金 飛，葉曉冬，馬 斐，滕 彥

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

海上風(fēng)電近年來在技術(shù)革新和國家政策的驅(qū)動下實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，進(jìn)入了大規(guī)模開發(fā)建設(shè)階段，這對工程建設(shè)的質(zhì)量和效率提出了很高的要求。海上風(fēng)電工程涉及范圍廣，工程復(fù)雜度高，具有建設(shè)條件復(fù)雜、專業(yè)種類眾多、可到達(dá)性差、運行維護(hù)困難等特點。同時，近期國家能源主管部門出臺了一系列海上風(fēng)電建設(shè)管理和價格政策，明確了海上風(fēng)電的補(bǔ)貼退坡的節(jié)奏，更突顯了海上風(fēng)電全生命周期的精細(xì)化管理和成本控制的重要性[1]。因此迫切需要通過數(shù)字化和信息化等手段，推動海上風(fēng)電工程高質(zhì)量高效率發(fā)展。

近年來數(shù)字化智慧風(fēng)場的建設(shè)成為業(yè)內(nèi)的一個熱點，圍繞體系架構(gòu)[2]、解決方案[3]、項目管理[4]、運營維護(hù)[5]等方面做了很多研究工作。然而，大多數(shù)研究只關(guān)注工程規(guī)劃設(shè)計、施工、運維中某些階段，目前國內(nèi)能夠覆蓋海上風(fēng)電全生命周期的數(shù)字孿生研究尚處于起步階段。

對于海上風(fēng)電工程規(guī)劃設(shè)計階段，上海勘測設(shè)計研究院有限公司在數(shù)字化方面做了很多研究與應(yīng)用[6- 7]，創(chuàng)建了三維協(xié)同設(shè)計平臺，建立了完整的全專業(yè)海上風(fēng)電場三維數(shù)字化模型，以整體風(fēng)電場全專業(yè)BIM模型設(shè)計為核心，在BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行碰撞檢查、設(shè)計優(yōu)化，避免后續(xù)施工階段出現(xiàn)大量返工工作；通過參數(shù)化建模等創(chuàng)新應(yīng)用提高設(shè)計效率與質(zhì)量。

對于海上風(fēng)電工程施工階段，基于BIM技術(shù)的項目管理系統(tǒng)能夠基于BIM模型對各類項目實現(xiàn)可視化管理，以BIM模型的變化更新來反應(yīng)現(xiàn)場實際施工進(jìn)度和成果，實時掌握施工進(jìn)程[8]，并同時利用BIM施工方案模擬可以對施工的重點或難點部分進(jìn)行可見性模擬和分析，提高施工方案的可執(zhí)行性。

對于海上風(fēng)電工程運維階段，目前設(shè)備資產(chǎn)的資料信息分散缺少統(tǒng)一的管理體系。同時風(fēng)電場設(shè)備監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的獨立造成了數(shù)據(jù)孤島，缺少業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)?，F(xiàn)有多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)界面根據(jù)業(yè)務(wù)類型劃分子系統(tǒng)，運行人員要查看多個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)時需要來回切換界面窗口或多屏查看，增加了無效操作時間，無法有效提高工作效率。

1 難點與關(guān)鍵點

1.1 全生命周期數(shù)字孿生體系

目前針對海上風(fēng)電工程單個建設(shè)階段已有數(shù)字化實施案例，而能夠覆蓋全生命周期的數(shù)字孿生體系研究是一個難點，其關(guān)鍵在于BIM模型及數(shù)據(jù)能夠在規(guī)劃設(shè)計、施工、運維階段中得到繼承、深化與提升?；谝?guī)劃設(shè)計階段建立的BIM模型，施工階段進(jìn)行模型深化，并賦予施工屬性信息，竣工時形成數(shù)字資產(chǎn)；運維階段基于前述階段的BIM模型，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型互聯(lián)，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。由此建立的全生命周期的數(shù)字孿生體系能夠充分發(fā)揮數(shù)字孿生的優(yōu)勢，提升工程數(shù)字化價值。

1.2 信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)

由于國內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展起步較晚，尚未形成成熟的編碼體系。而海上風(fēng)電與其他傳統(tǒng)能源相比，有著很多不同點，需要建立起符合海上風(fēng)電工程的信息分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息模型的唯一索引，標(biāo)識各種不同類型的系統(tǒng)、設(shè)備和部件，同時標(biāo)識在工程建設(shè)過程中涉及的各類信息，如各類文檔、單元工程、人員、組織等，并作為各專業(yè)設(shè)計人員，采購人員，項目管理人員、現(xiàn)場施工人員、運營維護(hù)人員等之間聯(lián)系的紐帶。

BIM模型需要與施工進(jìn)度計劃、項目成本、運維監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的進(jìn)行雙向關(guān)聯(lián)，模型關(guān)聯(lián)上述數(shù)據(jù)后，能夠在瀏覽模型的過程中，查看任一構(gòu)件對應(yīng)的進(jìn)度計劃節(jié)點工期、清單工程量和造價、設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)等信息[9]。模型與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，可以提供給不同業(yè)務(wù)人員和項目參與方獲取所需的信息，在同一個模型的基礎(chǔ)上，確保項目數(shù)據(jù)的一致性，并能夠直觀地通過模型可視化的方式呈現(xiàn)。

1.3 全生命周期的數(shù)字資產(chǎn)體系

為了提高設(shè)備資產(chǎn)在全生命周期中所產(chǎn)生信息的高利用率，需要將各階段的資料信息進(jìn)行數(shù)字化處理以數(shù)據(jù)庫形式儲存，并使用一個唯一索引將數(shù)據(jù)庫與設(shè)備資產(chǎn)關(guān)聯(lián)，形成物理設(shè)備的數(shù)字資產(chǎn)體系，如圖1所示。

圖1 數(shù)字資產(chǎn)體系示意圖

2 解決方案

海上風(fēng)電工程全生命周期數(shù)字孿生解決方案以BIM技術(shù)為核心，結(jié)合GIS、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿信息技術(shù)，服務(wù)海上風(fēng)電工程規(guī)劃設(shè)計、施工、運維階段，實現(xiàn)全生命周期內(nèi)的智能化、數(shù)字化、信息化的創(chuàng)新運用。BIM模型及數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)中得到繼承、深化與提升。以下按照規(guī)劃設(shè)計、施工、運維各階段進(jìn)行方案內(nèi)容的詳細(xì)介紹。整體方案的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 全生命周期數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)圖

2.1 規(guī)劃設(shè)計階段

2.1.1主要功能

智慧規(guī)劃設(shè)計平臺能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)場智能選址布局、環(huán)境條件分析，并且集成海上風(fēng)電設(shè)計過程各專業(yè)所使用的各類工具，為各專業(yè)協(xié)同設(shè)計提供了基礎(chǔ)。充分運用BIM、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，融合了氣象信息庫、時序數(shù)據(jù)庫、GIS地圖服務(wù)、圖形引擎、各類算法庫等服務(wù)支撐工具，在規(guī)劃階段可為用戶提供包括測風(fēng)數(shù)據(jù)評估、風(fēng)電場宏觀、微觀選址及發(fā)電量計算、風(fēng)資源評價、地形圖生成及處理、工程海域波浪要素設(shè)計等功能，結(jié)合造價信息管理平臺得出的經(jīng)濟(jì)評價，得出最優(yōu)的風(fēng)場布局與風(fēng)機(jī)規(guī)劃布局方案。通過三維協(xié)同設(shè)計平臺整合包括風(fēng)機(jī)機(jī)組、海上升壓站、海纜及地形地質(zhì)在內(nèi)的BIM信息模型和GIS模型，實現(xiàn)設(shè)計可視化、審核智能化，減少了過程協(xié)調(diào)中各種資源消耗。

三維協(xié)同設(shè)計平臺可實現(xiàn)碰撞檢測、凈高分析、管道綜合優(yōu)化、工程自動算量、三維出圖、場景漫游等功能。通過智慧設(shè)計平臺對整個新能源電站的設(shè)計工作流程進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，實現(xiàn)信息的集中存儲和訪問，并對校核或?qū)徟鷻?quán)限進(jìn)行管理。通過協(xié)同工作模式減少過程協(xié)調(diào)中各種資源消耗，避免設(shè)計時專業(yè)間的碰撞問題和重復(fù)修改的過程，提高設(shè)計過程的效率和設(shè)計質(zhì)量。

2.1.2創(chuàng)新應(yīng)用

(1)智慧選址

智慧規(guī)劃設(shè)計平臺基于云計算技術(shù)構(gòu)建，能夠輸出全國任意區(qū)域200m×200m精度格點數(shù)據(jù)、風(fēng)資源分布圖譜信息(如圖3所示)；基于GIS空間分析技術(shù)，將風(fēng)資源分布圖、海圖、海洋功能區(qū)劃圖、海洋氣象信息加載到同一地理空間進(jìn)行綜合分析，分析結(jié)果為風(fēng)資源評估、海洋環(huán)境評估提供可靠依據(jù)。平臺可根據(jù)分析結(jié)果提供風(fēng)電場的宏觀、微觀的推薦選址。確定選址后，平臺可自動規(guī)劃裝機(jī)容量。

圖3 風(fēng)資源圖譜分析

(2)參數(shù)化單元庫與出圖

對于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點、電氣橋架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模難點，平臺創(chuàng)新性地利用BIM軟件的自定義參數(shù)化功能，將海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)中的常用節(jié)點類型以及電氣橋架通過參數(shù)化編程的方式制作成單元庫(如圖4所示)。參數(shù)化單元庫在不同項目中快速調(diào)用，大大提高建模效率。同時，配合二維切圖，可以將三維模型快速轉(zhuǎn)換成二維圖紙，同時支持二維圖紙與三維模型聯(lián)動，參數(shù)化修改的參數(shù)能夠反映在二維切圖中，大大提高了出圖效率。

圖4 參數(shù)化單元庫

2.2 施工階段

2.2.1基本功能

智慧施工管理平臺為工程建設(shè)參與單位提供BIM協(xié)同工作平臺與管理數(shù)據(jù)中心。BIM協(xié)同工作平臺以集成各專業(yè)的BIM模型為核心載體，關(guān)聯(lián)施工過程中的進(jìn)度、質(zhì)量、安全、文件、工程量等信息，利用BIM模型的形象直觀、可計算分析的特性，為工程的進(jìn)度、質(zhì)量管控等提供數(shù)據(jù)支撐，為工程建設(shè)參與單位提供全階段的信息查詢與分析服務(wù)。施工管理數(shù)據(jù)中心將施工階段中產(chǎn)生的管理數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與融合。各參與方可在基于BIM的智慧建設(shè)管理平臺上進(jìn)行模型變更管理；建設(shè)方可利用平臺基于輕量化的BIM模型進(jìn)行動態(tài)可視化的進(jìn)度計劃管理、質(zhì)量管理、安全管理以及成本管理模塊的應(yīng)用及數(shù)據(jù)填報，利用平臺更有效的實現(xiàn)工程進(jìn)度的動態(tài)控制，進(jìn)而提高施工質(zhì)量和有效控制施工進(jìn)度。

2.2.2主要應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計階段的BIM模型，進(jìn)行施工深化。對深化后的BIM模型進(jìn)行4D施工組織方案模擬，根據(jù)風(fēng)電工程分部分項劃分情況、施工節(jié)點進(jìn)度、工程施工特點及現(xiàn)場實際情況，對三維模型進(jìn)行實體切割，形成可以反映施工作業(yè)對象和結(jié)果的施工作業(yè)單元實體模型，再與施工進(jìn)度相鏈接，形成4D施工資源信息模型，根據(jù)構(gòu)件選擇施工機(jī)械及機(jī)械的運行方式，確定施工的方式、順序和所需臨時設(shè)施及安裝位置，通過預(yù)演進(jìn)度對整體施工方案進(jìn)行優(yōu)化及調(diào)整。同時，對專項BIM施工方案模擬，對重要的施工環(huán)節(jié)或采用施工工藝的關(guān)鍵部位等施工指導(dǎo)措施進(jìn)行模擬和分析，以提高計劃的可執(zhí)行性，進(jìn)度模擬示意圖如圖5所示。

圖5 施工進(jìn)度模擬

2.3 運維階段

2.3.1全生命周期公共信息模型

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建立設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期公共信息模型(CIM)，如圖6所示。以前述兩階段的BIM模型為載體，資產(chǎn)編碼為紐帶將設(shè)備資產(chǎn)在建設(shè)期、運營期所產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)，在后端數(shù)據(jù)庫中以資產(chǎn)編碼作為唯一索引可迅速各維度的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，前端采用一個界面同時展示設(shè)備資產(chǎn)所有關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

圖6 公共信息模型

2.3.2虛擬風(fēng)場

應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)建立還原海上風(fēng)電場虛擬場景模型(虛擬風(fēng)場，如圖7所示)。以GIS地圖為底板，在其上構(gòu)件海洋、風(fēng)機(jī)機(jī)組、海纜、海上升壓站等模型，將設(shè)備運行監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、故障告警預(yù)警、環(huán)境氣象監(jiān)測等數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，運用模型的可視化效果更直觀的展現(xiàn)數(shù)據(jù)，在同一個界面中用戶能更全面地掌握風(fēng)電場全局信息[10]。

圖7 虛擬風(fēng)場

2.3.3智能預(yù)警

結(jié)合預(yù)警智能算法，系統(tǒng)可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷故障類型、自動報警/預(yù)警并發(fā)起運維流程，結(jié)合排程智能算法，系統(tǒng)可生成最優(yōu)運維計劃并自動派單，運維人員通過手持終端記錄整個運維過程并反饋系統(tǒng)完成業(yè)務(wù)閉環(huán)，智能預(yù)警示意圖如圖8所示。

圖8 智能預(yù)警

3 結(jié)語

海上風(fēng)電工程全生命周期數(shù)字孿生解決方案基于“全生命周期管理”的核心思想和BIM技術(shù)，突出“創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)、智慧、綠色”理念，為用戶提供技術(shù)先進(jìn)、管理創(chuàng)新、電網(wǎng)友好、生態(tài)和諧的智慧風(fēng)場規(guī)劃建設(shè)運營一體化解決方案。以BIM模型為核心，覆蓋海上風(fēng)電工程全生命周期內(nèi)各參建方的各類相關(guān)文件、數(shù)據(jù)、信息，并對數(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間、進(jìn)度以及質(zhì)量，利用數(shù)字孿生技術(shù)助力海上風(fēng)電工程實現(xiàn)降本增效。