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水利水电工程数字资产平台建设及应用

发布时间:2022-02-24 10:50所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘要:为改善水利水电工程信息化、数字化发展过程中存在的数据标准不统一、数据质量参差不齐、数据存储分散、数据间关联性弱、数据共享困难等问题,运用BIM、数字孪生、大数据等技术,结合资产管理理念,通过采集工程相关数据资产,以工程资产编码为纽带,构建资产数

  摘要:为改善水利水电工程信息化、数字化发展过程中存在的数据标准不统一、数据质量参差不齐、数据存储分散、数据间关联性弱、数据共享困难等问题,运用BIM、数字孪生、大数据等技术,结合资产管理理念,通过采集工程相关数据资产,以工程资产编码为纽带,构建资产数据模型,设计开发了满足工程数据资产集成整合、管理查询、下载共享等资产管理功能和工程基本信息总览、多维全生命周期资产管理、典型场景应用等综合应用功能的工程数字资产平台,实现了水利水电工程规划设计、施工建设和运行维护等工程全生命周期过程中工程数字资产的管理与应用,提升了水利水电工程建设管理水平和生产运维能力,促进了数字资产概念在水利水电工程领域的应用和发展。

  关键词:水利水电工程;工程数字资产;BIM;管理平台

水利工程技术

  在当今数字经济时代,数据已经成为时代的核心和关键生产要素,同时也是企业的核心资产[1], 工程数字资产可定义为工程从规划设计、施工建设和运行维护全生命周期过程中形成的可以以电子数据形式存在的所有数字化资产[2-3]。

  随着水利水电工程信息化和数字化的发展,水利水电工程在规划设计、施工建设、生产运维过程中,产生了大量的图纸、文档、模型、施工过程信息、属性信息、监测信息、维护检修信息等工程相关数据资产[4-5],然而在实际应用中,比如在施工建设阶段,搭建了水利水电工程管理信息系统、合同变更管理系统、安全隐患排查系统、公共试验检验平台等,实现对施工进度、质量、安全、投资、合同、技术、资料等施工过程信息的管理,但各个系统建设标准不同、工程划分标准不一致、系统应用程度不同、系统间互通性差,导致数据标准不统一、数据质量参差不齐、数据存储分散、数据间关联性弱、数据共享困难、不能延伸到运维期使用等问题[6-8]。

  目前水利水电工程数字资产的管理和应用还处于起步阶段,通过运用BIM、数字孪生、大数据等新一代信息技术[10-12],以工程资产编码为纽带,工艺系统、设备、材料等为基本单元,利用规则和编码有机关联各相关数据、图纸、资料和三维模型等工程内容,将水利水电工程规划设计、施工建设和运行维护等各环节中各个应用管理信息系统中的工程相关数据资产统一组织起来,搭建形成工程数字资产平台,通过“统一编码、统一管理、统一服务”,实现水利水电工程全生命周期工程数字资产的管理和共享服务,提高了数据的利用效率,更好地发挥数据的价值。

  1工程数字资产平台总体架构与功能设计

  依据业务需求,对各种数据资料进行分类、收集、整理,集成各个管理系统中的数据,对各类信息进行整合,抽象出工程项目各类设备资产以及信息之间的关系,运用面向对象的方法,建立工程数字资产平台,实现水电工程数字资产管理,为工程全生命周期管理提供服务。

  1.1平台总体架构

  工程数字资产平台的架构可分为原始数据层、服务层、应用层3个层次。原始数据层是工程数字资产平台最基本的数据来源,包括静态的基本信息数据和实时数据。基本信息包括水文泥沙、水情气象、地质地灾等环境信息,规划、勘察、设计、施工、运行维护、更新改造、退役等管理和生产过程等各类技术经济信息,建设征地、移民安置、环保水保等社会信息;实时数据包括在线监控系统、廊道巡检、施工管理系统、预警预报系统、生产运维管理系统等监控系统数据。服务层是工程数字资产平台的核心,主要实现原始数据的对接,处理、分析和发布数据和服务,为应用层提供所需服务的功能。主要通过工程资产数字化基础平台、大数据平台和三维轻量化平台提供服务。

  a)工程资产数字化基础平台。工程资产数字化基础平台利用ISM信息标准管理逻辑,贯穿整个数据、文档、模型等工程信息的管理过程,提供对象和信息分类、编码等;依赖于ISM信息标准管理定义工程数字资产编码标准体系,对静态基本信息数据的信息提取、验证和转换,通过数据挂接实现文档、属性、模型等关联关系的建立,文件管理实现文件的查询、预览、下载与共享等功能。

  b)大数据平台。应用物联网和大数据技术,对接监控系统数据,实现不同部门数据、网站数据、监测设备数据等的各类实时数据进行采集清洗,比如数值特征等实现数据校验,将来自多个数据源的数据进行整合,形成一致的数据存储,构建统一的数据湖,进行数据跨库关联,实现数据标准化和数据统一存储。采用标准数据访问接口,实现数据共享和数据应用兼容,以及快速访问与管理能力。

  c)三维轻量化服务平台。三维轻量化服务平台依托于iModel2.0平台的三维图形引擎,通过其文件管理系统,对不同专业、不同格式模型进行构件化处理,并通过工程数字资产编码标准体系将模型构件进行统一编码,完成三维轻量化模型服务发布。资产管理平台通过管理轻量化前的模型文件和轻量化后的服务地址,实现对统一模型服务的传承、转换和管理,应用层通过工程数字资产编码,使模型构件与业务数据充分融合,实现基于业务数据的三维模型在浏览器网页轻量化展示。应用层是工程数字资产平台对外服务的窗口,为水利水电工程数据管理的各用户业务应用系统使用人员提供操作界面,包括资产管理平台和综合应用平台2个部分。

  1.2平台功能设计

  工程数字资产平台建设的主要需求包括:建立数据整合规范以及数据集成化管理环节,为水利水电工程建设过程提供数据整合规范;建立完整的数字化交付流程,提升流程体系之间的关联信息互动要求,优化信息资源的收集和处理工作;对资产进行全周期数据分析和管理,为水利水电工程运行维护和管理的数据需求提供保障。平台主要功能从2个方面设计:一是资产管理平台,包括工程数据集成、工程信息管理、信息浏览圈阅、智能报表、数据导出、共享等;二是综合应用平台,包括工程基本信息总览、工程全生命周期多维度数字资产展示查询、工程数字资产场景应用、工程数字资产数字化分析等。

  2工程数字资产数据治理

  工程数字资产数据治理是对工程项目各阶段的数据、文档、模型等工程数字资产数据,进行信息采集、整合、分类、映射等的过程。利用平台存储和管理项目全过程中完整、准确和及时的信息,建立文档、记录、资产、人员、流程和项目之间的桥梁,为各项专项业务应用提供数字化数据服务。

  2.1编码规则

  水利水电工程数字资产编码的对象包括:建筑物、空间、元素、系统、设备、部件等工程相关资产,根据水利水电工程建设与运维的相关规定,每一个标注的对象编码需满足唯一性要求,同时通过利用BIM技术构建形成的精细化三维模型,完成对实有工程数字资产对象的编码标识。基本编码规则为水利水电工程数字资产编码由通用编码和子类编码组成,并通过“-”连接。

  通用编码由厂站码和专业码组成,用于标识厂站和所属专业,专业包括土建、机电、监测、金结等,分为两级;子类编码是对BIM模型按照土建、机电、监测、金结等专业进行分类标识,分为四级,如土建专业子类编码结构由建筑物系统、建筑物、建筑物功能、元素四级组成,建筑物系统为挡水建筑物、泄水建筑物等,建筑物为挡水建筑物下的重力坝、拱坝等,建筑物功能为重力坝的溢流坝段、非溢流坝段等,元素为非溢流坝段的混凝土块等;机电及金结专业子类编码结构完全按照KKS编码中全厂码、系统码、设备码、部件码四级组成[13-14]。

  2.2工程数字资产采集

  多年来水利信息化建设,提高了水利水电工程信息管理的水平,但工程数字资产数据仍散落在各个业务应用系统中,通过分析资产管理和业务应用所需的数据,确定数据源、明确数据采集范围、属性及采集方法。

  工程数字资产的采集对象和数据源主要包括工程规划设计、施工建设和运行维护全生命周期各阶段各类信息系统和设备,如数字化协同设计系统、智能建造系统、生产运行管理系统以及摄像头、传感器、采集设备等。采集内容主要包括基础数据、专题数据、业务数据,如工程空间分布、工程信息、基础地理空间数据、水雨情数据、施工过程数据、安全监测数据、运行监控数据等,数据格式包括结构化、半结构化、非结构化数据。采集方法包括人工录入和自动化、半自动化数据提取等,通过数据库、文件、TCP、UDP、HTTP、MQTT、OPC-UA、RTSP、SIP、数据接口、网络爬虫、在线填报等数据交换技术对外部各种数据源中的数据进行信息采集[15-16]。

  2.3资产数据模型构建

  资产数据模型构建以一套完整的工程数字资产编码标准体系为核心,通过标准编码作为信息纽带,使得图纸、文档、进度、质量、安全、设备信息、设备安装数据、施工数据等各类信息得以串联和整合,建立一个贯穿水利水电工程全生命周期的数字化生态系统。在构建资产数据模型时,通过定义水轮机类、发电机类、板类、梁类、柱类、合同类、图纸类、报告及说明类等类库,实例化类定义数字资产对象,使得实物资产与数字资产一一对应,并利用工程数字资产编码标准体系,通过统一编码标准,对每一个对象赋予唯一ID。

  通过定义隶属、父子、空间、系统、合同、工作分析结构、生命阶段等关联关系类型,建立设备、模型、系统、文档等数字资产对象之间的联系,如设备所属系统、设备所在空间、设备类型具有的属性等。通过将模型构件、图纸、各类文档、设备属性、监测数据挂接工程数字资产对象ID,实现各类信息的整合,完成整体资产数据模型的构建。 号水轮机对象通过标准编码体系生成唯一编码,在相关的数据属性中挂接该编码,可以集成关联物料管理系统中的设备台账信息、运行维护系统中的运维数据、资产数字化平台中的关联关系、协同设计软件中的基础信息、工程建设管理平台中的工程建设信息、造价软件中的算量信息等,完成1号水轮机资产数据模型的构建。

  3工程数字资产平台实现

  工程数字资产平台建设的目的是实现与实体工程的共生共长,贯穿工程项目全生命周期,创造一个贯穿全生命周期准确信息的数字化生态系统,为各项专项业务应用提供工程数字资产基础服务。本平台整体采用B/S架构,资产管理平台采用.net语言实现,综合应用平台后台采用Java语言,前端采用Vue框架实现,数据交互采用Restful风格的API接口。

  3.1资产管理平台主要实现功能

  资产管理平台主要通过工程数据集成、工程信息管理、信息浏览圈阅、智能报表、数据导出、共享等功能,实现对工程数字资产的整合集成、管理查询、分析共享,为水利水电工程设计、建设和运维管理提供辅助支持。

  a)工程数据集成。工程数据集成主要对多种来源的工程数据集成和关联。通过将经过工程资产数字化基础平台整合治理后包含资产对象、关联关系、属性信息等.xml格式的文件,与三维模型文件、图纸、文档等资产数据,同时发布进入资产管理平台,平台根据资产编码和关联类型进行检索和识别,自动建立以资产编码为核心的资产数据之间的关联关系。在web界面上提供上传和发布按钮,能够增加和更新工程资产数据,并在工程信息管理界面展示集成成果。

  b)工程信息管理。工程信息管理主要对土建、设备、部件、图纸、工单等信息之间的关联关系进行查询和展示,管理以资产编码为中心的信息网。在web界面上展示了按照空间、专业、系统等分类的导航树,通过点击不同的节点,展示节点的详细信息、关联项、属性、关联文档、2D视图、3D视图等信息。

  能够使用户可以在一个界面中查看与某个设备、板梁柱、系统等的资产编码相关的所有信息,如属性、图文档、三维模型、工单、数据表等。同时在工程信息管理界面的每个展示模块提供了导出按钮,在权限许可下,能够将浏览到的图纸、文档、模型等按预定义模板导出到本地指定位置。展示了1号机组—主机装置—水轮机系统—水轮机—引水系统的蜗壳部分,以及蜗壳的详细信息、属性信息、关联的系统/空间/子对象/父对象、关联文档、以及2D/3D视图等信息。

  c)工程信息共享。工程信息共享支持资产管理平台内的数据、文档、三维模型接口共享。在实现工程数据集成后,构建形成了本平台的资产数据中心,通过开发Restful风格的数据服务接口,在web界面上提供在线的接口地址,实现了根据AssObjId、DocId、ObjName、SysId等字段获取文档、设备、设备树、合同、工程分解结构等资产信息的共享功能。

  3.2综合应用平台主要实现功能

  综合应用平台以某一已建电站为例,通过工程基本信息总览、工程全生命周期多维度数字资产展示查询、工程数字资产场景应用、工程数字资产数字化分析等功能实现对已建电站工程数字资产深层次、定制化应用。

  a)工程基本信息总览。工程基本信息总览主要对水电站的基本信息、地理位置、电站组成结构、发电机组等进行介绍。界面以全球蓝色专题图、倾斜摄影、三维模型为底,通过调用资产管理平台的数据接口,展示了水电站的工程等级、最大坝高、坝型、竣工时间等信息,并结合底图中三维模型,展示了溢流坝段、厂房、升船机等水工建筑物的地理位置和形状,发电机、主变压器、GIS、500Kv母线、二次盘柜等设备的空间位置和形状。以及机组运行状态、水雨情信息等监测数据。通过倾斜摄影和BIM模型组成的水电站全景视图,展示水电站各个建筑物及设备之间的相对位置关系,以及水电站的基本信息、资产统计信息、设备故障率排名、重要设备厂商统计、混凝土统计分析、进度概况等信息。

  b)多维全生命周期资产管理。多维全生命周期资产管理主要对工程数字资产的多维、全生命周期数据、关联数据的展示以及三维模型操作。通过调用资产管理平台、三维模型轻量化平台的数据和模型服务接口,界面功能实现了工程类和设备类资产选择,下设空间、专业、工程、系统不同的工程资产导航方式,并按照设计、施工/安装、验收、运维等不同生命周期阶段,依托三维BIM模型,展示三维模型、二维图纸、文档、数据等工程数字资产。同时基于Web浏览器,实现对三维模型的旋转、缩放、剖切、隔离、测量、标注、协同等操作。

  以BIM模型为基础,展示了设计阶段水电站土建及金属结构工程维度的结构划分,以及关联的环境、图纸、文档信息,同时提供三维模型操作。c)工程数字资产场景应用。场景应用主要对土建施工过程、设备操作流程、设备拆解、运行原理等内容进行展示和浏览。通过调用资产管理平台、三维模型轻量化平台的数据和模型服务接口,深入解析混凝土单仓浇筑数据、设备操作手册、设备安装手册等文件,点击具体场景项目时,以三维动画或VR的形式动态展示应用场景,并辅以场景中工程资产对象相关联的图纸、文档、图表等预览、下载功能,全方位展示资产对象。

  4结论

  数据经济的理念和工程信息化、数字化的发展,促进了工程数字资产概念和应用的发展,针对水利水电工程设计、建设、运维等全生命周期阶段不断精细、完整、准确的智慧化建设的需求,本文设计和实现了工程数字资产平台。a)平台能够通过工程资产编码,使得图纸、文档、进度、质量、安全、设备信息、设备安装数据、施工数据等各类信息得以串联和整合,建立了一个贯穿水利水电工程全生命周期的数字化生态系统。b)平台能够利用集成的已建水电站工程资产数据,多维度、多形式展现土建、设备、系统等资产对象,初步形成了一个数字水利水电工程,提高了水利水电工程资产全生命周期的管控能力和资产价值。然而,由于水利水电工程建设工期长、专业多、项目复杂,工程数字资产量较大,使得信息集成不全 面,同时基于工程数字资产的智慧化应用也较少,平台需要进一步迭代升级。

  参考文献:

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  [8]董娜,李鲁洁,杨冬梅,等.基于BIM与RFID技术的设备管理系统构架研究[J].施工技术,2018,47(21):107-112.

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  作者:贾玉豪

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