基于三維仿真技術的智慧水電廠應用研究

萬 晟 ，劉學山 ，徐 斌 ，施 濤，陳世坤

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

近年來，隨著三維可視化模型與智慧數字化施工運行理念在水電領域的擴展，越來越多的水電廠接受并采用數字化手段對施工質量、安全、水工運行等方面進行研究。

在智慧水電廠方面，周忠育、張仁貢[1]等人采用基于物聯網、移動互聯網云技術等技術開發了智慧水電云監管平臺，對農村水電的安全監管智能化建設進行了研究。陳效濤、李朝暉[2]等人從設備檢修的角度出發，給出了一種水輪發電機組搖擺式導葉主接力器的數字化模型建模方法。韓建東[3]等人以糯扎渡水電廠建設實踐為基礎，對大壩施工進度和質量進行控制的“數字大壩”系統進行全面分析，結合其應用過程，重點分析系統在倉面碾壓、碾壓超速方面的控制過程，認為該系統可以實時全面地對高心墻堆石壩進行施工過程有效控制。孫周輝[4]認為數字化系統使用后，在質量、進度控制上的貢獻非常突出:縮短了施工質量檢查的時間，優化了碾壓分區，提高了壩面平倉及碾壓設備的使用效率，施工質量大幅提高后，現場返工處理大幅度減少，由于系統的全過程監控，確保了大壩填筑碾壓質量，后續的大壩沉降得到了有效的控制，為后續高壩的建設提供了技術上的支撐和經驗積累，對后續在覆蓋層上建設高壩積累了非常重要的全過程數據。

在三維可視化仿真技術方面，鐘登華、宋洋[5，6]等人將引水工程空間數據(矢量數據、形體數據等)和各種屬性信息集成在一起,在這些數據庫的基礎上建立引水工程三維可視化仿真模型及模型庫，一定程度上實現了引水工程施工的三維可視化圖形仿真系統。唐穩、田斌[7]利用數字地形模型、三角網模型CAD實體建模等方法實現了水利樞紐工程施工全過程的三維仿真模擬。

目前三維可視化與仿真及數字化技術主要運行在水工部分結構（如大壩）的施工監測及部分機組（如水輪機）視覺展示方面，在全廠的運行綜合監測及實時監控方面尚無先例。本文主要從抽水蓄能電廠運行期可視化監控的角度，應用三維可視化與仿真技術，探討其建設及智慧應用研究。

1 工程概況

1.1 電廠概況

清蓄電廠位于珠江三角洲西北部，距廣州市直線距離75km。清蓄電廠位于西電東送的走廊，珠江三角洲負荷中心，接入系統靈活。清蓄電廠設計裝機容量1280MW（4×320MW），年發電量23.316億kW·h，年抽水耗電量30.283億kW·h，滿載發電9.1h，屬日調節純抽水蓄能電廠。

1.2 工程特點

清遠抽水蓄能電廠樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房洞室群及開關站、永久道路等部分組成，平均設計水頭470m，最大水頭502m。輸水系統采用一洞四機布置，縱剖面采用三級平洞加一級豎井及一級斜井，全長2767m。地下廠房由主機間、副廠房和安裝場3部分組成，開挖尺寸169.5m×25.5m×55.7m，與之相貫洞室有16余條。

2 圖形算法

2.1 LOD算法

LOD又稱為層次細節（(LevelOfDetail）[8],主要思想是通過算法和工具將原始三維模型進行多重處理，降低它的復雜度，同時需要保證簡化后的模型與原始模型有一定的相似度。

2.2 基于組合四面體的模型簡化LOD算法

本工程采用的是基于組合四面體的模型簡化LOD算法。該算法對四面體的幾何性質與特征進行了相關優化與改進。

2.2.1 算法實現步驟

（1）判斷頂點是否為公共頂點，默認公共頂點取第1個相鄰邊最多的點；

（2）判斷公共頂點相鄰3個頂點是否共線，若共線，分別選最小最大值的兩個頂點，再選取另一個與公共頂點相鄰的頂點作為第4個頂點，然后組合成四面體；

（3）根據四面體相關參數，計算公共頂點的3個權值因子及特征度；

（4）比較并篩選出特征度大的點，優先加入非移去頂點序列；

（5）對剩余頂點判斷，并作相關邊折疊處理；（6）重復以上步驟，直至簡化完成。

2.2.2 計算公式

圖1 組合四面體結構

（1）頂點的特征度權值公式：

其中，α、β都是取0～1之間的數值，且有α+β＜1，以便確保不會對簡化效果造成影響，可以靈活控制與調整簡化后模型的層次；dv表示頂點到組合四面體Tcom{v1,v2,v3,v4}底面的距離；Qθc表示底面法向量與公共頂點相鄰三角面片法向量夾角的均值；Hcuv表示公共頂點的高斯曲率。

這3個權值因子共同決定了頂點特征度大小，即在復雜模型中的凸顯程度。

（2）權值因子的詳細計算步驟

公共頂點到底面的距離公式為：

Qθc的計算式為：

其中θs為法向量與頂點相鄰三角形法向量夾角之和：

由式（5）、（6）可以看出，當底面法向量與頂點相鄰三角形法向量的夾角均值越接近于π/2時，θs越小，Qθc越大，因此頂點視覺特征越明顯。

在復雜模型中，通常利用高斯曲率[9、10]表示在頂點處的彎曲程度，平均曲率表示頂點相鄰三角面片的彎曲程度。在算法中，頂點曲率只需采用高斯曲率作為權值因子，這樣避免了求平均曲率而帶來多余的計算代價，其計算公式可表示為：

其中θp為頂點夾角：

（2）頂點的均值公式：

其中min(Kdeg）和max(Kdeg）分別表示特征度的最小、最大值。

如果某頂點的Kdeg＞Gavg，則說明該點的特征度比較大，即視覺特征比較明顯，應該對其標記并優先加入不可刪除序列中。

此外，為了調節模型的平滑過渡性，本算法還對頂點增加一個正負閾值ε：

閾值越大簡化效果越粗糙，反之越平滑，用以達到簡化效果的微調。

3 參數化模型建立

清遠抽水蓄能電廠大壩三維參數化建模主要包括地表傾斜攝影建模、水工樞紐建構筑物點云建模。

3.1 傾斜攝影建模技術

地表模型由傾斜攝影相機獲取垂直影像和傾斜影像，導入Smart3D中利用AT模塊進行空中三角測量，生成數字高程模型DEM，并疊加DOM作為紋理來表現地表真三維場景。

3.2 三維激光點云建模技術

采用三維激光掃描儀獲取空間信息數據，包括地面建構筑物結構尺寸、水庫壩體的上部結構等。①根據建構筑物的密集程度布設合適的掃描站點。②按照圖根控制點的精度要求實測掃描站點平面和高程坐標。③在RiScanPro中進行數據處理與拼接。④在3dMax中根據點云數據可以生成建構筑物外輪廓幾何模型，并貼上紋理精確反映建構筑物的顏色、質地、圖案和局部特征，紋理可來源于航片或相機照片。建模流程見圖2。

3.3 三維可視化建模成果

水工建筑物方面共收集建立115萬個面片，7105個模型。

管路機組方面，由水輪發電機組、球閥系統、調速系統、尾水事故閘門、金結系統、技術供水系統共6部分構成，總計約10萬個零部件。

圖2 三維激光點云建模流程

圖3 地表建構筑物建模成果

圖5 主機設備與管路建模成果

4 綜合平臺集成

綜合平臺采用的CityMaker三維驅動引擎，通過自帶和其他三維建模工具對水庫、水工設備、電氣設備、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，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。

系統顯示段采用DMS數字展示系統，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，提高了的空間感，展示效果更為生動、直接。

圖6 綜合平臺展示

5 智慧抽水蓄能電廠應用研究

5.1 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，提高漫游模型加載速度，實現了對抽水蓄能電廠的全景瀏覽。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。

5.2 信息可視化展示

平臺的核心是通過三維展示手段，將水庫、機組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，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。可以在三維場景中同時觸發不同種類的監測監視信息，全面的掌握水庫運行狀態。

5.3 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，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，提供更完善、全面的體驗（圖7）。

5.4 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，方便進行復查。

5.5 交互式操作模擬

平臺將復雜的設備運行操作（閘門開停機操作、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，結合相對應工作票流程提示，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，加深培訓效果。

5.6 設備拆裝模擬

平臺通過研發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，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（圖8）。

圖8 設備拆裝模擬

6 結語

本文在傳統三維可視化建模的基礎上，通過改良圖層建模算法，創新運用傾斜攝影及三維激光點云技術，二次開發CityMaker平臺并運用DMS數字展示系統，初步實現了智慧抽水蓄能電廠的建設工作。但在實時數據應用，客戶端體驗等方面尚在探索。

參考文獻：

[1] 周忠育，張仁貢.基于物聯網技術的智慧水電云監管平臺的設計與應用[J]．浙江水利水電學院學報，2016,28(3):69-76.

[2] 陳效濤，李朝暉.面向檢修的水電設備數字化建模[J]．電力系統自動化，2005，29（7）:79-83.

[3] 韓建東，張琛，肖闖.糯扎渡水電站數字大壩技術應用研究[J]．西北水電，2012(2):96-100.

[4] 孫州輝.數字大壩系統在長河壩電站大壩工程中的應用[J]．四川水力發電，2015，34（5）:139-143.

[5] 鐘登華，宋洋，劉東海,等.大型引水工程施工三維可視化仿真系統研究[J]．系統工程理論與實踐，2003(11):111-118.

[6] 鐘登華，宋洋.大型水利工程三維可視化仿真方法研究[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2004,16(1):121-128.

[7] 唐穩，田斌.水電工程施工的三維可視化仿真技術研究[J]．湖北水力發電，2004(4):23-25.

[8] 張宛方，蘇鴻根.3D模型LOD算法的研究及其OpenGL實現[J]．計算機工程與設計，2004,25(10):1790-1791.

[9] HOPPEH.View-dependentrefinementofprogressive meshes[J].Siggpaph,1997(8):189-198.

[10] HOPPEH.SmoothView-Dependantlevel-of-detail controland itsapplication to terrain rendering[C]//ProceedingsofIEEEVisualization,ResearchTrianglePark,WorthCarolina,1998:35-42.