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2020-01-09 11:42:33 达美盛 30

一、引言

大数据时代,超过90%的信息已经是“数字化”的数据, 即计算机可以读取、存储的数字数据。各行各业数字化转型已成必然。对于工程设计而言,不应止步于完成图纸设计,而是需要运用先进的数字化技术主动参与到项目全过程建设中去。

从20世纪80年代起,在制造业尤其是航空航天领域较早地开始了数字化的应用,进行虚拟制造、仿真,来缩短研发周期、节约成本,比如我国自行研制的C919大型客机、高铁以及船舶、汽车等都普遍采用了数字化研发设计的方式。

建筑业的数字化主要体现在BIM(BuildingInformation Modeling,建筑信息模型)技术的发展。BIM在逐步发展中形成了集设计、施工、管理于一体,并贯穿全寿命周期应用的先进理念。BIM研究与应用在美、英等国家率先启动。从2012年起,BIM发展进入快车道,美、英、新加坡等国政府部门招标项目已普遍要求使用BIM技术。我国也紧跟国际步伐,发布了一系列政策文件和标准,BIM技术应用已经纳入我国政府绩效考核指标,其中上海市从2017年10月起要求政府和国有企业投资的工程项目全部应用BIM技术。下图是2016年发表的与BIM相关的SCI科技论文占比,我国大约占到20%,在国际上居于第三位。中国尊大厦则是我国BIM应用的典型工程。

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在交通、电力、市政等基础设施行业中,已经普遍尝试采用三维数字化设计技术,如公路、铁路系统通过应用地理信息系统GIS和空间实景模拟进行选线;水电、火电、核电行业应用设备布置、管线综合布置。

电网中的输电线路具有类似公路铁路的典型线性、带状特性,需要线路选线、杆塔排位以及通道清理等设计工作。而换流站、变电站则类似建筑物具有点状特性,有大量的设备、建筑结构布置、电气安装、管线综合等设计需求。涉及专业多,技术复杂,协调工作量大,应用三维数字化设计具有显著意义。

我国在2015年发布了《中国制造2025》,提出了制造业“数字化研发设计工具普及率从52%提高至84%”的要求。我国电网工程建设取得了显著成就,特高压、柔性直流、地下管廊、大跨越等复杂工程不断出现,全球能源互联网的提出又为电网工程设计带来了新的机遇和挑战。总之,三维数字化技术在电力行业的普及化是未来发展的必然趋势,是行业生产方式转型升级的必由之路。

二、电网工程三维数字化设计作用和意义

电网三维数字化设计是将电网工程项目的地理地形数据、设施实体、功能特性以及各种信息,以三维模型和数据的形式集成到统一的设计平台,实现工程设计中的雷火电竞苹果app展示、协同设计、自动化输出等应用。

三维数字化设计是二维向三维的数字化变革,由以往的数据、图纸分离交付转化为三维图形和数据一体交付。该技术涵盖两方面内容:一方面是将工程相关的影像、资料、图纸等都转化为数据来存储、表达,并利用大数据技术实现数据的积累、发掘、共享、集成、仿真;另一方面可以应用计算机技术,构建“虚拟现实“的三维场景、实现雷火电竞苹果app设计,并对接数字化制造和建造。

三维数字化的工程模型具有雷火电竞苹果app、协调性、模拟性等特点,在电网工程设计中的作用主要体现在:

(一)提高设计精细化水平

数字化的数据便于传递、集成的特性,有助于开展项目的协同设计,降低差错率、提高生产效率。基于三维数据模型进行仿真计算和自动生成二维图纸等功能,可以把设计师从绘图中解放出来,更专注于设计工作。三维数据模型能相对自动、准确地统计工程量,可以使物料清单、工程投资的管理更加准确,有利于控制工程造价。

(二)促进项目的高效化管理

电网工程建设的参与方包括业主、勘测、设计、评审、制造、施工、监理、运行等多个单位和部门。三维数字化设计以数字化设计平台和工程数据信息为载体,进行各参与方间的数据、信息传递和共享,提高沟通效率,促进项目的高效管理,并可以拓展到为项目管理服务的多种应用,如智能制造、虚拟建造、智慧工地建设管理等。例如,三维雷火电竞苹果app功能可以将地理地形和设计方案形成三维立体场景展示,使得设计人员能够进行场地选择、布置和杆塔布置等设计工作,项目业主能够快速获取、评审设计方案,施工人员能更好地理解设计意图。施工单位基于三维数据模型进行“虚拟建造”,可以起到提前校核图纸的作用,及时发现问题,避免后期设计变更。

(三)加强工程建设数据的全寿命周期应用

工程建设具有独特性、一次性的特点,工程设计文件在不同阶段、不同单位传递过程中会带来信息损失。把所有工程文件数字化之后,能够实现大量工程数据的积累保存、快速检索,不存在交接过程中信息丢失问题,利于电网工程数据在全寿命周期内的保存和利用。三维模型和相关数据作为运行维护管理的基础数据,能够减少运行维护在数据准备方面的时间及投入,并为后期扩建、改造等提供数据和支撑,有助于实现数字化运维和资产管理。

三维数字化设计是电网工程建设信息化的一部分,是电网工程设计中贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的一种体现,最终目标是提升电网工程设计对业主、社会带来的质量和价值的作用。

三、主要内容和技术难点

(一)设计任务和内容

从二维设计到三维数字化设计中,设计的输入、流程、成果发生了一定的改变,包括以下几方面:

一是数据库的建立,三维数字化设计需建立地理地形地质等信息数据、建立设备、构件、材料的基础数据模型等,这体现了设计输入形式的改变。

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三维杆塔模型

二是专业设计,包括线路通道设计、电气布置设计、专业的仿真计算等。专业设计的内容与传统设计基本一致,只是手段发生了变化,由二维升级到三维,展示更直观、操作更便捷。

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基于地理信息的通道设计

三是数字化协同设计,这是三维数字化设计特有的功能。各专业人员可以利用三维设计平台和数据模型来进行数字化协同设计,通过开发相应的工具,实现专业设计所需的功能,比如二三维一致性校验、三维电气净距校验、三维防雷保护校验、碰撞检查等。

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四是成果输出,指从设计平台和数据中自动导出符合特定的需求的设计成果,包括效果图和动画、平面图纸、工程量等。在三维数字化设计中,这一功能更加高效、精确,极大地减轻了设计人员工作量,降低了出错率。

(二)技术难点

在三维数字化设计中,模型和数据成为设计的对象,设计人员的主要工作是建立正确的输入和进行协同配合。专业设计和成果输出应该是高度自动化、智能化的,协同设计也应该标准化、流程化。这种高效率的正向设计是理想的发展方式,但是现阶段这种方式还不能顺利地达成。主要是在技术上还有若干关键问题需要进一步深入研究、完善:

1.设计平台开发

设计平台应同时符合专业设计及数字化协同设计的要求,满足电气一次、二次、土建、线路等多专业全方位的需求,并兼具自动化和智能化的特点。为此,设计平台具体功能应包括基础管理功能、高级扩展功能。现阶段相关平台基本能较好地满足设计在基础管理以及协同检查、工程量统计方面的需求,实现三维模拟、碰撞检查、管线优化、工程量统计等操作。但在其他高级扩展功能方面还有欠缺,需进一步完成相关专业的仿真计算,引入专家系统辅助决策设计方案,提高自动出图的质量和效率等。

2.数据交互标准和技术

由于电网设计多单位、多专业协作的特性和复杂程度,必然存在不同平台之间、平台和专业工具之间交互的问题。而现阶段大多数平台以及软件之间数据交互的效果仍不够理想,这直接影响了三维数字化设计的效率。

交互的关键是研究制定统一的数据交互标准,如国际协同联盟组织建立的IFC标准等,数据标准的覆盖范围应尽可能扩大,尤其是对设计过程中需实现的交互,以及项目管理过程中需实现的不同环节的交互。各平台、软件要支持相关标准,开放数据接口,实现数据一次输入,多专业、多阶段信息共享。并加强软件行业的利益协商机制,避免因商业竞争人为产生壁垒,导致数据的交换和共享带来障碍,阻碍行业发展。

3.协同设计技术

协同设计就是参与工程的设计人员在协同工作模式下,利用三维数据模型(也可以附加非结构化的数据)的模式来表达、交流、审核设计信息,最终形成具有正确设计信息的三维数据模型。这就要求在三维数字化设计过程中,涉及到“需要传递、共享的信息”都应集中存储在协同平台上,所有参与设计人员都在协同平台上获取和反馈信息。

做好协同设计,需要在三维数字化设计平台上对工作内容进行集中存储,对工作环境进行集中管理,对工作流程集中控制。进行任务分解,明确分工与接口。同时引入权限管理机制,确定各角色权限,建立操作规则体系。必要时可重构设计流程,建立质量管理体系,形成协同工作模式,适应数字化发展要求。

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协同设计中各参与方接口示意图

4.数据传输及处理技术

“数字化”时代需要信息技术的支持,包括数据集成技术、并行处理技术、快速通信技术、大数据和云计算等。这些技术是数据平台构建、快速异地协同、高精度仿真、辅助决策等功能实现的必要硬件条件。

四、展望和建议

(一)发展阶段

在建筑工程领域,Autodesk 发布的2015年度报告中,有超过 60%的从业者将 BIM评价为“不经济”的服务项目;多数工程都是先按照传统流程设计图纸,最后再根据图纸进行建模。这说明数字化技术与工程设计的结合还没有达到成熟的阶段,前方任重而道远。根据技术创新、发展、应用的规律,电网工程三维数字化设计的发展大体上可以分为三个阶段:

1.起步阶段

起步阶段是电网设计领域开始引入数字化设计相关概念和初步应用的阶段。主要目标是实现雷火电竞苹果app展示和设计成果的数字化移交。经过之前近十年的发展,这一阶段已经基本完成。

2.发展阶段

发展阶段的主要任务是逐步攻克标准制定、平台功能、数据交互、作业模式、信息处理等难题。主要目标是重点工程深度应用,提高设计质量和综合效益,并推动全产业链逐步参与。在发展阶段,政府、行业管理部门从政策方面开始推动三维数字化设计,相关机构也开始开展研究工作。工程中应用范围逐渐扩大,能够实现正向三维数字化设计的数量还不多但逐渐增加。这一时期的是解决软件功能、标准制定、培养专业人才等问题的关键时期。平台功能从展示到仿真,软件交互从弱到强,协同设计从无到有的过程。

3.成熟阶段 

成熟阶段的主要特征是形成完善的国家、行业标准体系,实现工程设计与数字化的全面结合统一,效率优势得到体现,应用范围覆盖至全部电网工程项目,并开始延伸至项目全寿命周期管理中。理想的三维数据模型应该能够作为一个工程项目唯一的数据源,最终形成“一个工程,一个平台,一套数据,全寿命周期”。通过大电网全寿命周期的大数据分析,实现快速分析、预测,服务于规划、建设、运行、维护等各方面。

现在我们已经跨过起步阶段,进入发展阶段,也是攻坚克难的时期。现阶段我们应全力推动重点工程、复杂工程和其他特殊工程(如特高压直流、柔直、大跨越等电网工程)的三维数字化设计,挖掘技术优势,在应用中一一攻克各项技术难点,完善功能应用,提高设计效率,提升用户体验。

(二)下一步工作建议

由于三维数字化设计目前尚不成熟、不完善,很多单位对今后的发展和前景仍旧疑虑重重。对此,我们建议:

1.提高认识,创新理念,形成合力

计算机、互联网相关技术的快速发展对经济、社会带来的变化日新月异,对各行业都有深刻影响。在电网行业逐步融入新技术是大势所趋。技术革新存在一定过程,也会有阶段性的困难,对此我们要正确认识其发展趋势、总体目标、各阶段的问题和困难,不局限于已有成熟的二维设计技术,大胆创新,早上路,早收获。同时建立政府引导、企业推动、试点应用、行业推广的机制,形成合力。三维数字化设计的发展应用尤其需要业主的推动和积极参与,鼓励工程逐步采用数字化设计技术,并督促项目各参与单位介入。

2.尽快建立统一的标准体系

对建模、设计深度、功能和交互、设计质量控制、协同设计流程、制造、施工应用、交付、取费等方面进行统一和规范,企业标准先行,再逐步上升到行业标准。例如:建模标准里需要统一输入输出格式,采用统一坐标原点、度量单位、建模要求、层级划分、配色原则和属性定义,便于三维数字化设计的标准化,并实现不同设计阶段、设计单位间的传递。同时,标准制定应以三维数字化设计全寿命周期应用为目标,覆盖技术、管理、人才保障等各层次,建立相应取费标准,激励设计院加大投入、保证设计质量。

3.加强人才培养,提供制度、资源保障

设计单位要注意培养专业+开发复合型人才,使资深设计人员适应新模式,逐步进行设计人员角色细分。要建立三维数字化设计的取费标准,激励设计院切实投入、提高设计价值和辅助项目管理。建立设计人员激励制度、 设计流程和质量管理制度,探索数字化设计成果的质量认证方式。从软硬件购置、教育培训方面加强投入和保障。

4.加速全产业链参与全寿命周期应用

打破三维数字化只是一种设计技术的思维,树立全产业链参与、全寿命周期管理的理念。尤其是提高制造厂家、施工单位等数字化参与度和应用深度,设备厂家应在交货的同时交付符合移交标准的数字化设备模型,钢结构厂家应提供深化设计模型,施工安装单位应根据已有模型和图纸进行“虚拟建造”,并加强建设和运维环节的对接。

同时,需要进一步探索前沿技术与三维数字化设计的结合。例如:物资数字化管理;利用激光扫描技术重建已有工程,形成全电网数字化资产;探索预制构件的三维设计+3D 打印;动态模拟施工;基于AR技术,实现远程雷火电竞苹果app运维等。

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五、总结

目前来看,三维数字化设计的发展还不够成熟,需要进一步解决技术、制度、人才等方面的问题。但是在计算机、互联网高速发展的推动下,它对工程设计领域带来深刻影响是大势所趋。

三维数字化设计是以设计为主线,贯穿电网设施全寿命周期的项目管理和协作的一种变革,也是电网工程设计行业中贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大理念的一种体现。

通过应用三维数字化设计,最终目标是实现行业的技术革新和效率进步,为业主带来建设质量和项目管理水平的提升,达成项目利益和社会利益的平衡统一。行业企业应主动作为、积极参与,推动技术革新和效率进步,助力电网发展, 实现更大的综合效益。

关于达美盛:

北京达美盛软件股份有限公司(以下简称“达美盛”,股票代码:430311)是一家跨平台资产全寿期数据管理(ALIM) 平台提供商,致力于通过自主雷火电竞苹果app、轻量化核心技术, 基于工程和运维一体化数据,为客户构建“数字孪生(Digital Twin)”,打造全寿期资产管理与价值提升解决方案。

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达美盛为国家高新技术企业、中关村高新技术企业、《工程建设标准化》理事会理事单位, ISO15926国内首家发起成员,CFIHOS组织成员单位,并通过了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001等质量体系认证;荣获2016年度最佳数字化工厂服务商、2016年度“基础设 施雷火电竞苹果app资产管理最佳应用奖”;其全资子公司四川达美盛工程设计有限公司具备石油天然气设计资质。


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