三維可視化技術在水電站運維管理中的應用

李謐 鐘維明 沈國焱

摘 要 水電站設計移交資料眾多，在水電站運維管理階段容易發生移交資料與業務系統銜接脫節、難以在運維階段進行運用等問題。文章通過分析三維可視化技術的應用發展及水電站運維管理現狀，將電站水工建筑物、設備等的運行狀態管理對象化及可視化，提出水電設計數據編碼、成果移交、生產運行維護的系統數據與可視化集成方法，并實現系統驗證，證明水電站電力生產采用三維可視化能提高電力運行與檢修定位等效率，從而提高生產管理效率。

【關鍵詞】三維 水電站 可視化運維 可視化管理

1 引言

傳統的水電站設計與建造主要以圖檔資料進行交付，水電站建設周期較長，交付數據量大，圖檔資料不直觀，容易發生移交資料與水電站運維管理中各類業務系統的銜接脫節，加大了電站運維人員的工作難度，影響水電站運維管理的質量與效率。隨著激光掃描、GIS、BIM、全景影像等三維可視化技術的發展，水電站設計與建造過程中越來越多的工程進行三維可視化數字移交以及可視化展示、會商、分析與建設管理。三維可視化移交形象直觀，但在現階段由于缺乏系統集成，電站運維人員無法進行三維可視化移交數據的深入應用。因此本文對三維可視化技術的特點進行分析，將三維可視化與水電站運維管理結合，研究如何以三維可視化交付數據為載體進行信息集成與系統實現，在水電站全生命周期管理過程中充分發揮三維可視化技術的優勢，使水電站運維管理更加直觀、高效與智能。

2 水電站三維可視化技術的應用發展

三維可視化技術是20世紀80年代中期誕生的集計算機數據處理、圖像顯示的綜合性前沿技術，通過利用空間信息和多維信息的結合，對信息進行全方位的描述，而后對信息中的高階異構數據進行挖掘和智能分析，以達到將現實的全域虛擬、全景信息展示的效果?？梢暬夹g主要分為科學計算可視化、信息可視化、知識可視化及數據可視化，在水電站全生命周期中常用的三維可視化技術通常包括激光掃描、GIS、BIM、全景影像以及利用Unity3D、OpenGL開發的可視化平臺等。

（1）激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法獲取高精度點云，獲取水電站三維地面數據，提供準確、詳實的可視化測繪資料。

（2）GIS是近年來迅速發展的地學空間數據與計算機相結合的新型空間技術，將現實對象的空間位置和相關屬性有機結合起來，滿足對空間信息的管理，并借助空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策。

（3）BIM技術是利用信息技術對項目的幾何、物理和功能信息進行全生命周期的表達與信息存儲，具有可視化設計與決策、參數化設計、關聯修改設計、性能分析、協同設計、三維交付、等特點。

三維可視化技術的應用使水電站的設計模式、交付模式發生了變化，也使復雜的空間對象有了更直觀更形象的表達方式。同時三維可視化技術中的信息集成使傳統數據交付中的信息孤島眾多、信息不對稱、信息傳遞無序、無效工作眾多等問題有了載體及解決方案。設計與建造過程中的三維可視化應用也為電站運維管理中可視化管理、數據接入、信息交互、信息表達及分析奠定了基礎。通過可視化監控，使潛在的問題直觀顯現，可事先消除存在的隱患，及早解決問題。

3 水電站運維管理現狀

水電站運維管理過程中，各業務系統眾多，監測及數據維護量大，接收的設計及建造的數據主要以二維資料為主。近年由于三維可視化技術的應用，部分水電站接收的資料還包括可視化GIS及BIM模型：

（1）水電站運維管理過程與水電站設計移交資料脫節。設計成果主要是以二維圖紙移交，沒有實現數據化和結構化，在運維管理過程中采用的電站資產運行管理、電站值班及維護等系統，往往需要根據業務系統需求重新建立電站資產與設備數據庫，而這些系統很難與移交的圖紙相關聯。

（2）水電站運維管理的系統通常是各司其職，如設備管理系統、日志維護系統，工業視頻系統，業務系統，各系統功能獨立、數據分散，以圖表或者文檔方式記錄與存儲數據。

（3）水電站的運行管理不夠直觀，設備資源查詢與運維數據追溯復雜，當需要決策支持時，出現資料難找、資料不完整或者資料分散、資料呈現復雜等問題。

（4）電站運維人員進行培訓學習時沒有充分利用移交的可視化數據，對在線培訓、模擬檢修等三維可視化的應用較少。

（5）主要機電設備移動巡檢采用手工記錄，沒有實現無紙化和便攜性，使得巡檢記錄沒有做到實時性。

（6）移交的GIS及BIM三維可視化模型雖然帶有詳盡的設計及施工信息，但是與水電站運維的各業務系統沒有進行可視化模型及相關數據掛接，移交的可視化數據模型不能在運維管理階段進行進一步的應用。

4 水電站運維階段可視化數據集成方法

通過對三維可視化特點分析及現有水電站運維管理存在的問題進行總結，從水電站運維管理可視化集成的角度，對水電站可視化數據集成方法進行了以下研究。

4.1 可視化數據載體

可視化運維管理中的數據載體其表現形式為空間幾何模型、數據及編碼信息，這就需要對移交數據的表現形式、所要承載的信息進行分類，使數字移交產品在運維階段具有可擴展性。如對定期需要檢修的水輪機，電廠維護人員需要對其內部結構有詳細了解。以增量（升級）方式管理模型版本，為數字移交應用、施工過程仿真等應用提供基礎方法：通過移交的可視化數據模型對水輪機結構及其拆卸、安裝、運轉進行培訓學習、仿真模擬等應用；通過模型中掛接的圖紙、編碼、工藝工法、采購及合同信息與電廠業務系統對接，進行可視化運營與維護。而對于水工建筑物里的相關監測儀器，在運營維護階段不需要關注儀器內部結構，而是對其采集與傳輸的數據進行分析，達到可視化預警預報的目的。移交的可視化模型只需要其位置及編碼信息，用于與生產系統的對接。

4.2 可視化數據信息轉換

可視化數據載體在進行移交及系統接入時需滿足數據輕量化及編碼生成、編碼自動轉換等要求，通過編碼進行唯一性標識及對應。數據輕量化是由于數據源的多樣性以及運維階段可視化平臺及移動端應用的需求，確保數據使用流暢。

以可視化模型為基礎，建立數據庫，將模型以及對應的圖檔資料進行掛接。所掛接的資料及相關信息根據水電站運營維護需求按階段進行擴充，逐步豐富各類信息。以可視化模型為基礎的數據集要與水電站現有運營維護系統進行接入，其關鍵技術為進行編碼與編碼轉換，使不同系統之間通過編碼唯一對應以便利用可視化數據進行運維管理。編碼及轉換的原則以電站運維期編碼（如KKS編碼）進行定義及轉換。在此之前將數據模型分部分項，按照電站編碼規則進行調整劃分，編碼方式可在模型中以屬性方式添加，也可設定相關規則，進行編碼自動生成及手動調整。可視化模型數據與水電站各運維系統通過編碼進行一一對應，并作為唯一查詢與標識與各系統進行數據接入，從而實現與水電站運維管理業務系統的關聯。

4.3 可視化系統數據接入與集成

可視化數據經過處理及轉換，與水電站現有業務系統進行接入與集成，主要包含：

4.3.1 可視化模型信息查詢

集成的可視化模型不僅具有空間圖形形狀，還具有定位、材質、型號規格等屬性信息，這部分信息可直接進行查詢與統計，進行所需要信息的篩選，輔助運維人員對工作現場進行熟悉、虛擬漫游，同時在可視化狀態下對編碼信息等進行復核與校驗。

4.3.2 圖檔信息接入

圖檔信息接入主要指設計圖紙、廠家圖紙、相關文函、紀要等資料接入，目的是為了將分散的資料以可視化數據為載體，以編碼為標識做分類，在數據庫中進行圖檔資料的結構化管理，使原本分散無序的資料按照水電站運營管理方式進行存儲與可視化管理，提高運維人員查詢檢索資料的效率。

4.3.3 臺帳信息可視化數據

臺帳信息可視化數據主要針對機電設備、安全監測儀器等，記載其編碼、設計成果資料、固有尺寸、安裝位置、出廠設置等基本信息。

4.3.4 狀態信息可視化數據

狀態信息主要為基點設備、安全監測儀器的實時測值、測值成果、運行狀態信息。

4.3.5 可視化數據與運維管理

可視化數據與運維管理包含基于可視化模型的日常保養維護信息集成與管理、維修信息集成與管理，以及與運維管理知識庫的集成與管理。

運維管理知識庫包含可視化模擬培訓、虛擬演練等，將可視化模型集成動作響應規則，在三維可視化場景中進行培訓與學習，將知識與經驗通過三維可視化場景進行積累，把抽象的過程進行直觀的展現，保證了可復用性與可持續性。

利用RFID（Wi-Fi）室內定位技術，對日常巡檢人員進行室內定位，方便電站集控中心對巡檢人員進行定位，發送指令，確保日常巡檢工作的質量與效率。

4.4 可視化監控及預警

可視化監控與預警是系統中十分重要的功能，通過可視化數據與生產監控系統的集成，直觀表達運行狀態，對采集與集成的監控信息進行預警與預報，輔助管理與決策。以機電設備為例，可包含以下可視化監控：

（1）設備運維狀態可視化：以不同顏色表示運行、故障需維修、維修及保養、設備停運等狀態。

（2）設備缺陷分析可視化及預警預報：監測設備運行的各項參數，當設備運行異常時，以在數據模型中閃爍及系統提示等方式，對異常情況進行可視化預警預報，現場維護人員能根據可視化模型進行快速定位，了解故障部位。

（3）設備處置決策可視化：結合合同及成本管理系統對設備的修理、改造、更新、報廢等處置決策進行可視化信息集成，當運維管理決策者對設備進行了狀態更新后，現場人員可及時收到通知，進行下一步工作的開展。

5 水電站運維階段可視化運維管理系統實現

基于以上集成內容與運用模式，研究開發出三維可視化集成管理系統，系統主要功能架構如圖1所示。

5.1 可視化查詢

可視化模型數據與水電站業務系統進行集成后，可直觀進行信息查詢，通過傳感器裝置實時獲取和展示采集到的監控信息，如圖2所示，在系統中直觀查詢各機組基本信息，并集成日常信息。

5.2 可視化巡檢

在系統中集成了可視化巡檢線路，并在系統中進行巡檢人員定位、基本信息的錄入，水電站管理人員能方便快速調看巡檢記錄，及時獲取巡檢狀態，錄入的信息可按一定規則進行查詢與統計，做到可視化管理。在巡檢過程中發現故障時，可通過移動端進行故障登記，并在系統中查詢設備屬性、庫存備件等信息。如圖3所示。

5.3 可視化培訓

基于水電站設備檢修規程及三維可視化技術，構建設備檢修虛擬培訓場景，實現設備操作數字化，在虛擬場景中模擬組裝、拆卸、操作設備，水電站工作人員學習之后，能更加準確的理解遇到應急情況時的處理方法和步驟，有效減少應急處理的時間和失誤，為工作人員的人身安全提供了有力保障。如圖4所示。

5.4 可視化臺賬

可視化模型與資產管理等系統進行關聯，可直接進行合同信息、成本信息、圖紙、設備狀態等查詢與管理。通過點擊可視化模型，可以查閱相關臺賬信息，在可視化系統中根據編碼、名稱等進行查詢與管理，相比傳統方式可快速定位，并能直觀查看進行分析與決策，如展開各類統計表，包括設備資產統計表、設備損毀分析表、備件情況表、維修情況表等。

5.5 可視化定位

實時顯示各定位區人員的位置和行動軌跡。自動生成進出人員的進出記錄。可查詢、打印進出信息、定位信息，并通過定位軌跡校驗巡檢人員的行動路線，通過可視化系統對巡檢人員進行指示。

5.6 可視化預警

將各類傳感器、探測儀、儀表等監測儀器以及工業視頻監控設備、消防報警設備等與可視化系統進行關聯，實時在可視化平臺中監控，確認設備是否正常運行，如紅色表示出現故障，在收到報警信息時可快速定位，及時處理。對于各類設備，進行可視化設備缺陷處理，包括缺陷編號、狀態（是否建立派工單）、缺陷信息、發現日期、完成日期、故障類別、采取的措施等等，通過數據庫能查詢追溯其歷史狀態數據，進行對比與分析。如圖5所示。

6 總結與展望

隨著數字化技術的不斷進步，利用三維可視化技術對水電站運維進行管理成為發展趨勢。本文分析了電站運維管理數據對象和業務特點、提出業務數據集成方法，并在軟件系統中進行了展示與信息集成實現，使水電站運維管理更加直觀、高效與智能，提升了水電站運維管理的數字化與智能化程度，提高了水電站運維管理的效率。

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作者簡介

李謐，女，工程師，主要從事BIM技術應用研究。

鐘維明，男，高級工程師，主要從事工程數字化方法研究。

作者單位

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川省成都市 610072