基于BIM+GIS抽水蓄能电站数字化交付平台应用研究

肖 凯，季怀杰

(1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080；2.清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853)

1 概述

目前我国越来越多的抽水蓄能电站逐步建成投产，为电力系统运行、新能源消纳和节能降耗作出重大贡献[1]。但由于抽水蓄能电站自身的特点，水工枢纽工程和地下厂房硐室群位于地下，特高压设备长期运行不停电，发电机组结构复杂、一旦安装发电长期运行服务不大修，监测监控设备种类、数量多且隐蔽性强，易造成管理人员很难对生产现场各类建构筑物进行全方位了解与跟踪查询，追溯工程记录时只能靠工程报告或二维的设计图纸回忆工程建设信息，缺乏直观了解工程数字化交付内容的手段[2]。

随着BIM+GIS技术的快速发展，基于BIM+GIS技术的工程应用服务越来越成熟和广泛[3]。BIM贯穿设计、施工、运维，都是对单体精细模型的设计管理[4]，注重于室内细节的设计实现，但是其缺乏周边地理环境信息，GIS技术注重地理环境的模拟与管理，可以对BIM数据起到支撑作用。BIM与GIS的结合能够实现由模型到图纸档案或者由图纸档案到模型的双向检索，室外到室内的一体化管理。

2 抽水蓄能电站数字化交付

数字化交付是对工程建设阶段产生的静态信息进行数字化创建至移交的工作过程，涵盖信息交付策略制定、交付基础制定、信息交付方案制定、信息整合与校验、信息移交和信息验收[5]。数字化交付是设计成果交付的升级，是工程技术服务的延伸，是建设数字化电站的基础[6]。

2.1 抽水蓄能电站交付现状

传统的抽水蓄能电站资料交付是通过设计图纸、文本标注等载体实现的，其设计成果数据准确性只能依靠人工校核来实现。而目前电站数字化交付是利用建模技术、信息技术、网络技术来对设计数据进行加工、管理，其设计过程也是构造数字化成果数据的过程。

电站数字化交付的核心数字模型主要是通过综合BIM和GIS技术建立的。通过这种方式，可以建立电站虚拟数字模型和电站实体对象的映像，用于工艺规划、生产计划、制造执行等生产全流程，实现产品的全生命周期管理。数字化电站交付后的数据可以用于仿真和生产优化等领域，实现基于实体三维模型的仿真培训，实现可视化的生产绩效管理和集中管控系统的集成应用。

2.2 抽水蓄能电站数字化交付范围

抽水蓄能电站数字化交付物应满足使用需求且应充分表达专业交付信息集合。数字化交付范围应包含三维BIM模型、GIS(地理信息)数据、属性数据、文档等。电站对象与三维模型、电站对象与地理信息数据、电站对象与属性数据、电站对象与文档等不同信息之间宜建立关联关系。

3 BIM与GIS的应用现状

BIM 是设施物理和功能特性的数字表达。BIM 作为一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念设计到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程[7]。

BIM以工程项目的各项相关信息数据作为基础建立数据模型，通过构建虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化、信息化技术为模型提供与实际结构一致的信息库[3，8]。而水利水电工程建设项目形式多样、格式不一、精度不同的海量信息数据，在管理过程中容易形成信息孤岛，进而导致项目全生命周期中信息流失严重，一定程度上制约工程项目管理水平和效率的提高[9]。

三维GIS技术作为信息化的体现之一，在水利工程各环节中的应用范围不断扩大，应用层次也逐渐深入，其已从最初单纯可视化过渡为集合空间分析、模拟、预测等多位一体的复杂应用[10]。与BIM专注于精模，模型内部结构不同，其处理的数据大多是模型外面的世界，强调空间地理位置[11]，将三维GIS与BIM技术融合，GIS提供专业空间查询分析能力即宏观的地理环境基础可以拓展BIM的应用价值，为BIM提供丰富的地理空间信息，实现宏观与微观的相辅相成。

4 BIM+GIS抽水蓄能电站数字化交付平台功能设计

对勘探资料、设计图纸等各种资料进行整理归集，将BIM和GIS模型整合后导入统一的管理平台，建立模型与工程档案的关联关系。实现模型三维可视化浏览和交互，根据时间属性实现施工进度可视化，实现对文档资料和生产数据的管理，实现BIM模型与文档资料和教学课件关联，完成系统管理后台维护。功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构

4.1 三维模型浏览

将电站对象以三维模型的形式呈现，提供对三维电站的定位、监测、测量、交互浏览、剖切、显示隐藏、透明显示、属性查看、文档查看、课件查看和文档搜索的功能。

(1)坐标定位。记录场景兴趣点，方便用户快速定位，在电站范围内自定义添加某一特定场景的兴趣点坐标，通过点击创建的兴趣点可以快速定位到该场景。

(2)实时监测。选择查询监测点详细信息、查看报警点等功能。

(3)测量工具。支持坐标测量、距离测量、垂直距离测量、水平距离测量和投影面积测量的功能。选择坐标测量，通过点击三维场景中的某一关注点，即可标出点击位置的三维空间坐标信息；选择距离测量，通过点击三维场景中的两个不同的点位，则自动计算并显示出两点之间的直线距离；选择垂直距离测量，通过点击三维场景中的2个不同的点位，系统自动计算并显示出两点之间的垂直高度；选择水平距离测量，通过点击三维场景中的两个不同的点位，系统自动计算并显示两点之间的水平投影长度；选择投影面积测量，通过点击三维场景中至少3个不同的点位，系统自动计算并显示多个点位之间形成的投影面积大小。

(4)交互浏览。交互浏览包括动画导航、地形透明、步行模式和2D模式。其中动画导航即在电站范围内，创建三维场景的动画，并可以根据创建场景播放；地形透明即根据需求不同程度设置地形透明度，将整体模型结构更直观展现；步行模式即通过键盘和鼠标模拟步行视角浏览；2D模型即将电站以二维视图展示。

(5)剖切查看。剖切有体剖切和面剖切，体剖切仅保留立方体框起来的模型，查看模型在xyz 3个方向上的空间剖切状态，通过旋转方向和上下移动可进行剖切面和剖切范围调节，而面剖切是以无限横截面的形式对模型进行剖切，只能查看模型xyz一个方向上的空间剖切状态。

(6)显示隐藏。选择三维场景中的模型构件，对模型进行显示和隐藏查看。

(7)透明显示。选择三维场景中的模型构件，对模型进行透明显示查看，查看设备内部构件。

(8)属性查看。选择所需查询的构件，系统自动计算并显示该构件的属性信息(几何属性和生产属性)。

(9)文档查看。选择所需查询的构件，系统自动计算并显示该构件所关联的文档信息。

(10)课件查看。选择所需查询的构件，系统自动计算并显示该构件所关联的课件信息。

(11)文档搜索。选择文档类型，输入关键字进行文档搜索。

4.2 进度可视化

通过选择参与进度可视化演示的工程模型设置模拟范围，对选择的模型赋予时间属性，即开始时间和结束时间，平台会根据工程模型的时间属性自动计算播放进度数据，动态演示工程施工进度可视化仿真过程，在可视化过程中如果需要查看模型信息，暂停仿真选择模型即可获取模型进度信息。功能流程如图2所示。

图2 进度可视化流程

4.3 文档管理

对数字化交付文档进行统一管理，提供一种便捷的文档管理方式，对电站设计生产的文档进行统一的管理。根据工程分解结构创建的模型结构树进行文档整理分类，形成文档管理列表，然后通过单击的形式可以查看文档节点下所包含的文档。

(1)节点管理。文档目录中提供了“添加根节点”“添加节点”“删除”等功能，文档目录将不同工程的数字化交付文档以工程结构树进行分类显示，点击不同的树节点，文档列表框会弹出该树节点下对应文档，文档类型含word、Excel、PDF、dwg等。

(2)文档管理。文档管理包括上传文档、预览文档、下载文档、删除文档、删除文档所有关联和查看关联等操作，文档管理的功能需要先选择文档然后执行对应功能。

4.4 文档关联

给模型结构树节点添加文档关联关系，建立电站对象与文档和课件之间的关联查询。查看文档关联关系，模型结构树上右键单击“查看文档”按钮，弹出文档列表对话框，在该模块可以进行关联关系的删除操作，根据文档目录选择相应的文档，点击“添加”按钮将文档加入到待添加的文档目录中，建立文档关联关系。查看文档关联关系，模型结构树上右键单击“查看课件”按钮，即可查看模型对应课件。

4.5 系统管理

系统管理为管理员权限模块，主要完成系统系统维护，功能包括场景定位管理、动画导航管理、人员管理和权限管理的功能。

(1)定位管理。管理员对场景定位中兴趣点的信息进行增删操作，配置场景定位中兴趣点的信息。

(2)导航管理。管理员可创建新的动画导航场景，同时也可对已有场景节点进行增删操作，配置动画导航中的路线信息。

(3)人员管理。管理员查询维护登陆用户信息。

(4)权限管理。管理员对进入平台用户设置权限角色和菜单权限。

5 系统应用

系统平台在BIM和GIS模型基础上汇集了电站的各种档案资料，记录电站的整个建设过程，是档案管理工作信息化体现，让电站运维管理人员检索资料更加便利、也更加直观，目前该系统在清远抽水蓄能电站已上线运行。

清远抽水蓄能电站位于清远市清新区太平镇境内，与广州直线距离约75km。电站装设4台32万kW可逆式水力发电机组，总容量128万kW，最高净水头502.7m，满载发电小时数为9.17h，是南方电网公司全资建设的第一座大型抽水蓄能电站，也是广东省重大能源保障项目，电站整体建模效果如图3所示。

图3 电站整体效果

三维模型浏览和进度可视化功能如图4—5所示。可直观查看电站结构，通过工具也可执行三维交互功能。

图4 三维模型浏览功能

图5 进度可视化功能

文档管理和文档关联功能管理着全生命周期所需文档，并建立模型和文档之间关关系，可有效实现两者双向关联，解决文档查找困难且不能清晰对应的问题。如图6—7所示。

图6 文档管理功能

图7 文档关联功能

6 结论

数字化交付平台不仅支撑着电站建设期的工程项目数据成果，满足运营维护期的业务应用数字化需求，而且具备对现有和未来发展基础设施的兼容性，可有效支撑企业级数据挖掘、分析和辅助决策，蕴藏了巨大的二次利用经济价值。