4D模型技术在核电厂大修实施中的应用浅析

刘晓军

摘要：核电厂的大修是一个复杂和系统性的工作，尤其是大修开展过程中涉及众多大型设备的拆装、狭小空间里的吊运和安置，关键路径活动的优化，以及厂房设备的踩点等。如何有效地规避设备移动过程中的碰撞和损坏，更合理地安排关键路径活动以缩短大修工期等，一直是核电厂大修实施的一个难点。本文通过简要分析4D模型技术在大修实施中的应用场景、可行性分析和实现路径图，为解决大修实施中某些难点开辟出一个新的方向。

关键词：4D模型;大修实施;应用分析

一、引言

国内某三代核电机组，在工程安装阶段运用4D模型技术成功实现压力容器的引入就位，庞大的反应堆压力容器逐一安全地通过反应堆厂房内一个接一个间隙微小的可能碰撞点，与之前的4D模型计算几乎完全一致，实现4D模型技术在核电厂设备安装过程中全程模拟。

由此，如果能将4D模型技术应用在核电厂大修实施中，这将为大修的实施和控制带来极大收益。众所周知，核电厂大修是一个繁琐复杂的工程，它涉及很多重大设备的拆装和吊运。如何在大修实施中制定合理的大修计划、精准实现关键设备部件的吊装、优化大修现场空间布置，以缩短大修工期、降低大修成本、最大程度提高电厂的经济效率，已成为核电厂大修领域的一个重要课题。

二、4D模型技术介绍

2.1、4D模型技术的定义

在大修实施中所用到的4D模型技术，是以核电厂内厂房和设备的3D模型为基础，加以大修计划为时间轴，将大修主线计划中的关键活动以动画的形式，通过多角度、多层次的展现，生成关键活动的动态模拟。

目前用于国内核电厂的三维模型设计软件主要有PDS和PDMS，通过此类软件可实现对核电厂内厂房、设备和管道的全比例建模。另外，通过NavisWorks软件则可以实现对核电厂三维模型的实时漫游、快速碰撞检查和预测潜在问题、结合Primavera大修计划软件，实现4D进度模拟。

2.2、4D模型技术在核电厂大修中的嵌入

本文中4D模型技术借助三维软件PDMS和NavisWorks，将核电厂内主要厂房和设备的3D模型与大修主线计划相结合，动态模拟关键活动实施过程，以实现大修关键活动的可视化管理和大修资源的优化配置。另外，4D模型技术通过对现场实测数据建模，可以准确、有效地预测设备吊装过程中的可能碰撞、摩擦及挤压等风险，实现维修场地、大型吊具、维修人力的合理调配，为实现大修工期优化做出较大贡献。

三、4D模型技术在大修中的应用场景设计

3.1、在大修实施中的应用场景

在核电厂大修实施过程中，通过4D模型技术对大修关键活动进行仿真，可以提前发现这些关键活动中可能发生的问题及风险;通过预先设定碰撞间隙裕度，并进行模拟的碰撞检查，可以提前找到重要设备在起吊、安装、拆卸等过程中可能的碰撞和偏离风险。对发现的上述问题则可以提前制定应对措施，规避相关风险。

同时，通过4D模型技术也可以对大修进度进行模拟，进而验证大修主线计划中的工期设置是否合理，主线计划中的关键活动间的逻辑关系是否正确，对不合理的地方进行调整优化并反馈到大修主线计划中。这样通过不断的模拟和调整，优化出最佳方案，并使大修主线计划在执行过程中得到更有效的控制和监督。

另外，通过合理使用4D模型技术，还可以实现对大修过程中事件模拟分析和厂房/设备在线漫游，实现足不出户即可熟悉厂房和设备的布置。

3.2、4D模型技术给大修带来的收益

通过4D模型在线仿真可以发现大修实施过程中可能存在的问题和风险以及大修主线计划中关键活动逻辑关系上的不合理之处，并针对性进行调整和优化。

通过4D模型技术，将极大地优化大修实施过程中人力、资源和场地的调配，确保大修关键活动的顺利实施和大修工期的优化，给核电厂大修带来极大的经济利益。

同时，通过将4D模型动态演示给大修现场工作人员，可以让他们更加直观地了解大修中关键活动的具体实施细节和需要关注的要点，减少因信息匮乏和经验欠缺而带来的人因失误，为大修的顺利实施打下良好基础。

四、4D模型技术在大修实施中的应用分析

4D模型技术通过对核电厂各房间、系统和设备的漫游，以及对重要设备的吊装、拆卸、维修进行4D动态演示，并进行设备移动过程中的碰撞检查以及项目进度模拟等，对大修维修活动的开展、大修计划优化等产生重要指导意义。它在大修中的应用初步分析如下：

4.1 4D动画演示

应用4D模型技术，可以创建核电厂机组的4D模型动画并与之交互，结合4D动画从不同角度、不同维度查看机组的管道和设备。例如通过输入机组实际相关参数可以创建一个关于换料机将乏燃料从压力容器中吊出、放入换料小车、通过传输通道、最后放入乏燃料水池中的一个模拟动画，用于实际换料操作的参考。

燃料操作人员通过观看这个动画，即可作为换料操作前的一种模拟培训，又可以对换料操作中可能存在的风险、操作的工期安排等做一个预先研判，优化操作工序，减少实际操作中人因失误。

4.2 碰撞检查

应用4D模型中的碰撞检测（Clash Detective）工具可以有效地识别、检验和报告机组设备三维模型中潜在的碰撞。特别是在吊装较大设备时，通过4D模型的碰撞检查逐一识别出设备移动过程中潜在的碰撞点，使吊装的设备精准地通过各个间隙微小的可能碰撞点，顺利就位。

通过与其他工具相结合，还可以实现其他类型的碰撞检测：

（1）将碰撞检测工具与“对象动画”聯系起来，可以自动检查移动设备之间的碰撞。例如，起吊一台水泵过程中，可能会碰到周围一些管道和阀门，通过对碰撞结果提前模拟和检测，可重新安排该水泵移动路线或者加强监视以消除该碰撞。

（2）将碰撞检测工具与“TimeLiner”联系起来，可对大修过程进行基于时间的碰撞检查。例如，在大修过程中，由于反应堆厂房的空间局限和大修活动的复杂繁琐，就可能发生在某一时刻将多个设备放置在同一场地，发生“碰撞”，通过应用4D模型技术进行基于时间的碰撞检测，就可避免此类碰撞。

4.3 大修进度模拟

通过4D模型技术，可以将设备部件的三维模型对象与大修主线计划中的作业关联起来，模拟显示每天将要进行的工作及完成率，并且还可以根据模拟效果导出图像和动画以供大修工作人员和大修管理人员做参考。

大修进度模拟的过程为：

首先，通过“TimeLiner”创建相关大修任务，这个可以通过系统接口自动导入大修主线计划中的任务，也可以手动添加相关任务。每个任务都包含任务名称、开始日期、结束日期以及任务类型，任务类型包括：安装、拆除、吊运等。

其次，将每个任务附加到三维模型中的对象，这样4D模型才起作用。根据大修计划关键路径中的任务类型和特征，选择或搜索三维模型中计划属性值相同的模型对象形成选择集或搜索集，通过将TimeLiner中的任务附加到场景区域中的对应的选择集或搜索集中，就可实现任务与三维模型的关联。

最后，通过播放模拟动画，TimeLiner窗口将在任务执行时显示这些任务，而场景区域则显示根据任务类型随时间添加或删除的模型部分。当然，还可以把动画添加到整个进度模拟中，来增强模拟的效果和质量。

五、4D模型在大修实施中应用的实现路径图

结合4D模型技术的发展现状和核电厂大修的特殊性及复杂性，初步规划4D模型技术在核电厂大修实施中的应用分三个阶段来实现。

第一阶段：通过NavisWorks软件辅助实现反应堆厂房和汽轮机厂房内部的任意区域浏览、核电厂主要设备的三维展示以及反应堆厂房20m工作平台三维立体多视角显示，以此来辅助计划人员对大修关键活动操作的讲解。

第二阶段：主要实现核电厂大修过程中关键设备吊装、拆卸的4D模拟，通过多维度、多视角的动画模拟，为维修人员提供尽可能多的参考，以达到进入反应堆厂房之前先练兵的目的;同时，还规划在第二阶段通过4D模型技术实现对大修关键路径的进度模拟;这一阶段的实现是建立在可以获取足够多的真实数据信息的基础上的。

第三阶段：在前面两个阶段均顺利实现的基础上，通过对大修关键活动的细化分析和梳理，整理出大修关键活动的主要工艺流程和坐标参数，进而实现对大修工艺的全真模拟，同时实现对大修关键路径的全过程模拟。这一阶段将是一个持续时间较长过程，并且需要经历若干次大修的数据收集反馈、优化完善，最终为大修实施和优化创造价值。

六、结束语

综上，如果4D模型技术能成功应用于核电厂大修实施中，将会极大促进核电厂大修优化管理，提高电厂的经济效益，应用前景是非常可观的。但目前这一技术在核电厂大修实施中的应用还处在起步阶段，技术应用的智能化水平还不是很高，计算机承担的分析推理的工作还离不开使用者的介入。这需要在现有软硬件条件和前期应用经验总结的基础上，通过不断探索研究与开发设计，将4D模型技术在核电厂大修实施中的应用向更深层、更智能化的方向推进。

參考文献

[1]张苏.基于改进的4D模型的可视化施工管理系统[J].计算机与数字工程，2009，37（04）：98-101.

[2]龚建立.核电厂大修计划优化[J].科技视界，2016（07）：264+305.