寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)

陳慧清，黃 勇，王晨祥，霍云超，郭 園，馬月英

（1.青海省門源神牛水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 門源 810300；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)模式和數(shù)字經(jīng)濟(jì)大浪潮下，國家提出了水利信息化的重要戰(zhàn)略部署，將網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水利工程實(shí)際相融合，創(chuàng)新傳統(tǒng)水利工程的管理模式，提高管理效率，既可以降低管理成本，積極響應(yīng)國家的能源結(jié)構(gòu)供給側(cè)改革的大戰(zhàn)略，同時(shí)將新技術(shù)應(yīng)用到水利工程建設(shè)中去，緊跟科技前沿。

本文研究對(duì)象寺溝口水電站位于青海省門源回族自治縣境內(nèi)，是大通河干流上一座重要的水電站，其主要建筑物有溢流壩、泄洪閘及引水發(fā)電建筑物等組成。正常蓄水位為2424 m，總庫容500 萬m3，最大發(fā)電頭22 m，總裝機(jī)12 MW，保證出力2607 kW，多年平均發(fā)電量6425 萬kW·h。

現(xiàn)狀條件下寺溝口水電站管理水平較低，為提升電站管理能力和企業(yè)效益，充分保障該區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，亟需通過生產(chǎn)運(yùn)維模式改革，建設(shè)以智慧運(yùn)維管控和區(qū)域運(yùn)檢中心為支撐的“無人值班，少人值守”的新型管理模式，這都要以水電站的數(shù)字化建設(shè)為前提，因此本文對(duì)寺溝口水電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。

1 數(shù)字電廠的發(fā)展及研究

通過對(duì)水電站數(shù)字化建設(shè)的研究探討，寺溝口水電站數(shù)字化改造已具備一定理論依據(jù)：一是對(duì)部分傳統(tǒng)水電站進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)表明，水電站的數(shù)字化建設(shè)將極大提高傳統(tǒng)水電站的信息化、可視化水平；二是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、5G、三維可視化等技術(shù)日趨完善，提供了技術(shù)基礎(chǔ)；三是國家政策支持，水利信息化建設(shè)已成為大浪潮，理論日益完善[1]。

目前，在國家政策的支持下，我國專家學(xué)者對(duì)水電站數(shù)字化深入研究，取得豐碩的研究成果。張宏等對(duì)數(shù)字化水電站的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了闡述，驗(yàn)證水電站數(shù)字化在技術(shù)上是可行的[2]；熊保鋒等認(rèn)為水電站數(shù)字化建設(shè)應(yīng)以全生命周期管理原則,以數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ),以智能控制為建設(shè)手段，以自動(dòng)化、互動(dòng)化、人性化為基本特征，突出安全、高效可靠、綠色環(huán)保、和諧友好[3]；桂遠(yuǎn)乾等根據(jù)數(shù)字化水電站的設(shè)計(jì)思想，提出來金沙水電站數(shù)字化開關(guān)站的設(shè)計(jì)方案[4]；張紅芳等以漫灣水電站為研究對(duì)象,提出了適合于漫灣水電站的數(shù)字化建設(shè)方案，研究結(jié)果表明,我國大中型水電站要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化在技術(shù)上不光可行，且能是水電站更好地發(fā)揮社會(huì)精益效益[5]；肖平等以大崗山水電站數(shù)字化建設(shè)為例，總結(jié)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果[6]。

綜上，數(shù)字水電站建設(shè)技術(shù)上可行，應(yīng)用效果好，是順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)模式提升管理效率的必然。

2 水電站數(shù)字化構(gòu)架

數(shù)字化水電站，是從水電站自身特點(diǎn)出發(fā)，以國外先進(jìn)的管理理論為知識(shí)支撐，借助先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，建立水電站的全信息數(shù)字模型、數(shù)據(jù)中心、各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)等，來實(shí)現(xiàn)水電站的同一平臺(tái)化、智慧化，提高傳統(tǒng)水電站的管理水平[7]。

2.1 水電站全信息數(shù)字模型構(gòu)建

全信息數(shù)字模型建設(shè)是數(shù)字電站建設(shè)的基礎(chǔ)。全信息數(shù)字模型建設(shè)包括三維數(shù)字化建模、模型屬性完善、模型融合集成等。

（1）三維數(shù)字化建模。依據(jù)數(shù)字化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合水電站相關(guān)資料，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化逆向建模。建模的內(nèi)容包括首部樞紐、廠房、生活區(qū)、開關(guān)站等在內(nèi)的所有設(shè)備設(shè)施（水工建筑物、設(shè)備、管線等），建模標(biāo)準(zhǔn)及精度嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，模型組織結(jié)構(gòu)以方便應(yīng)用為原則、參照電廠運(yùn)維管理模式進(jìn)行劃分。

（2）模型屬性完善。設(shè)備屬性完善是數(shù)字電站建設(shè)的重要步驟，也是電站數(shù)字化模型建設(shè)的重要內(nèi)容。對(duì)于一個(gè)設(shè)備，從設(shè)計(jì)、采購、制造、安裝、調(diào)試、到運(yùn)維，都有大量的幾何參數(shù)和物理參數(shù)。只有將這些實(shí)際參數(shù)和信息附加至相應(yīng)的三維模型上，模型有了信息，虛擬模型和實(shí)際設(shè)備才會(huì)產(chǎn)生關(guān)系，虛擬模型才能用于實(shí)際模型的管理。

（3）模型融合集成。水電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由地質(zhì)、壩工、泄水、廠房、水機(jī)、金結(jié)、給排水、暖通、消防等多專業(yè)組成。不同專業(yè)采用的三維建模軟件也各不相同，從而導(dǎo)致整個(gè)電站的模型是孤立、分散的。因此，需要在各專業(yè)三維建模的基礎(chǔ)上，通過模型轉(zhuǎn)換工具將不同的三維模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式并進(jìn)行融合集成。

2.2 水電站全壽命周期管理系統(tǒng)建設(shè)

以水電站全信息三維數(shù)字模型為載體，設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)為核心，構(gòu)建水電站全壽命周期管理系統(tǒng)。水電站全壽命周期管理系統(tǒng)包括三維綜合展示模塊、數(shù)字化文檔管理模塊、數(shù)字化設(shè)備管理模塊、仿真培訓(xùn)模塊等構(gòu)成。

2.2.1 三維綜合展示

將水電站所有設(shè)施設(shè)備三維模型在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行展示，并按照統(tǒng)一的空間對(duì)象及數(shù)據(jù)編碼規(guī)則關(guān)聯(lián)集成設(shè)備全面綜合信息數(shù)據(jù)（如設(shè)備狀態(tài)信息、缺陷信息、臺(tái)賬信息、物資信息、文檔等），在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的集成展示、查詢共享、統(tǒng)計(jì)分析等。通過三維模型，可快速查詢相關(guān)設(shè)施設(shè)備模型的外形及空間位置，同時(shí)獲取相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，輔助電廠運(yùn)行維護(hù)。

2.2.2 數(shù)字化文檔管理

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是數(shù)字電站建設(shè)的靈魂，數(shù)字化文檔管理是數(shù)字電站建設(shè)的必要內(nèi)容，通過編碼編號(hào)將各種非結(jié)構(gòu)化圖文檔資料與相應(yīng)的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)可視化圖文檔資料管理。整合寺溝口水電站在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)維修試過程中的圖紙、報(bào)告、圖片、操作說明、維修手冊(cè)等圖文檔資料，在數(shù)據(jù)梳理及編碼編號(hào)的基礎(chǔ)上，建立圖文檔與相關(guān)數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以三維模型為載體對(duì)圖文檔資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)可視化圖文檔資料集成管理及應(yīng)用。

2.2.3 數(shù)字化設(shè)備管理模塊

遵循設(shè)備全壽命周期管理理念，將設(shè)備巡檢、維護(hù)、檢修、更換、報(bào)廢全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化），以數(shù)字模型為載體，通過設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)碼統(tǒng)籌和關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期可視化管理。在三維可視化環(huán)境下，對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果、檢修計(jì)劃、檢修報(bào)告等信息數(shù)據(jù)與電站設(shè)備空間對(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)展示、查詢與分析。

2.2.4 仿真培訓(xùn)

基于水電站三維數(shù)字模型，集成培訓(xùn)知識(shí)和考題，在三維可視化環(huán)境下建立交互式仿真培訓(xùn)模塊。仿真培訓(xùn)包括運(yùn)行操作培訓(xùn)和檢修培訓(xùn)，融入運(yùn)維檢修規(guī)程、工作票、操作票、安全措施等。培訓(xùn)系統(tǒng)分為培訓(xùn)和考試兩種模式。在培訓(xùn)模式下，系統(tǒng)根據(jù)課程內(nèi)容，在三維可視化環(huán)境下，對(duì)典型運(yùn)行操作和檢修過程進(jìn)行仿真演示，并配以語音、文字等內(nèi)容進(jìn)行講解；在考試模式下在，人員可以在仿真平臺(tái)上進(jìn)行三維可視化仿真運(yùn)行操作和機(jī)組三維可視化仿真拆裝，并對(duì)考試情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3 水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成

基于水電站全壽命周期管理系統(tǒng)，在虛擬可視化環(huán)境下，集成水電站監(jiān)測、監(jiān)控等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用三維場景與可視化信息集成展示開發(fā)維護(hù)工具，將水工建筑物缺陷的位置在三維可視化信息集成展示與會(huì)商平臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并關(guān)聯(lián)缺陷相關(guān)的文字描述、圖片和記錄表格等數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等。

2.4 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線

依據(jù)數(shù)字化框架，寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線見圖1。

圖1 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)路線

3 寺溝口水電站數(shù)字化建設(shè)成果

3.1 水電站全信息數(shù)字模型

（1）結(jié)合寺溝口水電站自身特點(diǎn)，依據(jù)《發(fā)電工程數(shù)據(jù)移交》《水電工程設(shè)計(jì)信息模型數(shù)據(jù)交付規(guī)程》《水電工程三維激光掃描測量規(guī)程》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寺溝口水電站設(shè)計(jì)圖紙、改造記錄等歷史資料，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行建模，其中寺溝口水電站大壩建模見圖2。

圖2 水電站大壩建模

（2）模型屬性完善。將水電站所有設(shè)備的幾何參數(shù)和物理參數(shù)附加至相應(yīng)的三維模型上，屬性完善示例見圖3。

圖3 屬性完善示例

（3）模型融合集成。將各專業(yè)三維建模成果通過模型轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式并進(jìn)行融合集成，模型融合集成實(shí)例見圖4。

圖4 模型融合集成示例

3.2 寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)建設(shè)成果

3.2.1 三維綜合展示結(jié)果

將寺溝口水電站所有設(shè)施設(shè)備三維模型集中在統(tǒng)一平臺(tái)上，通過三維模型，進(jìn)行可視化展示，三維綜合展示模型見圖5。

圖5 三維綜合展示

3.2.2 數(shù)字化文檔管理成果

通過編碼編號(hào)將寺溝口水電站各種非結(jié)構(gòu)化圖文檔資料與相應(yīng)的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)起來，整合寺溝口水電站在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)維修試過程中的圖紙、報(bào)告、圖片、操作說明、維修手冊(cè)等圖文檔資料，在數(shù)據(jù)梳理及編碼編號(hào)的基礎(chǔ)上，建立圖文檔與相關(guān)數(shù)字模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以三維模型為載體對(duì)圖文檔資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)字化文檔管理成果見圖6。

圖6 數(shù)字化文檔管理-模型與圖紙關(guān)聯(lián)

3.2.3 數(shù)字化設(shè)備管理模塊

將寺溝口水電站設(shè)備巡檢、維護(hù)、檢修、更換、報(bào)廢全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化），以數(shù)字模型為載體，通過設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)碼統(tǒng)籌和關(guān)聯(lián)起來，數(shù)字化設(shè)備管理模塊成果見圖7。

圖7 數(shù)字化文檔管理-模型與圖片等多媒體關(guān)聯(lián)

3.2.4 仿真培訓(xùn)

基于寺溝口水電站三維數(shù)字模型，集成培訓(xùn)知識(shí)和考題，在三維可視化環(huán)境下建立交互式仿真培訓(xùn)模塊。寺溝口水電站仿真培訓(xùn)的結(jié)果見圖8。

圖8 水輪發(fā)電機(jī)組仿真培訓(xùn)

3.3 寺溝口水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成展示

集成水電站監(jiān)測、監(jiān)控等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等，寺溝口水電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成成果見圖9。

圖9 視頻監(jiān)控信息集成管理

4 結(jié)論

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，響應(yīng)國家水利信息化政策，通過構(gòu)建寺溝口水電站全信息數(shù)字模型和寺溝口水電站全壽命周期管理系統(tǒng)的搭建，將有效提高了寺溝口水電站現(xiàn)有的管理水平，實(shí)現(xiàn)寺溝口水電站的數(shù)字化，同時(shí)充分保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，充分發(fā)揮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，創(chuàng)新寺口溝水電站傳統(tǒng)管理模式，提高傳統(tǒng)水電站管理水平。