简介： 文章简述了基于Bentley电气三维设计软件进行的定制和二次开发，最终实现完整的ElectricalDesigner电气三维设计解决方案。从软件专业模块应用、内部设计信息数据流的管理和应用、外部设计信息数据流的管理和应用、电气设计校审流程四个方面论述了该系统的应用，满足了电气三维设计需求。
1 引言
进入21世纪后不断发展的计算机硬件和软件为设计行业带来全新的变革，设计手段和设计理念发生全新转变。就其起源及特点，90年代时期设计软件主要以图形为导向解决专业模块问题，而当今软件着眼于设计过程信息的全面流通及管理，实现多专业协同设计。华东勘测设计研究院（以下简称“华东院”）在水电行业顺应并引领了发展的潮流，在04年全方位引进了Bentley MicroStation平台，并对各专业软件进行了大量定制及二次开发，目前已在地质、土建等领域占据了行业领头羊位置。电气设计软件由于诸多历史原因，未能在上一阶段得到全面发展，但时至今日笔者认为ElectricalDesigner平台已初步具备全面实现水电站电气设计解决方案的能力。
2 ElectricalDesigner平台简介
Bentley平台电气三维设计软件由变电电气设计软件Substation、桥架设计及电缆敷设软件BRCM组成。华东院在现有平台基础上，进行了大量二次开发，以解决上述各类问题，形成一个完整的贯穿于电气设计生产流程的原理接线、设备布置及电缆敷设的一体化平台ElectricalDesigner软件。以简化设计生产流程，建立电气三维数字化设计标准体系，并实现与其他专业数据无缝对接。软件整体体系架构如下图所示。
图1ElectricalDesigner软件体系架构
Electrical Designer电气三维设计系统是基于Bentley电气设计软件Substation与BRCM和协同工作平台ProjectWise研发的综合业务系统，软件以工程数据库为中心，模型为驱动，实现全过程数据的有序流动，如下图所示。另外，软件改变了传统以图形为导向的设计方式，呈现全新模式，即以数据库为核心，将整个电气系统设备分层存储于中央数据库，基于设计标准进行设备统一分类和编码，并方便设计人员从各个环节入手设计。工程数据中心建立结构化和非结构化工程数据管理机制，基于公共服务框架为设计、施工、运维一体化平台服务，为实现工程全生命周期全过程奠定基础。
图2 Electrical Designer系统平台方案
3 电气三维设计系统开发
3.1 软件定制
ElectricalDesigner软件针对行业需求，做了大量定制工作，基于规程规范且完备的元件库包括设计生产全过程需要的各类设备包括变压器、断路器、接触器、继电器、熔断器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、接地开关、GIS设备、绝缘子串、盘柜、照明、火警以及工业电视等。元件库与参数库的有效管理和推送保障工程设计标准化，并最终基于三维设计标准及经验最终实现项目模板化。其中，灯具模型如下图所示。
图3灯具模型展示
建立主接线和厂用电设计中常用典型回路库。针对厂用电模块，创建厂用电回路选型表，以利用Bentley开发的厂用电模块读取负荷提资表，自动生成厂用电原理图，最终生成的厂用电原理图如下所示。回路选型依据统一标准保证工程数据的准确性和一致性。设计信息保存在数据库中，方便查询修改，并以数据驱动图形，原理图基于层级关系自动更新。
图4厂用电原理图
定制桥架库以及电缆型号库。BRCM软件原生桥架库种类繁多且规格不齐全，不利于设计人员选型。基于工程需要保留添加国内厂商提供的桥架尺寸规格，建立统一的建模环境和标准。另外，根据厂家样本添加电缆型号及相关信息至BRCM数据库中，为电缆敷设提供数据支撑。
3.2 功能开发
华东院在Substation平台下开发了照明、火警、埋管以及端子设计模块，软件贯穿于设计始终，提高了设计人员的工作质量和效率。
工厂设计中，照明模型多样化批量布置方式更有利于提高设计效率。二次开发的照明模块提供了智能化工具以方便设计人员布置三维模型，绘制三维导线以分配电能，回路定义时软件提供压降校验工具以计算电缆截面并自动获取穿管。基于三维设计成果软件自动生成二维布置图及配电箱接线图，并且具有标注及统计材料清单功能。
图5照明设计效果图
通讯专业设计火灾报警系统时，大部分时间用于探测器布置。人工计算结构专业绘制的板梁高度差，划分探测区域。工厂需要布置探测器数量众多，花费时间于简单重复劳动上将造成人力资源极大浪费。二次开发火灾报警模块提供了探测器全自动化布置工具，考虑梁对探测器探测范围影响，自动读取并计算板梁高度差值等级，依据标准规范计算探测器数量及位置，从而可实现整个厂房探测器的一键布置，大大提高了设计效率，设计人员从而可将精力着眼于优化设计上。
图6火警设计效果图
水电站厂房中预埋大量电气埋管，传统二维设计只是在用电设备和控制设备间绘制示意性虚线，至于管径是否与其他孔道、专业埋管有碰撞不得而知，无法保证设计合理性准确性。二次开发埋管模块可高效完成三维埋管参数化布置，综合考虑了工程师后续材料统计和出图符号化问题，可谓一举三得，对电气专业设计效率和质量提升效果明显。
图7埋管设计效果图
设计院电气二次专业设计监控保护回路时，往往基于设备厂商提供的图纸人工对线，建立设备间端子连线。传统方式以图形为驱动，设计人员忙碌于无数张原理图纸间，频繁查找和修改工作难以保证设计的准确性和一致性。二次开发的端子模块以数据为驱动，存入设备厂商提供的端子信息至数据库，端子接线基于数据库信息有序设计，软件自动更新图纸插入的回路端子号。同时此种模式完全实现了专业内部的协同，后期将在工程模板化方面做进一步研究。
图8端子设计效果图
3.3 与其他专业数据交互
工厂设计涉及多个专业，专业之间存在实时交互与实时协作。现有的设计软件大都是相互独立，针对某一专业或某一方面应用的CAD工具，它们在开发平台、体系结构和模型的数据结构等方面存在着较大的差异，无法形成完善的协作体系，是专业间不能良好沟通。i-model是Bentley公司开发的对基础设施信息进行开放式交换的文件格式，几乎所有Bentley软件之间的数据信息传递都可通过i-model来实现。华东院利用i-model机制针对电气专业不同需求分别开发了多个模块以读取其他专业利用Bentley软件设计的成果。下面简要介绍模型发布模块和编码读取模块。
模型发布模块发布ABD软件建模信息，基于标准规范定制的schema。发布的信息包括板梁尺寸和位置信息以i-model为载体供电气软件使用。电气软件读取发布的板梁信息划分探测区域，从而自动布置探测器。
编码读取模块读取Bentley平台下包括ABD软件在内的模型KKS编码和分类码信息。编码贯穿于模型整个生命周期，保证编码信息有序流动意义重大。电气专业利用BRCM软件敷设电缆时，需要读取水机暖通等专业模型信息。利用编码读取模块可有效读取其他专业在ABD及PlantSpace等软件下设计的模型编码信息，实现专业间数据交互。
4 电气三维设计系统应用
4.1 从软件的专业模块应用上说
水电站电气设计从专业上划分，可以分为电气一次、电气二次及通讯三个子专业。电气一次专业主要负责强电方面设计工作；电气二次专业主要负责监控、保护方面设计工作；通讯专业主要负责通讯、火灾报警、工业电视、站内广播设计工作。虽然各子专业涉及的设计内容不同，但整体设计思路协调一致，即要解决电气原理、电气接线（端子图）、电气设备布置、电缆通道布置和电缆敷设等4方面工作。
目前ElectricalDesigner平台下的电气三维设计系统已具备实现上述设计内容的专业模块：
1) 一次主接线、厂用电接线、二次控制原理图等设计通过Substation软件实现；
2) 电气连线中的各系统间端子图设计通过二次开发模块实现；
3) 电气主设备布置设计通过Substation软件实现，照明、火灾报警、工业电视、站内广播等设备布置通过二次开发模块实现；
4) 电缆通道布置和电缆敷设设计通过BRCM软件实现。
Electrical Designer电气三维设计系统目前已在华东院各类项目中投入应用，包括洪屏、仙游、绩溪、成都地铁等等，通过三维设计系统共输出图纸达80%以上，与其他专业的协同及碰撞检查有效地减少了工厂系统布置设计的变更。
图9主接线设计
图10桥架和电缆沟设计
4.2 从电气专业内部设计信息数据流的管理和应用上说
笔者理解水电站电气设计指工程师根据实现工程需要在现有设备和产品库中选型，并按国家规范的规程进行核验，选定合适产品后通过文本与图纸的形式表达出来。笔者认为对计算机而言即为被选定信息数据从各个产品数据库流向工程数据库的过程，完成工程设计后即控制各设计信息数据流得到一个全新的工程数据库。
ElectricalDesigner电气三维设计软件基于此逻辑管理设计信息数据流。下面以设计数据中电缆信息流的管理和应用为例，简要说明一下：
1) 利用Substation软件进行一次主接线、厂用电接线、二次控制原理图设计后，所有设计信息包括各电缆信息存入工程数据库；
2) 在Substation软件完成电气连线中的端子图设计，所有设计信息包括各电缆信息存入工程数据库；
3) 在Substation软件完成电气主设备布置设计，所有设计信息包括各设备位置和编码信息存入工程数据库；
4) 在BRCM软件中完成电缆通道设计，所有设计信息包括各全厂电缆通道信息存入工程数据库；
5) 最终在BRCM软件中进行电缆敷设，利用上述已获得电缆信息、设备位置信息、通道截面和位置信息进行电缆敷设。敷设完成后所有电缆的路径信息将完善到原有工程数据库。
图11电缆信息流
上述电缆信息在各子软件设计过程为先通过载流量、截面、芯数等信息从数据库中选型，再按各自要完成的功能和要求校验，最后存入工程数据库；存入工程数据库后，电缆信息可以不断被其他子软件调用，并且可以由其他子专业逐步完善各类数据，形成一套完整的工程数据。上述信息流在ElectricalDesigner电气三维设计解决方案中畅通、受控且闭环。
4.3 从与其他专业配合外部设计信息数据流的管理和应用上说
电气三维设计系统从内部流程上看是一个自成体系又相对封闭的环境，市面上大多数电气软件基本可实现内部数据流动性，体系内功能做得很完善。但电气专业其外部配合设计的数据流入涉及专业多，目前其他软件没有合适的解决方案。Bentley公司基于“一个平台，一个模型，一个数据架构”理念，在MicroStation平台（以下简称：MS平台）下实现各类项目各专业信息数据流的有序调用。
电气专业与其他专业配合中所需信息，各专业在各自专业软件中创建完善，电气专业根据需要利用二次开发软件读取，如设备编码信息、设备负荷信息、接线点位置信息等；电气专业为其他专业提供的控制和信号等方面信息，其他专业采用同种模式主动调用。MS平台下电气模型可以与其他专业模型完美统一，模型底层采用统一数据架构支撑，以提高项目设计过程中数据的准确性和一致性，为后期项目数据的管理和分析提供可能性。
4.4 从电气设计校审流程上说
在具备电气专业模块，以及完整的内部与外部数据流管理基础上，设计核审流程必不可少，以保证设计过程可控性，设计成果准确性和专业性，基于MS平台在ProjectWise软件上开发的三维设计校审系统是对传统校审模式的继承和改良。ProjectWise作为MS平台重要组成部分，是各专业协同设计基础，也是实现三维设计校审系统的基础。基于ProjectWise开发的设校审系统在本文中不多做描述，读者可参见华东院三维设计校审系统相关文章。
5 结语
在当今社会大发展时代，各行各业都从IT时代逐步进入DT（大数据）时代。笔者认为未来电气设计和产品交付应符合DT时代特征，至少应具备以下特点：
1) 设计过程全面协同化，不再是一个人的单打独斗，不同专业不同厂家都可以为同一工程协同设计；
2) 设计师工作区域世界化，设计师可以在世界任何位置通过网络获取设计信息；
3) 设计过程智能化和精细化，每个设计过程都可以得到计算机核验和管理人员核审；
4) 设计成果数据化，一个完整工程即是一个数据合集；
5) 设计产品交付DT化，可以根据工程不同阶段、不同单位、不同人员的需要提供不同交付内容。
我辈设计人员非常幸运地处在时代变革关口，而更幸运的是华东院选择的MS平台和执行的三维设计理念已经初步具备了DT时代特征。因此我们义不容辞地有责任和义务为行业开拓探索和完善新设计理念以及新解决方案，带领设计行业尽快适应DT时代需求。
作者简介
胡婷(1988-)，女，黑龙江省，硕士，计算机工程师，Email:hu_t3@ecidi.com，15857105651
邓新星(1982-)，男，浙江省，本科，电气工程师，Email: deng_xx@ecidi.com，13819196478
