滕 彥

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200434）

0 引言

著眼能源產(chǎn)業(yè)全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求， 以改革創(chuàng)新為核心，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以智能化為基礎(chǔ)，緊緊圍繞構(gòu)建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，促進(jìn)能源和信息深度融合， 推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、 新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展，推動(dòng)能源領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，支撐和推進(jìn)能源革命， 為實(shí)現(xiàn)我國(guó)從能源大國(guó)向能源強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變和經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著BIM 技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，BIM 技術(shù)可在大型水電工程的設(shè)計(jì)、施工、竣工及運(yùn)維全生命周期階段發(fā)揮巨大的價(jià)值[1]。數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)旨在利用先進(jìn)的IT 技術(shù)為工具，采用先進(jìn)的管理思想、強(qiáng)大的管理功能、領(lǐng)先的開發(fā)技術(shù)，建設(shè)一套完善的信息管理系統(tǒng)，對(duì)工程全生命周期的信息進(jìn)行全過程管理， 從而達(dá)到保證水電站設(shè)備的安全可靠運(yùn)行、降低總體運(yùn)行成本、提高設(shè)備利用率和工作效率的目的， 并使其成為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的信息平臺(tái)和可利用的高效管理手段。

1 Digital-Twin 數(shù)字孿生的介紹

Digital-Twin 數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是BIM 技術(shù)，BIM 重點(diǎn)在于三維數(shù)據(jù)信息模型化，體現(xiàn)為如下幾層含義：首先直觀的三維數(shù)據(jù)信息模型在進(jìn)行建筑單體建設(shè)時(shí)， 可以進(jìn)行碰撞檢查、精確算量以及虛擬施工等一系列應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、精益管理的目的；其次BIM 技術(shù)提供一個(gè)持續(xù)的協(xié)同工作環(huán)境， 可以使項(xiàng)目中各個(gè)參與方都可以利用這個(gè)平臺(tái)及時(shí)溝通，共享項(xiàng)目信息，提高管理效率；第三BIM 技術(shù)中的數(shù)據(jù)信息移動(dòng)交付可以提高對(duì)整個(gè)項(xiàng)目中工程數(shù)據(jù)信息的利用， 針對(duì)最終管控的目的進(jìn)行有效的分類統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)挖掘， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)主體的高效決策以及規(guī)模效應(yīng)中體現(xiàn)的高盈利[2]。

BIM 并不能替代Digital-Twin，BIM 技術(shù)的應(yīng)用主要基于設(shè)計(jì)和建造過程， 同時(shí)BIM 并不能對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的操作做出反應(yīng)，BIM 只是Digital-Twin 的一個(gè)關(guān)鍵輸入。

Digital-Twin 是對(duì)真實(shí)資產(chǎn)、流程及系統(tǒng)的數(shù)字表達(dá)，它不是一個(gè)靜態(tài)的過程，是基于多數(shù)據(jù)源的實(shí)時(shí)同步，其中的數(shù)據(jù)可用來進(jìn)行預(yù)估及性能優(yōu)化。 Digital-Twin 技術(shù)特征如下：

1.1 大體量

由以往傳統(tǒng)的文件級(jí)管理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)數(shù)據(jù)管理，載體發(fā)生了改變。

1.2 面向過程的變更管理

針對(duì)不同階段不同版本的BIM 模型， 通過轉(zhuǎn)換服務(wù)將每一版BIM 模型的時(shí)間點(diǎn)、幾何屬性、物理屬性以及相關(guān)的圖紙、規(guī)格、分析模型等變更集存放進(jìn)工程數(shù)據(jù)中心。了解引發(fā)變更的根源以及這種變更會(huì)帶來的影響對(duì)于項(xiàng)目的執(zhí)行過程來講至關(guān)重要。

1.3 部署方式

以云部署及云計(jì)算為主。

1.4 跨平臺(tái)的應(yīng)用方式

網(wǎng)頁(yè)、桌面、移動(dòng)、大屏等客戶端均可使用。

因此零散的工程數(shù)據(jù)或BIM 模型并不能稱為Digital-Twin 數(shù)字孿生， 也無法進(jìn)行數(shù)字化電子資產(chǎn)交付，只有數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間通過BIM 載體建立起關(guān)系才能真正形成數(shù)字化電子資產(chǎn)的核心。

2 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的總體技術(shù)路線及關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

以三峽集團(tuán)烏東德、白鶴灘水電站為項(xiàng)目載體，建立一個(gè)貫穿項(xiàng)目全生命周期的數(shù)據(jù)集成平臺(tái)， 其核心思想是通過統(tǒng)一的平臺(tái)存儲(chǔ)和管理項(xiàng)目全過程中完整的信息，建立文檔、記錄、資產(chǎn)、人員、流程和項(xiàng)目之間的橋梁，創(chuàng)造一個(gè)全生命中周期準(zhǔn)確信息的生態(tài)系統(tǒng)， 利用數(shù)據(jù)信息為參與項(xiàng)目的所有部門服務(wù)。

基于Digital-Twin 數(shù)字孿生的技術(shù)特點(diǎn)，本項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)思路從數(shù)據(jù)層面和關(guān)聯(lián)關(guān)系層面進(jìn)行梳理。

（1）數(shù)據(jù)層面：數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的數(shù)據(jù)層面可分為兩大類：一類是用來描述水電站本身是如何組織。 包括烏東德、白鶴灘水電站的系統(tǒng)、設(shè)備、部件等信息，從項(xiàng)目的工程文檔及三維模型中獲得，例如三維模型、屬性數(shù)據(jù)、設(shè)備材料列表等；另一類是項(xiàng)目的管理類信息。指與項(xiàng)目建設(shè)過程相關(guān)的管理信息，包括進(jìn)度WBS 分解、變更記錄、質(zhì)量安全、管理人員等。 這其中既有階段性的靜態(tài)數(shù)據(jù)，又有整個(gè)過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（2）關(guān)聯(lián)關(guān)系：第二個(gè)方面是如何建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，我們把它叫做數(shù)據(jù)信息模型。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的數(shù)據(jù)信息模型的規(guī)劃和建立取決于工程建設(shè)管理及最終運(yùn)維管理要求的精細(xì)度。管理目標(biāo)要求越細(xì)，數(shù)據(jù)信息模型越復(fù)雜。數(shù)據(jù)信息模型使用面向?qū)ο蟮膬?nèi)容存儲(chǔ)，可針對(duì)相關(guān)三維模型、所在系統(tǒng)、空間位置、人員組織等通過一定的編碼規(guī)則建立網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)關(guān)系， 最終形成的數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)模型可使不同的參與方通過不同的維度進(jìn)行相關(guān)資料的檢索及三維定位， 同時(shí)根據(jù)各參與方的業(yè)務(wù)需求可衍生出不同的需求關(guān)系， 為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)接提供基礎(chǔ)。

圖2 關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路的梳理， 在數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)建立的過程中有以下幾項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意。

（1）水電站BIM 模型的建立[3]。構(gòu)建全專業(yè)模型，包括地質(zhì)、水工、水機(jī)、電氣、建筑等，模型到構(gòu)件級(jí)，可按要求進(jìn)行功能和空間的拆分及組合。 模型深度滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CTG 95 規(guī)范及竣工驗(yàn)收的深度要求，模型需支持以輕量化格式輸出。

（2）水電站信息收集的規(guī)則。 如何完整、高效、可控的收集和提交工程數(shù)據(jù)的方法， 是本項(xiàng)目要研究的重點(diǎn)之一（數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和管理）。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)信息收集主要有兩大部分構(gòu)成， 一個(gè)是設(shè)計(jì)信息的收集和整理理；一個(gè)二是施工數(shù)據(jù)的收集和整理。 烏東德、白鶴灘水電站的二維設(shè)計(jì)文檔一般由設(shè)計(jì)院提供， 可通過歸檔的設(shè)計(jì)院資料獲取圖紙信息。 施工管理數(shù)據(jù)主要由工程建設(shè)單位的施工月報(bào)、周報(bào)獲得。

（3）數(shù)據(jù)信息模型建立的規(guī)則。 數(shù)據(jù)信息模型的規(guī)劃和建立是數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 數(shù)據(jù)信息模型的復(fù)雜程度取決于項(xiàng)目管理要求的精細(xì)度。

數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)使用面向?qū)ο蟮膬?nèi)容存儲(chǔ)，例如， 一份典型的工程設(shè)計(jì)清單關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施可能會(huì)如下圖所示，所有的數(shù)據(jù)信息都在一排，以固定的格式顯示，如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)系

在數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)中， 這一排變成了至少四個(gè)對(duì)象，對(duì)象之間用一種關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，由原來單一的一個(gè)關(guān)系變成了多種網(wǎng)狀關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 面向?qū)ο蟮年P(guān)聯(lián)關(guān)系

數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)這種以對(duì)象為中心的特性允許數(shù)據(jù)可以自然地進(jìn)行存儲(chǔ)， 并可以像現(xiàn)實(shí)世界物體那樣同其它組件建立關(guān)系。 例如，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，工程師主要關(guān)心的是帶有位號(hào)的對(duì)象以及其設(shè)計(jì)參數(shù)。 從制造商需求的角度來看，模型的技術(shù)規(guī)格就變得更加重要。其所分配的位號(hào)對(duì)于他們來說，則沒有太大的關(guān)系。在水電站運(yùn)維過程中， 運(yùn)維人員主要是通過設(shè)備編碼來進(jìn)行檢索和管理信息。 數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)提供了一個(gè)信息集來存儲(chǔ)信息， 對(duì)每一個(gè)組件來說這樣的信息集都處于中心位置，而且信息集與信息集之間的相互聯(lián)系也不相同。但只要從一個(gè)組件，就可以迅速找到完整的關(guān)聯(lián)信息。

（4）編碼體系的建立。編碼作為唯一索引在數(shù)據(jù)信息模型的建立中顯得至關(guān)重要， 因此水電站的編碼體系不僅可用于標(biāo)識(shí)各種不同類型水電站的系統(tǒng)、 設(shè)備和部件等， 也要能標(biāo)識(shí)在水電站工程建設(shè)過程中涉及的各類信息，并作為各參與方之間聯(lián)系的紐帶，同時(shí)用于水電站生命周期的全過程，為整個(gè)系統(tǒng)提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。編碼體系的組成如圖5 所示。

圖5 編碼體系結(jié)構(gòu)

（5）工程數(shù)據(jù)中心建立。數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)建設(shè)的主要工作量是工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，以Digital-Twin 技術(shù)為基礎(chǔ)，既包括BIM 模型數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)，也包括傳統(tǒng)的文檔數(shù)據(jù)。 收集的原始數(shù)據(jù)是分散的，面向各自的專業(yè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)之間通常不存在關(guān)系。 工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)貫穿于整個(gè)項(xiàng)目過程，要將現(xiàn)有的各類信息進(jìn)行集成，依據(jù)項(xiàng)目需求和條件，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒?，抽象出整個(gè)工程項(xiàng)目中的各類設(shè)備資產(chǎn)以及信息之間的關(guān)系。 工程數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃和建立不是一個(gè)一蹴而就的過程， 需以螺旋上升的方式隨著項(xiàng)目工程需求的日益清晰而逐步完善，這也對(duì)工程數(shù)據(jù)中心平臺(tái)的可擴(kuò)展性提出了較高的要求。

3 實(shí)施工作內(nèi)容

以Digital-Twin 數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，在后續(xù)的實(shí)施過程中，主要有以下幾項(xiàng)工作：

3.1 資料收集及調(diào)研

（1）烏東德、白鶴灘規(guī)劃設(shè)計(jì)資料收集：與烏東德、白鶴灘工程建設(shè)部及相關(guān)設(shè)計(jì)單位對(duì)接，收集設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)文檔、計(jì)算資料、工程量清單等資料。

（2）烏東德、白鶴灘建設(shè)過程需求收集：與烏東德、白鶴灘工程建設(shè)部對(duì)接，主要部門為技術(shù)部以及合同部。 收集施工組織、過程管控、質(zhì)量管理、安全管理、采購(gòu)管理、合同管理、驗(yàn)收流程和產(chǎn)生的信息類型及樣例。

（3）長(zhǎng)江電力運(yùn)行過程需求收集：與運(yùn)行單位進(jìn)行溝通，可依托溪洛渡等大壩進(jìn)行運(yùn)行階段業(yè)務(wù)需求分析，反向驗(yàn)證白鶴灘、烏東德信息的完整性。

3.2 水電站BIM 模型建立

（1）模型范圍：根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際需要， BIM 模型實(shí)施范圍為烏東德、 白鶴灘水電站范圍內(nèi)永久建筑物及涉及移民的淹沒區(qū)部分。

（2）模型規(guī)則：在建模過程中，需要根據(jù)BIM 軟件的特點(diǎn)確定四點(diǎn)規(guī)則：一是模型文件、構(gòu)件命名規(guī)則；二是模型拆分和裝配規(guī)則；三是建模單位、坐標(biāo)、高程、基點(diǎn)設(shè)置原則；四是模型色彩規(guī)定。

（3）模型深度：根據(jù)國(guó)標(biāo)及企標(biāo)要求，烏東德、白鶴灘水電站模型深度單元應(yīng)不低于LOD3.0（施工深化深度），單元幾何精度達(dá)到G3 要求， 單元信息深度達(dá)到N4 要求。 在工程竣工后模型應(yīng)深化到竣工模型深度，以配合運(yùn)維需要。

（4）模型編碼：根據(jù)編碼規(guī)則在模型建立過程中針對(duì)土建、機(jī)電及設(shè)備進(jìn)行編碼，編碼信息需寫入模型屬性規(guī)定字段中。

3.3 以Digital-Twin 為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與整合

3.3.1 應(yīng)用需求

根據(jù)水電站業(yè)務(wù)梳理數(shù)據(jù)信息模型的應(yīng)用需求，主要包括：

（1）設(shè)計(jì)：協(xié)同管理維度、模擬優(yōu)化維度。

（2）工程建設(shè)管理：質(zhì)量維度、HSE 維度、工程清單維度、成本維度、物料資源維度、單元工程、人員組織維度。

（3）運(yùn)維管理等：監(jiān)測(cè)管理維度、人員組織維度、資產(chǎn)管理維度、維護(hù)管理維度、調(diào)度管理維度。

3.3.2 數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與整合

以應(yīng)用需求為目標(biāo)，主要處理幾種形式的數(shù)據(jù)：三維BIM 模型數(shù)據(jù)、 以數(shù)據(jù)庫(kù)/XML/EXCEL 格式存在的數(shù)據(jù)信息、文檔信息、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等。

（1）三維模型數(shù)據(jù)的輕量化轉(zhuǎn)換。三維模型數(shù)據(jù)加載主要通過輕量化轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)。 一是將不同BIM 軟件的格式通過標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)轉(zhuǎn)換為構(gòu)件級(jí)別的幾何和屬性數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)數(shù)據(jù)利用；二是模型的版本管理， 將過程中的修改也作為模型的組成部分通過變更集的方式進(jìn)行記錄存入數(shù)據(jù)中， 使各個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)計(jì)模型的變化變得透明可控，對(duì)于后期工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)十分重要。

（2）EXCEL/XML 數(shù)據(jù)信息的導(dǎo)入。 對(duì)各專業(yè)的設(shè)備材料清冊(cè)進(jìn)行導(dǎo)入。 將Excel 表中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML 文件， 然后利用平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查服務(wù)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到平臺(tái)中。

（3） 業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)原則上由各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)生成， 由業(yè)務(wù)系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。初始數(shù)據(jù)可以由其他方式導(dǎo)入， 例如進(jìn)度計(jì)劃從P6 或Project 軟件中直接導(dǎo)入、BIM 模型中的構(gòu)件對(duì)象和工程驗(yàn)收文檔的關(guān)聯(lián)可以通過平臺(tái)使用Excel 預(yù)先定義好管理關(guān)系后進(jìn)行批量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入， 最大限度減少數(shù)據(jù)導(dǎo)入的工作量。

（4）工程數(shù)據(jù)中心的對(duì)象關(guān)聯(lián)。工程數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)大量工程數(shù)據(jù)，基于不用對(duì)象的層次和邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)對(duì)象的層級(jí)也會(huì)有所不同，可提供指定關(guān)聯(lián)規(guī)則（如解析編碼字段規(guī)則，層級(jí)規(guī)則等）由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)信息的錄入。

（5） 多維度數(shù)據(jù)展示。通過工程數(shù)據(jù)中心面向?qū)ο蟮木W(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的構(gòu)建，在系統(tǒng)中能以任意的維度展示相關(guān)信息。 例如：按系統(tǒng)功能分解展示、按區(qū)域分解展示、 按卷冊(cè)圖紙展示、按任意的管理視角展示等。 如圖6、圖7 所示。

圖6 按專業(yè)展示

圖7 按管理視角展示

3.4 相關(guān)技術(shù)文件建立

在實(shí)施過程中需要制定一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件， 以支撐數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)整個(gè)過程的實(shí)施，主要包括：

（1）數(shù)字水電站交付要求：依托白鶴灘、烏東德水電站竣工移交的要求，制定BIM 模型的交付范圍、交付的模型深度以及交付內(nèi)容等。

（2）數(shù)字水電站編碼規(guī)定：依托白鶴灘、烏東德水電站完成水電站水工建筑物及機(jī)電設(shè)備編碼規(guī)定及文檔編碼規(guī)定。

（3）數(shù)字化移交管理規(guī)定：依托白鶴灘、烏東德水電站制定數(shù)字化移交流程及配套的管理辦法。

4 結(jié)束語

雖然數(shù)字化水電站電子資產(chǎn)目前僅處于可研階段，其未來的實(shí)施不僅對(duì)提高水電站信息化管理水平和管理效率具有重要作用， 在提高社會(huì)效益方面也具有重要意義，且具有很好的行業(yè)示范效應(yīng)。

（1）以Digital-Twin 數(shù)字孿生模型為核心，針對(duì)水電站正式運(yùn)行前期，設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)理單位所完成的各類相關(guān)文件、數(shù)據(jù)進(jìn)行移交管理，對(duì)數(shù)據(jù)移交的過程進(jìn)行控制，從而有效保證工程信息移交的時(shí)間、進(jìn)度以及質(zhì)量。

（2）為形成三峽集團(tuán)層面工程交付數(shù)據(jù)中心打下基礎(chǔ)，通過后續(xù)數(shù)據(jù)的不斷積累為水電站運(yùn)行維護(hù)全面實(shí)現(xiàn)信息化管理提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 極大地節(jié)省了后續(xù)相關(guān)運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)建設(shè)的成本。

（3）基于全數(shù)據(jù)信息模型構(gòu)建起的數(shù)字水電站將直觀地展示水電站全貌， 并能夠通過可視化的手段對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行模擬和管理。 在提高管理效率的同時(shí)， 也為對(duì)外宣傳、 提升企業(yè)形象帶來巨大效益。