核电工程数字化移交初步方案研究

摘" 要：首先，该文阐述数字化移交背景及概念，概述国内外数字化移交相关标准发布情况，提出核电工程实施数字化移交的必要性及建设目标。然后提出核电工程实施数字化移交的总体策略和工作流程，包括制定移交规范、整理移交数据、开发移交平台、建立移交数据库和应用拓展等。最后，提出核电工程实施数字化移交的总体技术方案，包含需要开展的前期技术准备、确定移交范围和内容、移交数据治理、移交数据质量管理及移交平台开发等内容。

关键词：数字化移交；移交规范；数据治理；平台开发；核电工程

中图分类号：TM623" " " "文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）32-0001-09

Abstract： This paper first expounds the background and concept of digital handover， summarizes the release of relevant standards for digital handover at home and abroad， and puts forward the necessity and construction goals of implementing digital handover for nuclear power projects. Then， the overall strategy and work process for implementing digital handover of nuclear power projects are proposed， including formulating handover specifications， sorting handover data， developing handover platforms， establishing handover databases and application expansion. Finally， the overall technical plan for the digital handover of nuclear power projects is proposed， which includes the preliminary technical preparations that need to be carried out， determination of the scope and content of the handover， handover data governance， handover data quality management， and handover platform development.

Keywords： digital handover; handover specifications; data governance; platform development; nuclear power engineering

随着社会信息化、数字化程度的提高，越来越多的企业意识到，数据资产与物理资产同等重要。对于核电工程和运营而言，没有核电工程设计和建造阶段的数据资产积累和继承，业主方的日常生产活动将受到很大的影响和制约。因此，业主方在工程竣工或验收时，如果能够同步得到核电工程建设过程中产生的、与核电工程运行管理密切相关的数字化成果，显得尤为重要[1]。

1" 概述

1.1" 数字化移交概念

数字化移交是指按照既定的数据标准和流程，将核电工程建设过程中产生的、计算机能够处理的、运行维护所需要的数据，通过数字化移交平台，顺利移交给业主方，为业主运维管理、安全生产、应急指挥和决策分析等提供数据保障。

目前乃至未来的核电工程数字化关注的重点在于：一是实现对数字资产的全周期智能化管理，即实现核电工程建设期多参与方的可视化云协同，建立统一的建设数字资产体系，加快信息的传递效率，提升数据互用性，确保数据质量[2]；二是实现核电工程运维期对运营数字资产的全生命周期可视化管理，提升运维效率。而介于这2个重大阶段之间的则是实现建设数字资产向运营数字资产高效、完整地移交，即数字化移交。

1.2" 数字化移交标准

在20世纪90年代初，国际上开始提出“全集成和项目自动过程”（FIAPP）概念，即基于工厂全生命周期的数字化模型，并制定了国际标准ISO 15926“工业自动化系统与集成”，用于规范设计、构建和管理流程工厂过程中所涉及的计算机系统之间的数据集成、共享、交换和移交[3]。该标准建立了标准的工厂对象信息化模型（OIM），全行业业务对象引用字典（RDL）以及数字化工厂模型中的关联关系模型（Relationship），将传统的各单位之间点对点的信息流转（图1）变成了基于统一平台上的信息流转（图2），降低在不同的专用系统之间迁移信息时密钥更新及格式更改方面的高投入。

ISO 15926标准最初仅包含一个数据模型和一个参考数据库，现在包括以下7个部分：概述和基本原理、数据模型、几何和拓扑的本体论、参考数据、参考数据的注册和维护程序、参考数据的开发和验证方法、分布式系统集成的实现方法[4]。

目前，国内的一些行业已经建立了数字化移交体系，并着手建立行业的数字化移交标准，列举如下。

中国能源建设股份有限公司、中国电力工程顾问集团有限公司、中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司和中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司等于2014年6月联合发布了《发电工程数据移交》标准征求意见稿，并于2016年4月25日正式发布，标准号为GB/T 32575—2016，2016年11月1日正式实施。

中国建筑标准设计研究院于2012年底启动了《建筑工程设计信息模型交付标准》《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》的编制工作，并分别于2014年10月发布了征求意见稿。其中《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》（送审稿）于2015年12月顺利通过了审查；《建筑工程设计信息模型交付标准》（送审稿）于2017年3月顺利通过了审查。

由中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司、中国石油勘探与生产分公司、中国石油塔里木油田分公司和中国石油长庆油田分公司共同起草的《油气田地面建设数字化工程信息移交规范》于2017年正式发布。

由中国石化工程建设有限公司、中国寰球工程有限公司、中石化洛阳工程有限公司、中石化上海工程有限公司、中石化宁波工程有限公司、中石化南京工程有限公司和中国石化镇海炼化分公司等共同编写的《石油化工工程数字化交付标准》于2018年9月正式发布，2019年3月正式实施。

住房城乡建设部于2014年7月1日发布《住房城乡建设部关于推进建筑业发展和改革的若干意见》，要求推进建筑信息模型等信息技术在工程设计、施工和运行维护全过程的应用，探索开展白图替代蓝图、数字化审图等工作。2016年12月发布GB/T 51212—2016《建筑信息模型应用统一标准》。

交通运输部办公厅于2017年9月11日发布《交通运输部办公厅关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知》，决定开展公路BIM技术应用示范工程建设，在公路项目设计、施工、养护和运营管理全过程开展BIM技术应用示范，或围绕项目管理各阶段开展BIM技术专项示范工作。

上海市政府从2016年10月开始，要求已立项尚未开工的工程项目，应当根据当前实施阶段，从设计或施工招标投标或发承包中明确应用BIM技术要求；已开工项目鼓励在竣工验收归档和运营阶段应用BIM技术。从2017年10月开始要求规模以上新建、改建、扩建的政府和国有企业投资的工程项目全部应用BIM技术。

1.3" 数字化移交必要性

数字化发展已经给工业领域带来了深远的影响。计算机辅助工程、计算机辅助设计、计算机辅助制造等数字化技术的应用，深刻地颠覆了传统生产方式。数字化技术在各个行业不断得到越来越广泛的应用，并在显著提高效率、推动产业升级方面发挥了重要的作用[5]。

在工业数字化发展浪潮下，核电工程数字化是未来核电行业发展的必然趋势。以系统工程思想为指导，以工程需求为牵引，打造全面协同集成的核电工程数字化体系，通过核能与新一代数字技术的深度融合与创新，高度集成设计建造各阶段流程、数据与资源，实现核电工程的数字化移交。

核电工程（图3）具有技术难度大、生命周期长、系统装备复杂、安全性要求高、设计建设参与单位多和多专业深度交叉等特点[6]，在工程设计和建造过程中，产生了大量的对工程全生命周期各阶段有重要价值的设计信息，如以图纸文件搭载的设计信息、通过采用先进的数字化设计和验证手段产生的以三维模型搭载的设计信息。

通过建立数字化移交体系，统一存储和维护工程全生命周期各方面设计数据。将核电工程设计、建造等阶段孤立的、分散的设计信息进行整合，统一规划、统一管理、共享使用，并保证其应用的适用性、清晰性、易用性、兼容性、一致性、完整性、适时性和准确性等，可以支撑后续调试和运维工作便捷、有序地开展。

2" 数字化移交目标

核电工程数字化移交目标：实现三维数字信息化模型及数据集成管理、三维可视化展示、碰撞检查、关联信息查询、虚拟漫游、项目搜索、地下管网管理、地形地貌查询和电缆路径展示等，消除数据孤岛，实现数据共享等功能目标（图4）[7]，并具有以下特性：①可在计算机、平板电脑，通过IE、Google Chrome、Firefox等主流浏览器无插件浏览三维模型；②采用对象化数据管理，支持多种项目导航，智能关联模型、文件、数据等项目资料，可在线关联查询及浏览项目信息；③兼容多种数据源模型，包括rvm、dgn、dwg、iges、att、3dm和sat等主流三维数据模型格式，实现与这些数据模型的连接；④支持超大模型，可实现秒级加载和流畅展示，满足高精度三维性能要求，渲染、操作流畅；⑤考虑可扩展性和开放性，具备开放的二次开发接口，便于用户根据自身需要开发相关业务功能。

3" 数字化移交总体策略及工作流程

3.1" 总体策略

数字化移交总体策略应包含下列工作内容：①制定数字化移交参与各方的目标、原则、范围和责任。②分析数字化移交的范围和内容，包括移交数据的分类及其被创建的阶段、数据源和数据用途。③建立数字化移交的组织管理机构。明确数据移交的牵头方及各参与方的组织机构，确保数据移交工作的顺利有序开展。④搭建数字化移交管理信息系统。应结合具体工程实际说明各阶段、各参与方的数据交接方式及管理要求，使数据可以及时、有效地移交和利用。⑤确定数字化移交计划、数据移交质量和进度的控制方法和验收准则。⑥确定数字化移交规定、要求及标准，包括数据移交各参与方的相关合同及采购要求、法律法规要求等。

3.2" 工作流程

数字化移交流程如图5所示。

3.2.1" 制定移交规范

根据需求形成数字化移交顶层策划，确定移交范围、移交内容及内容深度，并制定一套可落地性、可指导性、可衡量性和可操作性的数据移交规范和信息模板，用以统一和规范数据整理与交付[8]；同时规定移交系统的各类型数据属性信息，形成移交配置数据库准则，用以构架数据库基本框架。

3.2.2" 整理移交数据

基于移交规范制定的各专业数据收集模板，开展原始数据采集与填写，整理出满足要求的数据并完成电子化转换，形成可以载入交付移交平台的电子化数据文件。开发解析数据模板的软件工具，提供电子化数据文件验证、装载及批量装载功能[9]；利用该装载工具完成数据收集过程中形成的电子化数据文件的装载。

3.2.3" 搭建移交平台

搭建移交平台，将所需的移交相关信息（包括设计、施工等工程建设阶段的三维模型、文档资料及相互间的关联关系等）完整导入进行加工处理，并存储于移交数据库，实现由工程设计侧向调试、运维侧的直接数字化移交。

3.2.4" 建立移交数据库

根据移交准则建立基础数据组织模式，数据存储架构，实现模型管理及面向最终用户的数据查询检索等多种功能，进而驱动移交平台对数据进行多维度、全面的组织管理。

3.2.5" 应用拓展

基于移交平台功能和信息，进一步根据用户需求特殊定制拓展功能，如安装、维修仿真模拟、VR/AR虚拟现实等[10]。

4" 数字化移交总体技术方案

目前，国内石化、火电等行业有一些成功的工程数字化移交案例，根据实施项目特点，结合石化、火电等行业数字化移交现状和经验，提出初步的数字化移交技术方案。

4.1" 前期技术准备

为保证实施核电工程项目数字化移交工作顺利成功完成，首先需进行充分必要的技术准备工作，主要完成以下专项关键技术研究（表1）。

核电工程数据移交规范研究主要从交付策略、交付原则、交付内容、交付方法和质量控制等方面展开研究。

核电工程移交数据库技术研究主要研究内容为：基础数据库的组织模式、构建及装载方法，应用数据库的数据管理、数据抽取、清洗、转换和加载技术。

核电工程数据移交平台开发研究是针对本项目数据移交的特点进行功能开发，包括：数据、模型编码技术、数模自动关联技术、三维模型在线可视化交互操作，文档、动画视频在线查看功能，数据安全与用户权限管理，与现有其他系统平台接口开发等功能[11]，如图6所示。

核电工程数据收集整理及入库技术研究内容包括：①对核电工程数据应用用户的需求进行梳理，包括数据范围、数据类型、使用方式等；②对核电工程设计与运行阶段的原始基础数据进行分析，总结数据的格式特征，凝练数据采集的内容特性，构建原始基础数据的收集技术要求与搜集数据模板；③基于数据采集技术要求及制定的数据模板，实现对原始基础数据的规范化归类、整理及电子化转换，形成可面向分析展示的不同基础数据；④开发读取数据模板的软件工具，按照流程发布到数据交付平台。

在前期技术准备的基础上，形成一系列总体性技术文件（表2），以指导各参与方后续移交工作的开展。

4.2" 移交范围及内容

移交范围主要包括：反应堆系统、一回路系统等系统的设计信息。

移交内容主要包括：工程前期准备、工程设计、设备制造及采购、施工安装、调试移交的各业务领域与环节产生的三维模型、二维图纸数据（流程图、布置图、装配图和结构图等）、文档资料（报告、手册、说明书、数据表和计算书等）等数据，力图明确各类信息创建的格式与要素、数据存储架构、约定数据传输与移交的内容与方法。

4.3" 移交数据治理

4.3.1" 数据格式选择

从形态上划分，数据主要分为结构化数据与非结构化数据，数据格式直接影响数据利用效果，应基于以下原则选择数据格式：①数据用途与重要性；②数据颗粒度要求；③数据格式与标准；④数据转换成本与难度；⑤各参与方交付数据的能力；⑥使用和更新频率。

优先选择结构化数据，没有结构化数据，可选择源文件或图片格式。当源文件格式存在较大风险时，选择转换的格式；交付结构化数据的同时，应按核电工程归档要求，移交正式签署的图纸和文件。

4.3.2" 工程分解结构

鉴于核电工程建设项目规模大、参与专业多、技术复杂和信息繁杂的特点，在实际工程中需要将组成该工程的各部分以某种逻辑结构组织起来，以便有机地组织在一个工程项目寿命周期内产生的各项信息，这种结构通常被称为工厂分解结构PBS（Plant Breakdown Structure）。将工程划分为土建子项、安装厂房、系统、设备和全局性信息5类[12]。

分解结构示例见表3。

在首级分解结构的基础上，可以根据实施工程项目具体特点进一步细分，形成树状结构。例如，对系统进行细分的结构见表4。

SSC树状结构作为工程项目信息管理的基本结构，建议由项目管理单位进行统一管理，并通过管理与信息手段保证各项目相关方始终接入同样的结构。

依附于核电工程项目SSC结构上的信息，建议由项目管理单位根据信息级别和类型，对不同的项目相关方进行授权管理与维护。

4.3.3" 数据类型

根据核电工程运营要求，结合核电工程数据交付规范，明确基础数据交付规格要求：①商定整体描述基础数据描述要求；②确定核电工程分解结构规格要求，并根据工程管理信息利用要求，明确是否细分工程管理信息；③确定对象基础数据范畴与规格；④确定标识基础数据移交规格；⑤结构化工程业务数据交付模板。

核电工程业务数据是整个工程建设的客观记录和体现，期间也会有数据版本变化，移交的工程数据应包括所有与实体工程有关的所有数据和相关版本。应根据核电工程运营要求，明确结构化工程业务数据交付模板要求：①明确总体设计结构化数据模板要求；②明确建筑物结构化数据模板要求；③明确工厂系统结构化数据模板要求；④明确各类设备结构化数据模板要求；⑤明确主要材料结构化数据模板要求；⑥明确备品备件结构化数据模板要求。

核电工程文档交付属性要求：工程文档是工程业务数据的重要组成部分，工程文档交付按总包合同约定的交付范围与内容执行，此处的工程文档交付主要定义文档元数据属性要求，应根据工程运营要求，明确文档各类元数据具体要求：①明确文档基础元数据要求；②明确文档关联元数据要求；③明确文档档案元数据要求。

综上所述，移交数据类型主要包括以下4类：①文件、报告、图纸类。存档设计文件、报告、图纸，以doc、pdf、dwg等格式的文件作为最终录入的文件格式[13]。②重要完工类数据。包括各专业设备的运行维护手册、说明书、竣工图（限于总图和组件图）、影响设备运行维护的重要不符合项报告，以pdf格式的文件作为最终录入的文件格式。③三维模型。涵盖了模型对象名称、模型对象编码、设计模型、轻量化模型、模型格式、模型大小和建模软件版本等模型数据的基本信息。④结构化数据。主要包括各设备及工艺系统的数据、使用二维表结构进行逻辑表达和数据实现，并通过关系型数据库进行存储和管理。

4.3.4" 数据颗粒度

根据运行维护的要求，分析确定移交数据的信息颗粒度。参与移交的各方应使用统一的数据分类和信息颗粒度，且实现相互间的信息共享。

针对不同的数据应用，对于信息颗粒度有不同要求。应提出核电工程全生命周期各个阶段移交数据的信息颗粒度要求。在信息颗粒度选择上应综合考虑各阶段应用中信息颗粒度最细的需求和数字化设计工具产生数据的交换需求，同时防止采用过细的信息颗粒度。

4.3.5" 数据级别

根据数据的重要性初步划分4个级别。

1级：法律法规、强制性标准、任务书要求、上级或业主要求的数据。

2级：必要数据。影响项目建设完整性和安全的数据。

3级：可选数据。根据移交方的差异化需要选择移交。有关规划设计、设备制造、施工建设和安装调试活动方面的数据。

4级：临时数据。针对执行特定任务和没有长期使用价值、具有临时特性的数据，不移交此类数据不会对项目建设运行维护产生不良影响。

4.4" 移交数据质量管理

参与移交各方应议定一个数据移交质量管理方案，确立质量管理目标、管理体系、管理责任，规范数据移交过程的管理流程，通过对数据移交主要过程进行监控和分析，采取必要的改进措施，以确保移交数据的质量。数据移交质量管理方案应作为工程整体质量方案的一部分。数据移交质量管理方案应包括下列内容：①需移交的数据以及数据之间的关系；②数据移交方法、校验检测方法；③导入数据时间，更新数据时间；④导入数据的质量要求以及保证数据质量的流程；⑤发现错误数据的处理流程；⑥基础数据的类型、责任方和用途的记录；⑦基础数据分发流程；⑧甄别及解决不一致性的流程；⑨基础数据编码结构等。

4.5" 移交平台开发

4.5.1" 移交平台总体技术方案

开发数字化移交平台，实现核电工程设计建造数据信息集成管理，消除信息孤岛，实现多源多维信息数据的共享和协同设计，提高数据的统一性、一致性、完整性。移交平台逻辑架构如图7所示，典型功能如图8所示。

4.5.2" 移交平台详细技术方案

移交平台主要包括三维引擎技术、网络和通信技术、模型数据源整合和存储技术、三维模型传输技术和模型对象交互技术等技术。下面对这些技术方案进行一一描述。

1）三维引擎开发。三维引擎借用了机器制造工业中的术语，表明了它在整个虚拟三维系统中的核心地位，是整个平台的灵魂。而三维引擎则可以解释为三维数字化应用中的核心可重用模块，它是一套运用于虚拟三维应用系统开发的核心工具，包含许多核心的技术以及通用功能，一般应用其框架在系统开发时衍生出来各种各样的具体应用。引擎具有以下3个特点：①驱动性，是引擎的最大特点，也就是说仅仅在功能上对某个方面的应用支持，但具体的实施细节则依赖于该应用本身。②完整性，是能够完整地实现某个方面的功能的函数集。③独立性，是可以独立存在而不是依赖于某些具体的应用而存在。

当前国内主要工业三维引擎技术路线有4类：①引擎封装，即基于Unity3D、UE4和Techsoft等引擎进行封装建立三维引擎，视觉效果表现优秀，不足之处在于对大型三维模型对象的加载和数据库的还原面临较大压力；②软件封装，基于Navisworks等三维软件进行封装，获取三维引擎功能，兼容性较好，能够兼容较多的模型格式，但是这类客户端的沉重移交方式已经被现在互联网式的轻移交方式慢慢替代，与“互联网+”的理念和发展趋势逐渐背离；③基于Web端直接浏览三维模型，建立三维引擎，受浏览器计算能力和内存限制等方面的影响，单纯的HTML5技术也不能适应性能要求；④自主研发。

三维引擎的结构、架构和数据流如图9、图10和图11所示。

整个三维引擎可包括如下模块。

系统相关模块。系统相关模块主要负责引擎与操作系统、硬件之间的交互，并包括以下子模块：①图形子模块。该模块实现渲染。②声音子模块。该模块实现引擎的声音、音效处理。③输入输出子模块。该模块的功能是负责接收控制指令或者输入输出功能的管理。④shell。该模块可以更好地实现人机交互，为使用者提供更丰富的控制指令。⑤网络子模块。该模块主要是为引擎提供数据传输、网络通信及网络控制等功能。

用户接口模块。该模块提供的主要功能就是控制。引擎每一个部分几乎都有自己动态的属性，而用户接口模块则是为用户提供一个接口，使用户通过该接口控制修改动态属性。

引擎核心模块。该模块是引擎中最重要的部分，通过该模块可完成其所需要的最基本的处理功能：①对象处理。该模块是其中最基本的组织方式。②摄像机。该模块完成场景的显示。③场景构造。该模块从数据库中提取相应的场景数据，并构造场景。④场景渲染。该模块负责实现基本图元的绘制、光线处理和纹理处理等。⑤事件处理。该模块负责将不同的消息发送到与此事件相关的模块中，并对其进行处理，事件就是对象状态的变化。

支持模块。该模块包含了引擎中所有的数学成分、文件载入器、数据容器。这些底层和基础功能可以在相关项目中重复使用。

辅助工具模块。该模块为引擎提供一些辅助功能，例如格式转化程序、基于具体应用的3D模型编辑器等。

2）网络架构和通信技术方案。浏览器访问模型的时候，每次访问的时候需要先进行握手。握手的时候会请求服务器端分配资源，得到专属的模型服务建立Socket连接。连接成功以后就可以和模型服务进行通信，如图12所示。基于Web的Socket交互，是国际上通用的网络信息交互技术，通过握手Web服务等形式，保证网络信息传输的高效性、稳定性和安全性。

3）模型数据源整合和存储技术方案。模型数据源整合和存储，分为3个阶段实施：①创建，建立模型层次结构，给每个模型对象创建索引；建立存储块单元，给每个块单元分配记录ID。②分配，将描述模型对象的三维顶点数据（坐标、法向量、颜色）按照一定规律分配到块单元中去，并记录在当前块点单元中的地址。③持久化，建立本地数据库，记录模型对象信息，块单元的存储信息，以及对象所在块单元中的地址信息。模型数据存储结构如图13所示。

4）三维模型传输方案。三维模型传输，分为3个步骤：①浏览器在请求模型数据的时候，后台根据模型索引获取模型所在的块单元以及位于块单元中的地址。②服务器将这些信息加密压缩后，通过Socket方式发送给浏览器。③浏览器接受数据信息，解密解压输送到显卡运用HTML5的方式渲染显示。

5）模型对象交互方案。模型对象交互存在以下5种情况：①浏览器对模型对象进行交互操作行为，包括通过鼠标或者触控的方式获取模型的信息（如几何信息、逻辑信息或者其他等），并可改变模型状态；通过模型对象的逻辑信息（如索引）获取其他相关信息（几何信息、逻辑信息或者其他等），并可改变模型状态。②后台根据模型索引获取模型所在的块单元以及位于块单元中的地址。③后台根据射线交叉的方式获取模型所在的块单元以及位于块单元中的地址。④服务器将这些信息加密压缩后，通过Socket方式发送给浏览器。⑤浏览器接受数据信息，解压解密获取模型对象信息，并进行状态处理。

4.5.3" 移交方式

依托移交平台，移交内容为工程各生命周期各阶段数据资料，包括三维模型、二维图纸数据、文档资料。移交范围内容由移交物清单进行约定，依托平台建立起相互关联，方便数据检索、查找、关联和信息共享。

5" 结束语

随着信息技术的发展，信息孤岛效应和数据重复建设的情况也越来越明显。数字化移交创新了移交工作模式，以标准和规范为指导，通过建立数字化移交体系，统一存储和维护工程全生命周期各方面数据资料，将核电工程设计、建造等阶段孤立的、分散的设计信息进行整合，打造基于“统一数据源”的数字化移交平台，统一规划、统一管理、共享使用，促进信息资源的高效流通和共享，实现三维数字信息化模型及数据集成管理，对满足后续核电工程全寿期管理要求，实现数字核能、智慧核能有着重要的借鉴和参考作用。

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