胡君慧，盛大凱，郄鑫，齊立忠

(國網北京經濟技術研究院，北京市100052)

0 引言

伴隨著計算機技術的高速發(fā)展，信息技術在各行各業(yè)得到廣泛應用。在電網工程建設、管理領域，信息化建設作為精細化管理的必要手段，不斷向深度和廣度拓展，信息需求呈現爆炸式增長，原來的設計、管理模式已無法適應新技術的發(fā)展，必需建立一套適應技術進步的新體系，明確管理流程，規(guī)范信息化標準，才能有效引導數字化設計技術的發(fā)展方向。

我國電力行業(yè)的數字化設計技術經歷了圖版制圖、計算機制圖和計算機輔助設計這3個階段。伴隨信息技術的發(fā)展，計算機輔助設計不斷深化，工程設計出現了從二維平面設計向三維實體模型設計轉化的勢頭，多平臺協(xié)同設計已經成為未來電力設計的發(fā)展方向［1］。

信息技術的高速發(fā)展，也同樣推動了電網建設、企業(yè)數字化信息管理的需求。在輸變電工程的不同階段，設計信息需求量大、差異明顯，大量的信息需要進行統(tǒng)一的管理與利用，需要確保信息的確定性和唯一性。目前，各階段信息的獲取還處于孤島建設階段，沒有實現信息流動和信息共享。

1 數字化設計技術發(fā)展現狀與趨勢

數字化設計技術是一種全新的設計手段，是以現有設計技術為基礎，應用數字化技術對現有設計方式進行升級，主要包括3個方面的內容:(1)利用信息挖掘技術實現多源地學信息的綜合分析與融合，推進勘測信息在設計過程及項目全壽命期內的綜合利用;(2)利用三維技術構建更為精確的工程模型，推進三維設計應用，實現可視化設計與應用;(3)利用數字化技術進行設計信息的傳遞與重組，推進不同專業(yè)、不同系統(tǒng)之間設計信息的便捷傳遞與信息共享。

數字化設計技術的內涵，就是以數據庫為基礎，實現地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、遙感系統(tǒng)(remote sensing system，RS)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、三維數字化設計技術、二維數字化技術的集成應用，其關系如圖1所示。

圖1 數字化設計技術的內涵Fig.1 Content of digital design technology

1.1 數字化設計技術發(fā)展概述

20世紀90年代，在我國出現了計算機繪制設計圖紙，這是設計行業(yè)的第1次技術革命，解決了圖紙的快速復制和方便修改的問題，大幅提高了勞動生產率和工程設計質量［1］，但沒有解決工程信息的傳遞與綜合利用問題，沒有實現真正的數字化設計。

進入21世紀，三維設計技術開始應用于工程設計。三維設計通過建立空間模型實現了工程設計項目的虛擬展現，變抽象的二維圖紙為三維模型，并可以進行任意方向的剖切，直觀地進行碰撞檢查，這些特點推動了三維設計技術的應用。但由于三維模型數據量巨大，其發(fā)展受制于計算機性能和軟件功能。在早期的輸變電工程設計中，三維技術僅停留在對模型的展示層面，設計單位并沒有在工程設計中應用三維技術，所采用的工程模型也不具有參數化、結構化信息，不是真正意義上的數字化設計。近年來，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，進行真正意義上的三維設計已經成為可能，三維數字化設計技術已從三維展示層面向三維設計層面發(fā)展，各種三維設計應用軟件逐步涌現。展望未來，滿足輸變電工程三維設計的軟件平臺應該具備以下功能:(1)圍繞三維設計技術，實現設計功能的專業(yè)化應用;(2)具備多專業(yè)協(xié)同辦公能力，多專業(yè)在同一模型中開展工作，所見即所得，并實現設計信息的一次錄入多次采用;(3)滿足數據信息的結構化要求，實現設計信息按需提取、打包，設計成品的跨平臺展示，設計信息的跨平臺順暢傳遞，實現真正意義上的信息共享，達到設計成品移交的便捷化要求。

三維數字化設計技術是數字化設計技術不可或缺的一部分。三維數字化設計技術就是以三維模型作為信息載體，通過結構化的數據信息，為信息查詢、應用及展示提供基礎。推廣數字化設計技術，可以實現多專業(yè)協(xié)同設計，實現設計的集成化、智能化、可視化、網絡化、并行化［2］，全面提升工程設計質量和效率;通過數字化信息技術，打破設計信息孤島，實現信息互通，建立以數據庫為基礎的結構化的數字設計成品，實現與業(yè)主設計評審、設備采購、工程建設招投標、現場施工管理、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(enterprise resource planning，ERP)、工程生產管理系統(tǒng)(power production management system，PMS)的數字化聯接(移交)，進而實現項目信息的全壽命期數據共享、虛擬展示，這也正是三維設計的發(fā)展方向。

1.2 國內外相關技術的應用情況

國外輸變電工程設計管理模式與國內存在一定差異，工程項目絕大多數采用總承包方式，設計部分包含在工程公司內。20世紀90年代中期，國外的大型工程公司開始在電力工程中應用三維設計技術，應用的出發(fā)點基于保證設計質量，解決施工過程中碰撞帶來的成本損失和提高設計質量帶來的效益［3］。

在三維設計方面，國內設計行業(yè)基本與國外同步，起步于20世紀90年代，率先在火力發(fā)電廠設計領域開展三維設計技術應用。在電廠設計方面采用三維模型技術的出發(fā)點是解決主廠房內的立體空間分配，減少設計中的碰撞錯誤的發(fā)生［3］。

從發(fā)電領域的應用效果來看，三維設計能更準確地表達技術人員的設計意圖，更有利于多專業(yè)配合，減少錯、漏、碰、缺，有助于設計方案的優(yōu)化，使得設計人員和決策人員能全面、準確地了解工程實際情況。同時，發(fā)電領域所應用的三維設計軟件多以數據庫為基礎，數字化程度高，信息流較為通暢［4］。但其應用主要在主廠房部分，外部升壓站的區(qū)域未全部采用三維數字化設計。

1.3 輸變電工程應用數字化設計的必要性

數字化設計技術在機械、電子、航空、航天、建筑、核電、水力等領域得到了廣泛應用。三維設計可以解決在同一區(qū)域內多專業(yè)同時設計的碰撞、模型統(tǒng)計、現場虛擬再現等問題，同時實現設計信息共享。采用三維數字化設計是工程設計的必然趨勢［2］。

由于輸變電工程具有工期相對較短的特點，與電廠相比其工藝設計的復雜程度相對較低，在實際工程中空間分配、軟硬碰撞等問題并不突出。采用主流的二維設計結合相關的分析計算軟件基本可以解決輸變電工程設計中的大多數技術問題，因此輸變電工程三維設計起步較晚，且應用力度不大。隨著信息化技術的高速發(fā)展及電網公司管理水平的不斷提高，對設計成品的要求及相關設計信息的需求不斷提高，快速搶修、事故再現、全壽命期管理需求等對工程設計的信息共享要求、可視化要求日益深化，所有這些必然全面推動數字化設計技術的新發(fā)展。

2 電網企業(yè)與設計單位對數字化設計的需求分析

分析輸變電工程的建設特點和管理特點可以看出，數字化設計技術的發(fā)展屬于需求推動型，需要深入分析工程項目各個環(huán)節(jié)信息需求，才能梳理出數字化設計管理體系的脈絡，從而合理建立體系框架，全面推動數字化設計技術體系建設。

2.1 電網建設、管理單位的信息需求

從工程項目的全壽命期出發(fā)，可以將工程項目生命周期劃分為可行性研究、設計招投標、初步設計(含評審)、設備招標采購、施工圖設計、施工招標，施工、竣工、投運、竣工圖設計以及移交生產、檢修運行、報廢等階段，各個階段的信息需求差異較大，廣度和深度各不相同。

信息交換的內容分為結構化信息和非結構化信息。結構化信息通常是指存儲在關系型數據庫中的變電站資產對象的數字化定義及其相關屬性的信息，這些信息可以較方便地加載到業(yè)主業(yè)務系統(tǒng)中使用。非結構化信息主要是工程相關的工程圖紙、文檔及三維模型、圖片、多媒體文檔等。

2.1.1 可行性研究階段

可行性研究階段的數字化設計側重于多源地學信息，需求主要體現在輸電線路路徑及變電站站址上，其目的是與地理信息系統(tǒng)相融合，在數字地球上直觀反映線路路徑信息、變電站站址信息，并通過數據挖掘技術(地形、巖層、拆遷量、)和多種信息融合技術(如冰區(qū)、污區(qū)、風區(qū)、多雷區(qū)、地震分布、公路鐵路網等)指導線路路徑設計、變電站站址選擇、初選大件運輸方案、輔助可研評審等。

2.1.2 初步設計階段

初步設計階段是工程建設的重點環(huán)節(jié)，其數據需求方為評審單位、招標機構、項目法人單位、運行單位等。該階段結構化數據需求大，需要提交三維數字化模型及關聯數據庫。作為介于初步設計與施工圖設計之間的物資采購招標，還需要提供ERP資產管理結構化數據。

2.1.3 施工圖設計階段

施工圖階段的數據需求方主要面對項目法人單位、監(jiān)理單位、施工單位，重點是提供三維施工圖，進一步可以提供三維數字化模型，促進施工進度動態(tài)更新，輔助控制工程進度等信息［5］，同時兼顧未來的竣工圖移交。該數據需要考慮與現場建設管理系統(tǒng)的接口需求。

2.1.4 竣工圖設計階段

竣工圖應全面反映工程設計的移交狀態(tài)，結構化數據應齊全、完整，需要提交三維數字化模型數據及關聯數據庫。其數據庫應包含工程項目全部的非結構化數據(如簽訂的技術協(xié)議、制造廠圖紙資料、地理信息數據等)。

2.1.5 運行檢修

按照生產管理要求，提交項目基本數據及臺賬，實現數據共享。

2.1.6 數據格式需求

為保證不同設計平臺之間的兼容性，要求三維數字化設計平臺必需具有跨平臺展示功能。最終的數字化移交成品應以打包形式提供，軟件供應商提交的打包文件應能部署在業(yè)主指定的操作系統(tǒng)上，并通過web瀏覽器實現模型數據的展示與剖切、檢索、查找、定位，能直觀測量布置尺寸，打印相關平斷面、模型圖。相關應用插件應是必備的，且應作為三維設計軟件的外層服務免費提供。

2.2 輸變電工程設計單位的需求

對于設計單位而言，其關注點為業(yè)主需求，即所謂需求驅動型，作為技術服務型企業(yè)，提高工作效率，保證設計質量是其追求的目標。

2.2.1 軟件平臺的選擇

軟件平臺的選擇需重點關注功能性、擴展性、兼容性、經濟型;選擇的核心為是否有助于提高設計的質量與效率，是否可以實現設計信息的一次錄入多次采用，同時要兼顧本單位設計人員的設計習慣。一個好的設計平臺，不僅應與本單位現存的管理系統(tǒng)相兼容，同時還需具有友好的外部兼容性，軟件供應商應具備良好的開發(fā)能力和服務能力。

設計軟件應具有或可擴展多專業(yè)協(xié)同設計能力，各專業(yè)信息交換應在同一平臺上實現，實時更新，及時發(fā)現設計錯誤，提高勞動生產率、有效控制工程進度、保證工程質量;符合未來數字化設計技術的發(fā)展方向。

2.2.2 滿足業(yè)主需求

只有了解業(yè)主需求，才能更好地開發(fā)適應于業(yè)主需求的接口軟件，才能提高勞動生產率，保證設計質量，提供更好的產品和服務。

3 輸變電工程數字化設計技術體系建立的目的和意義

目前的輸變電工程設計技術體系，對信息的利用主要靠人工，效率低下，無法借助于先進的計算機系統(tǒng)實現信息共享與流通，急需將信息技術應用于體系建設，實現突破。

對于電網企業(yè)而言，隨著管理水平的不斷提升，電網工程建設、運行、管理等各個環(huán)節(jié)對工程信息的需求更加詳細、具體。而目前的管理模式又使得各個環(huán)節(jié)之間缺乏統(tǒng)一協(xié)調，各部門根據各自需求獲取各自的工程信息。而這些信息中近6成以上的內容來自設計單位。設計作為工程建設的龍頭，急需整合各種信息，保持其唯一性、正確性和可追溯性。

輸變電工程數字化設計技術體系的建立，就是要對現有數字化技術進行分析，找到與設計技術體系的融合點，實現二者的協(xié)調統(tǒng)一，通過明確需求，為輸變電工程數字化設計指引方向。

3.1 促進三維數字化設計應用

通過明確需求，促進三維數字化應用。結構化數據需求，成為設計單位開發(fā)應用三維數字化設計的動力;三維模型移交需求，要求設計單位全面開展三維數字化設計工作。不同階段數字化成品移交對象，為接口開發(fā)提供了依據。

在輸電線路設計中將逐步實現三維GIS系統(tǒng)中桿塔自動排位功能和斷面圖自動生成;實現道路、房屋、林地等交叉跨越數據自動統(tǒng)計，拆遷量的自動統(tǒng)計。在桿塔設計當中，通過三維建模，相關的結構、導線拉力、電磁環(huán)境等計算數據逐步實現信息一體化［6-7］。

變電工程通過三維數字化建模、設計，提供了空間分析直觀手段，實現電氣距離軟碰撞校驗、室內變電站碰撞檢查;實現圖紙的聯動修改，材料信息自動統(tǒng)計。利用三維GIS系統(tǒng)更為精確的進行變電站豎向布置、給排水設計、土方量計算［8-10］。

3.2 引導三維數字化設計技術發(fā)展方向

通過跨平臺展示需求，引導軟件開發(fā)商開發(fā)相關插件，解決信息互通問題;GIS、RS、GPS集成應用，實現在真實地形、地貌的數字化模型上進行選站選線設計;同時結合地震烈度區(qū)劃圖、污區(qū)分布圖、風區(qū)分布圖、礦區(qū)分布圖、自然保護區(qū)、軍事區(qū)、規(guī)劃區(qū)等多種專題圖在三維GIS系統(tǒng)的疊加方法，實現路徑優(yōu)化和變電站站址選擇［11-12］。

3.3 統(tǒng)一三維模型標準，完善模型庫

通過標準化建設，統(tǒng)一三維模型標準，通過規(guī)范化的要求，促進設備制造企業(yè)提交滿足業(yè)主要求的三維數字化產品模型。

3.4 實現信息共享，滿足電網管理需求

統(tǒng)一的信息需求，明確的格式要求，為電網建設管理提供了支撐，信息實現高度共享，其準確性得到了保證。三維設計模型的打包移交、跨平臺展示，實現了工程項目的虛擬再現，必將促進電網企業(yè)的現代化管理水平跨上新臺階。

4 輸變電工程數字化設計技術體系

輸變電工程數字化設計技術體系是數字化技術與設計技術的有機融合，明確了設計體系當中各個環(huán)節(jié)的數字化設計要求。通過數字化設計技術體系的建立，實現設計平臺與電網設計管理平臺及其他平臺的有效對接。輸變電工程數字化設計技術體系如圖2所示。

圖2 設計平臺與電網管理平臺的信息交換Fig.2 Information exchange between design platform and power grid management platform

4.1 輸變電工程數字化設計管理體系框架

設計管理體系框架在原管理體系框架中增加數字化管理要求。以國家電網公司為例，對輸變電工程設計信息進行梳理，按照項目設計階段、項目參與方對設計信息進行分類。輸變電工程數字化需求見圖3、4。

圖3 變電工程數字化需求Fig.3 Digital needs of substation project

圖4 輸電工程數字化需求Fig.4 Digital needs of power transmission project

各個環(huán)節(jié)的信息需求包含2類數據形式:結構化數據和非結構化數據。結構化數據可以實現對工程項目關鍵數據的檢索，查找定位，同時提出三維數字化模型提交需求，以滿足技術發(fā)展要求。而非結構化的數據，除應滿足以往技術要求外，還需對三維設計成品模型的交接提出整體要求。

4.2 輸變電工程數字化設計技術標準體系框架

數字化設計技術標準體系框架可劃分為2部分:設計技術標準框架和數字化技術標準框架。設計技術標準框架與現行設計技術標準一致。以國家電網公司為例，技術標準部分由綜合設計、系統(tǒng)規(guī)劃設計、變電站換流站設計、輸電線路設計、勘測設計5部分組成，其中綜合設計部分是技術標準的基礎，其他設計部分是技術標準的主要內容，各分支內容又根據專業(yè)按照國際標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準進行若干級別劃分。數字化技術標準框架為新增部分，輸變電工程數字化設計技術標準是為輸變電工程數字化設計、移交，以及規(guī)劃、基建、運行、檢修等全壽命周期活動，所制定和遵守的一系列可重復使用的規(guī)則、導則或特性文件，是輸變電工程數字化設計的基礎保障。

輸變電工程數字化設計技術標準體系包括基礎標準、數字化設計標準、數字化管理標準、數字化支撐標準、信息安全標準等。其主要作用在于協(xié)調技術和應用之間的關系，保證信息的共享和交換，實現數字化設計的專業(yè)間協(xié)同和輸變電工程信息的全壽命周期管理等。

5 結語

近年來，三維數字化設計技術在輸變電工程中逐步得以應用，但其廣度和深度有待提高。隨著數據庫技術、三維虛擬設計技術的不斷發(fā)展，以數據庫為基礎，以三維模型為信息載體，二、三維設計技術相融合的數字化設計平臺已經逐步展現，并將確立其未來在輸變電工程設計中的發(fā)展方向，為促進該項技術的發(fā)展，需要建立起與其相適應的技術體系給予支撐，才能引導和推動技術進步，為輸變電工程設計企業(yè)明確數字化設計技術方向，提高設計單位的勞動生產率，保證設計成品質量，促進輸變電工程建設的管理水平，實現設計單位與電網公司的協(xié)調發(fā)展。

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