核电站建造阶段数字化转型应用实践

肖映灼，叶勇，孙海峰

（中国核工业二四建设有限公司）

1 引言

数字化技术加速发展，成为引领新一轮科技革命的主导力量，新技术促使企业商业模式和运营模式发生变化。核电站建造阶段作为衔接设计和运营的承前启后阶段，其数字化转型在核电站全生命周期产业链上具有重要的价值。

2 传统建造模式存在的问题

核电站建造阶段是核电站从图纸到现实的实体形成关键环节，与数字化管理模式相比，传统的核电站建造管理模式和国内外工程建设行业一样存在着数字化程度低、信息化应用水平落后、管理粗放、数据标准差等共同特点，主要表现为：

①考核管理体系陈旧，需要建立数字化转型的新度量标准；

②组织架构孤立，需要将数字化纳入业务架构中；

③战术规划短视，需要建立中长期数字化转型目标及路线图；

④经验技能有限，需要重塑数字化业务及技术能力；

⑤协作创新不足，需要建立数字化转型平台加强协同创新[1]。

3 行业数字化转型的现状分析

3.1 核电站建造阶段数字化是薄弱环节

国外的核电站数字化着重设计和运维阶段的研究与应用。在设计阶段通过应用数字化技术论证核电站的技术可靠性和经济合理性；在运行阶段通过应用数字化技术即时监控各项数据，确保运行稳定，并通过数字孪生技术快速找到故障解决方法。但在建造阶段，数字化技术的应用却并未得到高度的重视。从国内大环境分析，核电站的数字化技术应用集中体现在运营阶段，其次是设计阶段。对于建造阶段的数字化应用，既没有形成相应的标准，也缺少优秀的应用案例。无论国内还是国外，现阶段核电站建造数字化应用依旧是薄弱环节，亟待补强。

3.2 核电站全生命周期“数据孤岛”现象严重

核电工程建设项目体量大、规模大、工期长，目前国内尚未有核电站建设项目EPC总承包的案例，由于不同单位与业务之间的技术壁垒、管理流程障碍等诸多因素，导致核电站项目的设计、采购、施工、运营各阶段“数据孤岛”现象普遍存在，要实现核电站项目全生命周期的全数字化还有很多核心问题需要解决。

3.3 数字化应用数据交互障碍

核电站数字化的实现必须依托基础设计及相关软件研发，而目前核电站不同阶段的数据协同与流转主要通过以STEP技术为基底的IFC来实现，在数据信息稍显复杂的领域普遍存在数据丢失、数据不可信等质量问题，存在严重的技术壁垒。因此，若想得到更广泛的信任和应用，还需要更加稳定且简化。

第二，如何防范水权交易损害水源地居民的权益？从我国现有的水权交易实践来看，水权交易不但无法对既有的用水者予以补偿，反而可能会损害水源地用水户的权益。譬如，在东阳义乌案例中，东阳市政府和义乌市政府的水权交易遭到水源地用水者—东阳市横锦水库灌区的农民—的强烈反对。理论上，用水者是水权交易市场的支持者而非反对者，因为交易有利可图。那么横锦水库灌区的农民作为用水者为何极力抵制且反对呢？因为，横锦水库灌区的农民认为，东阳义乌水权交易侵犯了他们的实际利益。

4 解决思路及良好实践

以数字化手段解析管理对象、贯通管理层级，建设数字核电站，实现项目管理数字化转型。管理的数字化往往滞后于业务的数字化，因此在核电站建造阶段，应以建造目标和需求为出发点，充分利用BIM、物联网、大数据、人工智能、移动通信、云计算以及虚拟现实等数字技术，覆盖核电站建造全过程和人、机、料、法、环等全生产要素，推动项目管理模式变革，提高工程建造的生产力和效率，构建数字建造新模式。

4.1 工程实体的数字化

工程实体的数字化主要指围绕工程产品，实现工程产品的数字化模拟及其与实体工程的互联互通，这是目前核电数字化的主要表现形式之一，也是数字孪生核电站的内涵之一。在核电站建造阶段，将核电站建两遍：虚拟建造在前，实体建造在后。在项目管理过程中，流动的是数据而不是文件，通过数据的持续一致性流转实现工程实体的数字化。

W公司在多个堆型的核电站建造过程中，均应用以BIM为核心的数字化技术实现了工程实体的数字化，进而实现三维可视化建模、碰撞检查、精确算量、钢筋下料及加工数据推送、施工方案论证、虚拟建造等多项数字化应用，并将数字化应用融入业务中，改变技术、商务、物资、进度、施工管理等各业务传统流程，通过岗位级应用降低人因管理失误，提高工作效率。可以说核电站工程实体的数字化是实现核电站建造阶段数字化的重要基础。

4.2 工程生产要素的数字化

在核电站工程实体数字化业务驱动下，对核电站建造阶段各要素进行数字化应用，使核电站建造阶段数字化转型“活”起来。实现过程主要包括人、机、料、法、环五大工程生产要素的数字化。

4.2.1 人——管理数字化

在人因方面主要体现为管理的数字化。围绕企业管理，在管理标准化的基础上实现管理的信息化，进而在信息化的基础上过渡到数字化和智能化阶段。将传统的管理业务信息化、简单重复的管理动作标准化，从而提高工作质量和管理效率。

W公司在某核电站建设项目中启用了人员定位系统，将现场作业人员所在的核岛区域及活动轨迹及时准确地反映在系统中，并设置警戒区域，助力项目人员安全管理。在所有易造成人员集聚排队等候的门禁闸口启用了智能人脸识别系统，在不摘口罩的前提下，系统只需对眼部瞳孔识别则可准确识别人员并放行，提高通行效率，助力疫情常态化防控。W公司在该项目管理数字化方面还启用了在线考试系统、人员考勤管理系统、塔群防碰撞等智能化系统，这些系统的应用助推管理数字化、标准化应用发展，大大提高了管理效率。

在机械方面主要体现为工机具智能化，它是指核电站建造过程中部分作业工具借助数字化实现工机具的智能化，例如，焊接机器人、三维扫描仪、3D打印、车间自动加工机床、智能化装配式工厂、砌砖机器人等。

在民用建筑工程建造领域，智能化工机具早已屡见不鲜。博智林机器人公司研发了一系列建筑施工智能机器人，中建集团也在原有基础上进行改良以更切合实际应用。而核电站异形结构较多、工作面狭窄的施工环境较多、施工质量要求高、建安交叉作业较多等，客观上没能给普通的建筑施工机器人创造良好的作业环境和条件，但这并非意味着核电站建造阶段没有智能化工机具的应用可能。核电站作为大型基础设施建设项目，涉及的产业链范围较广、建造复杂程度较高，有着比普通民用建筑更多的智能化工机具应用场景。

W公司在核电站施工中，根据核岛埋件工艺特点，研发出六轴运动焊接机器人，实现了预埋件穿孔塞焊孔位自动识别、机器人自动抓取钢筋进孔入位自动焊接，可满足选定型号埋件的自动化、批量化生产，焊接过程参数固化，成品焊接接口质量稳定，在保证施工质量的同时大大降低了施工成本。

随着国家工业基础标准程度不断提高、数字化技术应用不断推广普及，未来工机具智能化应用门槛必定会降低，且人机交互友好性越来越强。

4.2.3 料——材料管理数字化

在材料方面主要体现为材料管理的数字化，指材料在运输、车间加工、现场安装等各环节实现数字化，使材料的各环节状态管理受控。核电站建造阶段所使用的材料总量大且种类繁多，给材料管理工作带来挑战，通过材料管理的数字化能提升项目的精细化管理水平，节约材料，降低成本。

W公司在核电站施工中将数字化技术融入钢筋材料管理过程中：

①在钢筋下料环节通过BIM可视化技术，在无限接近现场施工工况的可视化环境下建立BIM钢筋模型，基于该模型数据，可自动输出钢筋排版图、自动统计钢筋工程量；

②在钢筋材料加工计划数据推送环节，可实现BIM系统与企业核电项目综合管理信息系统的数据联动推动，将BIM钢筋数据匹配到该系统中，改变传统单纯依靠人工手动录入的工作方式，经测试，工作效率提高近20%。同时，大大降低甚至杜绝人工输入错误的低级失误，此环节充分解放人力，将简单重复的机械工作交给了数字驱动的系统自动完成。

4.2.4 法——工艺的数字化

在施工方法方面主要体现为工艺的数字化，通过可视化、虚拟建造等数字化手段，分析工艺方法，使其合理可行，并可通过多次模拟反复论证，寻求最优施工工艺，提高建造作业效率。

W公司在某核电站辅助厂房某墙体有2处大型主蒸汽管道贯穿，且每处主蒸汽管道加厚区域有8个贯穿件和2个方形洞口，预埋物项繁多，贯穿件周围环形钢筋直径较大、数量多、类型复杂，施工难度较大。项目团队通过可视化模拟，将主蒸汽管道处的钢筋绑扎分成近30个施工步骤，在虚拟建造的环境中，能清晰地判断每绑扎一步后现场形成的焊接操作空间、钢筋下一圈绑扎等，避免了传统模式下绑上去才发现问题，然后又返工的现象。最终项目团队结合数字化模拟，通过场外绑扎后整体吊装就位的方式进行施工，施工效率和质量均达到较高水平，该项施工较国内同类堆型核电站同区域施工缩短工期1个月。

4.2.5 环——工地的数字化

在环境方面主要体现为工地的数字化，即智慧工地建设。它是建立在高度信息化基础上的一种支持人事物全面感知、施工技术全面智能、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型信息化手段。

目前，国内部分核电站已经建立了一体化的生产运行管理系统、数字化平台、三维可视化平台、虚拟现实系统等，通过前期的应用已经积累了良好的基础，具备一定的数字孪生核电站的基础[2]。例如，国内某在建核电站项目的业主X公司，其信息化部门牵头联合土建承包商和安装承包商共同建立核电站大数据平台，旨在通过核电站建造阶段土建与安装全专业的数字化应用，赋能核电站建造管理及运维管理。

W公司在统筹建设智慧工地平台过程中，全面推广劳务实名制、吊钩可视化、卸料平台监测、施工电梯安全检测、智能水电表、智能变电箱、车辆出入识别等应用，实现核电站施工一线岗位作业层数字化，提高核电站建造项目的整体管理效率。

5 结语

核电站建造各参与方应在业主统建的平台和管理体系下，积极对接核电站全生命周期及产业链上下游，通过工程实体和“人、机、料、法、环”等工程各生产要素的数字化，推进核电站建造进度、质量、成本、安全等作业过程数字化和建筑实体数字化，实现项目管理层数字化，推动项目组织与决策的数字化，提升项目的集成化和精细化水平，实现核电站建造阶段数字化应用与转型，最终赋能核电行业数字化转型。