水利工程集成管理框架研究

曾微波 王衛平 王本林 殷曉飛

摘要：為合理開發、高效利用水資源，提高區域水利工程集群的調度效率，在單個閘站調度管理的基礎上，將區域空間上分散的閘站納入統一調度管理范圍，提出了“以圖管站，圖站聯動”的水利工程集成管理模式。利用Web GIS技術整合公共地理框架數據體系“天地圖”及區域水利工程、河網、斷面等基礎數據，在此基礎上，利用Unity3D建立閘站三維仿真場景，設計了區域河網水利工程集成管理框架，為實現閘站集群統一調度提供了直觀決策參考，有效提高了閘站集群的調度效率和管理水平。

關鍵詞：Web GIS;Unity3D;水利工程;調度決策

中圖分類號：TV697.1 文獻標志碼：A

隨著可視化技術、仿真技術的發展，對水利工程調度過程進行仿真，為水利工程的調度管理開辟了新道路[1-2]，提高了水利工程運行與調度的信息化水平。同時，通過仿真試驗對比分析多種調度方案的運行效果，為水利工程的規劃設計及管理人員提供了科學的決策支持[3-4]。水利工程的仿真調度極大提升了水利工程閘站調度管理的信息化水平，但這僅限于單個水利工程站點的調度管理，從全局角度對空間位置分散但隸屬同一管理范圍的水利工程集群進行集成管理與統一調度所開展的研究和實施的應用相對較少。為此，根據蘇南地區河網密布，水利工程量大、面廣的實際情況，分析了利用Web GIS結合Unity3D開展水利工程集成管理框架研究與應用的可行性。通過獲取水利工程實時工況信息，與Unity3D場景對象進行同步，真實反映水利工程調度過程，并基于Web GIS統籌管理各水利工程閘站，為實現區域水利工程集群的集成管理與統一調度提供技術支持。

1 水利工程集成管理框架

本文論述的水利工程集成管理框架主要包括兩個方面的內容：一是以閘站三維仿真為基礎的單個閘站調度模擬，二是以Web GIS為基礎的閘站集群集成管理與統一調度。

1.1 基于Unity3D的閘站三維仿真

Unity3D是由Unity Technologies開發的專業游戲引擎[5-6]，由完整的圖形渲染系統、物理系統、音視頻系統、網絡系統、編輯器系統、圖形用戶接口、著色系統等多個子系統組成。Unity3D支持3DS Max、Maya、SketchUp等三維建模軟件的模型導入，可以方便地構建三維虛擬場景。集成的MonoDevel叩腳本編輯環境，允許開發人員編寫C#和Java Script兩種腳本訪問和控制游戲場景對象。良好的跨平臺特性可以將程序和場景打包，并發布到不同的操作系統平臺。綜合考慮水利工程仿真調度需求以及Unity3D平臺的諸多特性，采用Unity3D構建閘站三維模型實現閘站仿真及閘站調度的過程模擬。

導入由3DS Max構建的閘站場景精細三維模型，并為閘站場景中各主要設備模型的運行動作編寫控制腳本。通過設計閘站主控程序與閘站三維仿真場景的實時數據通信接口，為仿真場景提供實時工況和實時水情信息訪問通道。基于這樣的思路，閘站主控程序在進行閘門啟閉、水泵啟停等調度操作時，可通過實時數據訪問接口為閘站場景的過程模擬提供實時工況數據;閘站仿真場景通過數據訪問接口獲取閘站主要設備的實時工況及水情數據，并通過腳本控制場景對象，展現閘站調度過程和閘站內外河水位變化。

1.2 基于Web GIS的閘站集成管理

三維仿真解決了單個閘站調度過程的仿真模擬，在集成管理框架中引入Web GIS則為實現“以圖管站”提供了有效的技術手段。

（1）水利基礎地理與專題數據服務。通過WebGIS可將特定地理空間范圍或水利片區內分散的水利工程集成在一張基礎底圖上進行統一管理。實際應用中，基礎底圖可采取影像地圖服務+專題地圖服務的組合。影像地圖服務可采用國家測繪地理信息局建設的國家地理信息公共服務平臺“天地圖”[7]。“天地圖”運行于互聯網、移動通信網等公共網絡，以門戶網站和服務接口兩種形式向公眾、企業、專業部門、政府部門提供24h不間斷的地理信息服務。同時，“天地圖，給開發者提供了免費且功能強大的Java ScriptAPI，開發者可利用“天地圖”API調用基礎地理信息服務，包括“天地圖”服務提供的影像圖、地形圖等[8]。將“天地圖”提供的影像圖作為基礎，參照國家基礎地理信息建設相關規范，結合多站集成管理與統一調度的需要，建立了除基礎地理信息之外的其他專題信息，內容主要包括河道、河段、河道中心線、斷面、節點、流向、監測站點、泵站、水閘等。這些信息以專題地圖服務的形式與“天地圖”影像地圖服務疊加，為集成管理框架提供基礎地圖服務。

（2）閘站工況多尺度SVG符號表達。SVG即可升級矢量圖形，是由World Wide Web Consortium（W3C）組織制定的一種開放標準的文本式矢量圖形規范。SVG是一種使用XML來描述二維圖像的語言，也是一種全新的矢量圖形規范[9]。SVG提供超鏈接功能并定義了豐富的事件。通過腳本編程，訪問SVG DOM的元素和屬性即可響應特定的事件，使SVG具有動態交互的性能。相比于傳統的地圖符號，基于SVG的地圖符號具有可讀性強、符號清晰、加載速度快、網絡傳輸消耗小等特點[10-12]。

不同比例尺的閘站運行狀態信息可通過XML文件進行配置。通過定義不同尺度下閘站工況的XML格式，結合實時工況和水情訪問接口獲取的閘站工況，在Web GIS地圖上利用動態圖層對閘站基本信息和實時工況進行SVG符號化表達，從而實現在一張底圖上縱覽管轄范圍內所有閘站的實時運行狀況。閘站工況多尺度SVG符號表達效果見圖1～圖3。

在1：15000的小比例尺下，閘站的運行簡況只顯示閘站內外河水位及附屬閘控設備運行情況;比例尺放大到1：10000，閘站運行工況信息則包含了閘站內外河水位、主控設備運行狀態及主控設備的電流、電壓、功率及閘門開度等信息;當比例尺放大到1：5000時，閘站運行工況除顯示上述信息外，還加載視頻探頭、網絡狀態和設備報警狀態等信息。

基于SVG符號的多尺度閘站工況表達可取代傳統水利工程網絡地圖中靜態符號的表達方式，使符號與所表征的地理對象建立實時屬性關聯，為特定區域閘站集群的統一管理提供了一種新的途徑。

1.3 系統框架體系結構

考慮到系統安全及實時調度的需要，集成管理框架基于客戶機/服務器架構進行設計，并按照單站控制與集成管理相結合的模式構建單站控制系統和集成管理系統。單站控制系統集成閘站三維仿真和閘站調度系統實現閘站調度操作及調度過程模擬，并通過實時工況與水情數據接口更新實時工況。集成管理系統一方面通過系統內置的ArcGIS MapControl組件加載區域影像地圖服務，并疊加SVG符號實現區域閘站集群的統一管理;另一方面以區域河網劃分的河段數據及實時工況、水情信息為基礎，通過河段水質的符號渲染及水量過程線模擬區域河網的水質、水量變化過程，從而為區域河網水資源調度決策提供參考。

實際部署時，將集成管理系統和單站控制系統分別部署在調度管理中心及所屬各閘站。集成管理系統可通過SVG符號綁定各單站控制系統進行調度監控，各閘站通過單站控制系統進行閘站日常調度，系統架構見圖4。

基礎地理數據和水利工程專題數據疊加“天地圖”影像為閘站集成管理框架提供基礎地圖服務，單站調度控制系統通過實時工況與水情數據接口更新實時工況。實時工況與水情數據接口為單個閘站的調度過程模擬與地圖中SVG閘站符號渲染提供工況信息，同時為區域河網的水量和水質過程模擬提供實時數據。

2 水利工程閘站仿真

2.1 閘站三維仿真

（1）閘站建模。閘站建模可以利用Unity3D的建模功能實現，也可以導入由Maya、SketchUp、3DS Max等三維模型制作軟件制作的模型。本文以閘站工程開工建設的CAD圖件為基礎，利用3DS Max進行閘站和附屬設備精細建模，并將現場拍攝的閘站實體外墻、附屬設施外立面等照片作為場景對象的紋理貼圖。建模完成后，將模型整體導出成FBX格式文件，連同紋理貼圖一并導入Unity3D場景中，導入后的閘站三維場景見圖5。

（2）仿真模擬。閘站的仿真包括場景控制、閘站設備運行模擬、內外河水位模擬。考慮閘站的不同類型、規模及閘站內外河過水的不同特點，設計了幾種場景控制腳本，包括場景平移、場景旋轉和視域控制。除場景控制外，閘站主要設備需要通過編寫相應的腳本進行動作控制以模擬閘門的升降、旋轉，水泵的啟停等。內外河水面采用Unity3D自帶的水面插件制作，閘門開閘放水采用Unity3D粒子系統進行模擬。

（3）場景發布。Unity3D支持多種平臺的場景發布，包括Mac OS、BlackBerry、Windows、Android及瀏覽器發布等。考慮到與閘站調度控制系統的集成部署，將閘站場景以瀏覽器模式進行發布，發布后的場景包含一個場景訪問的html頁面和打包的場景文件。

2.2 Web GIS與Unity3D一體化

Web GIS地圖以動態圖層的方式將所有閘站的實時狀態通過SVG符號進行渲染，每個SVG符號可通過閘站代碼與閘站調度控制系統建立關聯，單個閘站的調度控制系統通過內置.Net Framework瀏覽器組件和Unity3D的WebPlayer插件加載閘站三維場景進行閘站調度控制與過程模擬。Web GIS地圖顯示了管理范圍內所有水利工程運行的工況摘要和當前河網實時水情信息。單擊Web GIS地圖中的SVG閘站符號，可加載對應閘站的詳細工況和調度信息，如主要設備電流、電壓、功率，以及水位過程數據、水量統計數據、內外河水位監測數據和閘站預警信息等;雙擊閘站SVG符號，可進入集成了仿真場景的閘站調度控制系統。

3 閘站調度過程模擬與輔助決策

閘站工況格式可基于XML進行自定義。閘站模型導入后，在Unity3D自帶的腳本編輯環境MonoDevelop中，利用C#腳本對場景中的對象進行腳本編程，以實現閘站設備的狀態反饋。閘站設備的調度過程模擬主要包括閘門啟閉、水泵啟停以及內外河實時水位變化等。閘站三維場景通過實時工況與水情數據接口讀取由閘站控制程序更新的工況信息，利用Unity3D協程技術，對實時工況數據進行解析，并調用場景中編寫好的閘站對象控制腳本同步場景對象的空間坐標和歐拉角及其他狀態信息，從而實現閘站設備的調度過程模擬。

Web GIS與Unity3D一體化集成主要目的是實現區域水利工程集群的集成管理與統一調度，并利用Web GIS反饋調度結果以輔助調度決策。一方面，區域內單站調度以三維場景為基礎，調度過程在場景中進行仿真模擬，方便調度執行者全方位實時觀察調度執行情況;另一方面，利用Web GIS地圖，為水利工程調度提供實時水情信息，從而獲得閘站調度在特定區域范圍的調度效果，如區域河網的實時水質、實時水位等，為輔助閘站調度決策提供參考。

區域河網水質水量變化過程是進行水利工程調度決策的主要依據。傳統的水質水量變化過程一般采用過程線表達，為更直觀、清晰地展示水利工程調度效果，將高分辨率遙感影像切片地圖服務作為底圖，利用Web GIS符號模擬水利工程調度對區域河網水質產生的影響。

（1）水質過程動態模擬。對于一維河網，首先，假定同一斷面水質監測因子濃度值相同，結合河段與斷面的空間關系，用斷面數據對河段進行打斷處理，兩個概化斷面之間形成一段模擬河段作為水質渲染單元;然后，依據水質評價標準制定區域河網各主要水質監測因子的濃度所對應的顏色標準;再次，根據河流流向，自動匹配各河段起止斷面顏色，并確定起止斷面水質監測因子濃度對應的顏色值;最后，采用線性內插算法對斷面間的河段填充顏色進行插值處理，實現相鄰斷面間水質的連續變化。水質模擬實現過程中，依據斷面編號提取某個時間點相鄰斷面各自的水質數據，通過重寫SimpleFillSymbol類，自動配置開始斷面、結束斷面的顏色值，對相鄰斷面構成的河段進行漸變渲染，從而實現某個時點河段的水質表達。

按照上述思路，Web GIS客戶端通過請求同一時點所有監測斷面的水質遙測數據，并利用不同時點的水質數據刷新河網所有河段的填充符號，從而實現區域河網水質過程的動態模擬。水質過程連續變化的渲染效果見圖6～圖8，其中水質監測因子濃度上限和下限對應的RGB值，采用過渡色帶的方式表征。

（2）閘站調度輔助決策。區域河網閘站集群的調度輔助決策主要依據區域河網實時水情及各閘站實時工況。集成管理框架通過對河網閘站集群的統一管理及區域河網水資源的動態模擬為閘站集群的統一調度提供直觀的決策參考。通過集成管理框架，可獲得區域河網閘站調度的實時反饋，這種反饋主要體現在兩個方面：一是閘站三維場景中水泵、閘門等主要設備的工況和內外河水位的變化過程仿真模擬;二是河網水質變化過程的Web GIS符號動態渲染。集成管理框架還可將區域河網各遙測站點的流量及水位變化過程信息通過實時水情與工況數據接口進行展示，為區域河網閘站集群的統一調度提供決策依據，達到“圖站聯動”的調度效果。

4 結語

利用Unity3D三維仿真技術與閘站調度控制系統進行集成應用，解決了以往單純依靠水利工程自動控制系統或現地操作進行調度帶來的不便，同時為閘站調度的過程控制提供了直觀依據。基于Web GIS技術將區域地理空間上分散的閘站進行集中管理和統一調度，通過閘站調度的過程模擬、水量變化過程的實時展現、河網水質的動態模擬全方位展現閘站調度對區域河網水資源產生的影響，為閘站集群的統一調度提供決策參考。

通過融合Web GIS技術Unity3 D技術及閘站調度控制系統的特點，設計并完成了水利工程集成管理框架，并成功應用于蘇南某地區閘站集群的統一調度與管理實踐。由此可見，將Web GIS、Unity3D技術與閘站調度控制系統進行集成，實現區域水利工程集群集成管理與統一調度是切實可行的。

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