智慧水利水電工程三維可視化技術與應用研究

張衛(wèi)君，李亦凡，張 煦，張顯兵，劉德龍

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著三維交互技術的不斷發(fā)展，三維可視化技術作為一種高效的展示與交互技術，應用領域由原來的航天、軍事、國土地質等行業(yè)，越來越多的應用到“智慧城市”“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運維中[1]。三維可視化技術以其獨特生動的三維模擬場景，為管理人員提供了全新的具有三維場景的人機交互方式，為行業(yè)管理的信息化、智慧化以及仿真研究提供了新的手段，是行業(yè)智慧化管理的發(fā)展方向之一。

水利水電工程作為一種結合人類工程學和自然地理等環(huán)境科學的綜合性學科，其三維可視化表達和應用需求與其他行業(yè)相比更加多元和復雜，特別是流域性的水利水電工程，其模擬區(qū)域范圍不僅包含了大尺度的流域地形模擬、中尺度的水工建筑物結構模擬、小尺度的水力機電設備狀態(tài)及操作模擬，還可能包括諸多科研數值模型的計算結果模擬，例如水流演進計算、洪水預測預報、淹沒分析、地質或地下水的仿真模擬等。目前已有的三維可視化產品，如GIS或BIM等商業(yè)產品，由于數據的開放性不夠，難以加載專業(yè)的水利水電數據模型，很難滿足水利水電工程綜合性的數據分析和展示需求。且上述軟件使用和二次開發(fā)的費用昂貴，很難在水利水電領域大范圍推廣。

基于國內尚無成熟的適用于水利水電工程的三維數字化平臺，中國水利水電科學研究院自動化所結合自身優(yōu)勢，在三維虛擬現實技術應用方面不斷探索，經過多年研發(fā)，構建出了一套水利水電工程專業(yè)的三維可視化平臺。本文將介紹該平臺的技術特點，并以大渡河智慧流域建設項目為例，討論涉及的關鍵技術以及解決方案。

1 三維可視化平臺結構

該平臺自下而上包含了OpenGL底層，三維封裝層、三維數據訪問層、地理信息服務層、控件與服務層和業(yè)務應用層，如圖1所示。

針對目前三維可視化軟件在水利水電領域存在的問題，該平臺設計以OpenGL（Open Graphics Library）為底層基礎。OpenGL作為一個跨編程語言、跨平臺的專業(yè)的圖形程序接口，具有功能強大，調用方便的底層圖像庫，特別在高端專業(yè)的繪圖領域優(yōu)勢明顯。以OpenGL為平臺底層，可以較好地兼顧水利水電行業(yè)對三維可視化平臺的開放性和專業(yè)性的需求。平臺設計并實現了三維封裝層，封裝了專業(yè)圖像程序接口OpenGL、三維引擎庫OSG（Open Scene Graph）等底層支持庫，通過派生、抽象等方式，支持三維渲染和多線程調度。

圖1 平臺軟件結構Fig.1 Software architecture

三維數據訪問層主要提供數據操作、空間計算的支撐，以及平面方式和球體方式的三維地理空間支持。地理信息服務層則集成了各種專業(yè)功能和工具模塊，包括三維模型、植被、漫游路徑、地形修改、淹沒分析等數據管理和分析模塊，以及空間測量工具集，支持平臺數據展示，交互及分析功能。控件及服務層主要為上層的應用開發(fā)提供二次開發(fā)的可視化界面和SDK包。業(yè)務應用層可根據水利水電業(yè)務需求定制化開發(fā)。

2 三維可視化平臺的空間模型與數據融合

2.1 三維GIS和BIM模型融合

在智慧水利水電管理中，不同維度管理視角的覆蓋面和關注點差異很大，既包含流域整體信息的宏觀管理，也包含工程局部或某一設施的微觀精細管理，因此，三維可視化平臺應實現地理信息、建筑模型和精細設備模型的融合展現。其中，三維GIS（Geographic Information System）和BIM（Building Information Model）分別側重大范圍的地形地貌河道等相關地理信息和建筑物結構等精細微觀信息的管理。這兩種技術初始應用領域和需求不同，技術特點和模型數據格式差異大且獨立。GIS通常采用城市地理標記語言數據模型而BIM通常采用工業(yè)基礎類數據模型。在加載到三維可視化平臺時，需要對這兩類設計軟件生成的三維模型進行數據轉換，輕量化處理后保持一致的結構、參數及語義語法，然后在統一的三維可視化平臺上進行建筑模型和地形的精確匹配，實現建筑模型和大尺度精細模型的無縫鑲嵌[2，3]。

圖2 平臺數據融合及功能應用Fig.2 Data integration and function application

本平臺采用數據開放式設計理念，封裝了多種類形的數據接口及協議，采用插件的工作方式，可支持處理超過46類模型格式，22類圖片格式，實現包括GIS和BIM在內的不同數據格式模型的加載和融合，將大尺度的地形數據以及高精度的建筑模型數據統一于一個平臺，解決了GIS軟件和BIM軟件在水利行業(yè)應用上的限制和不足，使得本平臺的適用范圍得以大幅拓展，包括但不限于圖2所示的水利水電工程業(yè)務領域。在大渡河智慧流域項目中，我們將該流域的三維GIS模型、電站已有的BIM模型和部分通過三維建模工具軟件建立的精細化模型相結合，在三維可視化平臺的驅動下構建出了大渡河流域及流域范圍內主要電站的虛擬運行環(huán)境。

2.2 多源數據融合

智慧水利水電最重要的標志之一就是實現信息的互聯互通以及融合共享。為了整合智慧化管理相關業(yè)務，實現三維可視化數據平臺與其他信息業(yè)務系統的數據交互，消除信息孤島，通過開發(fā)與各信息業(yè)務系統通信接口，實現數據交互，并將業(yè)務系統數據與三維模型關聯，實現基于數據驅動的三維場景的交互操作、設備查詢、空間定位、仿真模擬等應用。在大渡河智慧流域三維可視化平臺的解決方案中，系統支持多種來源的數據展示及分析查詢。除了平臺構建的數據庫外，系統還可調取大渡河公司的云數據中心獲得如計算機監(jiān)控系統、在線監(jiān)測系統、生產管理系統、工業(yè)電視系統、消防監(jiān)控系統、狀態(tài)分析系統、水調系統、應急指揮系統、物資管理系統等各業(yè)務系統實時數據或歷史數據，以及水電廠仿真系統中的設備模型數據以及工況數據等，進行展示分析。針對不同的業(yè)務應用，在三維場景中實現了該流域水文信息、地理信息、水文測站、水工建筑物、電站運行及流域管理等多方面信息的綜合展示，以滿足智慧流域管理中涉及流域規(guī)劃、水利工程建設施工、水電廠運營管理等建設階段下各業(yè)務領域的應用需求。

3 三維可視化的功能應用

三維可視化作為一種在三維空間中表達對象復雜信息的數據可視化技術，輔助以實時人機交互技術，適用于智慧水利水電系統中對海量數據的直觀表達和多種信息的融合應用。大渡河公司在智慧流域方面的研究起步較早，在流域管理的各業(yè)務領域的智慧化建設已具備一定基礎，利用三維可視化技術進行資源整合后，可實現以下多種業(yè)務的智慧管理應用。

3.1 流域三維地理信息展示

依據測繪數據，建立流域的三維地理信息模型，可從大尺度范圍內真實展現流域地形及高程變化、河道信息等。結合水流演進等數值模擬算法，展現水位漲落、洪水演進過程，并根據汛限水位進行著色處理，如圖3和圖4所示，以表示出各電站的防汛薄弱點，實現智慧決策功能，供流域應急指揮決策、防汛會商使用[4，5]。同時，在流域三維數字模型中，也綜合展現了水雨情遙測站點信息、水電站大壩、公共安全機構站點（醫(yī)院、消防、公安派出所等）等信息，實現流域數據一張圖功能。

圖3 環(huán)境影響范圍示意圖Fig.3 A map of environmental impact area

圖4 洪水演進過程示意圖Fig.4 A map of flood routing process

3.2 三維虛擬廠房及智能應用

按照水電站設計圖紙資料、三維掃描數據，結合現場拍攝圖片、視頻等資料構建廠房三維模型，三維模型在平臺引擎驅動下生成與生產現場一致的虛擬化廠房。在三維虛擬廠房中，通過實現自動漫游或主動漫游，讓技術人員熟悉現場設備設施及環(huán)境[3]。

基于三維虛擬廠房及設備的精細化模型，三維數字化平臺也可作為各業(yè)務系統及智能應用系統的綜合人機交互系統。在瀑布溝水電站“智慧水電廠”建設中，我們將生產實時系統、工業(yè)電視系統智能巡檢機器人、智能安全風險管控系統等系統數據集成在三維平臺上，數據交互更為便捷、高效。

3.3 三維可視化資產管理

流域水電公司或電站都建立有設備資產信息庫，一般按照設備列表方式進行管理與查詢。通過將設備的三維模型與設備編碼信息和設備資產信息庫設備一一對應，平臺可實時顯示設備臺賬信息，通過Web調用和二三維一體化技術，實現詳細設備資產信息的查詢，如設備缺陷、圖紙資料信息等，如圖5和圖6所示。

3.4 三維可視化監(jiān)視與智能巡檢

圖5 設備臺賬信息Fig.5 Equipment ledger information

圖6 設備缺陷信息Fig.6 Equipment deficiency management

目前電站計算機監(jiān)控系統普遍采用二維界面，運行人員通過點擊調用系統圖和事件表監(jiān)視電站實時運行情況。在三維數字化廠房中，根據不同的運行巡視人員設定相應的巡視路線，在三維空間實時顯示儀表、閥門等運行需要關注的信息。事故故障情況下，根據報警信息等級并結合當前工況進行三維視點智能定位，查看報警設備信息。通過三維數字化廠房中的監(jiān)控探頭，直接查看生產現場工業(yè)視頻信號，可在三維空間對實時信息進行查驗。

3.5 三維可視化安全風險管控

水電廠在檢修、維護工作中，工作現場點多面廣、作業(yè)人員復雜，存在較多的交叉作業(yè)，面臨諸多現場安全管控風險。借助人員定位技術，對工作負責人和工作班成員長時間離開電子圍欄區(qū)域進行報警提醒，對非工作成員的闖入，同時對闖入人員、工作負責人和值班成員進行報警，防止誤操作，如圖7和圖8所示。在三維虛擬空間對全廠各工作面、工作人員進行自動巡回監(jiān)視并實現違章報警，實現安全風險的有效管控。

3.6 仿真培訓

圖7 人員定位Fig.7 Personnel location

圖8 電子圍欄Fig.8 Electronic fence

流域梯級水電運行目前大多設有集控中心，有較多沒有電站現地運行經驗的值班人員對監(jiān)控的對象“只聞其名、不知其物”，在平時的運行操作中只會“按部就班”，一旦出現緊急情況，缺少“隨機應變”的能力。為此，基于虛擬現實的仿真培訓系統就會尤為重要，通過仿真培訓，能使運行維護人員熟悉現場設備、增強事故處理能力，提高優(yōu)化調度水平。

4 結束語

本文以大渡河流域為背景，展現了三維可視化技術在流域智慧化管理方面的建設思路及應用效果。在以大數據+互聯網+云平臺為基礎的工業(yè)智慧化管理轉型和建設過程中，三維可視化技術對直觀表達海量數據，各種信息的融合和綜合展示，充分發(fā)揮數據能效，減少人工數據解析成本方面具有積極意義。遵循智慧管理的建設思路和需求，三維可視化技術的應用還有很多領域亟待進一步探索，如科研數學模型的實時動態(tài)模擬，三維模型的輕量化處理，與智慧決策系統融合，以及三維可視化平臺與智慧水利水電工程深入結合所涉及的其他問題，將會是我們下一步研究方向和重點。