黃永軍，陳 燕

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)(2.東方電氣股份有限公司，四川 成都 610036)

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)電廠正在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的數(shù)字化,特別是數(shù)字化電廠概念的提出對(duì)數(shù)字化的設(shè)計(jì)、移交和管理提出了更高的要求，為此國(guó)內(nèi)各電力設(shè)計(jì)院紛紛采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)和管理手段。與此同時(shí)，各主機(jī)設(shè)備廠和輔機(jī)設(shè)備廠也在各自領(lǐng)域開(kāi)展了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。但不同單位之間由于設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同，采用的三維軟件也有差異，造成彼此之間的數(shù)據(jù)隔離，形成了信息孤島，因此為了打破壁壘、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享和數(shù)字化模型整合，開(kāi)展跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)就顯得非常必要。作者通過(guò)參與神華萬(wàn)州電廠和越南升龍電廠兩個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，深刻體會(huì)到跨單位協(xié)同設(shè)計(jì)不但具有可行性，而且能取得非常好的效果，可大幅提高各單位的工作效率和質(zhì)量。

1 背景介紹

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上設(shè)計(jì)主體，通過(guò)一定的信息交換和相互協(xié)同，分別以不同的設(shè)計(jì)任務(wù)共同完成同一設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]。

這一機(jī)制在國(guó)外一些大型國(guó)際工程公司里獲得了成功的應(yīng)用，特別是在海洋石油、船舶制造等行業(yè)，不僅部門(mén)內(nèi)部開(kāi)展了高效的協(xié)同設(shè)計(jì)，跨部門(mén)、跨單位、跨區(qū)域的全球協(xié)同設(shè)計(jì)也已成為常態(tài)，不同的公司通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同機(jī)制開(kāi)展同一設(shè)計(jì)或進(jìn)行交流配合，有效地提高了資源的利用率。

目前，國(guó)內(nèi)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)主要是在涉及專(zhuān)業(yè)多、內(nèi)容復(fù)雜的電力設(shè)計(jì)院內(nèi)部開(kāi)展，而在整個(gè)行業(yè)中的跨單位協(xié)同設(shè)計(jì)還沒(méi)有有效地開(kāi)展，如何更高效地整合多方的資源仍處于摸索階段。

國(guó)內(nèi)電力行業(yè)主要的主、輔機(jī)設(shè)備廠都或多或少地開(kāi)展三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，其中汽輪機(jī)廠和發(fā)電機(jī)廠主要采用UG、Pro/E進(jìn)行設(shè)備外形和零部件的設(shè)計(jì)；鍋爐廠則主要采用PDMS軟件進(jìn)行本體布置，采用Tekla進(jìn)行鋼構(gòu)架的三維設(shè)計(jì)出圖；一些重要的輔機(jī)廠，例如磨煤機(jī)廠、風(fēng)機(jī)廠等，則采用UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等進(jìn)行設(shè)備外形設(shè)計(jì)。具體的設(shè)備廠家三維數(shù)字化應(yīng)用情況見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)與制造企業(yè)在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方面的大力投入，為跨單位三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 設(shè)備廠家三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用情況

2 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方案

2.1 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)發(fā)展模式

在整個(gè)行業(yè)中實(shí)現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)涉及到眾多廠家，如何有效協(xié)調(diào)不同單位間的數(shù)據(jù)交流，既要做到資源共享，又要保證各單位的核心技術(shù)不泄露，需要有一個(gè)逐步探索、溝通和交流的過(guò)程。基于現(xiàn)有條件可以分兩步走：在初級(jí)協(xié)同階段，各設(shè)備制造廠和設(shè)計(jì)院通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的中間模型文件，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)；在高級(jí)協(xié)同階段，各設(shè)備制造廠與設(shè)計(jì)院將在同一工程文件中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互和數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)。初級(jí)協(xié)同與高級(jí)協(xié)同的協(xié)同效果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 初級(jí)協(xié)同與高級(jí)協(xié)同模式對(duì)比

在跨單位數(shù)字化協(xié)同初級(jí)階段，離線(xiàn)數(shù)據(jù)共享的協(xié)同模式是可行的，只共享外形信息就可以在不泄露本單位核心數(shù)據(jù)的前提下，實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)同設(shè)計(jì)，并可提高各自的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，減少提資配合中出現(xiàn)的失誤。高級(jí)協(xié)同是跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的終極模式，最終要打破不同部門(mén)和單位之間的數(shù)據(jù)壁壘，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和設(shè)計(jì)的高效實(shí)時(shí)協(xié)同。但現(xiàn)階段各單位之間的技術(shù)壁壘重重，技術(shù)成果還無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全共享，需要在跨單位數(shù)字化協(xié)同過(guò)程中，各單位之間進(jìn)行戰(zhàn)略合作和談判，逐步突破技術(shù)壁壘，消除單位間的信息孤島。

2.2 跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)共享方式

目前國(guó)內(nèi)的電力生產(chǎn)和設(shè)計(jì)單位采用的三維設(shè)計(jì)軟件主要有4大類(lèi)：第一類(lèi)是PDMS等管道布置類(lèi)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，主要是設(shè)計(jì)院和鍋爐廠等單位在使用；第二類(lèi)是Revit等土建三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，主要是設(shè)計(jì)院等設(shè)計(jì)單位在使用；第三類(lèi)是UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等機(jī)械設(shè)計(jì)類(lèi)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，主要是汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備生產(chǎn)廠家采用；第四類(lèi)則是Tekla等結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件，主要是鍋爐廠等單位用于鋼構(gòu)架等的詳圖設(shè)計(jì)。

如何實(shí)現(xiàn)眾多廠家及不同類(lèi)型設(shè)計(jì)軟件之間的數(shù)字化協(xié)同，數(shù)據(jù)的共享是關(guān)鍵，只有打通各類(lèi)軟件間的數(shù)據(jù)交互通道，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)軟件的資源共享，才能最終實(shí)現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)。

UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor都是應(yīng)用比較廣泛的通用機(jī)械類(lèi)三維設(shè)計(jì)軟件，這些軟件通常都會(huì)支持1個(gè)甚至是幾個(gè)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。DWG、DGN和STEP這幾種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)都可以應(yīng)用于文中所提到的各類(lèi)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的模型數(shù)據(jù)交互，SDNF數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)Tekla等結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件與PDMS等布置設(shè)計(jì)軟件之間的模型數(shù)據(jù)交互，DGN數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)則可以實(shí)現(xiàn)Revit與PDMS等布置設(shè)計(jì)軟件之間的模型數(shù)據(jù)交互。如圖1所示，通過(guò)不同軟件間的數(shù)據(jù)互通，可以串聯(lián)起整個(gè)電力設(shè)計(jì)、制造企業(yè)的數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)跨單位數(shù)據(jù)共享與協(xié)同設(shè)計(jì)。

圖1 不同軟件間的模型數(shù)據(jù)交互

3 初級(jí)階段跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用

設(shè)計(jì)院在電廠設(shè)計(jì)工作中涉及到的專(zhuān)業(yè)多、內(nèi)容雜，是電力設(shè)計(jì)行業(yè)較早開(kāi)展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的單位。目前國(guó)內(nèi)主要的設(shè)計(jì)院都基本具備了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的能力，因此在電廠的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)院應(yīng)該發(fā)揮引領(lǐng)、協(xié)調(diào)、集成與管控的作用，通過(guò)自身數(shù)字化協(xié)同技術(shù)的不斷提高，帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展。

在初級(jí)協(xié)同階段，西南電力設(shè)計(jì)院有限公司通過(guò)參與重慶神華萬(wàn)州電廠、越南升龍電廠等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，逐步摸索出了一條切實(shí)可行的跨單位協(xié)作之路，在國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)行業(yè)率先邁出了跨單位協(xié)同設(shè)計(jì)的第一步。西南電力設(shè)計(jì)院有限公司將鍋爐廠、汽輪電機(jī)廠、發(fā)電機(jī)制造廠及各個(gè)輔機(jī)廠家的所有模型通過(guò)離線(xiàn)模型文件導(dǎo)入的方式集成到設(shè)計(jì)院的PDMS等管道布置設(shè)計(jì)平臺(tái)中，通過(guò)設(shè)計(jì)院的整合及優(yōu)化布置，最終形成一個(gè)完整的數(shù)字化電廠方案。電廠建設(shè)完成后通過(guò)數(shù)據(jù)級(jí)的數(shù)字化移交，將整個(gè)電廠的數(shù)字化模型和屬性信息等數(shù)據(jù)移交給業(yè)主，從而打造出真正的數(shù)字化電廠[2]。

3.1 設(shè)備制造廠模型與設(shè)計(jì)院模型的整合

為實(shí)現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，在工程初期西南電力設(shè)計(jì)院有限公司便配合業(yè)主與各個(gè)設(shè)備制造廠簽訂了設(shè)備模型移交合同，規(guī)定了設(shè)備制造廠應(yīng)提供的設(shè)備模型的范圍、深度及相關(guān)要求；在工程設(shè)計(jì)中積極與各廠家溝通，充分利用設(shè)備廠家三維模型的精確度與可靠性，打造出逼真的三維數(shù)字化電廠。

設(shè)計(jì)過(guò)程中鍋爐廠將鍋爐構(gòu)架、本體、煙風(fēng)道及汽水系統(tǒng)管道模型通過(guò)DGN和SDNF中間格式傳給設(shè)計(jì)院,供設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)使用，鍋爐廠模型如圖2所示，同時(shí)設(shè)計(jì)院也將其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的煙風(fēng)道、送粉管道、汽水管道的三維模型以DGN中間格式文件導(dǎo)出供鍋爐廠設(shè)計(jì)時(shí)參考，并進(jìn)行模型的碰撞檢查。

汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔機(jī)制造廠主要從事機(jī)械設(shè)備的加工制造，涉及到的管道、構(gòu)架等布置設(shè)計(jì)較少，因此在目前的初級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)階段主要是扮演模型資源提供者的角色。設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備內(nèi)部的部件更加清楚，通過(guò)機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件可以設(shè)計(jì)出高精度的設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)零部件級(jí)的加工設(shè)計(jì)，有效解決PDMS等管道布置設(shè)計(jì)軟件中設(shè)備模型建模精度不高、建模深度不夠的問(wèn)題。如圖3所示，精細(xì)到部件級(jí)的三維模型為運(yùn)維期的數(shù)字化管理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]，可以輕松實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)備管理和設(shè)備檢修三維模擬等數(shù)字化技術(shù)的延伸應(yīng)用。

3.2 跨單位數(shù)字化模型整合的應(yīng)用

3.2.1推動(dòng)精細(xì)化設(shè)計(jì)的深入開(kāi)展

將設(shè)備制造廠家的精確的三維設(shè)備模型整合到設(shè)計(jì)院的軟件平臺(tái)，給工程精確設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以往的工程設(shè)計(jì)中，由于汽輪機(jī)腹部空間狹小、管道密集，因此是工程管道布置設(shè)計(jì)最困難的地方。跨單位協(xié)同設(shè)計(jì)后，導(dǎo)入更精確的汽輪機(jī)高中壓缸、主汽門(mén)、再熱汽門(mén)三維模型，可以更加精確地進(jìn)行管道布置設(shè)計(jì)，避免管道與缸體和閥門(mén)的碰撞。鍋爐本體及其附屬管道、風(fēng)道也是數(shù)字化設(shè)計(jì)的盲點(diǎn)，設(shè)計(jì)院沒(méi)有詳細(xì)的鍋爐設(shè)備管道模型，鍋爐廠也沒(méi)有設(shè)計(jì)院的管道布置模型，現(xiàn)場(chǎng)施工中經(jīng)常出現(xiàn)二者之間的碰撞問(wèn)題。在越南升龍電廠建設(shè)工程中,西南電力設(shè)計(jì)院有限公司與武漢鍋爐廠密切配合，實(shí)現(xiàn)了鍋爐構(gòu)架、本體及其附屬管道煙風(fēng)道的完全協(xié)同設(shè)計(jì)，如圖4所示，有效減少了設(shè)計(jì)院和鍋爐廠由于設(shè)計(jì)配合度不夠而造成的碰撞。

3.2.2數(shù)字化移交

數(shù)字化移交是打造數(shù)字化、可視化電廠的基礎(chǔ)[4]，模型則是數(shù)字化移交的主體。西南電力設(shè)計(jì)院有限公司在萬(wàn)州電廠設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了跨單位數(shù)字化模型整合技術(shù)，為數(shù)字化移交提供了更加精細(xì)、全面的數(shù)字化模型, 打造出優(yōu)秀逼真的數(shù)字化電廠，實(shí)現(xiàn)了主要設(shè)備的數(shù)字化模擬檢修等。萬(wàn)州電廠汽輪機(jī)檢修模型如圖5所示。

圖5 數(shù)字化移交的萬(wàn)州電廠汽輪機(jī)檢修模型

3.2.3跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用效率提高

實(shí)踐證明，跨單位協(xié)同設(shè)計(jì)可以大大減少設(shè)計(jì)院設(shè)備和鍋爐構(gòu)架建模的工作量，在節(jié)省人力的同時(shí)還可以提高設(shè)備和鍋爐構(gòu)架模型的精度，是提高質(zhì)量和效率、節(jié)約成本的可靠措施。常規(guī)建模與協(xié)同設(shè)計(jì)工作量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 常規(guī)建模和協(xié)同設(shè)計(jì)工作量對(duì)比表

4 高級(jí)階段數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)模式探究

在高級(jí)協(xié)同階段，設(shè)計(jì)院不僅僅是簡(jiǎn)單的集成者，更重要的是還要擔(dān)當(dāng)協(xié)調(diào)者與管控者的角色。在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)院就要搭建統(tǒng)一的數(shù)字化工程設(shè)計(jì)集成平臺(tái)，為不同的設(shè)備廠家、監(jiān)理單位和業(yè)主進(jìn)行區(qū)域分割、權(quán)限配置和人員管理[5]，組織相關(guān)單位有序開(kāi)展數(shù)字化的設(shè)計(jì)與協(xié)同工作。各相關(guān)單位可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)設(shè)計(jì)院的服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)電廠設(shè)計(jì)制造企業(yè)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，只要進(jìn)入該電廠的集成設(shè)計(jì)平臺(tái)就可以實(shí)時(shí)瀏覽其他單位的設(shè)計(jì)成果，并可進(jìn)行統(tǒng)一的碰撞檢查。由于電廠建設(shè)涉及到的單位眾多，有效地協(xié)調(diào)和管理好各單位的數(shù)據(jù)和權(quán)限就非常必要，這就要求設(shè)計(jì)院做好組織協(xié)調(diào)工作，并建立一套完善的管理機(jī)制，只有這樣才能保證跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

鍋爐廠和設(shè)計(jì)院都是采用PDMS等布置設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行總體整合和布置設(shè)計(jì)，可以基于同一布置軟件的工程文件開(kāi)展同庫(kù)同平臺(tái)的實(shí)時(shí)協(xié)同，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行模型的導(dǎo)出和導(dǎo)入，其中一方的模型另一方都可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)查看，這樣就可以實(shí)現(xiàn)鍋爐廠和設(shè)計(jì)院之間的無(wú)縫銜接，大幅提高設(shè)計(jì)效率，基本可以杜絕因配合問(wèn)題造成的錯(cuò)誤。

汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔機(jī)制造廠等機(jī)械設(shè)備加工廠家也可以進(jìn)入設(shè)計(jì)院的整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)體系，與設(shè)計(jì)院共同開(kāi)展設(shè)備布置、配套系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)等工作，例如汽輪機(jī)廠的軸封、潤(rùn)滑油、啟動(dòng)系統(tǒng)、抗燃油系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)廠的氫冷系統(tǒng)、定子冷卻水系統(tǒng)或者磨煤機(jī)廠的油系統(tǒng)等等，傳統(tǒng)模式下都是先由設(shè)備廠家提供系統(tǒng)然后由設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在跨單位數(shù)字化實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)模式下，設(shè)備廠家可以進(jìn)入設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)平臺(tái)，查看全部工程的設(shè)計(jì)模型，并在限定的范圍和權(quán)限內(nèi)完成各自的設(shè)備位置擺放以及配管系統(tǒng)的管道布置設(shè)計(jì)，由于其對(duì)設(shè)備系統(tǒng)更為熟悉和了解，可以設(shè)計(jì)出更為優(yōu)化的布置方案，從而提高電廠設(shè)備運(yùn)行的可靠性。參與協(xié)作的各單位就像設(shè)計(jì)院的一個(gè)專(zhuān)業(yè)一樣開(kāi)展既獨(dú)立又協(xié)同合作的設(shè)計(jì)，完全打破現(xiàn)有的設(shè)計(jì)范圍劃分，充分發(fā)揮不同單位的優(yōu)勢(shì)資源，更好地開(kāi)展配套系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)水平的不斷提升，以及數(shù)字化電站對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)要求的不斷提高，整合整個(gè)設(shè)計(jì)制造行業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)資源已是當(dāng)務(wù)之急。實(shí)現(xiàn)跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)被證明是可行的、高效的，也必將成為發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)階段電力設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)該著力推廣以離線(xiàn)文件交互為基礎(chǔ)的初級(jí)階段的跨單位數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，并逐步實(shí)現(xiàn)單位間的數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力設(shè)計(jì)制造行業(yè)數(shù)字化資源的一體化。

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