核电厂地下管网结构化数据建模研究

李 友，张梦雪，刘 聪，苏宇琪，吴德成

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

0 引言

在设计数字化转型过程中,中核工程制定了统一的顶层规划并相应开发了若干个专业子平台,以支撑专业人员设计活动、输出符合规定的数字化交付品。其中,核电厂室外工程相关设计依托“室外工程设计平台”实现。在室外工程设计平台的系统开发过程中,充分考虑了室外工程设计各参与专业的需要,将设计工具软件集成到平台系统中,打通设计工具软件和平台之间的数据交换,实现设计数据的使用和管理。

1 地下管网设计的特点

核电厂地下管网设计在业务层面、数据来源层面及数据应用层面有其特殊性,具体如下：

业务层面,地下管网设计具有参与专业多、管道种类多、布置要求多的特点。核电厂地下管网设计内容主要包括两类：地下廊道和地下直埋管道。地下廊道包括循环水进/排水廊道、重要厂用水进/排水廊道、综合技术管廊、不同电压等级的电缆沟等,地下直埋管道包括雨水管道、生活污水管道、含油废水管道、次氯酸钠管道、消防水管道、生活给水管道、生产水管道、通信管道、压缩空气管道、氢气管道等。另外,在工程实践过程中逐渐形成了以廊道为主、直埋为辅的布置方式[1-3]。

数据来源层面,涉及到的设计软件和数据发布者比较复杂。在设计过程中由不同专业按照业务分工、使用不同类型的设计软件完成设计任务,形成设计数据、几何模型和图纸文件。当存在设计接口和分包的情况时,同一专业的设计成果可能也是来源于不同设计软件。

数据应用层面,工程对管网设计属性数据的应用需求在逐渐提高。地下管网设计施工对最终成果的应用要点有以下方面：管网内容齐全无漏缺、空间关系清晰且合理无冲突、设计变更及时体现。这些要点决定了数据应用层面上既要包括数据又要包括几何模型,甚至一定程度上几何模型重要性更突出。同时,随着BIM相关技术的成熟应用,类似材料统计、爆管模拟分析、设计数据可视化等功能要求也逐步成为常态。实现功能应用的第一步,是打破数据孤岛、实现结构化数据集成。如果采取开发软件接口的形式进行设计工具软件的集成,在平台系统开发过程中需投入大量人力和费用。当涉及的设计工具软件较多时,这种应对方式是被动的,显然不是最佳选择。因此,还需要考虑一套更合适的解决方案来应对上述不利情况。

2 研究现状

通过对相应关键词的检索,了解到目前有关结构化数据建模的研究主要集中在以下几个方向：

1)基于Dynamo的结构化数据建模：Dynamo是Autodesk Revit平台的开源插件,以一种可视化编程语言支持用户对计算逻辑和流程进行预定义,通过设计输入、软件计算处理和软件输出的基本逻辑解决建模问题。由于具有可视化的特点,对无编程语言学习基础的初学者较为友好,可以通过快速学习掌握软件的使用。

2)无人机倾斜摄影建模：倾斜摄影建模是使用同一无人机飞行平台上搭载多台传感器,从垂直、倾斜多个角度同步采集大量影像数据,再根据影像数据生成实景模型的一种建模方法。目前使用较多的是五镜头相机,分别从正摄和前、后、左、右五个方位进行数据采集,再配合定位模块获取位置和姿态等信息。数据采集完毕后进行质量分析,质量满足要求的数据在专用软件中处理,最终快速生成三维模型[4]。倾斜摄影建模方式具有建模尺度大、效率高、软件操作简单等优点,所建模型真实感强,纹理和色彩逼真。

3)激光点云建模：激光点云是使用三维激光扫描技术对已有建模物项进行扫描以获得点云模型的建模方法。三维激光扫描技术是对物项表面进行高分辨率扫描,获取大量的点以及三维坐标、反射率和纹理等信息。获得数据后再使用专业软件对点云模型进行拼接、去燥、匹配、修补等工作,形成完整的物项点云模型。三维激光扫描技术支持快速、连续的扫描方式,可获得物体表面三维点云数据,精度较高、操作方便,适用于小规模精细模型的构建。

4)物探成果数据建模：物探成果数据建模主要用于城市既有地下管网的逆向建模,涉及电力、通信、光缆、给水、雨水、污水、天然气等地下管线以及路灯、配电柜、交换机、消防栓、雨水井、雨水篦井、支墩、阀门等多种管线附属物。操作层面,一般采用工程物探方法对区域地下管网进行探查,获得地下管道及附属物的相关信息作为地下管网信息模型建立的基础数据。然后在相应的软件中进行输入、匹配,自动创建模型并匹配属性、连接关系等。

为了统一技术要求,保证地下管线探测成果数据质量、规范作业方法和验收标准,目前国家及行业层面均出台了相关标准,主要包括CJJ 61—2017城市地下管线探测技术规程[5]、GB/T 41455—2022地下管线要素数据字典[6]、GB/T 29806—2013信息技术地下管线数据交换技术要求[7]等。

3 实施方案研究

3.1 技术路线选择

从业务需求层面分析,设计端对地下管网结构化数据建模的需要主要体现在以下两个方面：

1)集成非建模软件来源的数据和模型。在设计过程中,平台系统里集成的专业设计工具产生的数据是预定义的,可被读取和识别的。但是,设计分包单位是不能使用开发的平台系统的,并且他们使用什么类型的专业设计软件、产生什么格式的数据文件也是难以控制的,所以怎么集成他们的设计数据是个难题。从利于数据交换的角度看,采取与源软件解耦的、结构化数据的形式是最准确和最简单的。

2)电厂已有管线数据集成和模型融合。在设计过程特别是改造项目的设计过程中,需要重点掌握和考虑已有管线对新设计管线的影响,包括接入点、空间关系、施工开挖影响等。考虑到电厂建设周期一般很长,建设过程中地下管网的增加、废除、改线等活动频繁,相对于收集资料重新翻模的方式,物探建模更准确、更便于操作。

综上,物探成果数据建模的方式更适合目前的需要。

3.2 研究目标

建立一套适用地下管网结构化数据建模的方案,既可以得到几何模型又可以将模型与结构化数据(属性数据)建立准确的映射关系,实现通过结构化数据建立管道和节点模型。

3.3 研究内容

3.3.1 建模方法

参考国标及行业标准的做法,考虑将管道按照组成关系抽象为两类物项：雨水管、电缆、套管等抽象为管段,雨水井、配电柜、手孔井等抽象为节点。通过对节点进行管道的定位,通过结构化数据中的关系进行管段与节点的匹配,同时再将设计、建造、运维中关注和需要的属性分别赋予节点或管段,最终达到建立几何模型及匹配属性的目标。

3.3.2 管网数据梳理

管网数据的来源需要依赖业务活动的梳理和归纳,对地下管网管道和节点种类、需包含的设计属性、施工及管理所需数据条目等内容进行详细分析整理,形成数据梳理成果。

1)管道类型和属性：地下管网主要涉及的管道种类包括雨水管道、生活污水管道、生产废水管道、生活水管道、消防水管道、工业水管道、采暖管道、电气管线、通信管线、仪控管线、氢气管道、压缩空气管道等。通过对管道属性的分析以及对同类型管道进行合并,形成四种类型,具体如下：

a.重力流管道,种类包括雨水管道、生活污水管道、生产废水管道等;属性包括管道名称、管道内径、外径、管材类型、管材名称、管段长度、管底标高、起终点定位坐标。

b.压力流管道,种类包括生活水管道、消防水管道、工业水管道、采暖管道、氢气管道、压缩空气管道等;属性包括管道名称、管道内径、外径、管材类型、管材名称、管段长度、管中心标高、起终点定位坐标。

c.电仪管线,种类包括电气管线、通信管线、仪控管线等;属性包括管道名称、套管内径、外径、管材类型、管材名称、管段长度、管中心标高、起终点定位坐标。

d.气体管道,种类包括氢气管道、压缩空气管道等;属性包括管道名称、管道内径、外径、管材类型、管材名称、管段长度、管中心标高、起终点定位坐标等。

2)节点类型和属性：地下管网的节点类型主要包括检查井、手孔井、水表井、箱变、配电柜、路灯等,属性包括类型名称、编号、定位坐标等。

3.3.3 数据格式定义

为了保证结构化数据的质量,需要从数据层面对涉及到的字段进行限定和规范。根据管网数据梳理结果,对两类物项进行元数据的整理和定义,形成统一的数据文件模板(见表1,表2)。

表1 管段元数据

表2 节点元数据

3.3.4 建模流程

在实际操作过程中按照以下步骤完成结构化数据建模：第一步在Access软件中分别按照管段和节点的元数据建立起两张数据表,设置数据类型和约束条件,数据表文件格式存储为*.MDB;第二步将已知的坐标信息、连接信息、附属物信息、标高信息以及其他管理类信息录入或导入数据表中,检查数据的格式和完整性;第三步在GIS建模软件中读入*.MDB文件,并建立好元数据的映射关系;第四步根据人机交互情况进行必要的数据修正或格式调整;第五步在软件完成自动建模并赋予模型相关属性值(见图1)。

4 模型应用

4.1 模型综合及可视化展示

通过结构化数据建模可以摆脱对专业设计软件的依赖,以一种便捷的方式实现对已有管线的建模。在设计过程,可以将结构化建模作为设计软件建模的补充,根据需要选择合适的方式。

结构化数据建立的地下管网模型可以与无人机模型、其他专业建模软件的模型进行融合,按照特定的基点或工程坐标进行成果组织,获得内容丰富的综合模型(见图2)。在综合模型中,地下管网可显示精确的外轮廓、可使用不同颜色标识不同类型的管道,显示其准确的空间关系,以更直观的形式去观察。为防止动土开挖对直埋管线造成损害,直埋管线模型可显示和查询完整的三维数据信息,包括坐标、标高、长度、管径等内容。结合应用软件提供的浏览功能,还可以进行量测、剖切、注释、多角度浏览等。

4.2 碰撞检查

结构化数据建模方式建立的模型可以与其他软件建立的模型进行碰撞检查,准确性等方面,与建模软件建立的模型无差异,可以实现碰撞问题一键检查、一键定位、注释说明、详情查看、问题解决跟踪等功能应用(见图3)。

4.3 统计分析

结构化数据建模过程中将管道的连接关系、流向、压力等拓扑关系一并带入,基于此可以实现一些统计分析和判断功能：

1)设备和材料统计。基于管件或管段的属性字段进行分厂区、分区域筛选和统计,应用于设计阶段材料清单出具、建设阶段材料准备和管理、运维阶段设备备件及维修更换管理等。

2)破管分析。结合一些压力和流量传感器,可以在运维阶段进行压力管道破管分析,快速诊断和定位,解决破管问题。

5 结论和展望

本文提出和验证了一种适用于核电厂使用结构化数据建立地下管网管道和节点模型的方法,利用该方法可以摆脱对特定建模软件的依赖,在设计过程中解决某些管道建模和数据赋予的问题。

数字化设计专业子平台均为多项目管理的平台系统,未来在平台中会同时存在多个设计项目,结构化数据建模需要重点考虑以下几个方面的问题：

1)元数据的统一,虽然目前建模软件支持自定义元数据,但出于整体统一的考虑,需要建立和使用同一套元数据标准,对可能使用到的字段都做好定义和约束,确定数据文件格式和配置,这也有利于未来便捷的方式来检查数据质量。同时,在元数据建立过程中宜与现行相关国家标准相统一,可参照GB/T 41455—2022地下管线要素数据字典等确定。

2)数据扩展,目前元数据的定义仅限于设计数据,考虑模型应用需要增加诸如建设日期、建设单位、权属单位、使用状态、维修情况等一系列字段,以便于更好的实现多元化功能,体现数据的价值。

3)管道和附属物编码,在元数据定义过程中宜同步进行管道类型和附属物(检查井、设备等)的统一编码,以便实现相关属性之间以及与模型元件库的关联。管道分类代码可参照GB/T 29806—2013信息技术地下管线数据交换技术要求,设备代码可参照GB/T 50549—2020电厂标识系统编码标准[8]等。

4)材料库统一,为了实现相关设计数据向下游建设和采购端延伸,需要考虑统一的材料库,对地下管网需要用到的各类材料进行统一管理,保证在统计和算量环节能足够精确。