主機及重要輔機設備有關機組安全、性能等主要參數(shù)數(shù)據(jù)；能夠與電廠ERP通信，調(diào)取并關聯(lián)設備缺陷、維修記錄及工作

票、操作票信息實現(xiàn)全壽期設備管理功能，調(diào)取并關聯(lián)視頻監(jiān)控信息，作為全廠KKS、設備三維模型和設備靜態(tài)資料臺賬的主數(shù)據(jù)管理源，平臺應預留與其他系統(tǒng)的接口(包括但不限于OA、消防、門禁系統(tǒng)、統(tǒng)一門戶系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理平臺等)，為三維數(shù)字化電廠信息管理平臺能夠與上述系統(tǒng)高效、可靠通信，實現(xiàn)交互管理奠定基礎。這就要求平臺實施人員熟悉電廠運營期管理要求、管理流程，將設計、基建期資料和運營期實時信息與其他平臺相結合，以實現(xiàn)電廠設備管理、檢修管理、物資管理、財務管理等在三維數(shù)字化電廠中的有機融合[8]。

3 結束語

目前，國內(nèi)的數(shù)字化電廠還處于較為基礎的階段，在全工藝與全專業(yè)信息共享和協(xié)同數(shù)字化設計，深層次數(shù)字化建設規(guī)劃和管理，深度利用三維數(shù)字化模型進行運行、安全、技術監(jiān)督、檢修管理等方面，還需要加深研究與應用，通過數(shù)字化信息資源實時共享和深度融合、加工，為電廠各級管理者提供及時、有效的生產(chǎn)經(jīng)營決策信息，實現(xiàn)電廠全生命周期量化、分析、控制和決策。

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