蔡國利

（浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 余姚 315400）

三維數(shù)字電站系統(tǒng)的研究

蔡國利

（浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 余姚 315400）

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電站的信息化管理，研究了三維數(shù)字電站系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的三維互動(dòng)仿真平臺(tái)和實(shí)時(shí)可縮放矢量圖形2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)，指出三維數(shù)字電站系統(tǒng)的投入，將更好地服務(wù)于電站的建設(shè)、運(yùn)行、管理、維護(hù)、人員培訓(xùn)等各個(gè)方面，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提升安全管理水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

三維數(shù)字電站；虛擬；互動(dòng)仿真；矢量圖形

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，三維數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在電力行業(yè)的各個(gè)方面開始應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物理仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、信息通信技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展更拓展了三維圖形技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用前景。數(shù)字化電站的概念在二十世紀(jì)末開始提出，至今已經(jīng)正式進(jìn)入實(shí)施階段。

所謂數(shù)字化，實(shí)際上是指在電站從設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期過程中，實(shí)施完整的從數(shù)字化設(shè)計(jì)開始的數(shù)字化工程建設(shè)，同時(shí)在電站控制系統(tǒng)的各個(gè)層次，采用智能化、數(shù)字化的設(shè)備，在信息系統(tǒng)中采用相應(yīng)的控制軟件和管理軟件，從而使得電站的生產(chǎn)運(yùn)行人員和管理人員對(duì)整個(gè)電站的監(jiān)控和管理，都實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化和透明化。

1 三維數(shù)字電站系統(tǒng)的功能

三維數(shù)字電站系統(tǒng)可以將電站內(nèi)部所有基礎(chǔ)設(shè)施、廠房建筑、機(jī)械設(shè)備等實(shí)現(xiàn)三維圖像重現(xiàn)。電站建設(shè)期的施工進(jìn)度，投產(chǎn)運(yùn)行后檢修信息、設(shè)備檔案、備品備件等的集成管理，設(shè)備操作和檢修拆裝的人員培訓(xùn)、檢修方案策劃、應(yīng)急預(yù)案仿真等均可以在三維數(shù)字電站系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。三維模型采用KKS（發(fā)電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)）編碼，使運(yùn)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)3D數(shù)字化，提高生產(chǎn)管理掌控能力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)的三維可視化快捷管理。

安全第一、預(yù)防為主，在危險(xiǎn)性行業(yè)進(jìn)行工作要時(shí)刻保證人身和設(shè)備的安全，盡最大努力減少事故的發(fā)生，因此定期進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的演練對(duì)于電力企業(yè)來說是一種行之有效的預(yù)防事故的方式，還可以鍛煉員工處理緊急事故的能力。但是應(yīng)急演練投入的成本太高，受成本條件所限難以達(dá)到規(guī)定次數(shù)的要求。三維虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用為應(yīng)急演練提供了一種全新的開展模式，虛擬場景中模擬事故的發(fā)生，組織運(yùn)行人員參與事故搶險(xiǎn)。三維場景模擬應(yīng)急演練不但能夠提高演練的真實(shí)性，還降低了投入成本，提高演練的效果，從而保證了運(yùn)行人員面對(duì)事故時(shí)的應(yīng)急應(yīng)變能力，可以打破空間時(shí)間的限制，隨時(shí)進(jìn)行事故應(yīng)急演練。

三維數(shù)字電站不僅可以完全模擬出電站的實(shí)際場景和各種生產(chǎn)設(shè)備，還集合了電站的其他功能，作為信息系統(tǒng)和企業(yè)員工的工作平臺(tái)。通過該平臺(tái)可以及時(shí)快捷的發(fā)布資產(chǎn)管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、生產(chǎn)經(jīng)營指標(biāo)管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)的相關(guān)信息；可以通過數(shù)字電站系統(tǒng)了解當(dāng)天在不同系統(tǒng)中的工作任務(wù)，并通過三維數(shù)字電站系統(tǒng)單點(diǎn)登錄有關(guān)業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)完成工作；企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)也可以在三維場景中隨時(shí)掌握電站生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)和重要工作任務(wù)的完成情況。

在數(shù)字化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，構(gòu)建電站三維場景和電站生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、電子圖檔管理系統(tǒng)等的集成，通過電站三維場景實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行虛擬仿真、設(shè)備拆解安裝過程的模擬、三維場景事故應(yīng)急預(yù)案處理等三維場景與企業(yè)生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的集成和管控，進(jìn)而提升安全生產(chǎn)管理和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理，降低企業(yè)成本，提高企業(yè)安全系數(shù)。

2 三維數(shù)字電站系統(tǒng)的基本模塊

2.1 重要設(shè)備的精細(xì)三維模型拆解、安裝過程模擬

電站設(shè)備的虛擬裝配。實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)設(shè)備模擬拆解和三維展示，設(shè)備各個(gè)部件相關(guān)信息查看，包括設(shè)計(jì)圖紙、零件材料信息、供貨商信息的關(guān)聯(lián)。通過三維建模軟件實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)設(shè)備的3D數(shù)字化建設(shè)，將主要生產(chǎn)設(shè)備的各個(gè)部件結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程、設(shè)備維修拆解等操作流程真實(shí)的模擬和仿真。將操作規(guī)程與三維模型相結(jié)合，制定出可視化的動(dòng)態(tài)的操作規(guī)程。在虛擬仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)維修人員的設(shè)備安裝培訓(xùn)，設(shè)備操作培訓(xùn)，發(fā)電站運(yùn)行等。

根據(jù)設(shè)備的實(shí)際拆解順序?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境中的模擬拆解。在三維虛擬場景中進(jìn)行模擬施工檢修，如發(fā)電站建設(shè)期的施工模擬或運(yùn)行期的檢修吊裝模擬。將操作規(guī)程與三維模型結(jié)合，制定出可視化的動(dòng)態(tài)的操作規(guī)程，用于人員的培訓(xùn)、教學(xué)、演示。

2.2 電站全景的三維顯示及漫游

利用三維建模3D Studio Max并結(jié)合現(xiàn)場采集的照片素材，對(duì)電站所有建筑和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真互動(dòng)平臺(tái)把電站全景概貌、地上地下建筑設(shè)施、主要設(shè)備及設(shè)備工作方式、運(yùn)行環(huán)境、自然環(huán)境等真實(shí)的展示出來。能身臨其境地感受設(shè)備的生產(chǎn)過程。

2.3 應(yīng)急預(yù)案演練

三維應(yīng)急預(yù)案模練系統(tǒng)通過對(duì)電站生產(chǎn)運(yùn)行可能出現(xiàn)的災(zāi)害模擬仿真和對(duì)應(yīng)急人員行為模擬的仿真，在三維電站場景空間中模擬災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展的過程，以及運(yùn)行人員在災(zāi)害環(huán)境中可能做出的各種反應(yīng)，并在三維場景平臺(tái)上，在最大限度模擬實(shí)際災(zāi)害的條件下，開展防災(zāi)救災(zāi)的應(yīng)急演練。并在此基礎(chǔ)上，制定電站各類災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。

三維場景應(yīng)急預(yù)案模擬演練系統(tǒng)可以用來培訓(xùn)各級(jí)決策和指揮人員、事故處置人員發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處置行為，通過三維場景仿真來檢驗(yàn)和評(píng)估應(yīng)急預(yù)案的可操作性和實(shí)用性，提高各級(jí)人員的應(yīng)急能力。三維數(shù)字電站應(yīng)急演練系統(tǒng)運(yùn)用信息化虛擬現(xiàn)實(shí)手段，加強(qiáng)企業(yè)的協(xié)調(diào)能力和應(yīng)急能力，使應(yīng)急演練更加科學(xué)化、智能化、虛擬化。

2.4 與其他信息系統(tǒng)的集成

實(shí)現(xiàn)與電站ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）系統(tǒng)、EAM（企業(yè)資產(chǎn)管理）系統(tǒng)、備品備件物資管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、電子圖檔管理系統(tǒng)等電站各信息系統(tǒng)與電站三維模型的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，在三維場景中實(shí)時(shí)直觀查看電站機(jī)組資產(chǎn)相關(guān)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，分析與展示。

3 實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字電站的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維互動(dòng)仿真平臺(tái)

VRP（三維互動(dòng)仿真平臺(tái)）被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、古跡復(fù)原、工業(yè)仿真、城市規(guī)劃和軍事模擬等各個(gè)行業(yè)的三維虛擬仿真，這個(gè)平臺(tái)具采用了可視化的界面，通過簡單的配置腳本即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維場景控制功能，降低了三維場景開發(fā)時(shí)的技術(shù)難度，電站技術(shù)人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)就能夠進(jìn)行三維場景設(shè)計(jì)和開發(fā)。VRP虛擬平臺(tái)的特點(diǎn)如下：

（1）高效快捷、簡單易用。VRP平臺(tái)在三維場景制作上技術(shù)要求低，主要是面向圖形制作人群，系統(tǒng)操作非常簡單，具有可視化的三維場景編輯環(huán)境，不需要太多編程方面的知識(shí)，通過在系統(tǒng)界面上調(diào)整參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)三維場景的控制。系統(tǒng)在使用上更加省時(shí)省力，使設(shè)計(jì)和開發(fā)三維數(shù)字電站項(xiàng)目的制作門檻和成本大大降低，可以不過多考慮各種程序?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)，而將精力完全投入到最終三維場景效果制作和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集成上來。

（2）高效的渲染引擎。VRP三維虛擬平臺(tái)具有實(shí)時(shí)的高效渲染能力，對(duì)硬件平臺(tái)要求較低，渲染速度快，只需要普通硬件即可運(yùn)行。并且在運(yùn)行VRP三維場景時(shí)，可以同時(shí)在電腦上運(yùn)行其他應(yīng)用程序，保證了三維數(shù)字電站在三維場景中能夠調(diào)用企業(yè)資產(chǎn)管理、檔案管理、圖紙管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。

（3）實(shí)時(shí)的高真實(shí)感畫質(zhì)。VRP具有強(qiáng)大的三維場景貼圖控制能力，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場景貼圖的內(nèi)部色彩調(diào)整、總量控制、壓縮、批量轉(zhuǎn)換格式等。同時(shí)，對(duì)烘培貼圖的支持非常完善，能夠支持各種流行的渲染器，為制作高畫質(zhì)的實(shí)時(shí)演示打下良好的基礎(chǔ)。

（4）良好的硬件兼容性。VRP三維場景開發(fā)對(duì)服務(wù)器和客戶端硬件的要求不高，VRP生成的三維場景可以廣泛應(yīng)用在目前主流的硬件平臺(tái)，企業(yè)無需升級(jí)和改造現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)設(shè)備，降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

（5）良好的交互特性。VRP三維場景能夠?qū)崿F(xiàn)部件物理碰撞功能，通過物理碰撞反映場景真實(shí)的物理環(huán)境，避免了在三維場景中出現(xiàn)設(shè)備穿插等現(xiàn)象的發(fā)生，保證三維場景與真實(shí)場景的高度一致，也可以實(shí)現(xiàn)在三維場景中與真實(shí)場景一樣的行走漫游和設(shè)備交互，實(shí)現(xiàn)了三維場景良好的交互性。

在三維數(shù)字電站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用VRP進(jìn)行三維平臺(tái)的搭建。以工程對(duì)象為核心，關(guān)聯(lián)相對(duì)應(yīng)文檔數(shù)據(jù)、中立XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)以及工程對(duì)象，使外部數(shù)據(jù)及后期管理緊密圍繞設(shè)計(jì)對(duì)象，進(jìn)行更加行之有效的管理。

將三維模型作和數(shù)據(jù)集成展示全部開發(fā)形成程序插件，可以分別集成到三維數(shù)字電站信息系統(tǒng)中，使得三維數(shù)字電站系統(tǒng)具備三維場景的展示和瀏覽功能。通過VRP開發(fā)程序包提供的接口實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字電站系統(tǒng)對(duì)三維場景中各項(xiàng)元素的控制。用戶可以控制諸如設(shè)備模型狀態(tài)，設(shè)備操作動(dòng)作，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備在場景中的顯示隱藏，設(shè)備材質(zhì)透明等諸多屬性。

通過VRP開發(fā)程序包提供的事件回調(diào)機(jī)制將用戶在三維場景中執(zhí)行的操作，比如點(diǎn)擊鼠標(biāo)和鍵盤操作等將信息發(fā)送到三維數(shù)字電站系統(tǒng)中，系統(tǒng)在得到這些消息和事件后可以根據(jù)系統(tǒng)的配置和交互配置調(diào)用企業(yè)各中信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三維場景與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成。利用VRP進(jìn)行三維電站建模和集成的流程如圖1所示。

圖1 VRP三維數(shù)字電站建模流程

3.2 實(shí)時(shí)可縮放矢量圖形

SVG（可縮放矢量圖形）是三維數(shù)字電站實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要組件，基于XML編碼的開放式圖形和圖像標(biāo)準(zhǔn)，通過圖形與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電站生產(chǎn)組態(tài)的實(shí)時(shí)展示，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）SVG圖能夠任意無損縮放，適應(yīng)各種智能移動(dòng)終端不同屏幕分辨率,不會(huì)因?yàn)閳D形放大而失真，而且文件尺寸更小，適宜在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布。三維數(shù)字電站集成基于SVG圖發(fā)布的生產(chǎn)組態(tài)，保證了生產(chǎn)組態(tài)圖具有良好的交互性，并且可以使用JavaScript方便地控制SVG圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG自身或?qū)ζ渌麑?duì)象、圖像的控制，可以使電站實(shí)時(shí)監(jiān)控信息能夠在SVG圖形上得到充分展示。

（2）SVG作為W3C推薦標(biāo)準(zhǔn)，IOS，Android，WP等主流智能移動(dòng)終端的操作系統(tǒng)和瀏覽器全部原生支持SVG，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控組態(tài)圖形能在各類主流智能移動(dòng)終端播放。

（3）SVG符合電力系統(tǒng)通用的圖形交換標(biāo)準(zhǔn)，電站移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用的SVG圖形可以從電站已有SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)導(dǎo)出，而無需重新繪制，提高系統(tǒng)通用性和適應(yīng)性，通過配置數(shù)據(jù)源和圖形交互控制就可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)圖的實(shí)時(shí)交互顯示。

綜上所述，SVG技術(shù)在跨平臺(tái)性、可交互性、實(shí)時(shí)性和通用性等方面具有不可替代的優(yōu)勢，因此采用SVG作為三維數(shù)字電站實(shí)時(shí)監(jiān)控組態(tài)發(fā)布的圖形格式，實(shí)現(xiàn)電站三維場景與電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的集成整合。實(shí)時(shí)可縮放矢量圖形架構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)可縮放矢量圖形架構(gòu)

4 系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用效果

三維數(shù)字電站系統(tǒng)將電站主要生產(chǎn)設(shè)備三維數(shù)字化模擬與企業(yè)管理信息系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)集成，具有超強(qiáng)的三維環(huán)境沉浸感和實(shí)際業(yè)務(wù)場景的互動(dòng)性，三維數(shù)字電站環(huán)境不但能夠使用戶獲得身臨其境的生產(chǎn)運(yùn)營體驗(yàn)，還可以通過數(shù)據(jù)集成在實(shí)時(shí)的虛擬環(huán)境中隨時(shí)獲取企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的數(shù)據(jù)和資料，協(xié)助運(yùn)行與管理人員對(duì)各種技術(shù)方案進(jìn)行評(píng)審規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少人力物力的浪費(fèi)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維數(shù)字電站整體系統(tǒng)架構(gòu)

主要應(yīng)用有：

（1）三維數(shù)字電站實(shí)現(xiàn)主要生產(chǎn)設(shè)備的3D數(shù)字化建設(shè)，將主要電站生產(chǎn)設(shè)備的部件結(jié)構(gòu)、機(jī)組運(yùn)行過程、系統(tǒng)操作流程按照實(shí)際環(huán)境模擬和仿真。將操作規(guī)程與三維模型相結(jié)合，制定出可視化的動(dòng)態(tài)的操作規(guī)程。在虛擬仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修流程優(yōu)化，減少不必要的環(huán)節(jié)和人員合理化配置。

（2）通過設(shè)備拆分進(jìn)行檢修人員的檢修培訓(xùn)和操作培訓(xùn)，系統(tǒng)虛擬設(shè)備直觀展現(xiàn)了設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安裝順序，記憶深刻方便理解。通過設(shè)備拆解和裝配平臺(tái)培訓(xùn)后，讓每個(gè)學(xué)員能快速熟悉和掌握跨專業(yè)檢修的技能，從而減少檢修人員投入，降低檢修成本和檢修時(shí)間。

（3）生產(chǎn)運(yùn)行培訓(xùn)和設(shè)備檢修通過三維數(shù)字Web平臺(tái)進(jìn)行真實(shí)的模擬操作，規(guī)避在檢修中誤操作風(fēng)險(xiǎn)，減少不必要經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和人員傷害；針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)演練、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，在三維數(shù)字電站系統(tǒng)中進(jìn)行演練，提高電站各級(jí)管理人員、生產(chǎn)人員的事故應(yīng)急能力，避免事故的蔓延和造成不必要經(jīng)濟(jì)損失，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（4）三維數(shù)字電站系統(tǒng)有助于提升企業(yè)安全水平，在虛擬環(huán)境中演練企業(yè)可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，從而大幅的提高企業(yè)員工的技能水平，確保在今后實(shí)際生產(chǎn)過程降低人身和事故安全，減少企業(yè)安全隱患。

（5）三維數(shù)字電站系統(tǒng)還集成企業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，管理人員在統(tǒng)一系統(tǒng)中全面了解企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營情況，提升企業(yè)管理水平，提高管理效率。三維效果如圖4—7所示。

圖4 三維數(shù)字電站場景概覽

5 結(jié)語

利用三維數(shù)字建模技術(shù)建立電站三維數(shù)字系統(tǒng)，整合了電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等個(gè)階段的的信息化系統(tǒng)，通過集成企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營相關(guān)的管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各種相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)三維模型與企業(yè)管理信息系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。三維數(shù)字電站系統(tǒng)能完成電站在計(jì)算機(jī)環(huán)境下的三維重現(xiàn)和模擬應(yīng)用，提高了運(yùn)行、管理、維護(hù)、檢修、培訓(xùn)等科學(xué)化、規(guī)范化水平，并為電站全生命周期數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)。

圖5 三維數(shù)字電站場景漫游

圖6 三維數(shù)字電站場景數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)導(dǎo)航

圖7 三維數(shù)字電站設(shè)備拆解

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（本文編輯：楊 勇）

Research of 3D Digital Power Station System

CAI Guoli
(Zhejiang GuohuaYuyao Gas Power Generation Co.，Ltd.，Yuyao Zhejiang 315400，China)

To further implement information-based management of power station system，the paper investigates configuration of 3D（three dimensional）digital power station and analyzes characters of three-dimensional interactive simulation platform and real-time scalable vector graphics.The paper indicates that the operation of 3D digital power substation system can better serve the construction，operation，management，maintenance of power plant as well as personnel training;it can also increase economic benefits of enterprises，enhance safety management level and can be used widely.

3D digital power station；virtual；interactive simulation；vector graphics

TM866

B

1007-1881（2015）07-0057-05

2015-05-29

蔡國利（1964），男，高級(jí)工程師，從事燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。