“模型驅動+數據驅動”的水電站智能仿真系統研究與應用

劉 哲，宋 璇，賀曉強，黃 勇，桑杰才讓，焦信俊，胡金林，張子健，周 鵬

（1.青海黃河上游水電開發有限責任公司,青海 西寧 810001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 前言

“十四五”是實現碳達峰的關鍵期、推進碳中和的起步期,我國要實現碳達峰、碳中和的重大戰略目標,必須大力發展綠色能源[1-2]。其中,水電建設的大發展,對水電站運維人員的技能水平提出了更高要求[3]。隨著計算機技術的發展,計算機三維仿真培訓系統已成為水電站員工培訓的重要手段之一[4]。水電站的建設受環境限制較大,各水電站設備、設施差別較大,不像火電、核電等可以按照統一模型進行建設[5],因此水電站的培訓有較強針對性,需要定制建設。

韋妮恒針對大唐云南集控中心管控的發電廠站,通過二維系統仿真發電場站的各種運行工況,學員完成對仿真系統的監視、操作及故障事故處理等培訓學習,其監視和控制過程盡可能與現場實際情況一致[6]。陳新等以云南魯地拉水電站為例,用3ds MAX 建模,Unity3D 2017 開發水電站運維仿真培訓系統,實現了水電站三維場景漫游、機組各部件模擬拆裝、典型操作模擬等功能[7]。

隨著大數據、智能算法、虛擬現實技術和計算機仿真技術的發展,使水電站人員的培訓朝著數字化、智能化發展,但目前水電站仿真培訓缺少模型與數據相關聯的交互性。本文研究運用三維數字化動態模型與虛擬狀態的智能仿真技術,結合水電站在操作、檢修、安全等方面形成的知識、經驗、規程、規范,設計一套基于“模型驅動+數據驅動”的水電站智能仿真系統,構建全時空、全方位、多維度、沉浸式的水電站實時狀態虛擬場景,實現水電站運維過程的精確仿真和預演預報。

1 智能仿真系統總體設計

為使公伯峽水電站運維人員在電站三維數字化模型虛擬場景環境中對設備進行檢修拆裝作業,達到學習設備結構組成和拆裝工藝,指導實物拆裝的目的。通過還原典型事故及處理流程,讓用戶在虛擬環境中學習認知事故處理。通過直觀生動的檢修仿真提高對檢修培訓材料的理解和降低吸收難度,提高培訓效率和效果,設計開發一套基于“模型驅動+數據驅動”的水電站智能仿真系統。

1.1 系統技術路線

針對公伯峽水電站采用CATIA、Revit 等BIM 建模軟件構建靜態和動態模型,包括建筑模型、設備模型、水流模型、機械模型、電氣模型等,采用Maya、3dsmax 等三維建模軟件對模型進行紋理等后期處理。采用ORGE 引擎,基于HDRP的渲染技術優化展示效果,構建虛擬電站仿真系統的模型基礎。通過模型導入及管理,利用所有模型統一KKS 編碼、參數化控制及場景管理,實現數據驅動模型的動態虛擬仿真系統,物理電站與虛擬電站二三維完全對應,技術路線見圖1。

圖1 智能仿真系統技術路線

1.2 系統架構

考慮到系統的使用方式及運行情況,設計采用C/S 架構。系統從下而上共5 層,依次為：網絡層、數據層、服務層、應用層和終端層,系統架構見圖2。

圖2 智能仿真系統架構圖

（1）網絡層

目前公伯峽水電站已有網絡包括內網、有線局域網和無線局域網,本系統只是對電站進行仿真操作,無實際控制,因此內外網均可使用。

（2）數據層

數據層是電站采集到的數據,包括大量模型數據、靜態場景數據、動態場景數據、用戶數據、各用戶權限數據等多種數據。

（3）服務層

服務層將模型數據進行統一建模,研究設備之間的關聯和底層邏輯,并將靜態、動態數據掛接至模型,為系統的虛擬仿真提供全方位、多維度、沉浸式的基礎。

（4）應用層

應用層根據系統分為兩類：一類是系統基礎建設,包括系統接口、場景展示、靜態模型和動態模型；一類是智能仿真應用,包括基礎培訓、系統仿真、檢修培訓。

（5）終端層

終端層是面向最終用戶使用的設備,本系統僅采用電腦進行智能仿真培訓。

1.3 關鍵技術

將二維監控系統的邏輯仿真和三維虛擬電站的環境仿真相結合,開發不受時空限制,直觀便捷學習的仿真系統。

二維監控系統仿真采用Simulation 設計,Microsoft Visual C++6.0 開發,根據仿真監控系統底層邏輯,三維虛擬仿真通過3ds MAX 建模,ORGE 引擎開發,基于ORGE 自身渲染技術來展示效果,并采用模塊化流程開發。

基于“模型驅動+數據驅動”的仿真系統內核是數據與模型的關聯,將加密的模型文件DAT 解析進行可視化展示,獲取三維數字化模型的幾何信息與二維仿真信息,利用統一KKS 編碼一一映射,通過網絡通信聯動,實現智能仿真系統的二三維交互,利用數據驅動模型,動態模擬仿真全時空、全方位、多維度、沉浸式的虛擬水電站。

系統流程見圖3,先對模型的DAT 加密文件解析,配置文件加載,系統初始化,再加載OBJ、PIC、NET、SCENE 文件。

圖3 “模型驅動+數據驅動”智能仿真系統流程圖

首先對模型的DAT 加密文件解析,進行初始化,加載二進制程序文件NET 文件,根據程序集內容加載PIC 文件,PIC文件存儲數字圖像,獲取文件中存放的類型信息,形成初始化加載界面,再次對SCENE 文件加載,SCENE 文件中存放模型的關鍵位置信息、互動信息等,通過SCENE 文件對OBJ文件加載,用于Orge 三維引擎對模型渲染,最后在PC 端進行可視化界面展示。

利用二維教員平臺和二維學員平臺對三維仿真平臺進行“數據驅動+模型驅動”。

2 智能仿真系統功能

智能仿真系統主要分為三部分：基礎培訓、系統仿真和檢修培訓。基礎培訓為理論基礎,本文不再贅述。

2.1 系統仿真

按照監控系統上/下位機的實際功能,實現對各對象的監視與控制邏輯。模擬真實設備運行狀態,并將設備位置、角度、尺寸、顏色、透明度等模型物理屬性進行參數化控制；還原典型事故及處理流程,用戶在虛擬環境中學習認知事故處理。

在仿真系統中實現水輪發電機組的啟/停機虛擬仿真操作,達到啟/停機過程中技術供水閥門、液壓鎖錠、轉輪、發電機、導葉、發電機出口開關、風閘等的動態聯動運行及過水部件的水流動態展示,仿真物理電站機組啟/停流程所有控制邏輯。

2.2 檢修培訓

通過語音、文字、動畫及二三維互動等為培訓人員在虛擬電站設備三維精細化模型上提供結構、尺寸、裝配工藝等三維可視化信息,展現水輪發電機關鍵結構認知和主要設備的檢修裝配工藝流程學習,完成與物理電站一致的虛擬仿真電站的裝配、檢修流程學習,有效降低理解難度、提升培訓效率。

3 智能仿真系統應用

3.1 系統仿真應用

根據仿真監控系統底層邏輯,分別設計二維教員仿真平臺和二維學員仿真平臺,將二維數據與三維模型相結合,實現系統仿真應用。系統仿真范圍見表1。

表1 系統仿真范圍

二維教員仿真平臺見圖4,通過對機組啟/停機過程進行調速器、電路、油水氣管路故障設置,正確故障流程答案設置,對學員操作評分。

圖4 二維教員仿真平臺界面圖

二維學員仿真平臺見圖5,通過對二維平臺故障定位,包括電器接線圖、機組LCU、機組光字牌、系統圖等模塊。在三維虛擬仿真電站進行實地故障點查找,如圖6 所示,對當前故障分析,并選擇對應工器具如絕緣手套、護目鏡、安全頭盔、操作扳手、驗電棒等工具,對當前故障進行解決,實現對物理水電站的真實完整模擬。

圖5 二維學員仿真平臺界面圖

圖6 水輪機導葉狀態三維虛擬仿真界面圖

3.2 檢修培訓應用

檢修培訓界面見圖7～圖9。包括水輪發電機關鍵結構認知和檢修拆裝操作流程,培訓中通過講解、考題、報錯等功能實現二三維聯動直觀、逼真地虛擬仿真檢修培訓。

圖7 水輪發電機爆炸認知界面圖

圖8 機組檢修講解界面圖

圖9 機組培訓過程考題界面圖

4 結語

本文深入研究了“模型驅動+數據驅動”的水電站智能仿真系統,以公伯峽水電站為例,利用Simulation 二維仿真、Microsoft Visual C++6.0 開發、3ds MAX 三維數字化模型建設、Unity3D 三維仿真系統開發,將三維模型數據與二維監控系統信息一一映射,利用數據與模型關聯的二三維交互,最終實現了“模型驅動+數據驅動”的水電站智能仿真系統。

該系統實現了三維數字模型與數據的統籌管理和關聯、融合,形成一個電站、一個模型、一套數據,構建了全時空、全方位、多維度、沉浸式的水電站實時狀態虛擬仿真場景,降低培訓成本,提升互動性、安全性、有效性和可重復性,為公伯峽水電站安全、經濟運行提供有力支撐。