基于BIM三维建模与实时数据交互的电厂管理系统设计与应用

2023-01-07钟朝晖

数字通信世界 2022年3期

钟朝晖

（大唐佛山热电有限责任公司，广东佛山 528500）

1 BIM三维技术与数据实时交互技术

1.1 BIM三维技术

建筑信息化模型（BIM）是一种融合了建筑学、几何学、工程学等技术，应用关于建设工程项目设计、施工及运营全生命周期内的统一信息模型，该模型包含了过程中所有的信息，在建设的不同阶段，各个参与方可以基于统一的信息模型，将各自的工作融合于信息化模型，彼此之间相互协调，在这个工程项目中进行各类不同专业的决策与应用，实现了不同阶段信息集成与共享，以及工程信息的三维可视化应用，不仅大大提高了建设工程的质量和管理效率，同时节约了工程成本[1]。随着BIM技术的不断发展，其应用领域也不断扩大。

BIM在建设工程中可实现多种不同的效果，几乎能够满足不同阶段的各种需求，如将专业化、抽象化的二维建筑设计进行形象化描述，实现建筑效果图与动画展示，依据建设过程中常用的横梁、平板、柱子等建筑组件开展施工图设计，甚至在建筑结构设计效果审核中运用BIM技术等[1]。

1.2 数据实时交互技术

数据实时交互技术是一种分析数据的常用方法，其核心是通过获取用户每一次的输入数据，分析数据之间算法关系及相互联系，以此来根据不同任务和目标获取与之对应的结果[1]。由于传统数据查询模式算法成旧，获取结果不准确，获取效率不高。实时交互式数据查询方式不仅能能够准确获得结果，同时能够对交互过程进行分析，是近几年研究的热点内容之一[2]。对现有的实时交互式分析理论基础、模型数据分析过程以及系统框架进行研究，是更好地利用实时数据交互技术的前提。

数据实时交互技术所研究的主要内容包括交互级响应时间、对跨模态数据的支持、实时交互式分析系统的实现等。实时交互式分析算法理论基础主要涉及不同的算法，包括近似查询处理算法、非结构化数据查询算法和数据流算法等[2]。依据对数据处理的要求的不同，通常采用不同的获取方式，如在近似查询处理算法中SQL最常用的是聚集查询，对于近似查询处理引擎，查询数字的实现在算法层面主要采用离线采样技术。

数据采集的方式和手段随互联网技术的发展而产生了巨大的变化。非结构化数据越来越多地被应用于数据存储中，由于数据本身特点，该类数据已不再适用于传统的查询方式，因此需要依托新型的非结构化数据算法设计。通常包括时空数据交互查询技术、图像数据交互式查询技术和其他非结构化数据交互查询技术等[1]。

数据流算法可认为是一个由海量数据组成的数据序列，通常采用亚线性空间数据结构查询功能来实现该特殊类型数据结构获取，常用方法有随机采样、直方图采样、频繁项采样、小波略图及分位数采样等方法，同时这些技术也常用于一些复杂的分析查询。

1.3 基于实时数据平台的电厂功能定位

1.3.1 电厂信息系统的组成

电厂实时数据平台信息系统通常由过程自动化系统、厂级监控及信息系统和管理信息系统组成，与之对应的是面向生产运行操作者、面向生产和技术管理以及面向行政和经营管理。自动化系统是指该发电厂内的一级监控系统，通常包含单元机组的DCS系统、主控室的网络系统、化水车间的化水程控系统、电气车间运动的RTU系统、燃料车煤的运输系统及燃油程控系统，这些系统多少和规模大小与电厂的有机容量往往相一致，装机容量越大的机组监控系统就越好[3]。厂级监控信息系统的主要功能是完成发电过程中的综合管理和系统检测，最核心的作用是实现实时历史数据的服务功能，在其价值方面主要体现在包含了SIS范围的各种系统应用。管理信息系统主要用于满足电厂内部管理，实现现代数字化的管理系统，主要有办公自动化、技术监督管理、物资管理及计划管理等模块，这些模块的功能和实现功能的程度都与发电厂MIS系统的软硬件有密切关系，根据实际的需求选择。此外对于电厂信息化的分类还有其他方法，但不管那种方法，都能实现用于生产工艺的管理部分，只是这些部分的归并不同而已。

1.3.2 SIS系统的组成

SIS系统的体系结构包括多个程序，主要功能如下：实时/历史数据服务系统主要实现数据的基础保存和历史数据的更新与记录；实时数据采集系统主要实现该过程中各个环节的画面采集，时刻保持所获得的信息为及时所需；生产过程分析系统主要实现将获得的数据进行分析，获得定性的规律，指导今后的部署安排；客户端组态显示系统会将所收集及分析的结果展现在预先设置的系统中，直观显示不同因素之间的影响。

将SIS系统实时数据采集系统中获取的数据经实时/历史数据服务系统分析后，会以多种数据格式存储在固定的存储系统中，主要包括对厂级性能计算的风险、负荷优化的分配方法、设备寿命的计算等。此外，客户端组态显示SIS系统画面，并以数据模型图像的方式展现出来，从而使得用户可查看实时数据、历史数据及分析结果。

2 RTDP的功能框架

2.1 RTDP框架介绍

电厂实时数据平台（Real-Time Data Plant, RTDP）是实现数据实时交互的核心框架，主要有如下功能。一是为计算机网络上的各用户提供从电厂中获取的各种数据，主要包括化水过程、传输过程、燃油程控系统等。这些数据主要来自系统自带的数据和实际工作中产生的数据，该过程能够对数据采集的全过程进行监督控制，灵活地实现对全过程数据的实时把握。二是通过使用计算机内预置系统和软件对收集的数据进行清洗和压缩，将得到的数据进行整理汇总，同时按照固定的数据格式将其存储，方便今后的查询和使用。三是RTDP归根结底还是一个基础数据化管理系统，因此要实现底层数据之间的关联和衔接，确保得到的数据准确性。

电厂实时数据平台在接口方面也实现了数据输入和输出接口，输入接口通常具有普遍性。由于大多数电厂实现流程工业，因此在实际工作过程中，即使同一厂家，所使用的计算机基础系统也不一定完全相同，在进行数据交换或者结果验证时存在很大的困难，此时就需要将不同规约数据存入RTDP的系统中，因此会有输入接口。RTDP系统具有适用于多种设备的众多类型数据接口，但是在接收数据存储时还需要遵照开发时的内部协议进行数据传输，此外，由于许多电厂已经进行了管理信息系统的建设，这对于向电厂的管理信息系统传送实时生产和历史数据，为过程分析系统提供数据源，以及提高用户的二次开发能力具有重要的意义。

2.2 RTDP与SIS的关系

RTDP是SIS系统的重要组成部分，同时两者实现各自的功能，但是RTDP作为SIS的一部分，为各种电厂所开发的不同系统的分析数据完美结合到SIS系统提供了重要的方法和依据，两者关系如图1所示。

2.3 RTDP与实时数据库的关系

RTDP是一个基础模块，又称为“实时/历史数据服务”，实时数据库通常由历史数据库、实时数据库、采集模块、回送模块事件记录等组成。RTDP在上述模块的基础上，还实现了输入（输出）口标准化、用户自定义界面及专家模块目录服务等功能，使得两者之间的功能对接更加密切，也使得RTDP更适用于电厂建设的SIS建设。

3 电厂实时数据平台的体系结构

3.1 实时/历史数据服务程序

实时/历史数据服务程序是该系统最主要内容，该系统的主要任务是接收和传输在设备实际工作过程中产生的数据，对于接收到的不同格式的数据进行格式转换和统一化处理，确保实现不同环境的需求。其实平台在提供数据的过程中，需要将实时数据或者历史数据打包分装，高效传给其他程序，主要包括实时I/O设备模块、历史I/O设备、实时数据缓冲模块、日志管理模块及实时数据管理模块等。通过实时/历史数据服务程序，不仅将所需的数据进行了格式化保存，同时对数据的准确性进行了初步验证，如果数据的记录不准确，或者存在异常结果，可通过筛选功能将其单独保存，同时对数据存在异常的原因进行分析。

3.2 实时数据的处理流程

该模块的主要任务是将所获得的实时数据打上时间标签后进行重新处理，同时将数据送到服务器的数据队列中。将服务器中的数据进行处理，如在线压缩等，目的是将得到的数据以最小体积、最快速度和最高质量进行分析，同时根据数据产生的优先级顺序、约束所限制条件等因素进行排序。对于缓冲区的数据进行数据格式转换，经过这个环节该程序将现场各点的实时数据进行压缩后，作为历史数据存储，如果想在客户端上获取历史某天的数据，则通过压缩模块就能轻松获得指定时间的数据。可见在处理过程中，最主要的是完成了各种格式数据类型的转换，达到了数据类型归一化的效果和目的，对于后面设计数据接口具有重要的作用。

3.3 输入接口的具体设计

对于输入接口的设计可以根据不同的需求有不同的设计，其中一种是客户有冗余需求的，一般会配置计算机控制实际工作，一台用于正常工作，另一台用来备用，在此过程中会使用串口心跳线将其连接起来，实现彼此之间的信息传递。此外，由于这套系统软件有自动监测功能，即每隔设置的一定时间和网络，分别相互检测一次并交换状态数据，智能侦测对方的工作状态，如果在检查过程中有意外因素，就可以向服务器发送宣告信号[4]。该设计克服不同设备接口之间数据不一致的弊端，提高了数据传输的效率。

3.4 输出接口的具体设计

由于对实时数据的读取必须遵照相关的开发内部协议，因此，在输出接口的设计过程中必须提供一种标准的且使用方便的方式来实现数据的读取和写入，利用分装的思想将所有的内部通信协议、文件格式、压缩算法等复杂的处理看作一个黑箱子，通过这个黑箱子不仅能对不确定的因素进行意外测试，同时还能增强系统的意外防范能力，对于系统整体性能具有重要的作用。此外，在设置协议传输方式的过程中需要考虑软件的使用环境，同时设置拦截功能，当处于不安全的环境时，系统能够发出信号，触发拦截设置，将其直接过滤掉，并提供相应功能的方法属性和事件使其调用，这就能够达到设计出我们所需要的用于输出接口的目的。

上述各个部件之间的物理组建虽然看似独立，但是在数据传输的过程中是以其作为基础的，因此彼此之间在功能和实现等方面都存在密切联系，各部件之间只有相互配合才能实现众多功能，才能实现数字化的统一协调管理。

4 BIM三维技术及数据交互电厂融合的应用

4.1 信息库建设

利用BIM三维技术和数据交互式融合构建基本信息库，该库不仅包含在实际建设过程中会用到的基本的各类建筑要素三维模型，同时各种不同的模型之间存在内在的联系，这些联系使得模型在不同的建设环节过程中具有明显不同的作用，扮演不同的角色[4]。所有在建设过程中的基本的三维BIM模型构成了今后会用的所有的基础数据模型。此外在基于实时数据交互的机制中，能够实时获取和更新三维系统模型中的所有数据，两者的有机结合是构建基础信息库最核心的内容，同时也是最重要的应用方面之一。

4.2 BIM模型组织创建

在使用BIM建模的过程中，确定其应用范围和实际详略要求是开展建模的第一步，同时也是最重要的内容。在电力建设工程中，需要根据实际的电力设备需求，确定工程的规模及各个部件的构成难易程度，这些环节的确定需要专业技术人员开展一系列的勘察后方可确定。在应用BIM技术的过程中，如果使用其进行内部所有零件的建模，这种模型的数据量会异常复杂庞大，但是如果能够实现数据交互就可以轻松解决该问题。