1. 引言
随着工业物联网(IIoT)技术的迅猛发展，数字孪生(Digital Twin)技术在智慧能源行业应用日益广泛[1]。在火力发电领域，高温高压环境下金属部件的失效风险直接威胁机组安全，传统金属监督模式面临数据孤岛、被动响应、经验依赖三大瓶颈。设备故障诊断与预测是工业生产中的重要环节[2]，却鲜有聚焦火电厂金属监督这一多源异构数据融合、高精度定位需求的特殊场景。
本研究提出“金属监督全流程数字化系统”，首次将数字孪生架构深度应用于火电厂焊口级金属部件管理，通过三维模型–KKS编码–实时运行数据的动态耦合，实现了从“定期巡检”到“预测性维护”的范式跃迁。这一实践不仅响应了《国家能源局关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》(2023)的战略要求，更填补了IIoT技术在高温承压设备全生命周期管理中的落地空白。
2. 金属监督工作研究背景和必要性
在金属监督管理领域，随着机组运行年限的累积，设备失效风险水平显著提升，对设备运行维护与检修工作的要求亦更为严格。传统管理模式存在图纸文档管理分散、被动式检修、数据价值挖掘不足、检验位置描述规范性欠缺等问题，导致缺陷漏检与过度检验并存、历史检修记录利用效率低下、整体检修效能不彰。当前IIoT研究多集中于通用设备状态监测，但对火电厂金属监督的特殊性关注不足[3]，当前，伴随火电机组向大容量、高参数方向发展，金属监督技术标准持续提高，数字化是火力发电行业发展的必然趋势[4]，数字孪生技术在火电领域初露头角，但现有实践存在明显局限，模型多用于可视化展示，缺乏与业务系统(如检验计划生成)的智能闭环，缺陷演化受材料、应力、介质腐蚀等多变量非线性影响，本研究首创“KKS编码 + 焊口ID”的双重定位机制，将三维模型压缩至工业级轻量化水平，并通过WebService接口实现检验计划自动生成，开发基于迁移学习的预警模型，复用锅炉受热面管超温记录(10万+条)预训练网络，显著提升小样本缺陷识别准确率。
3. 金属技术监督管理系统设计与实现方法
本项目基于火力发电厂金属监督管理的业务需求及现有软硬件基础，通过三维可视化、数据可视化与大数据分析技术，构建“火力发电厂金属监督三维智能管理系统”，涵盖需求分析、功能设计、算法研究与系统开发。平台构建了“一个核心平台、多类专业台账、多项辅助工具”的服务体系，重点实现关键设备的三维可视化建模与设备数据的三维化监督管理。平台集成业务功能模块，支持高效访问设备多维信息，实现数据分类记录、综合统计分析、劣化趋势评估及检验计划制定等功能。在此基础上，利用AI模型建立设备风险监控与预警机制，实现对潜在事故的早期识别与处置。
3.1. 系统的技术架构
系统采用混合技术架构(B/S + C/S + 移动端)，三端数据通过Web服务端实现毫秒级同步，保障“一处录入，全局可视”。
基于B/S架构的Web端涵盖核心功能模块，包括三维模型展示、金属监督等管理功能，并为C/S客户端及移动端提供数据接口服务。
基于C/S架构的客户端部署于工作站终端，实现金属监督信息的录入与查询功能，优化数据访问性能，提升数据交换效率。
基于Android开发框架的移动端App部署于移动终端设备，通过Wi-Fi网络实现数据交互，支持现场信息录入、查阅及审批流程。系统技术架构见图1。
Figure 1. System technology architecture
图1. 系统技术构架
3.2. 数据库与三维模型
数据库范式设计以第三范式(3NF)为核心目标，将存在间接依赖关系的字段拆分至独立实体(例如，在“特种设备台账”中，应将“制造单位”字段独立为字典表并通过唯一标识符关联)。三维模型与设备台账基于唯一性标识(KKS编码 + 焊口ID)建立一对一映射关系。支持单台设备关联多条检验记录。整合实时运行参数(源自DCS接口)及历史缺陷记录进行预警。
三维数据库的核心功能主要集中于高效存储各类三维模型数据，同时通过标准化的数据接口无缝调用金属监督数据库中的关键信息，包括部件基础信息、缺陷数据、统计分析结果等，以支持工业监控和决策过程。此外，该数据库还具备数据压缩、索引优化和实时同步能力，确保在复杂环境中快速访问和整合多源信息，提升整体系统的可靠性与可扩展性。
金属监督数据库核心功能为存储特种人员管理、焊接工程管理、金属检验试验管理、金属监督台账、统计分析信息、特种设备台账及防磨防爆管理等专业数据，为三维模型可视化呈现及统计图表生成提供基础数据支撑。考虑到电厂各机组运行多年，已累积了大量金属监督数据，本系统的建设将充分考虑新旧系统基础编码一致性和数据兼容性，避免已有历史经验数据缺失。
基于该数据架构，金属监督全流程涉及的图纸文档及检修数据可实现高效管理。同时，系统关联信息可与三维模型集成展示，设备缺陷可在系统中以差异化色彩进行标注，历史检修记录的利用效能显著提升。用户可实时调阅历史检验数据，为后续检验工作提供决策支持。
电厂范围内特种设备台账包括：锅炉台账、压力容器台账、简单压力容器台账、压力管道台账、电梯台账、起重机械台账、专用机动车辆台账、设备安全附件台账、特种设备检验报告台账。数据库具备防磨防爆检查报告和台账的导入、查看、下载功能。数据库见图2。
金属监督管理系统通过WebService接口服务实现数据共享，三维系统调用时传递双方约定的统一编码(KKS编码)参数，金属监督管理平台返回JSON格式化数据供三维BIM系统展示信息。
金属监督KKS编码层级要求到焊口层级，焊口编码建议采用KKS + 焊口ID组成，焊口ID如设计院图纸已标识，则采用图纸标识编号，如果没有标识则与三维系统协商，由电厂方统一发布一套唯一性编码。金属台账的部件编号与三维模型的编号必须统一。
Figure 2. Database
图2. 数据库
由电厂方提供运行数据相关接口，主要有锅炉壁温实时监控数据接口，方便金属监督系统实现超温记录统计和偏差分析，指导检修运行，减少锅炉损伤。
3.3. 金属监督数据分析
金属监督数据分析是一种综合性的分析方法，它通过系统性地分析金属监督过程中收集的各种数据，包括缺陷的发生位置、频率以及相关环境因素(如温度、湿度或应力条件)，从而深入研究缺陷的分布模式和影响因素。该方法整合了机组设备的当前缺陷数据和历史缺陷记录，通过对比分析(如时间序列比较或趋势评估)，揭示缺陷的形成机理、演化规律及其潜在原因。进一步地，这种分析能够识别高风险区域和周期性故障模式，为当前设备检修和未来维护策略的制定提供科学依据，优化资源配置，提升设备可靠性和运行效率，确保整个系统的安全稳定运行。
Figure 3. Metal supervision and early warning
图3. 金属监督数据
服务器端数据监测与预警涵盖受热面管寿命分析、炉内温度变化分析等子领域。服务器端运行的数据监测功能对锅炉设备、汽机设备、压力容器及压力管道等关键设备的运行参数实施实时监测与报警；同时基于锅炉、压力容器及安全附件的检验/校验有效期建立预警机制，避免发生超期未检情况。三维展示端通过调用服务器端接口数据，将报警信息及预警结果以文字或图例形式直观呈现。金属监督预警见图3。
通过该功能的实施，可有效克服既往数据价值挖掘不足的局限性，推动设备维护模式由被动响应向主动预防转型，从而规避漏检缺陷与过度检修的现象，最终实现检修效能的最优化。
传统金属监督工作的数据采集与验证过程长期依赖人工查阅资料，存在效率低下与数据质量受限的问题。本系统实现了工单时间戳、检验记录及缺陷闭环状态等全流程追踪数据的自动提取，有效保障数据的实时性与完整性。通过构建“自动化系统数据校验为主、人工抽样复核为辅”的双重验证机制，显著降低数据偏差风险，确保效率指标与质量数据的真实可靠性。在某电厂大修实践中，系统通过预置工艺规范(如预热300℃的预防性提示)，成功解决了高合金钢焊接的核心工艺漏项问题，借助该系统实施，大修期间返修率由12%降至4%。上述技术改进不仅显著提升了产品一次合格率，降低了项目延期风险，此外亦有效控制了相关的经济损失风险。
3.4. 三维可视化展示
三维建模涵盖锅炉受热面金属部件、四大管道、联箱、锅炉本体管道等承压设备，压力容器及传热管，汽轮机、发电机等，可直观展示设备属性(如材质、规格、位置)，支持区域选定查看明细(见图4)。实时监控锅炉、压力容器等运行参数，点击模型查看数据，为金属监督计划提供支持。三维技术高效定位待检部位，呈现关键参数(如几何尺寸、材料属性)，提升检验效率，减少失误。
Figure 4. 3D visualization model
图4. 三维可视化模型
4. 金属技术监督管理系统的发展
尽管本系统显著提升了金属监督的数字化水平，仍需客观审视其局限性：
系统的预警与劣化分析高度依赖历史数据的完整性与准确性。若原始记录存在缺失、格式不统一或录入错误(如焊口ID未标准化)，将直接影响模型预测的可靠性。
当前算法基于历史缺陷数据进行趋势分析，但预测精度受限于数据维度(如未充分整合材料微观性能、焊接残余应力等物理参数)及算法复杂度(以传统统计模型为主)。对于罕见故障或突发性失效模式的识别能力有待验证。
基于上述局限，提出以下深化研究的方向：
引入基于物理机制的仿真(如有限元应力分析、材料蠕变损伤模型)，将设备设计参数、运行载荷与环境因素纳入分析框架，构建“物理数据”双驱动预警模型，提升对复杂失效机制的预测精度。
开发针对小样本缺陷数据的图神经网络(GNN)，利用设备拓扑关系(如管道连接结构)增强特征提取能力；试验迁移学习技术，解决新投产机组数据匮乏场景下的模型泛化问题。
5. 结语
金属技术监督管理系统实现了对监控设备状态信息的实时反馈，通过模板库和数据字典的应用，将行业标准进行规范化处理。该系统进一步实现了工艺卡和报告的自动化处理，有效减少了人工操作的需求。此外，系统通过实施检验周期预警和资质联动机制，严格预防违规行为的发生，从而显著提升了工作效率。该系统内置了严密的防错机制，并能深入分析检验数据，挖掘其潜在的应用价值。因此，该系统为金属技术监督管理提供了强有力的工具支持，对确保电厂设备的安全、稳定运行具有非常重要的现实意义[5]。