基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態監控與仿真技術研究

張小冬，吳 超，劉學山，汪志強，徐 斌，萬 晟

(1.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853)

基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態監控與仿真技術研究

張小冬1，吳 超1，劉學山2，汪志強2，徐 斌2，萬 晟2

(1.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853)

文中針對抽水蓄能電廠運營信息化建設的需求與現狀，依托高精度三維建模技術、設備動態監控、虛擬仿真等技術，對抽水蓄能電廠進行全方位、多視角的精細測繪與三維建模，同時集成電廠現有系統資源，搭建動態監控與仿真一體化平臺，解決目前抽水蓄能電廠信息展現不集中、不直觀的缺陷，為電廠三維信息化建設提供新型的解決方案。

三維空間信息技術；精細建模技術；三維動態監控；教培仿真

隨著智能監控技術的高速發展，目前我國建成的抽水蓄能電廠中應用了大量智能監控、安全預警、運營管理等技術，這些技術能夠有效解決相應領域中遇到的問題，提高管理效率。但由于抽水蓄能電廠自身的結構特點，同時產生水工建筑物結構顯示不直觀、重要電氣設備結構無可視化模型以及各監控系統不兼容等缺陷。本文提出通過三維動態可視化監控技術，將電廠內的壩體、管路、設備等進行真實比例建模，在三維場景內將模型與生產監控數據、視頻監控數據、拆裝仿真內容相關聯，打通各個子系統之間的信息孤島，以直觀、動態、智能的方式展示廠區內的設備運行情況、壩體安全監控、異常報警信息等，提高電廠的運營能力和智慧化水平。

1 系統總體架構及關鍵技術

1.1 總體架構

應用平臺的開發基于主流的B/S 3層架構模式，分別為綜合應用層、核心服務層和數據資源層。其中核心服務層以不同的數據采集服務從不同的數據資源庫中將生產監控數據、水工水情數據、仿真文件數據、三維地理信息數據等信息以Ajax通道傳輸或者Request數據請求的方式分發到不同的應用層。應用層以CityMaker三維展現控件為基礎，集成不同的業務展現插件，實現不同的功能和展現效果。平臺三層之間相對獨立，提供靈活的服務與應用邏輯關系，為后續應用的擴展提供支持。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

1.2 關鍵技術

1)數據實時采集技術。三維平臺要將電廠生產運行過程中的重要監控信息通過三維場景進行實時展示，目前電廠內的監控系統主要包括生產實時監控系統、水情監測系統等[5]，各系統之間相對獨立，平臺根據實際情況通過以下兩種途徑進行實時數據的采集。第一種方式通過獲取對應系統的數據采集權限，通過部署負責數據采集的應用服務，將采集到的實時數據以key-value的形式存儲于實時數據庫中(本平臺使用Redis實時數據庫)。該方式訪問數據更為直接，實時數據庫讀取效率高，避免傳統關系型數據庫的數據訪問量瓶頸的限制。其次，由于部分系統無法提供公共的數據采集權限，所以第二種方法是通過相關生產系統對應的輔助子系統發布數據共享服務，當應用服務器發出數據訪問請求后，數據將以JSON或XML的形式發送回客戶端，客戶端進行解析與展示。這種方式能夠降低系統之間的耦合性，提高生產系統的安全性。

2)富客戶端技術。平臺采用富客戶端的前端開發技術，將前端應用程序與后臺應用服務盡可能分離，提高日后程序擴展的可能性，方便基于松耦合的機制與用戶第三方組織機構庫、第三方單點登錄服務銜接與集成，并且支持客戶端通過HTTP，SOAP，Web Service，Ajax等多種方式進行調用，實現Web 2.0的開發；平臺可以與任何第三方應用系統、多種數據庫類型進行流程整合服務，系統配置多個數據庫連接，通過實體層直接與其他業務系統實現流程整合服務，支持Web Service并方便與其它已有系統進行數據整合。

3)插件集成技術。由于Web展現技術的局限性，為了擴大平臺對其他相關系統的兼容性，平臺采取插件式系統集成技術，針對不同的子系統，如視頻監控系統、設備拆裝仿真系統等，根據系統提供的SDK深度定制開發運行插件，并將不同功能的插件統一發布，減少用戶的插件安裝次數，同時提高不同應用場景之間的聯動性。

2 三維建模技術

系統采用三維地理空間數據庫引擎技術，通過地理特征數據庫實現對地理空間數據的面向對象的組織與管理，統一管理海量地理空間要素的空間屬性、時態屬性數據，以及管理地理空間信息符號化所需的二、三維符號數據。地理特征數據庫分為3層數據結構：數據源、數據集、要素類。其邏輯結構如圖2所示。

圖2 三維地理空間數據庫邏輯結構

同時，實體對象可以擁有時態、空間、屬性、符號等4類地理空間屬性信息。其中時態屬性可將電廠的不同時期進行分類建模，通過時態的變化來展現不同時間的建設情況，如圖3所示。

圖3 實體對象屬性設計

平臺采用三維空間數據庫技術統一管理源數據和表現數據。源數據直接導入三維數據庫，以三維模型對象的附件形式，以二進制格式直接存儲于關系型數據表。同時，三維平臺基于源數據直接生成高精度表現數據。表現數據同樣以二進制方式存儲于關系型數據表，作為三維模型對象的符號資源。三維模型對象、源數據文件、表現數據均存儲于三維數據庫，并基于三維模型對象建立屬性關聯，互相之間可以被快速檢索和引用，實現源數據、表現數據、地理信息數據的一體化管理，如圖4所示。

圖4 空間數據一體化管理

3 綜合系統集成

平臺采用CityMaker三維驅動引擎，通過自帶和其他三維建模工具對水庫、廠區、水工設備、安全監控設備等進行1∶1三維建模，以三維模型為基礎，將電廠的三維空間信息與屬性數據有機結合，實現空間信息與各類屬性之間的一對多、多對多的關聯，用戶在瀏覽三維場景中，可以通過點擊查詢、空間范圍查詢、區域查詢、條件查詢等手段，將模型中所關聯的信息提取，并以文字、表格、圖表、視頻、動畫的形式進行展示。所有信息的來源都是以三維模型瀏覽為觸發點，所有信息都依附于三維模型，提高用戶的空間感，展示效果更為生動、直接。系統的主要功能如下：

1)廠區三維全景漫游。平臺基于實時動態三維數據加載技術，將海量的三維數據進行分布式加載，提高用戶漫游模型加載速度，實現對抽水蓄能電廠的全景瀏覽。用戶可以保存興趣點，自定義飛行路徑，輸出多種格式的多媒體文件。通過點擊場景中任意模型，顯示該模型的詳細信息，例如：管線的管徑、流向、介質等。

2)信息可視化展示。可視化平臺的核心是通過三維展示手段，將廠區內重要的監測信息可視化分析與展示，目前抽水蓄能電廠的重點關注信息主要包含生產控制系統數據、外圍環境信息(如壩體整體結構、廊道應力狀態、水庫水情信息等)和視頻監控數據，三維模型制作中根據需要關聯信息的種類，將構筑物、設備、儀表、攝像頭、廊體等進行單體化處理，通過后臺數據庫將模型唯一標號與監測數據進行一對多的關聯，用戶可以通過監測點定位到所屬模型的空間位置，也可以通過點擊模型查詢包含的監測點信息。用戶可以在三維場景中同時觸發不同種類的監測監視信息，全面掌握廠區內部運行狀態。

3)二、三維系統聯動。平臺在同一個場景下進行二、三維聯動，平臺設計與生產系統一致二維信息展示界面，通過監測點與三維模型的關聯，用戶可以通過二維界面點擊監控點與三維窗口互動展示，彌補監測數據在三維中展示邏輯性差的缺點，將二、三維的優勢特點在一個平臺中展示，為用戶提供更完善、全面的體驗，如圖5所示。

4)智能監測預警。平臺將監測歷史值分條件(溫度、濕度、氣壓、水位等)進行歷史數據保存，將實時數據與歷史相似工況下的監測值進行比較，判斷其“異常”情況，降低由于環境因素造成的數據浮動，若監測到數據比較差異超過限定值，則會在三維模型上用紅色標記，并在系統中進行彈窗提示。所有異常信息將會在數據庫中進行統一記錄，方便用戶進行復查。

5)設備拆裝模擬。平臺首先根據設備部件圖及裝配圖中采集設備零部件形狀、幾何尺寸等部件特征及零部件之間相對位置關系，建立原始設備拆裝數據庫。再通過研發Solidworks系列軟件二次開發接口，將其拆裝模擬演示模塊進行功能的移植，通過加載服務器緩存的Solidworks高精度設備模型數據，通過在三維場景中選擇對應模型，直接在線查看設備的精準拆裝演示，如圖6所示。

6)互動式操作模擬演練。平臺將復雜的設備運行操作(開停機操作、維護操作等)制作成三維模擬演練腳本，員工通過腳本目錄樹加載不同的場景，利用三維虛擬現實技術，還原真實的操作環境，結合相對應工作流程提示，以三維可交互的操作方式(開關的操作、閥門的控制、機械的裝配等)，在三維場景中進行模擬訓練，完成不同的演練腳本，從而達到操作全過程仿真的目的。同時平臺支持對員工的操作進行打分評價，對錯誤的操作進行回放和正確講解，能夠自動演示詳細的操作步驟，加強培訓效果，如圖7所示。

圖6 設備拆裝模擬

圖7 操作模擬演練

4 工程案例

清遠抽水蓄能電站位于清遠市清新縣太平鎮境內，與廣州直線距離約75 km。電站裝機4×320 MW，總容量1 280 MW，最高凈水頭502.7 m。樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群、開關站及永久公路等組成。上水庫正常水位612.5 m，調節庫容1 055萬m3；下水庫正常水位137.7 m，調節庫容1 058萬m3。輸水系統水平總長度2 449 m，距高比為5，滿載發電小時數為9.1 h。平臺建設前期通過無人機航空攝影制作數字高程模型和數字正射影像，結合三維激光掃描儀與CAD施工圖紙制作三維建構筑物模型，同時采用三維精確建模技術完成設備機組的精細模型，最終將所有數據加載在三維可視化監控平臺中進行綜合展示，平臺結合數據展示、異常預警、教培仿真等功能，輔助電廠的管理。

5 結束語

目前我國電力需求量大，各類型的電廠數量很多，電廠內部信息化程度越來越高，將會遇到各類系統與數據之間信息不聯通、展示不直觀的問題，通過三維可視化平臺針對不同子系統進行深度定制，以一種直觀、高效的方式進行信息展示，能夠增強管理中心的信息查詢、瀏覽手段，公司各級管理人員能夠提高管理效率和水平，實現對電廠的遠程化、智能化管理。

[1] 金裕祥，馬福恒，劉成棟．基于WEB的三維水庫大壩安全實時監控預警系統[J]．水電能源科學，2009，27(1)：99-102．

[2] 王先兵，張學東，何濤，等．三維虛擬變電站數字可視化管理與監控系統[J]．武漢大學學報(工學版)，2011，44(6)：786-791．

[3] 劉求龍，胡武生，王驄，等．基于激光掃描技術的變電站三維模型的建立[J]．測繪工程，2010，19(5)：38-40．

[4] 劉揚，付濤，向俊杰，等．基于虛擬現實技術的變電站三維場景仿真技術[J]．江蘇電力職業技術學院學報，2008，21(2)：19-21．

[5] 楊陽，許后磊，方春暉，等．基于監測信息的壩體三維可視化及系統集成[J]．水電能源科學，2011，29(1)：122-124．

[6] 龔慶武，姜芳芳，陳義飛．基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統[J]．電網技術，2005，29(24)：74-77．

[7] 孫揚，封孝生，唐九陽，等．多維可視化技術概述[J]．計算機科學，2008，35(11)：1-7，59．

[8] 呂永寧，王玉潔，沈海堯．水電站大壩安全監測自動化的現狀和展望[J]．大壩與安全，2007(5)：24-29．

[責任編輯：張德福]

Dynamic monitoring and simulation technology of pumped storage power station based on 3D-GIS

ZHANG Xiaodong1, WU Chao1, LIU Xueshan2, WANG Zhiqiang2, XU Bin2, WAN Sheng2

(1.Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China; 2.Qingyuan Pumped Storage Power Generation Co., Ltd., Qingyuan 511853, China)

According to the requirements and current status of informatization construction of pumped storage power station, and relying on high precision 3D modeling technology, dynamic monitoring technology, virtual simulation technology, fine mapping and 3D modeling of pumped storage power station, and integrated existing system resources, this paper builds a dynamic monitoring and simulation integration information platform, and solves the defects of the information of the pumped storage power station being not centralized and visual, which provides an innovation solution for 3D power station informatization construction.

3D spatial technology; fine modeling technology; 3D dynamic monitoring; simulation training

著錄：張小冬，吳超，劉學山，等.基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態監控與仿真技術研究[J].測繪工程，2017，26(11)：71-76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.016

2017-06-17

張小冬(1988-)，男，助理工程師，碩士。

P208

A

1006-7949(2017)11-0071-06