建筑信息模型在水电站运维方面的应用

周 波， 赖 真 明， 彭 远 方

(中电建水电开发集团有限公司，四川 成都 610094)

1 概 况

大渡河安谷水电站位于四川省乐山市境内，是大渡河下游最后一个梯级电站，以发电、防洪、航运、供水等综合利用的大(2)型水电工程。正常蓄水位为海拔高程398 m，额定水头33 m，设计引用流量2 640.9 m3/s。枢纽布置从左至右为左岸副坝、左岸非溢流坝、13孔泄洪冲沙闸、河床式电站、船闸、右岸接头坝。电站于2015年8月28日全部机组投产发电。电站装机772 MW，安装了4台190 MW和1台120 MW的轴流转桨式水轮发电机组及调速、励磁、监控等辅助系统。电气主接线形式为：5台发电机侧均采用发电机-变压器单元接线，发电机出口设断路器，220 kV侧采用双母线接线形式，共有两回线接入系统[1]。

电站机电设备众多，后期运营安全风险高、维护难度大。开展基于BIM技术的运维管理应用对降低电站运行安全风险、提升运维水平具有重要意义。

最早由俗称BIM之父的美国乔治亚大学查克·伊士曼教授借鉴制造业的产品信息模型创建了BIM理念。2002年Autodesk公司提出BIM并推出了自己的BIM软件产品。在我国对BIM的定义为：在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称[2]。住建部于2016年发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》和《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，在此后三年的示范工程建设中，BIM技术应用已由单点应用逐步发展为与智能化应用相结合[3]。目前，BIM技术在设计、施工和运营维护全过程的集成应用已取得一定进展。

随着BIM技术率先在建筑行业应用，由最初的设计企业发展到施工企业和业主单位，由传统的建筑行业发展到水电行业、制造行业甚至交通行业，BIM理念逐步广为接受。BIM能够应用于工程项目规划、勘察、设计、施工、运营维护等各阶段，实现建筑全生命期和各参与方在同一多维建筑信息模型基础上的数据共享，为产业链贯通、工业化建造和繁荣建筑创作提供技术保障。主要讨论BIM在乐山市安谷水电站运维阶段的应用，试图改进传统的运营维护管理方法，建立基于BIM应用的运营维护管理模式。

2 研究内容及方法

水电站水工建筑物、机电设备数量繁多，以BIM技术作为水电站运维的基础与信息载体，研究设备设施的数字化、KKS编码、多业务协同、多元数据融合、数据集成可视化交互等关键技术及其集成应用。

2.1 设备设施数字化

设备设施数字化的第一步是三维建模，是可视化运维管理应用的基础，在三维模型上赋能运维阶段设备设施的空间信息、运维数据、采购信息、厂家图纸、规范标准、技术要求、设备材质等，形成数字资产台账。数据集中能提高运维管理效率及精准程度。

水电站涉及土建、机械、电气三个大类的设备设施三维建模，不同的类别采用不同的三维建模软件，采用Autodesk公司的Revit软件对水电站的水工建筑物进行三维建模，达索公司的SolidWorks软件对水轮发电机组及其他辅助机械设备三维建模，SolidWorks Electrical软件对电站电气系统进行三维建模。针对数量庞大的机械电气设备，如何快速化完成设备的三维建模是该应用研究的重点。目前典型的快速化设计的理论和方法有：模块化设计、参数化设计、产品族设计及可重构设计等[4]。其中参数化设计是产品设计、系列化的一种简单、高效和快速的方法，通过改变结构特征某一部分或某几部分的尺寸，基于参数化驱动技术，实现对特征中相关部分的自动改动。采用参数化设计便于推广到其他水电站，能够快速完成相似水轮发电机组的三维建模。

在三维建模过程中，空间信息、设备材质等内容作为基本信息赋值到模型上，运维数据、采购信息、厂家图纸、规范标准、技术要求等信息构建统一的数据存储体系，与三维模型形成外部关联，实现设备设施数字化。

2.2 设备KKS编码

KKS编码作为电厂标识系统，用来标识电厂的部件及其辅助系统，是设备管理工作的基础。采用KKS编码给三维模型文件命名，文件系统一目了然。

编码的基础是采用合理的分类方法进行类别划分，编码应服从分类[5]。对水电站设备进行类别划分，编码采用五层代码，电厂代码为第一层，机组单元或公用系统作为第二层代码，系统单元或称为功能单位作为第三层代码，设备单元作为第四层，部件或元件单元作为第五层。如安谷电站1号机组水轮机转轮的叶片KKS编码为：81_10MEA80AE200。KKS编码层级示意图见图1。

图1 KKS编码层级示意图

2.3 多业务协同

水电站运维涉及的主要业务包括运行巡检、定期检查、监测、检修维护等。传统的运维方式对以上业务独立开展，甚至执行人员都不相同，各负其责，业务相对独立。

为了提高多业务执行效率，建立一个统一平台，整合各业务全流程数据。设备设施的三维数字模型是集合各业务数据的良好载体，集合运行巡检、定期检查、检修维护等记录数据，多业务协同开展。

2.4 多元数据融合

水电站设计、施工、运维等各阶段全生命周期信息，包括静态数据(如施工期图纸、质检报告等)、半静态数据(如运行巡检、检修维护)、动态数据(如发电机出力、轴瓦温度、工业电视监控画面等)。目前的现状数据量大、相互独立，有必要对多元数据进行融合。

基于以上多元数据建立数学模型对运维过程出现的异常状况进行分析，如轴瓦温度趋势预判，以轴瓦运行的历史数据，结合机组设计允许的轴瓦温升值、机组运行环境温度等静态、半静态数据建立数学模型，绘制温升曲线加入趋势预测判别条件，设置告警阈值，自动对轴瓦温度进行监测。

2.5 数据集成可视化交互

作者所在团队基于BIM技术建立水电站智慧运营平台，以水电站设备设施数字化为基础与信息载体，通过数据驾驶舱设计，研究分析水电站运维各类业务关键总体数据，实现主要数据总览，各业务数据实时穿透查询，最终实现基于BIM的数据集成可视化交互。

3 工程应用

以乐山安谷水电站为样板，尝试了基于BIM技术的水电站运维管理应用。对安谷水电站大坝、厂房等水工建筑物、水轮发电机组等设备建立三维模型，建立电站设备KKS编码体系，应用多业务协同技术与多元数据融合技术，研发了基于BIM的电站智慧运营平台，实现了运维阶段多业务协同与多元数据融合。平台采用Unity3D开发，接入生产实时数据，实现了数据集成可视化交互。

3.1 电站运行方面的应用

作为水电站监控系统的补充，基于BIM技术的水电站三维可视化监视系统将监视功能发挥到最大。电站运行人员可以直观地查看全厂生产信息，以及当前机组的发电机出力、实时电压、电流等电气信息。运行过程中设备告警信息及时弹出，并定位到该设备上，同时工业电视监视画面也定位到该设备上。

3.2 日常维护方面的应用

水电站日常维护主要工作之一是消除设备缺陷。在三维监视界面显示设备缺陷信息，动态提示维护人员受理消缺任务。缺陷的发现、登记、汇报、处理、验收等工作每一步都留下记录可追溯。发现故障时，可通过移动端进行故障登记，并在系统中查询设备属性、库存备件等信息。

3.3 机组检修方面的应用

利用三维模型的空间属性，在可视化平台上进行机组检修预演，虚拟拆卸、起吊、转运、回装及场地布置等检修关键工序工艺均可无风险又形象生动地展示给检修人员；利用三维模型包含的各零部件采购信息、厂家图纸、规范标准、技术要求、设备材质等数字化信息，检修人员能方便、快速地获取相关信息，编制检修方案。

3.4 培训方面的应用

基于水电站设备检修规程及三维可视化技术，构建设备检修虚拟培训场景，实现设备操作数字化，在虚拟场景中模拟组装、拆卸、操作设备，提升受培人员技能。

水轮发电机组结构的三维模型，能对检修人员进行结构认识培训，直观了解水轮发电机组的结构。

随着数字化技术的不断进步，利用BIM技术的三维可视化技术对水电站运维管理还可进一步开发实用功能。比如定位功能，在系统中集成可视化巡检路径，并在系统中进行巡检人员定位、巡检信息录入，水电站管理人员能方便快速调看巡检记录，及时获取巡检状态，并能通过定位轨迹校验巡检人员的行动路线，通过可视化系统对巡检人员进行指示，做到可视化管理。再如三维仿真功能，完成水电站全部机械、管路、电气三维建模，开发仿真软件，模拟开停机流程、模拟故障排除流程等，并可录入操作题库，让运维人员在虚拟厂房操作设备，对运维人员进行虚实结合的培训。

4 结 语

以水电站智慧运营为背景，研究了BIM技术在水电站设备设施数字化、KKS编码、多业务协同、多元数据融合、数据集成可视化交互等关键技术，并以安谷水电站为例介绍了研究成果的应用，提升了水电站运维管理的数字化与智能化程度，提高了水电站运维管理的效率。