数字化技术在电力工程中的应用

何姜江，袁多亮

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

随着新一代信息技术及智能化软件在工程建设领域的广泛应用，电力行业的信息化建设不断向前推进，数字化交付、智能工厂建设成为工程公司的必然选择。数字化技术的进步，对传统工程公司的工作模式产出了巨大的挑战。业主对工程项目的要求越来越高，这对工程公司设计技术和管理水平提出了更高的要求[1-2]。数字化设计技术如何在工程全生命周期中应用，设计成果如何在工程各参建方中得到有效利用，以提升工程质量和管理水平，是现阶段业主对数字化设计技术关注度的集中体现。对工程公司而言，数字化工程不仅是一个交付物，更是一种全新的项目管理模式和理念，即对项目数据、信息的全生命周期下的一体化集成管理。数字化工程管理模式的运用，不仅能将设计、建造、运行等各阶段的工厂信息进行关联，而且在工厂建设阶段，采用该模式能起到缩短建设周期、节约建设投资的意义。本文从工程公司的角度全面阐述数字工厂的建设[3]。

1 数字化工程方案

为了满足业主对数字化工程的高要求，提出一种数字化工程方案，该方案覆盖工程设计、采购、建造、移交、运维等工程全阶段，涉及勘察设计单位、施工单位、监理单位、业主单位等工程各参建方的协同参与。

数字化工程方案应用于江西某百万机组工程，实现全厂区、全专业进行数字化设计，建造全过程实现数字化管控，并将全阶段的数字化成果完整移交给业主，为后续电厂的运维和管理提供支撑。在工程的设计阶段，由工程协同设计管理平台负责管控不同设计专业、不同设计平台和软件之间的协同设计。在工程的建造阶段，由工程建设管理平台负责管控工程各参建方之间的协同工作。两个平台共同创建出的工程信息模型(engineering information model，EIM)，通过数字化移交平台分阶段移交给业主，帮助业主及时了解工程建设情况，控制投资费用、掌握工程进度，辅助管理决策。数字化移交平台为工程参建方提供一个高效的信息共享平台，并为后续电厂的运维和管理提供重要支撑。工程竣工后，业主同时获得实际的物理工厂和虚拟的三维数字化电厂。

1.1 整体框架

数字化工程的整体解决方案框架如图1所示。在工程设计阶段，由工程协同设计管理平台负责管控不同设计专业、不同设计平台和软件之间的协同设计。在工程的建造阶段，由工程建设管理平台负责管控工程各参建方之间的协同工作。两个平台共同创建出的工程信息模型，通过数字化移交平台分阶段移交给业主，帮助业主及时了解工程建设情况，控制投资费用、掌握工程进度，辅助管理决策。数字化移交平台为工程参建方提供一个高效的信息共享平台，并为后续电厂的运维和管理提供重要支撑。工程竣工后，业主同时获得实际的物理工厂和虚拟的三维数字化电厂，通过平台维护，实现物理工厂和数字工厂信息同步。

图1 数字化工程方案框架

1.2 平台组成

数字化工程方案由工程设计协同管理平台、工程建设管理平台和数字化移交平台组成。

1)工程设计协同管理平台

数字化协同设计管理平台是工艺及电控设计平台、机械布置设计平台、土建设计平台及其他数字化专业软件之间的集成。

平台以工程过程文档、数据、模型的管理和使用为核心，以计划、任务、表单为驱动，以提交、审批、分发为协作方式，完成了工程的角色定义、流程定制、内容管理和过程控制，实现了全阶段、全专业的协同设计管理。设计平台包括三个子平台，包括以COMOS软件为基础的工艺系统、电控数字化设计平台，以PDMS软件为基础的机械布置设计平台和以Revit软件为基础的土建设计平台。建议数据中心，实现数据中心与各子平台间数据的双向贯通，进而实现各子平台间数据无缝交互、实时共享和高效协同，所创建的数字化模型精确，属性信息完整，工程出图内容全面、信息丰富、图例规范。

2)工程建设管理平台

工程建设管理平台是一个信息集成、资源共享、功能强大的管理平台，包含了档案管理、计划管理、设备管理、物资管理、工程管理、质量管理、安健环管理、基建财务管理等管理模块。平台以计划管理为龙头，项目进度为主线，工程合同为核心，设备物资为基础，安全质量为保障，财务为稽核，办公自动化为手段，图纸档案为载体，覆盖电厂建设全过程。平台对工程合同、设备采购、工程施工进度及变更、工程质量、工程档案进行全面化管理，实现业主采购方、监理方、施工方及分包单位同一平台协同工作，用数字化手段协调参建各方的管理，为数字化移交提供支持。

3)数字化移交平台

数字化移交平台基于内容管理数据库对模型文件、电子文件进行管理；基于关系数据库对设计对象、数据进行管理；用Navisworks插件,实现二、三维模型的展示与导航，并查看相关图纸及文档。在设计数字化移交的支撑下，数字化移交平台能够实现施工模拟、设备采购的可视化管理、与电厂资产管理系统(enterprise asset management，EAM)、监控信息系统(supervisory information system，SIS)集成，为电厂的建设、运行、检修、技改、可视化培训提供重要的数据支撑和开发平台。

1.3 数字化工程优势

与传统二维设计相比，采用数字化协同设计，各专业在数字化环境完成各自的设计，并自动生成施工图和材料报表。施工图设计深度满足了工程的工厂化预制和现场施工要求，设计效率与质量大幅提升。

数字化电厂系统集成了电厂各阶段数据和图纸，与图纸档案管理系统有机结合，提高了数据查询质量及效率，减少了人工投入，有效节省了管理运维成本。

利用数字化技术，及时识别危险源、方案模拟、可视化安全交底等应用，提升项目安全控制能力，能帮助项目经理从容指挥控制生产，大幅提升精细化的管理水平，降低成本，实现应收尽收，减少管理人力物力[4]。

2 数字化工程信息模型应用

2.1 信息模型

通过协同设计平台和工程建设平台，实现模型属性实时更新，保证模型信息准确无误，图2可见数字电厂模型与物理电厂模型高度一致。工程信息模型设计阶段的几何属性、性能属性、适用系统属性等及其相关设计文档，都可通过协同设计管理平台查阅。采购阶段的厂家信息、价格信息、供货信息、运输信息等及其相关文档可通过工程建设管理平台查阅。建造过程中的安装信息、连接信息等及其相关文档也可通过工程建设管理平台查阅。针对移交后的运维阶段，工程信息模型提供了运行指标属性供运行人员与实际情况对比判断系统可靠性。数字电厂属性信息完整，包括设计、采购、施工、运行各阶段的数据，比如设计图纸、产品信息、安装信息、维护信息等，如图3所示。

图2 数字电厂模型与物理电厂对比

图3 数字电厂属性信息示意图

2.2 模型应用

1)设计阶段工程信息模型应用

从初步设计到竣工图设计的整个设计期内采用了数字化设计手段创建工程信息模型。投标阶段完成了工艺仿真、系统设计、布置方案建模和工程量优化。初步设计阶段完成了主要设计原则拟定、材料规划(SPEC定制)、工程数据库准备、工艺系统设计、布置方案模型深化和工程量优化。司令图阶段完成了工艺系统设计深化、布置方案深化和工程量优化。施工图阶段完成了机械(工艺系统、布置)、电控和土建各领域各专业的施工详图设计和材料统计。

2)采购阶段工程信息模型应用

通过工程信息模型的建立，将数字化模型、材料报表与物资采购系统集成,实现物资采购可视化、精细化管理。为业主提供数字化采购支持，业主可以通过数字化移交平台获得采购所需的数字化信息。在产品询价阶段，提供建设电厂所需的设备和元件的技术规范书，指导业主按照设计需求向各厂家询价。在合同签订阶段，提供准确的设备以及零部件的具体型号和精确数量，便于合同的签订，减少浪费。一体化的设计采购流程保证了采购的物资和设计的一致性，保障了采购质量。

3)建造阶段工程信息模型应用

运用数字化技术，建立用于进行虚拟施工和施工过程控制、成本控制的模型。该模型能够将工艺参数与影响施工的属性联系起来，以反映施工模型与设计模型间的交互作用。通过数字化技术，实现3D+2D(三维+时间+费用)条件下的施工模拟，保持了模型的一致性和可持续性，实现虚拟施工过程各阶段和各方面的有效集成。运用互联网和云技术，施工现场人员可使用移动终端设备异地实时访问数字化模型及文档，实现可视化施工指导和可视化图纸会审，达到了提升工程质量，降低工程造价和缩短工程工期的目的，图4为现场使用移动终端查看模型信息，指导现场施工安装。

图4 施工现场可视化指导

4)移交阶段工程信息模型应用

为保证项目设计、采购、建造、安装、调试等阶段顺利实施，通过数字化移交平台，将创建和维护的典型阶段版本及最终版本的工程文件和模型的工程信息移交给业主、承包商、供应商。数字化电厂移交的内容主要由工程模型、设计文件及数据、设备文件及数据、建设施工文件及数据和KKS编码构成。

5)运维阶段工程信息模型应用

工程竣工后，在数字化移交平台上将工程信息模型与生产运营系统集成，实现运维阶段的可视化管理。在数字电厂中，将设备模型与设计图纸关联，并实时记录测点历史数据，帮助运行维护，如图5所示。

图5 可视化运行监控

实现了可视化检修指导，对主要设备在检修过程中的移动路径拆卸、安装、放置等进行模拟，将大修主线计划与三维数字化设备相结合，提供多专业协作空间，提高工作效率。

实现了隐蔽工程的可视化查询，通过查询工程信息模型，使地下管线及各种沟道等隐蔽工程一目了然，为日常的管理、改扩建和企业发展提供全面准确的信息。

实现可视化培训，以数字化模型为支撑，借助虚拟现实技术，员工可身临其境学习电厂日常维护和操作，提高培训效率。

3 创新应用

通过虚拟现实及数字化仿真技术，实现可视化施工指导、设备检修模拟和安全仿真培训，为业主提供一个高效、安全、可靠的数字化培训平台，图6为设备检修模拟动画示意图。

图6 设备检修模拟动画

在工程中应用720°全景技术，实现了移动端实时全景漫游浏览，为工程各参建方搭建交流平台。

采用了云计算技术，可以突破地域和时间限制，实现7×24小时异地办公，合理配置硬件资源，提高了资源利用率和工作效率。

采用移动互联技术将数字化设计成果为现场施工提供服务，将EIM的使用范围扩展出桌面，实现了设计模型在施工现场手持设备上的应用。

运用人工智能技术，实现电厂的智能点检、巡检及智能安防。智能机器人凭借智能定位系统、智能图像识别技术以及多种无线传感器，实现机器人智能无纸化点检、巡检。在电厂危险源区域设置电子围栏，当人员靠近时现场有明显报警提示，并在三维虚拟电厂中发出报警，提醒人员离开。在电厂设备发生着火等事故时，监控系统的智能图像识别能快速锁定事故发生地，通知相关人员处理，情况严重时通过手机等移动端通知相关人员撤离，图7为智能安防系统运行界面。

图7 智能安防系统运行

4 结语

数字化设计涵盖了投标、初步设计、司令图、施工图设计等阶段，建造了准确和精细化的数字化模型。工程建造阶段，数字化设计的成果对采购和施工起到了支撑作用。同时利用工程建设管理平台，让工程各参建方在同一平台协同工作，对工程合同、工程费用、设备采购、工程施工、工程质量、工程图档等信息和流程进行全面管理，最终达到了对工程安全、费用、进度、质量的有效控制，提高了工程建设的管理水平和经济效益，推广应用前景广阔。但平台的应用水平还需提高。目前工程建设管理平台只能由各参建方手动上传各阶段数据和文档，未能与各参建方自身内部的管理软件贯通或集成，不能进行数据的自动交换，导致效率不高。