Electric Power Infrastructure Operation and Maintenance Management System Based on BIM

BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型^［1］，是指以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维建筑模型，通过数字信息化手段描述建筑物所具有的真实信息^［2］。BIM是建筑物管理的一个理想载体，贯穿全生命周期的五大阶段，即策划与规划、勘察与设计、施工与监理、运行与维护、改造与拆除。利用BIM可视化及信息化技术，可有效提升基础设施运维管理水平。

针对电力基础设施运维管理系统产生海量数据以及不断涌现诸如云计算^［3］、大数据^［4］、物联网^［5］等先进技术，目前市场上缺少一个可以将众多新技术集成在同一平台的物理模型可视化管理系统。本文将BIM技术应用在电力基础设施运维管理系统建设中，对运维管理系统平台进行架构和实现，并对基于BIM的运维管理系统的功能进行介绍，以期利用BIM的可视化、存储基础设施物理信息等优势改进现有电力基础设施运维管理系统。

随着我国电网数字化的不断建设，电力基础设施的建设力度也随之加大，其中电力基础设施运维管理系统的建设直接关系到数字电网是否能够安全稳定地运行^［6-8］。电力基础设施运维管理系统通过信息化、智能化等手段，实现对电力基础设施的管理。电力基础设施运维管理主要包含动力环境监控、设备运行维护、设备检修等几个主要方面，目前的主要管理手段是通过传感器获取环境参数和设备状态，再通过不同的信息管理系统将数据采集、归类、分析、储存，然后展示给用户^［9］。部分信息则需要手工录入，例如设备台帐和检修状态信息。这样的方式存在如下问题：

1）生命周期各环节的信息无法连贯一致。策划与规划、勘察与设计、施工与监理、运行与维护、改造与拆除各生命周期环节的信息无法连贯一致，电力基础设施的模型不断变化导致相应的运维管理系统也需要不断调整更新，一方面需要人力物力，一方面难以保证系统的准确性^［10］。

2）运维管理系统里的电力基础设施模型通常要通过诸如3DMAX之类的三维建模软件对原本二维CAD进行重新建模^［11］，而建模者一般缺乏电力基础设施的相关专业知识，所以导致一方面建模效率较低，一方面建模准确性无法保证，难以与现场实际情况完全吻合。

3）运维管理系统的功能单一，维度不够全面。系统仅关注温湿度、电力等基础性指标，未对电力基础设施的能耗、可用性、可靠性等指标进行建模监控分析，不利于大型电力基础设施的高效管理^［12］。

近年来，BIM可视化及信息化技术被证明为有效提升运维效率的利器之一，可是目前大部分电力基础设施没有加以应用，传统的运维管理方式越来越无法满足电力精细化运维管理的要求。

FM（Facility Management，设施管理）^［13］是指运用多学科专业，集成人、场地、流程和技术来确保基础设施良好运行的活动。经过几年发展，业界已形成一套主流技术路线，即“BIM建模软件+现有设施管理软件”，并且出现几款较为成熟的软件，前者包括Revit、Tekla、CADpipe、CADduct等，后者包括FM：Systems、Maximo、ArchiBUS等。如按照该路线走，首先要把BIM模型信息传递给运维管理软件使用，另外要改造或提升现有运维管理软件对BIM数据的接收和处理能力，也就是两类软件系统要建立起有效的沟通机制，通过接口进行数据交互^［14］。目前较为常用的系统架构如图1所示。

Figure 1.  Typical operation and maintenance system architecture diagram

基于上述提到的电力基础设施运维管理系统缺陷，以及FM管理系统的不足，如设备的空间布局、空间结构等信息无法直观体现，紧急情况发生时不便于故障设备的快速定位，运维模式相对滞后，事故发生时一线运维人员无法即时掌握电力基础设施相关运行关键信息，本文提出一套以BIM模型为核心的电力基础设施运维管理体系。实现该体系，首先需要对现有系统架构做扁平化处理，将BIM模型定义为核心数据载体，把设计施工模型扩展为运维模型，里面各种构件增加相关的运维参数，外围系统可直接提取BIM数据或展示BIM模型。另外，外围系统拥有独立数据库，系统间也可以做集成，形成一个有机整体。这样一来弥补了现有运维系统可视化程度低、精准度不足、数据关联性差等缺陷，二来可以将BIM数据从最底层解放出来，让其充分发挥用途多元化的优势，激发其活性。结合电力基础设施运维管理的实际情况，提出的运维管理系统架构如图2所示。

Figure 2.  Architecture diagram of the operation and maintenance system centered on the BIM model

BIM模型可存储设计、施工、运维等信息，与运维管理系统相结合，保持项目全生命周期各环节信息高度一致，减少反复的工作量，极大地提高系统的准确性。如图3所示，通过BIM模型形成监控系统所需电力基础设施模型的方法及步骤如下：

Figure 3.  Power infrastructure model formed by BIM model

1）用BIM建模软件（如Revit）对电力基础设施进行BIM建模，根据与运维管理系统约定的建模规范，赋予模型相关信息；

2）通过BIM建模软件导出FBX等文件，导出3D视图；

3）在Unity或其他类似软件中烘焙模型，导出机柜等设备模型；

4）把上述文件导入三维管理引擎，通过修改配置完成动态加载；

5）绑定数据服务，实现业务逻辑。

BIM模型的小范围更新可以通过手工修改，或者通过其他系统触发，主要体现在：

1）如设备搬迁移位可通过手工在模型中修改，或在运维管理系统中输入一个新的位置，让其发送到模型中触发模型自动更新。

2）弱电、光纤等线缆接入也要随着设备位置的变更而发生改变。

大范围改动可通过模型导入方式更新，如新增一列机柜，每个机柜都有新设备上架，上架后需要接入供配电和综合布线系统。这种情况下，较佳的方案是先做好模型整体后再导入系统，配线信息可通过Excel表导入或在操作界面上输入^［15］。导入后的运维系统数据应当做相应的匹配与调整。

BIM模型通过三维及信息化等方式可如实直观地反应电力基础设施的实际情况，其赋予的信息大大提升了系统的监控功能，主要体现在：

1）可精确定位机柜、设备、线缆、配线架端口等设备材料，并且可以根据楼层、用途等分类筛选，如图4所示。

Figure 4.  Accurate positioning of equipment

2）通过模型全方位整合建筑、供配电、暖通、综合布线、弱电智能化（含门禁、视频监控等）等专业，形成一体化综合监控，通过各专业系统间的数据关联及交互，实现容量规划、可视化展示、智能管控联动、故障影响分析、主动运维、培训演练等功能，如图5所示。

Figure 5.  One-click location of abnormal equipment

3）通过接口规范与IT设备管理等系统进行数据交互，实现自动派单、分类故障处理、移动巡检、设备可用性分析等功能，其中设备健康度评测如图6所示。

Figure 6.  Equipment information management

1）设备信息管理：主要管理设备的台帐信息，通过BIM模型管理系统获取三维模型后，可以对模型进行后期处理，如向构件插入更详细的设备信息。该系统与设备管理系统、综合监控系统等均产生数据交互，为它们提供设备的详细信息。

2）设备运维管理：该系统功能与设备信息管理系统类似，通过BIM模型管理系统获取模型，再把详细的运维数据嵌入模型中以更完善的参数来表达更深入的运维信息，该信息可能是运维人员日常关注的信息，如巡检记录、维修记录。设备运维管理界面如图7所示。

Figure 7.  Equipment operation and maintenance management

3）项目全生命周期信息管理：以设计信息为基础，在施工阶段不断完善和补充相关信息，最终形成运维信息，保证了项目全生命周期环节信息高度一致，极大提高了运维信息的准确性。

电力基础设施运维管理是一个系统而全面的工程，其基础是设备运行数据的长期准确检测和分析^［9］。随着电力基础设施功能的多样化、相关系统的复杂化和智能化程度的提高，对运维管理系统的要求也逐渐升高。BIM在建筑行业的应用已经非常广泛，目前电力基础设施方面的研究和应用仍有待进一步提高。本文提出的基于BIM的可视化及信息化技术可以有效提高电力基础设施运维管理的效率和质量，从而提升电力基础设施的可用性和可靠性。

本文的电力基础设施运维管理系统主要围绕专业机房提出，但是电力基础设施不仅仅涉及电力调度中心、信息中心等核心场景，还包括了各电压等级变电站、营业网点、线路走廊等等关键场景。该模型在未来可推广应用于电力一次、电力二次以及输电线路等更多的电力基础设施。