数字化施工过程管理系统研究

文｜孙海星

数字化施工过程管理系统研究

文｜孙海星

信息系统的引入，满足了专业系统的应用需求，提高了施工过程管理信息化管理水平。但由于施工企业业务覆盖面广，单项目的业务范围就涵盖了从设计、采购到施工的全过程管理，各专业系统之间欠缺有机地集成，一定程度上存在“信息孤岛”的现象，无法满足整体管理的需要。同时，整体的信息化水平与国际先进水平还有相当的差距，存在3D模型应用程度还需提高、无法实现设计与施工信息的一致性、项目管理还需深化等差距，这些都制约着企业的业务提升，无法在国际舞台上与同类公司同台竞技，迫切需要建设一个完整的IT系统应用平台来完善提升。

数字化施工过程管理系统平台是需要满足工程设计、采购、建造、调试等多方面的工程管理需求，以达到对工程进度、投资、质量、安全、技术和环境的综合管控的一体化要求，借助先进的数字化设计和管理软件，提高效率、规范管理，并通过信息化平台，最终实现项目建设数据向电厂运营管理系统无缝的数字化移交，为电厂后期的运行和维护提供有效的信息支持与数据支持。

同时，该平台也需要满足业主对电厂日常运营管理维护的需要，尤其是后期维护管理的需要，实现覆盖集团的核心业务领域，从工程设计、施工到后续运营管理的业务链条的全面管理提升。

一、项目目标

项目建设的具体目标是：

● 打通业务链

施工项目综合信息平台需要满足工程设计、采购、建造、调试等多方面的工程管理需求，以达到对工程进度、投资、质量、安全、技术和环境的综合管控的一体化要求，借助先进的数字化设计和管理软件，提高效率、规范管理，并通过电厂工程信息化平台，最终实现项目建设数据向电厂运营管理系统无缝的数字化移交，为电厂后期的运行和维护提供有效的信息支持与数据支持。

同时，该平台也需要满足业主对电厂日常运营管理维护的需要，尤其是后期维护管理的需要，实现覆盖集团的核心业务领域，从工程设计、施工到后续运营管理的业务链条的全面管理提升。

● 提供领导决策支持

施工项目综合信息平台不仅是满足日常业务运营的IT支撑系统，还需要提取项目运行中的海量数据，进行统计分析，并提供管理驾驶舱，为领导决策提供辅助支持。

● 培养一支IT建设和维护队伍

IT系统的建设是复杂的系统工程，参与项目建设的人员不仅需要了解业务运行情况，还需要对IT技术有较为深入的了解，这样才能保证项目的成功。在IT项目上线运行后，也需要有一支独立的IT队伍对系统进行日常运行维护，以保障业务的平稳运行。在该项目的建设过程中，培养内部的一支IT建设和维护队伍，来满足集团对信息化统一管理的要求，更好地支撑各单位的业务运营。

二、技术方案

数字化施工过程管理系统平台（下简称“平台”）提供一套完整的数字化电厂模型，统一提供给业主方，工程公司以及供应商统一的电厂数据视图。通过集中管理项目准备，设计，采购，建安，调试以及移交等不同阶段数据，实现信息的共享，流转和可追溯。通过建立设计需求，设计数据以及建安调试数据之间的配置管理，实现建设与设计数据的一致性和准确性。最终这些数据将实现统一的多维数字化电厂移交。

数字化施工过程管理系统平台的系统架构如下图所示：

数字化施工过程管理系统平台系统架构

整个数字化施工过程管理系统平台由4部分组成：数据层、协同层、应用层和集成层。

数据层包含了3部分内容：3D xCAD接口，3D建模工具CATIA和3D数字化电厂模型。其中3D数字化电厂模型是数据层的核心，3D xCAD接口和CATIA是3D创建、转换和导入的工具。

3D数字化电厂模型的来源有3方面：CNPE设计数据，外来数据和历史数据。

CNPE设计数据来自于设计管理系统，目前主要是AVEVA模型，是CNPE自主设计的电厂的3D模型。通过设计管理系统和平台的接口，把已发布状态的设计模型发布到平台的数据层进行管理。

外来数据是指其他设计公司或供应商提供的模型。例如田湾项目，平台需要接收俄罗斯工程设计方提供的大量3D模型，包括CATIA，Intergraph和UG模型。另外，供应商也应该提供设备的3D模型。各种3D CAD工具提供的3D模型，将通过平台提供的3D xCAD接口导入到平台的数据层。外来数据可能还包含2D图纸，需要通过CATIA的逆向工程转换成3D模型。

历史数据是指已有的电厂设计图或物理厂房。历史数据可能包括各种3D CAD工具产生的3D模型、2D图纸。对于已建的物理厂房和设备，还可以通过激光扫描的方式来得到点云图。各种3D CAD工具提供的三维模型，将通过平台提供的3D xCAD接口导入到平台的数据层。对于2D图和扫描得到的点云图，需要通过CATIA的逆向工程构建3D模型，纳入到平台进行管理。

协同层由2部分组成：系统工程和配置管理。系统工程是一个跨学科的方法，其目的是帮助实现成功的系统，RFLP（Requirement-Function-Logic-Physical，需求-功能-逻辑-物理）模型是实现跨学科全生命周期管理的系统工程的管理流程。配置管理部分管理数据状态和变更，保证数字化电厂与物理资产的一致性。

RFLP模型是系统工程方法论的最佳实践，可以实现对需求模型、功能模型、逻辑模型到物理模型创建、关联和追踪，全面管理支持需求、功能、逻辑和物理及相关的数据，支持跨学科全生命周期管理，如下图所示。

工程需求管理的目的在于准确的捕获业主的需求，作为工程投标和设计的基础，并保证最终交付的电站满足技术、经济和社会等方面的要求。通过客户体验和交互及时捕获业主需求，并对业主需求进行明确的结构化表达，形成需求结构分解（RBS）。提供工程分类、工程结构、建筑和子系统的结构化表达，支持数据重用、设计和投标报价。

功能模型描述了产品（或服务）所起的作用和所担负的职能，针对设计需求，定义系统/子系统所需实现的功能，并确定系统间输入输出关系。平台中的功能模型将按照电厂的特点来进行定义、分析和分解。

逻辑模型是实现功能定义的系统逻辑结构，可以用于系统行为建模与仿真，建立系统级的统一仿真平台。逻辑模型应该基于Modelica统一物理建模语言来构建，Modelica是多学科系统建模与联合仿真系统解决方案的基础。基于CATIA System可以对Modelica逻辑模型进行多学科系统建模与联合仿真系统解决方案。

物理模型通过平台的数据层进行管理，并和需求、功能和逻辑模型进行关联，实现设计的追踪，形成完整的系统工程管理流程。

配置管理部分管理数据状态和变更，保证数字化电厂与物理资产的一致性。电厂对安全性的高度关注要求企业建立严格的配置管理流程。标准化的电站SSC模板是进行配置管理和数据重用的基础。集成、闭环的问题管理和变更管理流程保证了数据的准确性和一致性，并支持设计质量持续改进。

应用层提供了业主、工程公司和供应商等各方所需的工程信息服务。平台的搜索功能提供了基于属性、分类、关键字以及3D检索功能。平台的搜索能力还应该支持海量的、多数据源的搜索能力，以支持智能化的搜索和基于搜索的应用（SBA，Search Base Application）。平台的浏览功能提供了从各个视图对信息浏览的方式，并通过信息之间的关联，可以浏览相关的信息。报表功能提供需求追踪、BOM等常用的报表。通过系统的可视化功能，提供3D的分析、仿真、评审、演示和培训等服务。

集成层提供了和设计管理，采购管理、施工管理、调试管理等系统的集成接口，实现平台和这些系统之间的信息交流和共享。

构件开发均采用J2EE实现，采用J2EE方式进行系统间的通讯与协作。

三、系统平台功能建设

3D工厂数字化评审是一种正式的，流程化的，系统化的，可控制的审查，遍布整个工厂数字化研发过程，在预定义好的项目时间点上进行，验证当前的设计是否与约定的需求保持一致。

3D数字化工厂评审的目标：

● 验证所有规划的任务和交付物已经被完成，并且满足项目特定阶段的成熟度要求

● 确定是否项目应该按计划进行，在继续开始之前进行风险管理分析和重要问题的决议

● 使下一阶段的任务提前进入，推动并行工程的进行

● 减小设计后期出现问题的可能性，降低问题的影响

● 对供应商的外包设计进行协同决策管理

碰撞与干涉分析，在已有3D模型的基础上，在建造前事先发现问题，更新设计，避免建造时才发现问题，实现建筑、结构、电气、管路、设备等多专业间不同布局空间3D数字化工厂的协调，尽早发现设计缺陷，减少设计变更，以最大限度地降低成本和风险。

人机工程应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

人机工程将人在电厂工程环境中的行为进行模拟仿真，提高高危、高辐射环境下人员工作的安全性：

● 工人工作过程仿真

● 最大化操作者的舒适程度

● 比较评估不同的操作方案

● 优化人机操作流程

● 辐射环境下人体辐射量的

虚拟建造是基于4D数字化环境下的可视化仿真平台，验证和规划建设维护的时间表和任务分解，检查设备拆卸时的潜在碰撞，以最大限度地降低成本和风险。

功能需求：

● 检查物理活动之间的冲突

● 检查安全问题

● 尝试不同的施工方法

● 验证和加快施工维护进度

● 捕获和重用知识建设规划

● 规划信息以三维可视化形式展示

虚拟建造维护的益处：

● 降低成本：

◎对建造前的设计错误识别以减少工程变更

◎提前预知建造施工任务间的冲突以减少施工变更

◎优化建造施工任务分解以减少资源浪费

● 施工时间大大缩短：

◎缩短了由于设计或规划失误而造成的工程拖延时间

◎验证重大关键施工任务计划，缩短建设周期

◎缩短关键施工任务的员工学习培训时间

● 降低风险：

◎比较不同的施工方法，对不同施工方案进行验证

◎在交互式的虚拟环境中，安全人员及早发现施工阶段的安全隐患

◎基于3D模拟环境，开展员工培训，提高工人的安全意识

● 改善沟通

◎以三维可视化的形式提供简单易懂的设计与施工信息说明

◎虚拟模拟手段加强工人，工程人员，高级管理人员和客户之间的信息沟通

动态三维技术在设计、建造以及虚拟工厂规划领域变得越来越重要。相比于传统的二维简图表示及施工维修文档说明的方法，三维可视化的手段不仅对三维设计信息进行重新利用，并且直观清晰，有利于操作人员理解施工维护意图，形成企业的智力资产。

虚拟培训是利用虚拟现实技术生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，学员通过运用某些设备和相应环境的各种感官刺激而进入其中，并可根据需要通过多种交互设备来驾驭环境、操作工具和操作对象，从而达到提高培训对象各种技能和学习知识的目的。

这种培训的方式的优点在于它的仿真性，超时空性，自主性和安全性。在培训中，学员能够自主结合虚拟培训场地和设施，而学员可以在重复中不断增强自己的训练效果；更重要的是这种虚拟环境使他们脱离了现实培训中的风险，并能从这种培训中获得感性知识和实际经验。

虚拟体验是用户使用前期的三维数字化工厂模型，交互式地浏览、体验电厂工厂，逼真的三维可视化工厂造型，厂区，设备，系统，电气，管路等，让用户更容易理解工厂环境及运行状况，三维可视化培训，提高员工培训的学习效率，以及在线操作中的准确性和有效性。

● 在体验环境中进行可视化评审

● 基于逼真体验为设计与评审提供有利补充

● 通过为学员提供三维可视化体验内容，提高学员在操作前（培训）的准备效率和操作中（监测或在线帮助）的工作效率。

四、结论

数字化施工过程管理系统的实施可提升施工管理能力，为标准化的设计提供工具及基础，并为业主的后期运维提供更为先进、直观的手段；进度管理的有效提升使项目各方更容易达成共识，形成有效的工程管理知识体系，从而保证项目的工期及为后续工程提供经验；该平台的建设对工程管理的各方面能力提供了更强的管理能力，它将可全面提升工程的预算及费用管理水平，使其更加准确，进一步提公司的管理水平，为在国际工程中提供竞争的可能。

作者单位：北京中核华辉科技发展有限公司