滕 彦

（上海勘测设计研究院有限公司， 上海 200434）

0 引言

着眼能源产业全局和长远发展需求， 以改革创新为核心，以“互联网+”为手段，以智能化为基础，紧紧围绕构建绿色低碳、安全高效的现代能源体系，促进能源和信息深度融合， 推动能源互联网新技术、 新模式和新业态发展，推动能源领域供给侧结构性改革，支撑和推进能源革命， 为实现我国从能源大国向能源强国转变和经济提质增效升级奠定坚实基础。

随着BIM 技术在国内的快速发展，BIM 技术可在大型水电工程的设计、施工、竣工及运维全生命周期阶段发挥巨大的价值[1]。数字化水电站电子资产旨在利用先进的IT 技术为工具，采用先进的管理思想、强大的管理功能、领先的开发技术，建设一套完善的信息管理系统，对工程全生命周期的信息进行全过程管理， 从而达到保证水电站设备的安全可靠运行、降低总体运行成本、提高设备利用率和工作效率的目的， 并使其成为生产运营的信息平台和可利用的高效管理手段。

1 Digital-Twin 数字孪生的介绍

Digital-Twin 数字孪生的基础是BIM 技术，BIM 重点在于三维数据信息模型化，体现为如下几层含义：首先直观的三维数据信息模型在进行建筑单体建设时， 可以进行碰撞检查、精确算量以及虚拟施工等一系列应用，实现了优化设计、精益管理的目的；其次BIM 技术提供一个持续的协同工作环境， 可以使项目中各个参与方都可以利用这个平台及时沟通，共享项目信息，提高管理效率；第三BIM 技术中的数据信息移动交付可以提高对整个项目中工程数据信息的利用， 针对最终管控的目的进行有效的分类统计及数据挖掘， 实现运营主体的高效决策以及规模效应中体现的高盈利[2]。

BIM 并不能替代Digital-Twin，BIM 技术的应用主要基于设计和建造过程， 同时BIM 并不能对现实世界的操作做出反应，BIM 只是Digital-Twin 的一个关键输入。

Digital-Twin 是对真实资产、流程及系统的数字表达，它不是一个静态的过程，是基于多数据源的实时同步，其中的数据可用来进行预估及性能优化。 Digital-Twin 技术特征如下：

1.1 大体量

由以往传统的文件级管理转换为数据库级数据管理，载体发生了改变。

1.2 面向过程的变更管理

针对不同阶段不同版本的BIM 模型， 通过转换服务将每一版BIM 模型的时间点、几何属性、物理属性以及相关的图纸、规格、分析模型等变更集存放进工程数据中心。了解引发变更的根源以及这种变更会带来的影响对于项目的执行过程来讲至关重要。

1.3 部署方式

以云部署及云计算为主。

1.4 跨平台的应用方式

网页、桌面、移动、大屏等客户端均可使用。

因此零散的工程数据或BIM 模型并不能称为Digital-Twin 数字孪生， 也无法进行数字化电子资产交付，只有数据与数据之间通过BIM 载体建立起关系才能真正形成数字化电子资产的核心。

2 数字化水电站电子资产的总体技术路线及关键点

2.1 总体设计思路

以三峡集团乌东德、白鹤滩水电站为项目载体，建立一个贯穿项目全生命周期的数据集成平台， 其核心思想是通过统一的平台存储和管理项目全过程中完整的信息，建立文档、记录、资产、人员、流程和项目之间的桥梁，创造一个全生命中周期准确信息的生态系统， 利用数据信息为参与项目的所有部门服务。

基于Digital-Twin 数字孪生的技术特点，本项研究的设计思路从数据层面和关联关系层面进行梳理。

（1）数据层面：数字化水电站电子资产的数据层面可分为两大类：一类是用来描述水电站本身是如何组织。 包括乌东德、白鹤滩水电站的系统、设备、部件等信息，从项目的工程文档及三维模型中获得，例如三维模型、属性数据、设备材料列表等；另一类是项目的管理类信息。指与项目建设过程相关的管理信息，包括进度WBS 分解、变更记录、质量安全、管理人员等。 这其中既有阶段性的静态数据，又有整个过程的动态数据。 数据结构如图1 所示。

（2）关联关系：第二个方面是如何建立关联关系，我们把它叫做数据信息模型。 数字化水电站电子资产的数据信息模型的规划和建立取决于工程建设管理及最终运维管理要求的精细度。管理目标要求越细，数据信息模型越复杂。数据信息模型使用面向对象的内容存储，可针对相关三维模型、所在系统、空间位置、人员组织等通过一定的编码规则建立网状关联关系， 最终形成的数字化水电站电子资产模型可使不同的参与方通过不同的维度进行相关资料的检索及三维定位， 同时根据各参与方的业务需求可衍生出不同的需求关系， 为各业务系统的对接提供基础。

图2 关联关系

2.2 技术关键点

根据总体设计思路的梳理， 在数字化水电站电子资产建立的过程中有以下几项技术关键点需要注意。

（1）水电站BIM 模型的建立[3]。构建全专业模型，包括地质、水工、水机、电气、建筑等，模型到构件级，可按要求进行功能和空间的拆分及组合。 模型深度满足企业标准Q/CTG 95 规范及竣工验收的深度要求，模型需支持以轻量化格式输出。

（2）水电站信息收集的规则。 如何完整、高效、可控的收集和提交工程数据的方法， 是本项目要研究的重点之一（数据质量检查和管理）。 数字化水电站电子资产信息收集主要有两大部分构成， 一个是设计信息的收集和整理理；一个二是施工数据的收集和整理。 乌东德、白鹤滩水电站的二维设计文档一般由设计院提供， 可通过归档的设计院资料获取图纸信息。 施工管理数据主要由工程建设单位的施工月报、周报获得。

（3）数据信息模型建立的规则。 数据信息模型的规划和建立是数字化水电站电子资产的重点和难点。 数据信息模型的复杂程度取决于项目管理要求的精细度。

数字化水电站电子资产使用面向对象的内容存储，例如， 一份典型的工程设计清单关系数据库的实施可能会如下图所示，所有的数据信息都在一排，以固定的格式显示，如表1 所示。

表1 传统的数据关系

在数字化水电站电子资产中， 这一排变成了至少四个对象，对象之间用一种关系相互关联，由原来单一的一个关系变成了多种网状关系，如图4 所示。

图4 面向对象的关联关系

数字化水电站电子资产这种以对象为中心的特性允许数据可以自然地进行存储， 并可以像现实世界物体那样同其它组件建立关系。 例如，在设计系统中，工程师主要关心的是带有位号的对象以及其设计参数。 从制造商需求的角度来看，模型的技术规格就变得更加重要。其所分配的位号对于他们来说，则没有太大的关系。在水电站运维过程中， 运维人员主要是通过设备编码来进行检索和管理信息。 数字化水电站电子资产提供了一个信息集来存储信息， 对每一个组件来说这样的信息集都处于中心位置，而且信息集与信息集之间的相互联系也不相同。但只要从一个组件，就可以迅速找到完整的关联信息。

（4）编码体系的建立。编码作为唯一索引在数据信息模型的建立中显得至关重要， 因此水电站的编码体系不仅可用于标识各种不同类型水电站的系统、 设备和部件等， 也要能标识在水电站工程建设过程中涉及的各类信息，并作为各参与方之间联系的纽带，同时用于水电站生命周期的全过程，为整个系统提供良好的基础数据平台。编码体系的组成如图5 所示。

图5 编码体系结构

（5）工程数据中心建立。数字化水电站电子资产建设的主要工作量是工程数据中心的建设，以Digital-Twin 技术为基础，既包括BIM 模型数据、管理数据，也包括传统的文档数据。 收集的原始数据是分散的，面向各自的专业领域，数据之间通常不存在关系。 工程数据中心的建设贯穿于整个项目过程，要将现有的各类信息进行集成，依据项目需求和条件，运用面向对象的方法，抽象出整个工程项目中的各类设备资产以及信息之间的关系。 工程数据中心的规划和建立不是一个一蹴而就的过程， 需以螺旋上升的方式随着项目工程需求的日益清晰而逐步完善，这也对工程数据中心平台的可扩展性提出了较高的要求。

3 实施工作内容

以Digital-Twin 数字孪生的设计思路为基础，在后续的实施过程中，主要有以下几项工作：

3.1 资料收集及调研

（1）乌东德、白鹤滩规划设计资料收集：与乌东德、白鹤滩工程建设部及相关设计单位对接，收集设计图纸、设计文档、计算资料、工程量清单等资料。

（2）乌东德、白鹤滩建设过程需求收集：与乌东德、白鹤滩工程建设部对接，主要部门为技术部以及合同部。 收集施工组织、过程管控、质量管理、安全管理、采购管理、合同管理、验收流程和产生的信息类型及样例。

（3）长江电力运行过程需求收集：与运行单位进行沟通，可依托溪洛渡等大坝进行运行阶段业务需求分析，反向验证白鹤滩、乌东德信息的完整性。

3.2 水电站BIM 模型建立

（1）模型范围：根据项目建设的实际需要， BIM 模型实施范围为乌东德、 白鹤滩水电站范围内永久建筑物及涉及移民的淹没区部分。

（2）模型规则：在建模过程中，需要根据BIM 软件的特点确定四点规则：一是模型文件、构件命名规则；二是模型拆分和装配规则；三是建模单位、坐标、高程、基点设置原则；四是模型色彩规定。

（3）模型深度：根据国标及企标要求，乌东德、白鹤滩水电站模型深度单元应不低于LOD3.0（施工深化深度），单元几何精度达到G3 要求， 单元信息深度达到N4 要求。 在工程竣工后模型应深化到竣工模型深度，以配合运维需要。

（4）模型编码：根据编码规则在模型建立过程中针对土建、机电及设备进行编码，编码信息需写入模型属性规定字段中。

3.3 以Digital-Twin 为基础的数据关联与整合

3.3.1 应用需求

根据水电站业务梳理数据信息模型的应用需求，主要包括：

（1）设计：协同管理维度、模拟优化维度。

（2）工程建设管理：质量维度、HSE 维度、工程清单维度、成本维度、物料资源维度、单元工程、人员组织维度。

（3）运维管理等：监测管理维度、人员组织维度、资产管理维度、维护管理维度、调度管理维度。

3.3.2 数据的关联与整合

以应用需求为目标，主要处理几种形式的数据：三维BIM 模型数据、 以数据库/XML/EXCEL 格式存在的数据信息、文档信息、业务管理数据等。

（1）三维模型数据的轻量化转换。三维模型数据加载主要通过轻量化转换的方式实现。 一是将不同BIM 软件的格式通过标准化服务转换为构件级别的几何和属性数据存入数据库中，便于后续数据利用；二是模型的版本管理， 将过程中的修改也作为模型的组成部分通过变更集的方式进行记录存入数据中， 使各个时间点设计模型的变化变得透明可控，对于后期工程数据统计十分重要。

（2）EXCEL/XML 数据信息的导入。 对各专业的设备材料清册进行导入。 将Excel 表中的数据转换成XML 文件， 然后利用平台提供的数据质量检查服务将数据导入到平台中。

（3） 业务管理数据的导入。 业务数据原则上由各个业务系统生成， 由业务系统保证数据完整性和准确性。初始数据可以由其他方式导入， 例如进度计划从P6 或Project 软件中直接导入、BIM 模型中的构件对象和工程验收文档的关联可以通过平台使用Excel 预先定义好管理关系后进行批量的数据导入， 最大限度减少数据导入的工作量。

（4）工程数据中心的对象关联。工程数据中心存储大量工程数据，基于不用对象的层次和逻辑关系，数据的关联对象的层级也会有所不同，可提供指定关联规则（如解析编码字段规则，层级规则等）由系统自动进行数据关联信息的录入。

（5） 多维度数据展示。通过工程数据中心面向对象的网状数据库技术的构建，在系统中能以任意的维度展示相关信息。 例如：按系统功能分解展示、按区域分解展示、 按卷册图纸展示、按任意的管理视角展示等。 如图6、图7 所示。

图6 按专业展示

图7 按管理视角展示

3.4 相关技术文件建立

在实施过程中需要制定一系列技术标准文件， 以支撑数字化水电站电子资产整个过程的实施，主要包括：

（1）数字水电站交付要求：依托白鹤滩、乌东德水电站竣工移交的要求，制定BIM 模型的交付范围、交付的模型深度以及交付内容等。

（2）数字水电站编码规定：依托白鹤滩、乌东德水电站完成水电站水工建筑物及机电设备编码规定及文档编码规定。

（3）数字化移交管理规定：依托白鹤滩、乌东德水电站制定数字化移交流程及配套的管理办法。

4 结束语

虽然数字化水电站电子资产目前仅处于可研阶段，其未来的实施不仅对提高水电站信息化管理水平和管理效率具有重要作用， 在提高社会效益方面也具有重要意义，且具有很好的行业示范效应。

（1）以Digital-Twin 数字孪生模型为核心，针对水电站正式运行前期，设计、施工以及监理单位所完成的各类相关文件、数据进行移交管理，对数据移交的过程进行控制，从而有效保证工程信息移交的时间、进度以及质量。

（2）为形成三峡集团层面工程交付数据中心打下基础，通过后续数据的不断积累为水电站运行维护全面实现信息化管理提供了良好的数据基础， 极大地节省了后续相关运行维护管理系统建设的成本。

（3）基于全数据信息模型构建起的数字水电站将直观地展示水电站全貌， 并能够通过可视化的手段对基础设施进行模拟和管理。 在提高管理效率的同时， 也为对外宣传、 提升企业形象带来巨大效益。