發電工程數字化協同設計方案

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摘要：為提高設計效率和質量，實現設計數據共享和數字化模型整合，根據工程實踐經驗總結出由資料交換、外部參照、模型整合組成的數字化協同設計初級階段方案，并對三種模式進行了詳細分析和論述，在此基礎上提出了高級階段建設工程信息集成管理平臺，通過統一的編碼規范和數據交換標準，實現跨系統、跨區域的協同設計方案。

關鍵詞：數字化協同；資料交換；外部參照；模型整合；程信息集成

隨著數字化技術的不斷發展，越來越多的發電企業意識到數字資產與物理資產同等重要[1]，為實現安全、高效、清潔、智能運行，新一電廠必將依托數字技術，建設全生命期數字化智能電廠。設計是產品生命的開端，也是大部分產品數據的來源。因此，為實現全生命周期數字化管理，設計、建造向運營方的“數字化移交”也越來越得到重視。無論是為了滿足數字化移交，還是為實現更先進、更高效的設計，都需要從傳統的設計模式向數字化設計模式轉變[2]。在發電設計領域，由于不同專業設計的側重點不同，采用的三維數字化軟件也有差異，造成彼此之間的數據隔離，容易形成信息孤島。因此，為了打破壁壘，實現設計數據共享和數字化模型整合，開展數字化協同設計就顯得非常必要。

1現狀

在傳統發電工程設計中，多專業配合經常是以互相提條件的形式來體現的。這些條件以紙版通知書或電子版文檔的形式提出,接收條件專業將其作為條件輸入本專業的設計中。若提出條件方發生設計修改，接收方就必須重新輸入和修改，這種操作模式限制了專業間配合效率的提高，而手工的重復輸入也容易造成設計成果不一致，從而影響設計質量[3]。數字化協同設計是指由兩個或兩個以上設計主體，通過一定的信息交換和相互協同，分別以不同的設計任務共同完成同一設計目標。這一機制在國外一些大型國際工程公司里獲得了成功的應用，特別是在石油化工、船舶制造等行業，不僅部門內部開展了高效的協同設計，跨部門、跨單位、跨區域的全球協同設計也已逐步推廣，提高了設計效率、質量和資源利用率[4]。對于有多專業參與的發電工程，不同的專業很難采用統一的數字化設計系統，專業軟件的分隔為專業間的數字化協同帶來很多問題，目前的數字化協同設計主要在同一軟件系統內部開展，也出現了一些接口解決跨系統的協同，如何更高效地整合多方資源仍處于摸索階段。目前國內發電工程數字化設計系統主要有以下幾類：智能P&ID設計系統，包括AVEVADiagrams、SmartPlantP&ID、COMOSP&ID、INPOWERP&ID等，均實現了以網絡為支撐、數據庫為核心的工藝、儀控智能P&ID協同設計，在發電工程設計中得到廣泛的應用。工廠三維布置設計系統，以AVEVAPDMS、IntergraphSmartPlant3D為代表，在三維可視化環境下進行布置設計，包括機械設備、工藝管道、煙風道、支吊架、電纜橋架等，設計成果實時更新，并根據項目需要進行實時碰撞檢查、抽取材料表單、管道安裝圖、平立剖圖。建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)類設計系統，在發電工程設計中應用較多的主要有Autodesk公司的Revit建筑、結構和機電系列和Bentley公司的建筑、結構、電氣和基礎設施系列。各智能P&ID設計系統通常采用C/S架構，實現了基于統一的項目數據庫，通過數據權限、版本管理以及規則驅動的系統內部各工藝專業和儀控專業數據級協同設計。工廠三維布置類設計系統以數據為驅動，采用C/S架構，設計成果均存放在統一的項目數據庫中，布置設計各專業在統一的三維可視化環境下進行實時協同設計。BIM類三維設計系統通常以圖形為驅動，多采用單機版，設計成果以文件形式存放，其協同方式主要是外部參照方式，并借助文檔管理系統的功能進行協同管理。

2初級階段方案

隨著數字化設計的深化應用，根據不同專業數字化設計系統特點，結合現階段實際情況，西北電力設計院有限公司探索出了一系列協同設計模式，并根據工程實踐經驗總結出由資料交換、外部參照、模型整合三部分組成的發電工程數字化協同設計初級階段方案。2.1資料交換協同設計。資料交換協同設計指進行本專業設計時，需要其他相關專業提供相應的輸入邊界條件。其輸入分為結構化數據形式和文件形式，分別實現數據級協同和文件級協同。數據級協同目前以數字化設計系統之間的接口開發的方式來實現，已投入工程應用的有二三維接口，機械布置設計系統與BIM土木設計系統接口等。二三維接口實現了工藝系統設計與機械布置設計之間的數據級協同，二維的設備、管道、閥門等對象的編碼、參數可以數據的方式傳遞給三維布置設計，三維布置設計不僅能通過接口實時只讀訪問工藝系統設計圖紙及數據，進行校驗、數據接收，根據工藝系統的P&ID邏輯模型自動創建管道及其附件的三維模型，還能參與工藝對象詳細參數多專業協同設計，將布置設計相關參數至二維系統設計系統，從而實現系統間的雙向數據交互。機械布置設計系統與BIM結構設計系統接口通過中間數據庫實現工藝專業的荷載、埋件、留孔根據規則生成并向BIM設計系統、校驗和管理，結構專業的設計模型向機械布置設計系統的和復建，實現不同布置設計系統間的雙向數據交互。由于發電工程數字化設計系統眾多，其三維模型和數據格式各不相同，以兩兩接口的方式來實現協同設計無法實現設計數據的集成和全面協同，考慮到開發周期、生產的平穩性、協同經驗等因素，目前以流程驅動的文件級協同仍是重要的協同方式。此類協同通常以設計項目信息管理集成系統為中心，組織協調各專業內、專業間、跨部門的協同管理，各數字化設計系統生成需要交互的文件，提交至集成系統進入協同流程，集成系統通過權限管理、記錄追蹤、電子簽名等技術確保系統的安全性，同時通過關鍵流程節點的控制，保證交互信息的準確性。2.2外部參照協同設計。外部參照(externalreference，Xref)是指在一幅圖形中對另一幅外部圖形的參照(或引用)[5]，主要應用于圖形驅動的設計系統。外部參照是開展各專業協同設計最基本和最簡單的方法，主要解決專業間或者專業內部不產生資料交互，僅借用其他設計成果進行設計參考或作為出圖環境背景時的協同設計。由于BIM類三維設計系統是以圖形為驅動，多采用單機版，設計成果以文件形式存放，因此外部參照也是目前不可或缺的協同方式。外部參照協同設計需定制統一的模板、路徑、文件命名規則、模型基準點、坐標系等，并借助文檔管理系統的功能進行協同管理。2.3模型整合協同設計。由于發電工程三維設計軟件較多，不同的三維設計軟件模型格式互不相同，目前的三維設計軟件系統均無法快捷、完整地展示完整的數字電廠模型，不便于項目參與各方進行溝通。現階段國內外數字化電廠解決方案提供商與工程公司、電力設計院均已開始合作致力于開發工廠輕量化三維展示系統，該系統能識別多種三維模型格式，將不同三維設計系統的模型轉換成可被輕量化展示系統讀取的統一形式，并集成和關聯工程數據，面向電廠的全生命周期，為參與規劃、設計、采購、施工、調試的項目各方提供可視化的溝通環境。

3高級階段方案

隨著發電工程設計領域數字化應用水平的不斷提升，以及智能電廠的建設對電廠數字化要求的不斷提高，實現電廠全生命周期數字化，建立電廠的工程信息模型，構建電廠的全生命周期數據資源池，實現工程信息的集成和管理，并為業主以及項目參與各方提供工程信息服務是必然的趨勢。數字化協同設計高級階段將不僅局限于設計系統之間或設計單位內部的協同，而是實現項目參與各方及不同類型設計軟件之間基于工程信息管理集成平臺的協同，通過統一的編碼規范和數據交換標準打通各類軟件與集成平臺的數據交互通道，實現不同來源、不同類型設計軟件的數據集成和面向全生命周期的數據服務。熱資源稟賦也不盡相同，可結合重點光熱規劃區域，開展適用于我國太陽能光熱資源分布特點的典型氣象年分析方法的研究；2)開展太陽能光熱資源典型氣象年各氣象要素權重系數取值研究。研究風速、總輻射、溫度等氣象要素對太陽能光熱資源及發電量的影響，分析適用于我國太陽能光熱特性相關氣象要素權重系數的取值范圍；3)開展太陽能光熱資源不確定度及超越概率研究，量化太陽能光熱資源變化帶來的經濟風險，降低項目投資風險，滿足國內外金融機構項目風險評估需求，也為今后太陽能光熱資源精細化評估、行業技術標準編制提供依據。

參考文獻

[1]國家能源局．電力工程氣象勘測技術規程：DL/T5158―2012[S]．北京：中國計劃出版社，2012．

[2]國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會.太陽能資源評估方法：GB/T37526―2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．太陽能資源測量直接輻射：GB/T33698―2017[S]．北京：中國標準出版社，2017．

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．太陽能資源測量總輻射：GB/T31156―2014[S]．北京：中國標準出版社，2014．

[5]S.Wilcox，W.Marion．UsersManualforTMY3DataSets[R]．Golden：NREL/TP，2008．

[6]T.Cebecauer，M.Suri．TypicalMeteorologicalYeardata：SolarGISapproach[J]．EnergyProcedia，2015(69)：1958-1969．

[7]常蕊，申彥波，郭鵬．太陽能資源典型年挑選方法的適用性對比研究[J]．高原氣象，2017，36(6)：1713-1721．

作者:譚書莉 曹嘉 張偉峰 杜曉巍 單位:中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司