劉曉軍

摘要：核電廠的大修是一個(gè)復(fù)雜和系統(tǒng)性的工作，尤其是大修開(kāi)展過(guò)程中涉及眾多大型設(shè)備的拆裝、狹小空間里的吊運(yùn)和安置，關(guān)鍵路徑活動(dòng)的優(yōu)化，以及廠房設(shè)備的踩點(diǎn)等。如何有效地規(guī)避設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中的碰撞和損壞，更合理地安排關(guān)鍵路徑活動(dòng)以縮短大修工期等，一直是核電廠大修實(shí)施的一個(gè)難點(diǎn)。本文通過(guò)簡(jiǎn)要分析4D模型技術(shù)在大修實(shí)施中的應(yīng)用場(chǎng)景、可行性分析和實(shí)現(xiàn)路徑圖，為解決大修實(shí)施中某些難點(diǎn)開(kāi)辟出一個(gè)新的方向。

關(guān)鍵詞：4D模型;大修實(shí)施;應(yīng)用分析

一、引言

國(guó)內(nèi)某三代核電機(jī)組，在工程安裝階段運(yùn)用4D模型技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)壓力容器的引入就位，龐大的反應(yīng)堆壓力容器逐一安全地通過(guò)反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)一個(gè)接一個(gè)間隙微小的可能碰撞點(diǎn)，與之前的4D模型計(jì)算幾乎完全一致，實(shí)現(xiàn)4D模型技術(shù)在核電廠設(shè)備安裝過(guò)程中全程模擬。

由此，如果能將4D模型技術(shù)應(yīng)用在核電廠大修實(shí)施中，這將為大修的實(shí)施和控制帶來(lái)極大收益。眾所周知，核電廠大修是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的工程，它涉及很多重大設(shè)備的拆裝和吊運(yùn)。如何在大修實(shí)施中制定合理的大修計(jì)劃、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備部件的吊裝、優(yōu)化大修現(xiàn)場(chǎng)空間布置，以縮短大修工期、降低大修成本、最大程度提高電廠的經(jīng)濟(jì)效率，已成為核電廠大修領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

二、4D模型技術(shù)介紹

2.1、4D模型技術(shù)的定義

在大修實(shí)施中所用到的4D模型技術(shù)，是以核電廠內(nèi)廠房和設(shè)備的3D模型為基礎(chǔ)，加以大修計(jì)劃為時(shí)間軸，將大修主線計(jì)劃中的關(guān)鍵活動(dòng)以動(dòng)畫(huà)的形式，通過(guò)多角度、多層次的展現(xiàn)，生成關(guān)鍵活動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬。

目前用于國(guó)內(nèi)核電廠的三維模型設(shè)計(jì)軟件主要有PDS和PDMS，通過(guò)此類軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠內(nèi)廠房、設(shè)備和管道的全比例建模。另外，通過(guò)NavisWorks軟件則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠三維模型的實(shí)時(shí)漫游、快速碰撞檢查和預(yù)測(cè)潛在問(wèn)題、結(jié)合Primavera大修計(jì)劃軟件，實(shí)現(xiàn)4D進(jìn)度模擬。

2.2、4D模型技術(shù)在核電廠大修中的嵌入

本文中4D模型技術(shù)借助三維軟件PDMS和NavisWorks，將核電廠內(nèi)主要廠房和設(shè)備的3D模型與大修主線計(jì)劃相結(jié)合，動(dòng)態(tài)模擬關(guān)鍵活動(dòng)實(shí)施過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)大修關(guān)鍵活動(dòng)的可視化管理和大修資源的優(yōu)化配置。另外，4D模型技術(shù)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模，可以準(zhǔn)確、有效地預(yù)測(cè)設(shè)備吊裝過(guò)程中的可能碰撞、摩擦及擠壓等風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)維修場(chǎng)地、大型吊具、維修人力的合理調(diào)配，為實(shí)現(xiàn)大修工期優(yōu)化做出較大貢獻(xiàn)。

三、4D模型技術(shù)在大修中的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3.1、在大修實(shí)施中的應(yīng)用場(chǎng)景

在核電廠大修實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)4D模型技術(shù)對(duì)大修關(guān)鍵活動(dòng)進(jìn)行仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵活動(dòng)中可能發(fā)生的問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn);通過(guò)預(yù)先設(shè)定碰撞間隙裕度，并進(jìn)行模擬的碰撞檢查，可以提前找到重要設(shè)備在起吊、安裝、拆卸等過(guò)程中可能的碰撞和偏離風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)發(fā)現(xiàn)的上述問(wèn)題則可以提前制定應(yīng)對(duì)措施，規(guī)避相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，通過(guò)4D模型技術(shù)也可以對(duì)大修進(jìn)度進(jìn)行模擬，進(jìn)而驗(yàn)證大修主線計(jì)劃中的工期設(shè)置是否合理，主線計(jì)劃中的關(guān)鍵活動(dòng)間的邏輯關(guān)系是否正確，對(duì)不合理的地方進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化并反饋到大修主線計(jì)劃中。這樣通過(guò)不斷的模擬和調(diào)整，優(yōu)化出最佳方案，并使大修主線計(jì)劃在執(zhí)行過(guò)程中得到更有效的控制和監(jiān)督。

另外，通過(guò)合理使用4D模型技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大修過(guò)程中事件模擬分析和廠房/設(shè)備在線漫游，實(shí)現(xiàn)足不出戶即可熟悉廠房和設(shè)備的布置。

3.2、4D模型技術(shù)給大修帶來(lái)的收益

通過(guò)4D模型在線仿真可以發(fā)現(xiàn)大修實(shí)施過(guò)程中可能存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)以及大修主線計(jì)劃中關(guān)鍵活動(dòng)邏輯關(guān)系上的不合理之處，并針對(duì)性進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

通過(guò)4D模型技術(shù)，將極大地優(yōu)化大修實(shí)施過(guò)程中人力、資源和場(chǎng)地的調(diào)配，確保大修關(guān)鍵活動(dòng)的順利實(shí)施和大修工期的優(yōu)化，給核電廠大修帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)利益。

同時(shí)，通過(guò)將4D模型動(dòng)態(tài)演示給大修現(xiàn)場(chǎng)工作人員，可以讓他們更加直觀地了解大修中關(guān)鍵活動(dòng)的具體實(shí)施細(xì)節(jié)和需要關(guān)注的要點(diǎn)，減少因信息匱乏和經(jīng)驗(yàn)欠缺而帶來(lái)的人因失誤，為大修的順利實(shí)施打下良好基礎(chǔ)。

四、4D模型技術(shù)在大修實(shí)施中的應(yīng)用分析

4D模型技術(shù)通過(guò)對(duì)核電廠各房間、系統(tǒng)和設(shè)備的漫游，以及對(duì)重要設(shè)備的吊裝、拆卸、維修進(jìn)行4D動(dòng)態(tài)演示，并進(jìn)行設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中的碰撞檢查以及項(xiàng)目進(jìn)度模擬等，對(duì)大修維修活動(dòng)的開(kāi)展、大修計(jì)劃優(yōu)化等產(chǎn)生重要指導(dǎo)意義。它在大修中的應(yīng)用初步分析如下：

4.1 4D動(dòng)畫(huà)演示

應(yīng)用4D模型技術(shù)，可以創(chuàng)建核電廠機(jī)組的4D模型動(dòng)畫(huà)并與之交互，結(jié)合4D動(dòng)畫(huà)從不同角度、不同維度查看機(jī)組的管道和設(shè)備。例如通過(guò)輸入機(jī)組實(shí)際相關(guān)參數(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)關(guān)于換料機(jī)將乏燃料從壓力容器中吊出、放入換料小車、通過(guò)傳輸通道、最后放入乏燃料水池中的一個(gè)模擬動(dòng)畫(huà)，用于實(shí)際換料操作的參考。

燃料操作人員通過(guò)觀看這個(gè)動(dòng)畫(huà)，即可作為換料操作前的一種模擬培訓(xùn)，又可以對(duì)換料操作中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)、操作的工期安排等做一個(gè)預(yù)先研判，優(yōu)化操作工序，減少實(shí)際操作中人因失誤。

4.2 碰撞檢查

應(yīng)用4D模型中的碰撞檢測(cè)（Clash Detective）工具可以有效地識(shí)別、檢驗(yàn)和報(bào)告機(jī)組設(shè)備三維模型中潛在的碰撞。特別是在吊裝較大設(shè)備時(shí)，通過(guò)4D模型的碰撞檢查逐一識(shí)別出設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中潛在的碰撞點(diǎn)，使吊裝的設(shè)備精準(zhǔn)地通過(guò)各個(gè)間隙微小的可能碰撞點(diǎn)，順利就位。

通過(guò)與其他工具相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)其他類型的碰撞檢測(cè)：

（1）將碰撞檢測(cè)工具與“對(duì)象動(dòng)畫(huà)”聯(lián)系起來(lái)，可以自動(dòng)檢查移動(dòng)設(shè)備之間的碰撞。例如，起吊一臺(tái)水泵過(guò)程中，可能會(huì)碰到周圍一些管道和閥門，通過(guò)對(duì)碰撞結(jié)果提前模擬和檢測(cè)，可重新安排該水泵移動(dòng)路線或者加強(qiáng)監(jiān)視以消除該碰撞。

（2）將碰撞檢測(cè)工具與“TimeLiner”聯(lián)系起來(lái)，可對(duì)大修過(guò)程進(jìn)行基于時(shí)間的碰撞檢查。例如，在大修過(guò)程中，由于反應(yīng)堆廠房的空間局限和大修活動(dòng)的復(fù)雜繁瑣，就可能發(fā)生在某一時(shí)刻將多個(gè)設(shè)備放置在同一場(chǎng)地，發(fā)生“碰撞”，通過(guò)應(yīng)用4D模型技術(shù)進(jìn)行基于時(shí)間的碰撞檢測(cè)，就可避免此類碰撞。

4.3 大修進(jìn)度模擬

通過(guò)4D模型技術(shù)，可以將設(shè)備部件的三維模型對(duì)象與大修主線計(jì)劃中的作業(yè)關(guān)聯(lián)起來(lái)，模擬顯示每天將要進(jìn)行的工作及完成率，并且還可以根據(jù)模擬效果導(dǎo)出圖像和動(dòng)畫(huà)以供大修工作人員和大修管理人員做參考。

大修進(jìn)度模擬的過(guò)程為：

首先，通過(guò)“TimeLiner”創(chuàng)建相關(guān)大修任務(wù)，這個(gè)可以通過(guò)系統(tǒng)接口自動(dòng)導(dǎo)入大修主線計(jì)劃中的任務(wù)，也可以手動(dòng)添加相關(guān)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)都包含任務(wù)名稱、開(kāi)始日期、結(jié)束日期以及任務(wù)類型，任務(wù)類型包括：安裝、拆除、吊運(yùn)等。

其次，將每個(gè)任務(wù)附加到三維模型中的對(duì)象，這樣4D模型才起作用。根據(jù)大修計(jì)劃關(guān)鍵路徑中的任務(wù)類型和特征，選擇或搜索三維模型中計(jì)劃屬性值相同的模型對(duì)象形成選擇集或搜索集，通過(guò)將TimeLiner中的任務(wù)附加到場(chǎng)景區(qū)域中的對(duì)應(yīng)的選擇集或搜索集中，就可實(shí)現(xiàn)任務(wù)與三維模型的關(guān)聯(lián)。

最后，通過(guò)播放模擬動(dòng)畫(huà)，TimeLiner窗口將在任務(wù)執(zhí)行時(shí)顯示這些任務(wù)，而場(chǎng)景區(qū)域則顯示根據(jù)任務(wù)類型隨時(shí)間添加或刪除的模型部分。當(dāng)然，還可以把動(dòng)畫(huà)添加到整個(gè)進(jìn)度模擬中，來(lái)增強(qiáng)模擬的效果和質(zhì)量。

五、4D模型在大修實(shí)施中應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)路徑圖

結(jié)合4D模型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和核電廠大修的特殊性及復(fù)雜性，初步規(guī)劃4D模型技術(shù)在核電廠大修實(shí)施中的應(yīng)用分三個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第一階段：通過(guò)NavisWorks軟件輔助實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆廠房和汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)部的任意區(qū)域?yàn)g覽、核電廠主要設(shè)備的三維展示以及反應(yīng)堆廠房20m工作平臺(tái)三維立體多視角顯示，以此來(lái)輔助計(jì)劃人員對(duì)大修關(guān)鍵活動(dòng)操作的講解。

第二階段：主要實(shí)現(xiàn)核電廠大修過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)備吊裝、拆卸的4D模擬，通過(guò)多維度、多視角的動(dòng)畫(huà)模擬，為維修人員提供盡可能多的參考，以達(dá)到進(jìn)入反應(yīng)堆廠房之前先練兵的目的;同時(shí)，還規(guī)劃在第二階段通過(guò)4D模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大修關(guān)鍵路徑的進(jìn)度模擬;這一階段的實(shí)現(xiàn)是建立在可以獲取足夠多的真實(shí)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上的。

第三階段：在前面兩個(gè)階段均順利實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)大修關(guān)鍵活動(dòng)的細(xì)化分析和梳理，整理出大修關(guān)鍵活動(dòng)的主要工藝流程和坐標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大修工藝的全真模擬，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大修關(guān)鍵路徑的全過(guò)程模擬。這一階段將是一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)過(guò)程，并且需要經(jīng)歷若干次大修的數(shù)據(jù)收集反饋、優(yōu)化完善，最終為大修實(shí)施和優(yōu)化創(chuàng)造價(jià)值。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上，如果4D模型技術(shù)能成功應(yīng)用于核電廠大修實(shí)施中，將會(huì)極大促進(jìn)核電廠大修優(yōu)化管理，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景是非?？捎^的。但目前這一技術(shù)在核電廠大修實(shí)施中的應(yīng)用還處在起步階段，技術(shù)應(yīng)用的智能化水平還不是很高，計(jì)算機(jī)承擔(dān)的分析推理的工作還離不開(kāi)使用者的介入。這需要在現(xiàn)有軟硬件條件和前期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷探索研究與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，將4D模型技術(shù)在核電廠大修實(shí)施中的應(yīng)用向更深層、更智能化的方向推進(jìn)。

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