基于生命周期的船闸在线运维管理系统研究

原国智 广西西江集团红花二线船闸有限公司

陈帅 中交水运规划设计院有限公司

随着信息管理技术的发展以及三维数字技术的应用，先进的运维管理是基于信息模型（BIM）、在线监控、信息管理系统的生命周期管理方法。生命周期管理方法是涉及多学科、多物理空间、过程及环境功能的专门管理方法，该方法在船闸设计、施工及运维中有广阔的应用空间。将其应用于研究船闸机电设备在线管理可以提高船闸的运管效率，实现船闸全生命周期的可视、可预测管理。

BIM+在线监控+信息管理系统的运维管理方法在船闸管理的运用，解决了船闸机电设备的空间管理、资产管理、设备故障的定位排查和安全管理等传统的运维难题，同时也使运维在可视化、可预测、精确性方面都得到了大幅提升。生命周期的在线运维管理系统覆盖设计、施工和运维三个阶段。在设计阶段，应用BIM技术、仿真分析对施工图进行优化，精确表达复杂船闸结构的空间关系；在施工阶段，通过可视化交底实现设计施工的无缝对接，信息管理系统、数据接口和在线监控系统的建设为运维阶段的全要素监测、大数据分析提供必要的基础条件；在运维阶段，通过数据在线监测管理、数据分析展示和3D指导学习管理，提升船闸机电设备运维效率、避免重大事故的发生。

1.基于生命周期的船闸在线运维管理系统在方案设计阶段的应用

设计阶段，基于生命周期的运维管理方法主要是运用BIM技术对机电设备进行设计，按照设备数据的处理和传输方法不同，将船闸在线运维管理系统分成信息管理系统、数据接口、在线监控系统和现地机电设备。根据机电设备的空间分布和数量规划系统网络拓扑图，以网络拓扑图为基础，规划具体监控设备、管理设备、网络形式和软件功能，结合前期BIM模型规划的机电设备查漏补缺，避免因设计失误造成的问题，最终将优化后的方案落实在施工图上。

1.1 机电设备方案设计

基于BIM的设计方案可以充分发掘机电设备的数据价值，简化设计流程，及时矫正设计过程中出现的问题。BIM技术可以针对船闸不同的机电设备分类建模，拟定初步方案，采用模块化设计方法构建船闸的金属结构模块、土建预埋和电气设备模块，审核无误后进行详细设计。通过模拟仿真，BIM技术可结合制造安装工艺、安装位置对机电设备进行虚拟现场设备安装，实现机电设备设计过程中的自查，避免了因设计失误造成的设备“漏、碰”等问题，确保设计过程的可靠性和合理性。

1.2 机电设备仿真分析

通过设计前期建立的模型，BIM技术可对船闸机电设备进行仿真分析。运用可视化技术，以图形和报表的形式形象的模拟出设计方案在施工和运行期间的各种状态，将仿真的结果详尽的输出给设计人员。通过虚拟模型的仿真，可以准确的分析出船闸机电设备在各种状态下的运行情况，大大提高了设计的准确性。

1.3 设计优化

运用BIM技术对船闸机电设备方案优化，主要是运用以往类似的船闸工程经验对当前设计的工程进行方案优化设计；所采用的方法是提取以往的模型，与当前工程BIM模型比对，根据比对结果进行优化，优化设计流程（图1）。

图1 优化设计流程过程

施工图往往是各个专业相互协调后的繁杂工程，运用BIM优化船闸设计时，可直接对相应的模型参数进行修改，不同专业的图纸均同步更新，避免了图纸修改过程中的遗漏。同时，在设计优化过程中，为保证优化达到最佳效果，可以利用类似工程的BIM库中的三维模型，结合本工程现场实际，在可视化环境下优化方案，更新设计图纸，减少工作量，提升设计效率和质量。

2.基于生命周期的船闸在线管理系统在建设阶段的应用

建设阶段，利用BIM技术搭建的虚拟数据环境，实现船闸机电设备施工的可视化与可预见性。BIM虚拟环境可以对施工过程中机电设备数据存储分析，对分散在整个平台上的施工点进行统一的管理，并对数据进行增删和修改等动态维护，最终实现虚拟和现实的一致性。机电设备施工完成后，基于生命周期的船闸在线管理系统根据实际施工情况对信息管理系统、数据接口和在线监控系统建设进行相应的优化和修改。

2.1 机电设备可视化交底

不同于传统的施工交底，基于BIM技术的施工图交底在可视化环境中将相关的设备的属性信息准确的传递给施工人员。当施工人员发现施工过程中的属性信息与设计不符时，可及时纠正相关施工方对现场的“错、漏、碰、缺”，以避免造成不可变更的错误。

2.2 信息管理系统

信息管理系统是基于生命周期的在线运维管理系统的主要组成部分，系统采用目前应用成熟的以太网技术，构成以太网为基础的Browser/Server(B/S)体系架构，通信协议采用国际通行的TCP/IP协议。信息管理系统完成船闸机电设备的运维管理、故障数据管理、生产调度管理、设备空间管理和运行环境管理等数据管理。B/S（Browser/Server）架构将系统分成客户端、信息基础数据库和应用软件系统，客户端通过浏览器(Browser)访问基础信息数据库与依据数据库建立的不同类型的应用软件系统。船闸管理系统的B/S架构把传统分散的处理方式转换为集中的服务器端处理，实现了不同的人员，从不同的地点，以不同的方式（电脑端、手机移动端等）接入，方便船闸管理人员的远程监控和系统迁移，利于整个系统的使用和推广。

2.3 在线监控系统

相对于传统的船闸控制系统，在线监控系统是广义的船闸全要素监控系统。除船闸PLC控制系统外，在线监控系统还融合了金属结构监测系统、浮式系船柱监测系统等相关的在线安全监测系统。在线监控系统由C/S（Client/Server）架构组成，按照自下到上划分为现地设备层、现地控制层和集中控制层。

现地控制层将设备状态采集至集中控制层，集中控制层通过I/O服务器将相关的设备信息进行处理，产生的报警故障信息及时通知管理人员，管理人员通过在现地控制层向机电设备发出指令，执行相应的控制动作。在线监控系统能够充分发挥客户端PC的处理能力，客户端将处理后的业务再提交给服务器，增强系统的在线监控和事务处理能力。

3.基于生命周期的船闸在线管理系统在运维阶段的应用

运营维护阶段是整个船闸工程在线运维管理系统的最后一个阶段，也是生命周期的在线运维管理系统中最长的阶段。BIM将设计和建设过程中的数据核实比对后，统一交付到建设完成的管理系统中，将相关的数据存储在信息基础数据库中。管理系统将接收到的BIM原始数据和运行过程中产生的实时数据进行对比，从而发现运行过程中的报警、故障，精准指导运维过程。

3.1 运维数据在线监测管理

运维数据的在线监测管理包括对船闸驱动机构、人字门、充泄水阀门和船闸系船柱等相关船闸设备的在线监测。对上述设备的运行过程动态实时监测，将监测的结果及时存储，作为运维数据保存，并将保存的结果与BIM模型交底的结果进行对比。通过对比，精确分析出故障原因，提示管理人员进行相应的维护，降低管理强度，提升船闸整体的运行效率。

3.2 管理系统数据分析展示

综合信息展示系统是一个综合船闸机电设备各类数据资源的综合服务功能模块。系统通过信息分析展示功能，向用户全景地展示船闸机电设备各类运行数据，使管理人员能实时、准确地掌握系统运行现状。基于生命周期的船闸在线运维管理系统采用BIM技术建立的模型作为空间信息作为基础，采用WebGIS技术、B/S结构和基于“一张图”服务（图2），提供各类基础数据和专业数据的展现、查询及应用服务，实现了运管和建设统一协调。

图2 船闸数据分析展示

3.3 3D指导与学习管理

借助3D动画、虚拟现场，对于具有明确分析诊断模型的故障，系统采用基于故障树的故障诊断方法，建立一套完善的、与机电设备及运行方式相适应的故障诊断知识库，结合全息数据对故障进行分析和诊断。针对尚未发生的故障，系统采用自学习功能，以历史数据为基础，以大数据分析方法与BIM技术建立的模型为核心，在专家系统的指导下分析不同类型的数据及设备运行工况，通过大数据分析总结设备正常运行区间参数为正常样本，当参数偏离正常运行区间、出现突变或长时间形成变化趋势时即产生故障预警。故障预警提示管理人员，经人工确认后，可添加进故障库，形成故障树，利于后续的故障诊断。建立开放详细的专家库系统，对产生的缺陷提供详细的维护检修方案，指导生产、提高效率。

4.结论

1）基于生命周期的船闸在线运维管理系统大幅的减少了设计方案修改带来的设计变更时间，提升了设计效率；凭借其模型化成图、可视化施工交底，避免了因设计过程中的遗漏造成施工的返工。

2）运维阶段BIM技术的延伸、在线监控系统和信息管理系统的建设实现了设计、施工和运维的无缝对接，一体化综合平台的在线监测、数据分析展示功能为运维人员提供了一个高效的指导学习、设施维护的便捷手段，进而实现了船闸机电设备的科学管理，提升了运维效率，降低了成本，实现了船闸科学、高效管理。