4D可视化理论在核电站管道安装中的应用研究

李鹏

我国核电发展形势良好，国内核电站数目较多（如红沿河、宁德、阳江、台山、连云港等），这些核电站都建设在离海距离较近的地区，这些工程的地理条件较为复杂，其工程设计与决策是一项十分复杂的工作，需要花费大量人力物力，计算机辅助设计是人们长期以来追求的目标。4D可视化可以大大地弥补目前核电行业工程管理存在的不足，大大地提高核电工程管理的效率，也能够为管理者做出更贴合施工现场实际的核电管理决策。

核电站的安装工程是一个复杂的、综合性很强的系统工程，具有工艺系统多、施工技术复杂、质量控制严、安全等级高、检查和实验手段特殊、核级设备和大件吊装多等特点。核电安装工艺系统多体现在包括机械、管道、电气、仪表、通风、保温等专业。其中管道专业涉及到核级和非核级的不同规格管道、阀门、在线部件和管道支架的现场安装。将4D可视化技术与传统的核电管道安装管理要素相结合，建立可视化的核电管道安装管理平台具有重大深远的意义。

一、 研究内容

目前国内的核电管道安装，无论是管道安装施工过程中的精细化管理，还是管道安装施工过程的成本计算，包括施工完成后的完工报量缺乏直观依据的问题可以通过4D可视化技术得以解决。若现有的核电站管道安装施工管理模式与4D可视化技术相结合，将极大程度地提高核电站管道安装施工的施工过程精细程度，将使管理人员能够以更加直观、可视的方式对核电站的管道安装施工进度进行掌控。同时，也将从一定程度上降低核电站管道安装施工的成本，提高核电站施工的效益和效率。

针对国内核电管道安装存在的不足，我们可以研究基于4D理论的核电站管道安装管理，在解决这些问题的同时，也可以为下列4D理论在核电站建造的其他专业应用提供参考：

核电站管道安装4D可视化技术的基本概念与构成体系的研究；

核电站管道安装施工场地虚拟地形的实时可视化技术的算法研究与具体实现；

核电站管道安装施工可视化布置的研究与开发；

核电站管道安装施工四维动态演示的研究与开发；

核电站管道安装施工进度可视化管理的研究与开发；

核电站管道安装施工工程信息化可视化查询的研究与开发；

核电站管道安装施工图文资料管理的研究与开发。

二、4D可视化理论与管道安装概念

（一）4D可视化理论

1、概念界定

4D可视化理论是基于4 Dimension（简称4D）模型的计算机辅助设计技术。4D-CAD作为一种动态的可视化技术，最早是由斯坦福大学CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）研究中心于一九九六年提出的。4D可视化技术在为用户提供可视媒介的同时，能够提供一种对工程项目全寿命周期的进度、成本、资源、安全以及运维等进行优化和控制的直观可视的方法。

2、核电管道安装

核电站管道安装的概念。

以国内南方L核电站的常规岛为例，L核电站的常规岛管道安装共涉及到29个系统，管道长度共计84000余米。L核电站常规岛的管道安装分大口径管道和小口径管道。其中，大口径管道由法国知名电力设备制造企业ALSTOM设计、制造和供货。管道、管件和支吊架等部件首先在核电预制厂预制完成以后，由核电公司现场组合安装。另外的小口径管道由核電公司在施工现场进行设计、制作和安装。

基于4D可视化理论的核电站管道安装管理系统的总体框架，设计时将兼顾工程管理与决策的实际需要和4D系统软件平台本身的结构特点，采用层次模型法进行开发，将模型分为4个层次，即应用层、任务层、功能层和物理层具体如下：

1、应用层： 这一层主要面向用户，包括用户界面、问题的表达及问题的求解过程；

2、任务层： 接受用户的要求，执行一定的操作并向用户输出结果，包括问题推理层和适应层，用户可以通过菜单在任务层上与系统交互；

3、功能层： 显示为实现任务层应有的功能性子系统，包括对话系统、数据库及其管理系统，模型库及其管理系统；

4、 物理层： 指的是计算机技术，主要为系统硬件与软件。例如，为实现可视化管理系统部分功能所需要的硬件配置。

（二）、系统的开发及功能实现

根据以上提出的方案，本文设计出基于4D可视化理论的核电管道安装管理的方案设计图，以保障其具有可操作性。

在基于4D可视化理论的核电站管道安装信息管理系统的开发过程中，将充分利用4D可视化技术的功能特点，并根据工程的实际情况和施工管理的需要，结合总体框架结构，设计并实现以下重要功能：

1、原始数据采集、贮存和管理；

2、空间信息查询；

3、工程数字地形静态三维建模与建筑物建模；

4、施工全过程三维动态演示功能；

5、数据输出与表达功能。

为实现本系统的功能，数据库和模型库及其管理系统的建立与开发是系统开发的核心内容。

（三）、4D可视化管道安装管理效果

4D可视化技术应用于管理核电站管道安装中，将实现以下效果：

1、管道安装的成本计算更加直观，管道图纸与三维模型链接进行计算。

2、管道安装施工过程的管理更加精细化。

3、为完工保量提供可靠的依据。

4、管道安装的管理模式得到提升，管理水平更加科学。

下图可以看到4D可视化技术与核电站管道安装结合的效果：

四、结论和展望

4D可视化理论的概念尽管产生的较早，但是对基于4D可视化理论的核电站管道安装管理的应用研究，不论是在理论和实践上还都处于探索阶段。本文通过对基于4D可视化理论下的核电站管道安装管理进行应用研究，主要做了以下几方面的工作：

阐述了4D可视化理论的概念，介绍了4D可视化理论的诞生、发展与前景，对比分析了4D可视化理论在国外、国内的应用研究水平，对比分析了4D可视化理论在国内若干行业的应用情况，分析了4D可视化理论在国内各地的核电站建造模式的应用前景。

根据核电站管道安装管理的特征及现状，结合国内目前在建和已并网发电的核电站对管道安装管理的业务、范围进行分析研究，该种管理模式可以满足国内在建的各种核电建造模式下的管道安装，以此为由，最终探索研究基于4D可视化理论的核电管道安装管理模式。

根据核电管道安装的模式和现状，建立基于4D可视化理论的核电管道安装管理模式，制定技术方案、业务流程，并提出通过信息化手段，实施系统的开发工作，让4D可视化技术在核电站管道安装管理中发挥作用，真正落地。

由于4D可视化理论在核电站管道管理的应用是一个比较新的探索，理论和研究方法还不是很成熟。本文在结合前人的研究成果基础上，对基于4D可视化理论在核电建造行业管道安装管理问题进行了一些研究和探讨，仅仅提出集中大概方法和相关措施，并没有对具体应用的步骤和推广方法进行深入的研究，可以说这只是初步研究。但是就此问题的广度和深度问题，本文所作的工作只是其中很小的一部分，深入的研究还有待今后进一步展开。需要经受实践工作的检验，并在实践中进一步修正和完善。由于水平的限制，本文的研究工作中仍然存在一些需要完善的地方。还需进一步在4D可视化技术的推广、管道安装管理模式的统一和其他系统集成等工作方面提升。