張 衛(wèi)，王郁旭，劉 昊，馮逸帆

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200333)

0 引言

2022年3月23日，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，通知要求加快能源產業(yè)數字化智能化升級，推動能源基礎設施數字化。加快新一代信息技術和能源產業(yè)融合發(fā)展，推動能源產業(yè)數字化升級，加強新一代信息技術、人工智能、云計算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網、大數據等新技術在能源領域的推廣應用。建設智慧能源平臺和數據中心，實施智慧能源示范工程[1]。

2020年出版的《數字孿生應用白皮書》對電力行業(yè)的數字孿生應用作出總結，具體包括電廠三維可視化管理、電廠運行優(yōu)化、電氣設備健康管理、通用電網模型構建和電網設計及運維管理[2]。用數字孿生技術構造虛擬電力系統(tǒng)能夠準確反映現(xiàn)實電力系統(tǒng)整個生命周期的運行狀態(tài)，為運維人員提供了在低成本、低風險環(huán)境下進行分析的機會。三維模型編碼化、數據屬性相互關聯(lián)，設備幾何信息、業(yè)務信息的信息融合，實現(xiàn)設備運行巡檢過程中的三維仿真和實時互動功能。在智能電廠的各個層級實現(xiàn)全程可視化和全廠設備的全生命周期管理。

1 現(xiàn)狀

隨著數字化三維設計應用日益成熟，數字化三維的概念也逐步向設計的下游推動，施工、運維階段正逐步采用數字化三維技術，各大電廠都致力于建設“基于數字化三維的智慧運維平臺”。在電廠先進控制系統(tǒng)和安全高效的網絡平臺、數據庫平臺基礎上，利用三維可視化技術整合設計、采購、施工、建設、調試、運行、培訓、檢修與維護、改造直至拆除等各個階段的數據，從設備實時數據到企業(yè)管理業(yè)務數據，覆蓋發(fā)電廠全生命周期生產和管理，以管控一體化為手段，工業(yè)互聯(lián)網為目標，對電廠的經營和生產管理系統(tǒng)進行數字化智能化升級，打造智能電廠數字化資產。

三維可視化應用方面，近些年來各大發(fā)電集團都在嘗試數字化轉型，探索智能電廠實施方案。大唐姜堰智慧電廠實現(xiàn)了基于專家系統(tǒng)的三維可視化故障診斷系統(tǒng)、三維數字化檔案和三維可視化智能培訓系統(tǒng)；大唐南京發(fā)電廠實施了三維數字檔案和可視化立體設備模型。京能高安屯熱電是全國第一個數字化熱電廠，其首創(chuàng)將互聯(lián)網技術運用到傳統(tǒng)的電力行業(yè)，運用大數據進行生產管理、三維仿真訓練等。京能集團十堰熱電也將按智慧電廠標準建設，將采用大數據三維仿真平臺技術，實施數字化全壽命周期管理[3]。江蘇國信集團高郵、儀征2座6F級燃機智慧電廠示范項目，嘗試智能設備管理、智能運行管理及優(yōu)化、智能感知安全管理、可視化仿真培訓系統(tǒng)的應用管控。山西趙莊鑫光發(fā)電有限公司將成為格盟集團重點打造的智慧電廠樣板工程。其智慧電廠管控系統(tǒng)將建立電廠數據倉庫和三維模型，實現(xiàn)三維實時信息監(jiān)視；利用三維可視化技術，實現(xiàn)設備可視化診斷分析和動態(tài)壽命管理。上海華電奉賢熱電有限公司實施了三維可視化技術的火電廠設備數據管理[4]。國家能源集團宿遷發(fā)電有限公司搭建了智能電廠數字工程平臺，運用三維可視化技術、大數據技術，整合目前電廠運維的多種系統(tǒng)，實現(xiàn)宿遷電廠的設備管理、人員定位、文檔集成、視頻監(jiān)控、門禁周界以及SIS實時數據等的三維可視化展現(xiàn)。

2 智能電廠運維三維可視化架構和特色

智能生產監(jiān)管層和智能管理層的信息系統(tǒng)運行在智能電廠云平臺上，充分利用云平臺的優(yōu)勢，提升電廠信息整合能力和業(yè)務處理效率。智能電廠云平臺是面向電廠數字化、網絡化、智能化需求的，以工業(yè)生產和信息通信技術的集成、融合、創(chuàng)新為基礎，可實現(xiàn)生產全要素泛在連接，支持彈性收縮、資源池、高可靠、高負載的私有云平臺。智能電廠云平臺的基本框架由基礎層(IaaS)、平臺層(PaaS)、應用層(SaaS)3 大層級構成[5]。智能電廠云平臺架構如圖1所示。

圖1 智能電廠云平臺架構

智能電廠運維三維可視化架構在智能電廠云平臺上，通過編碼和輕量化三維設計和廠商模型，打造智能電廠的三維地圖，并使之成為平臺層數據中臺的一個部件，通過對傳統(tǒng)生產與運維軟件的梳理，在應用層與可視化綁定，架構業(yè)務流程的微服務，逐步完善電廠的管理平臺，搭建智能電廠數字工程平臺。智能電廠運維的三維可視化平臺整體架構如圖2所示。三維可視化平臺的應用數據庫和三維引擎服務器硬件布置在智能電廠云平臺基礎層(IaaS)，數據庫和應用服務可用虛擬服務器或容器來實現(xiàn)，三維引擎服務器采用實體服務器。三維可視化平臺對象數據的獲取和整理布置在智能電廠云平臺的平臺層(PaaS)，整合巡檢系統(tǒng)、兩票系統(tǒng)、設備監(jiān)控、人員管理系統(tǒng)等第三方平臺數據，架構數據管理系統(tǒng)、后臺服務系統(tǒng)，應用Web框架和三維引擎等模塊。三維可視化平臺具體業(yè)務功能布置在智能電廠云平臺的應用層(SaaS)，整合單點登錄的系統(tǒng)門戶，包含有智能檢索、通知管理、權限管理、工作流引擎等平臺基礎模塊，人員管理、設備管理、運行管理、文檔管理等業(yè)務功能模塊，三維展示模塊包含有數據駕駛艙、管道檢維修、人員定位、視頻監(jiān)控等內容。

圖2 三維可視化平臺整體架構

2.1 B/S架構

三維可視化架構宜采用低耦合的B/S開發(fā)架構，采用二三維交互、前后端分離、模塊化設計方式。無需在固定環(huán)境安裝客戶端，直接通過瀏覽器網頁端或移動端登錄。避免CS模式導致的安裝需求和硬件性能需求。

應用層前端應支持主流HTML5瀏覽器產品(例如 Chrome，Safari，Edge)，對于三維模型或二維圖紙(如智能PID圖)支持無插件式調閱瀏覽，支持各種主流操作系統(tǒng)包括：Windows、Mac OS、基于Linux內核的操作系統(tǒng)，并充分考慮未來操作系統(tǒng)、瀏覽器兼容問題。

系統(tǒng)部署優(yōu)先采用類SOA架構，模塊之間通過Restful風格服務接口API對外提供服務，實現(xiàn)服務的解耦合、松散部署、透明調用，并保留對其他運維管控平臺提供數據支持的能力。三維場景使用云渲染模式，通過WebRTC傳輸三維模型對象；通過Restful API提供各種應用數據訪問；通過WebAPI方式訪問其他功能服務器的內容和交互指令。最終所有數據匯集到智能電廠數字工程平臺，如圖3所示。

圖3 平臺數據和應用的組織方式

界面采用JavaScript加CSS布局技術，依托于react等框架，利用echarts等控件提供各類圖表展示。圖表展示采用容器模式，根據用戶習慣自定義各類數據展示布局。

2.2 數據標準化

電廠對象采用GB/T 50549電廠標識系統(tǒng)碼標準[6]，采用GB/T 32575發(fā)電工程數據移交標準[7]收集數據，全面涵蓋電廠結構、屬性、設備關聯(lián)關系等各種業(yè)務結構化數據，以及記錄、規(guī)范、工程圖紙、程序、報告、設計和許可文檔等非結構化數據等。以全息三維模型、全景管理體驗、全程數據跟蹤和全局分析掌控為發(fā)電集團和下屬電廠的管理效率提升和決策判斷合理等提供有利的數據支撐。

2.3 模型輕量化

模型輕量化技術實現(xiàn)加載規(guī)模較大的三維模型，在瀏覽器端流暢地進行內容展示。三維可視化引擎具備與SmartPlant 3D、PDMS、Revit、Bentley、3DMAX、CATIA等業(yè)內常用的三維設計軟件的數據解析和展示應用能力，可將電廠各系統(tǒng)中有用信息(包括三維模型、文檔資料以及相互間的關聯(lián)關系等)平滑地導入到平臺進行加工處理。

2.4 架構可擴展

智能電廠數字工程平臺采用可擴展性架構，業(yè)主可以根據需求，快速、高效地添加新功能模塊，實現(xiàn)“一平臺、多場景”的建設需求?？蓴U展性架構的核心思想是模塊化，降低模塊之間的耦合性，提高模塊的復用性。宜采用低代碼開發(fā)架構，當系統(tǒng)增加新功能時，方便對現(xiàn)有系統(tǒng)的結構和代碼進行修改。實現(xiàn)主界面自定義、表單自定義、流程自定義、角色自定義、權限自定義、組織機構自定義等功能，避免再投入大量的成本進行二次開發(fā)。

3 智能電廠運維三維可視化應用

以華東設計院正在實施的某燃機工程為例，工程三維建模及可視化系統(tǒng)的設計采用模塊化設計思路，系統(tǒng)包括三維數字化建模、智能電廠管控平臺(智能電廠數字工程平臺)以及安全管控系統(tǒng)(人員定位)。通過正向的數字化設計，實現(xiàn)全廠三維模型的可視化，將電廠的三維模型、設計數據、文檔資料以及相互間的關聯(lián)關系導入到智能電廠數字工程平臺。人員定位系統(tǒng)以人員高精度定位設備為基礎，根據電廠實際生產需要，對生產監(jiān)控區(qū)域建立三維立體坐標系，通過對運行維護人員實時位置監(jiān)視，輔助電廠的安全生產；可通過與“兩票”安全管理的聯(lián)動，建立三維電子圍欄，提高電廠的安全生產水平?？蓪崿F(xiàn)人員行走軌跡的回放、外包單位及特殊工種的動態(tài)管理等功能。實現(xiàn)各功能子系統(tǒng)之間的集成并與兩票、文檔、門禁、視頻等管理系統(tǒng)做好接口，滿足電廠對于智能化管理的要求，提高電廠的智能化水平。針對業(yè)主的實際需求，圍繞智能生產監(jiān)管層和智能管理層，智能電廠數字工程平臺基于生產設備智能管控、全方位安全生產管控等方向，實施了以下各個模塊來滿足業(yè)主三維可視化管控要求。

3.1 文檔管理

把三維模型、靜態(tài)文檔、動態(tài)數據整合在一起，建立一個多維數字信息集成應用平臺。包括文件的版本管理，并管理圖紙、文件的上傳、刪除、保存，支持文件與工作流相關聯(lián)，文件與電廠對象的關聯(lián)，支持在瀏覽器端對電廠常用格式的文件進行無插件式瀏覽。檔案分類管理代碼規(guī)則和設備電廠標識系統(tǒng)編碼自動匹配，點擊該設備即可直接查看該電子文件。

3.2 設備(管道)管理模塊

建立運維一體化管理平臺，構建精細化的設備狀態(tài)監(jiān)測體系，創(chuàng)新設備管理模式。通過設備電廠標識系統(tǒng)編碼鏈接MIS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)，從邏輯設備、設備位置和設備類型多角度建立設備的整體框架和各類設備管理臺帳，對設備的基礎信息、技術標準、運維信息、設備安裝、評級、異動等信息進行綜合管理。設備電廠各項業(yè)務的中樞，也是各項業(yè)務數據進行連通的關鍵。設備相關數據有：設備的運行數據；設備的臺賬數據，包括備品備件信息等；兩票數據，包括工作票和操作票；缺陷單數據，缺陷單內容；實時測點數據。

管理重點設備/部件范圍界定、設備狀態(tài)/性能監(jiān)測、設備消缺措施制訂、設備可靠性管理(持續(xù)可靠性提升)、電廠維修維護執(zhí)行、設備長周期運維計劃與全壽期管理等，通過提供在線及歷史數據信息，與具體生產任務對接，為電廠的安全生產以及生產計劃的制定提供數據支持。

3.3 實時監(jiān)控數據

SIS系統(tǒng)實時數據采集系統(tǒng)中獲取的數據經實時/歷史數據服務系統(tǒng)分析后，會以多種數據格式存儲在固定的存儲系統(tǒng)中，主要包括對廠級性能計算的風險、負荷優(yōu)化的分配方法、設備壽命的計算等[8]。關鍵/重點設備SIS測點的實時監(jiān)控，通過SIS測點列表,可查詢測點歷史數據；可快速定位，發(fā)現(xiàn)SIS測點所在區(qū)域附近存在問題信息。通過虛擬巡檢，對一組設備的實時測點進行檢查并生成相關報告。設置報警清單規(guī)則，按照指定的時間間隔收集、顯示SIS測點報警息，并生成報警信息報表。

3.4 人員定位模塊

人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)人員數量在線統(tǒng)計，對單人、多人的實時位置監(jiān)控定位，查找某時間段內的軌跡數據。當人員定位軌跡跨越多個管控區(qū)域時，可分別查看各區(qū)域的軌跡，系統(tǒng)還可統(tǒng)計人員各區(qū)域的進出時間、停留時長、行走路程等，軌跡回放支持調整回放速度和樣式。對現(xiàn)場異常狀態(tài)進行實時監(jiān)測及告警，支持現(xiàn)場及監(jiān)控中心告警提醒及多方式聯(lián)動管理，支持多區(qū)域、多圍欄管理。設定的電子圍欄，可以對進入危險區(qū)域的人員進行監(jiān)控，在進入危險區(qū)域、無權限區(qū)域時觸發(fā)報警并予以提醒。

3.5 智能兩票

在傳統(tǒng)兩票制度規(guī)范的基礎上，融合實時數據、三維，人員定位、移動APP等技術，傳統(tǒng)兩票系統(tǒng)與三維可視化平臺進行數據交互，將設備電廠標識系統(tǒng)編碼、作業(yè)人員、執(zhí)行時間等信息發(fā)送至三維可視化平臺，通過人員定位系統(tǒng)，獲取操作人員的實時定位以及工作票狀態(tài)。工作票、操作票上的動作，能反饋到三維模型中，通過在關鍵設備上創(chuàng)建電子圍欄，并結合人員定位系統(tǒng)，可以加強安全管控，及時提醒或告警功能，減少危險操作事件的發(fā)生。有歸類統(tǒng)計和查詢等功能，方便審查和管控。

3.6 視頻監(jiān)控

三維可視化平臺對接電廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可查詢視頻監(jiān)控列表，添加或刪除視頻監(jiān)控標簽，并選中具體三維設備模型后快速調取該設備周圍的視頻監(jiān)控攝像頭。可以查看視頻監(jiān)控的內容，操控可縮放移動攝像頭，并實現(xiàn)攝像頭角度位置自動復位。結合攝像頭人工智能算法，可以實現(xiàn)未帶安全帽，管道跑冒滴漏的報警等功能。

3.7 門禁及周界安防

三維可視化平臺對接門禁系統(tǒng)及周界安防系統(tǒng)，進行實時監(jiān)控、出入記錄查詢、異常報警、緊急聯(lián)動、邏輯開門等。周界安防系統(tǒng)包括紅外線探測結果、異常報警、報警記錄查詢等。系統(tǒng)管理員可通過門禁系統(tǒng)關聯(lián)的門的三維模型查看進出情況、門的狀態(tài)(包括門的開關、各種非正常狀態(tài)報警等)?？梢垣@取門禁系統(tǒng)中所有出入事件、操作事件、報警事件、考勤等記錄，可按不同查詢條件查詢并能夠輸出報表。事件記錄應包含事件、目標、位置、行為。

3.8 動態(tài)仿真

通過對物理世界的動態(tài)預測，通過將業(yè)務數據輸入到信息分析模塊，信息分析模塊利用統(tǒng)計、關聯(lián)、聚類、演化、回歸、泛化等機器學習方法對數據進行處理分析，將得出的結果通過虛擬模型展示[9]。平臺整合動態(tài)仿真數據以及SIS數據，對設備運行狀態(tài)做出預測。平臺根據SIS系統(tǒng)所設定的工藝流程圖，并結合SIS實時數據，對相關設備和工藝進行三維模擬，以孿生模型的方式對工藝流程進行復現(xiàn)和模擬。

3.9 三維虛擬巡檢

建立巡檢路徑標準庫，建立三維平臺、實時數據庫與移動APP端的數據通訊，實現(xiàn)巡檢人員實時指導及路線軌跡跟蹤、設備實時數據查詢等功能，保證巡檢人員走對巡檢路線，并對巡檢人員巡檢質量進行評估。通過三維虛擬巡檢，可以讓電廠運維人員快速了解當前現(xiàn)場設備的運行情況，并全面熟悉電廠的環(huán)境?？勺远x巡檢點和巡檢路線，設置巡檢人員和巡檢起止時間，提高企業(yè)的巡檢人員管理效率。

根據人員在特定區(qū)域內的停留時間，生成報表(包含到達時間、離開時間、停留時間)?？梢愿鶕矙z任務查看任務完成情況及比例，生成現(xiàn)場點巡檢和三維虛擬巡檢數據比對報告，用戶可在報表中查看巡檢情況及巡檢覆蓋情況。

4 結語

智能生產控制和智能管理是智能電廠的兩個工作重心，通過智能設備層、智能控制層、智能生產監(jiān)管層以及智能管理層的融合，借助大數據、BI可視化、云計算、移動應用、深度學習等技術，形成具備電廠數字孿生、信息高度集成、自趨優(yōu)控制、智能故障診斷、多目標性能優(yōu)化、輔助決策管理等能力的智能發(fā)電模式。從電廠信息安全角度考慮，基于三維可視化的智能電廠數字工程平臺，主要的定位整合智能生產監(jiān)管層以及智能管理層。本文側重介紹了生產設備智能管控以及安全生產全方位管控應用，通過全面的信息感知、互聯(lián)，以及智能分析模型，智能判斷熱電廠設備運行工況，實現(xiàn)故障全覆蓋，提早預警預判，提高了設備的可靠性；圍繞設備與人員的全方位安全管控，可以優(yōu)化檢修，促進安全生產，減員增效，實現(xiàn)管理提維。

將來三維可視化將有更多的整合發(fā)展方向，一方面三維可視化形式將多樣化整合，正向設計移交輕量化模型；施工組織過程三維模型；歷史維度掃描拍照的點云全景場景；工藝流程仿真的三維模型場景；基于實時人員定位三維人員分布熱力圖場景；廠商設備部件級的精細模型等等。另一方面各類場景結合智能生產監(jiān)管以及智能管理，在現(xiàn)有的模塊基礎上擴展功能，達到可展示評估資產的最新狀況、虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優(yōu)化結果，實現(xiàn)預測未來行為、精細化控制或優(yōu)化運營的效果。平臺還可以結合人工智能、AR等技術應用于工藝流程基礎培訓、流程原理培訓、工況仿真培訓、操作仿真培訓、三維工藝作業(yè)指導書等。通過將數字孿生和新一代信息技術融入工廠全過程管理，構建三維可視化智能電廠數字工程平臺，全面提升發(fā)電生產、管理、運營的信息化、數字化、智能化水平。