基于三維仿真技術(shù)的智慧水電廠應(yīng)用研究

萬 晟 ，劉學(xué)山 ，徐 斌 ，施 濤，陳世坤

（1.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠(yuǎn)511853;2.中冶集團(tuán)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(shù)字化施工運行理念在水電領(lǐng)域的擴展，越來越多的水電廠接受并采用數(shù)字化手段對施工質(zhì)量、安全、水工運行等方面進(jìn)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(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)等技術(shù)開發(fā)了智慧水電云監(jiān)管平臺，對農(nóng)村水電的安全監(jiān)管智能化建設(shè)進(jìn)行了研究。陳效濤、李朝暉[2]等人從設(shè)備檢修的角度出發(fā)，給出了一種水輪發(fā)電機組搖擺式導(dǎo)葉主接力器的數(shù)字化模型建模方法。韓建東[3]等人以糯扎渡水電廠建設(shè)實踐為基礎(chǔ)，對大壩施工進(jìn)度和質(zhì)量進(jìn)行控制的“數(shù)字大壩”系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，結(jié)合其應(yīng)用過程，重點分析系統(tǒng)在倉面碾壓、碾壓超速方面的控制過程，認(rèn)為該系統(tǒng)可以實時全面地對高心墻堆石壩進(jìn)行施工過程有效控制。孫周輝[4]認(rèn)為數(shù)字化系統(tǒng)使用后，在質(zhì)量、進(jìn)度控制上的貢獻(xiàn)非常突出:縮短了施工質(zhì)量檢查的時間，優(yōu)化了碾壓分區(qū)，提高了壩面平倉及碾壓設(shè)備的使用效率，施工質(zhì)量大幅提高后，現(xiàn)場返工處理大幅度減少，由于系統(tǒng)的全過程監(jiān)控，確保了大壩填筑碾壓質(zhì)量，后續(xù)的大壩沉降得到了有效的控制，為后續(xù)高壩的建設(shè)提供了技術(shù)上的支撐和經(jīng)驗積累，對后續(xù)在覆蓋層上建設(shè)高壩積累了非常重要的全過程數(shù)據(jù)。

在三維可視化仿真技術(shù)方面，鐘登華、宋洋[5，6]等人將引水工程空間數(shù)據(jù)(矢量數(shù)據(jù)、形體數(shù)據(jù)等)和各種屬性信息集成在一起,在這些數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)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(xiàn)了引水工程施工的三維可視化圖形仿真系統(tǒng)。唐穩(wěn)、田斌[7]利用數(shù)字地形模型、三角網(wǎng)模型CAD實體建模等方法實現(xiàn)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(shù)字化技術(shù)主要運行在水工部分結(jié)構(gòu)（如大壩）的施工監(jiān)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(jiān)測及實時監(jiān)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(jiān)控的角度，應(yīng)用三維可視化與仿真技術(shù)，探討其建設(shè)及智慧應(yīng)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(fù)荷中心，接入系統(tǒng)靈活。清蓄電廠設(shè)計裝機容量1280MW（4×320MW），年發(fā)電量23.316億kW·h，年抽水耗電量30.283億kW·h，滿載發(fā)電9.1h，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電廠。

1.2 工程特點

清遠(yuǎn)抽水蓄能電廠樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開關(guān)站、永久道路等部分組成，平均設(shè)計水頭470m，最大水頭502m。輸水系統(tǒng)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(xì)節(jié)（(LevelOfDetail）[8],主要思想是通過算法和工具將原始三維模型進(jìn)行多重處理，降低它的復(fù)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(zhì)與特征進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化與改進(jìn)。

2.2.1 算法實現(xiàn)步驟

（1）判斷頂點是否為公共頂點，默認(rèn)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(jù)四面體相關(guān)參數(shù)，計算公共頂點的3個權(quán)值因子及特征度；

（4）比較并篩選出特征度大的點，優(yōu)先加入非移去頂點序列；

（5）對剩余頂點判斷，并作相關(guān)邊折疊處理；（6）重復(fù)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(jié)構(gòu)

（1）頂點的特征度權(quán)值公式：

其中，α、β都是取0～1之間的數(shù)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(diào)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(quán)值因子共同決定了頂點特征度大小，即在復(fù)雜模型中的凸顯程度。

（2）權(quán)值因子的詳細(xì)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(dāng)?shù)酌娣ㄏ蛄颗c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(fù)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(quán)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(yīng)該對其標(biāo)記并優(yōu)先加入不可刪除序列中。

此外，為了調(diào)節(jié)模型的平滑過渡性，本算法還對頂點增加一個正負(fù)閾值ε：

閾值越大簡化效果越粗糙，反之越平滑，用以達(dá)到簡化效果的微調(diào)。

3 參數(shù)化模型建立

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

3.1 傾斜攝影建模技術(shù)

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

3.2 三維激光點云建模技術(shù)

采用三維激光掃描儀獲取空間信息數(shù)據(jù)，包括地面建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尺寸、水庫壩體的上部結(jié)構(gòu)等。①根據(jù)建構(gòu)筑物的密集程度布設(shè)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(biāo)。③在RiScanPro中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與拼接。④在3dMax中根據(jù)點云數(shù)據(jù)可以生成建構(gòu)筑物外輪廓幾何模型，并貼上紋理精確反映建構(gòu)筑物的顏色、質(zhì)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(fā)電機組、球閥系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、尾水事故閘門、金結(jié)系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)共6部分構(gòu)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(gòu)筑物建模成果

圖5 主機設(shè)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(qū)動引擎，通過自帶和其他三維建模工具對水庫、水工設(shè)備、電氣設(shè)備、安全監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行1：1三維建模，以三維模型為基礎(chǔ)，將電廠的三維空間信息與屬性數(shù)據(jù)有機結(jié)合，實現(xiàn)空間信息與各類屬性之間的一對多、多對多的關(guān)聯(lián)，在瀏覽三維場景中，可以通過點擊查詢、空間范圍查詢、區(qū)域查詢、條件查詢等手段，將模型中所關(guān)聯(lián)的信息提取，并以文字、表格、圖表、視頻、動畫的形式進(jìn)行展示。

系統(tǒng)顯示段采用DMS數(shù)字展示系統(tǒng)，所有信息的來源都是以三維模型瀏覽為觸發(fā)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(yīng)用研究

5.1 三維全景漫游

平臺基于實時動態(tài)三維數(shù)據(jù)加載技術(shù)，將海量的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式加載，提高漫游模型加載速度，實現(xiàn)了對抽水蓄能電廠的全景瀏覽?？梢员４媾d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(xì)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(jiān)測信息可視化分析與展示，目前抽水蓄能電廠的重點關(guān)注信息主要包含生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外圍環(huán)境信息（如壩體整體結(jié)構(gòu)、廊道應(yīng)力狀態(tài)、水庫水情信息等）和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，三維模型制作中根據(jù)需要關(guān)聯(lián)信息的種類，將構(gòu)筑物、設(shè)備、儀表、攝像頭、廊體等進(jìn)行單體化處理，通過后臺數(shù)據(jù)庫將模型唯一標(biāo)號與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一對多的關(guān)聯(lián)，可以通過監(jiān)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(jiān)測點信息?？梢栽谌S場景中同時觸發(fā)不同種類的監(jiān)測監(jiān)視信息，全面的掌握水庫運行狀態(tài)。

5.3 二、三維系統(tǒng)聯(lián)動

平臺在同一個場景下進(jìn)行二、三維聯(lián)動，平臺設(shè)計與生產(chǎn)系統(tǒng)一致二維信息展示界面，通過監(jiān)測點與三維模型的關(guān)聯(lián)，可以通過二維界面點擊監(jiān)控點與三維窗口互動展示，彌補監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維中展示邏輯性差的缺點，將二、三維的優(yōu)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(jiān)測預(yù)警

平臺將監(jiān)測歷史值分條件（溫度、濕度、氣壓、水位等）進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)保存，將實時數(shù)據(jù)與歷史相似工況下的測值進(jìn)行比較，判斷其“異?！鼻闆r，降低由于環(huán)境因素造成的數(shù)據(jù)浮動，若監(jiān)測到數(shù)據(jù)比較差異超過限定值，則會在三維模型上用紅色標(biāo)記，并在系統(tǒng)中進(jìn)行彈窗提示。所有異常信息將會在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)一記錄，方便進(jìn)行復(fù)查。

5.5 交互式操作模擬

平臺將復(fù)雜的設(shè)備運行操作（閘門開停機操作、維護(hù)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(xiàn)實技術(shù)，還原真實的操作環(huán)境，結(jié)合相對應(yīng)工作票流程提示，以三維可交互的操作方式（開關(guān)的操作、閥門的控制、機械的裝配等），在三維場景中進(jìn)行模擬訓(xùn)練，完成不同的演練腳本，從而達(dá)到操作全過程仿真的目的。同時平臺支持對員工的操作進(jìn)行打分評價，對錯誤的操作進(jìn)行回放和正確講解，能夠自動演示詳細(xì)的操作步驟，加深培訓(xùn)效果。

5.6 設(shè)備拆裝模擬

平臺通過研發(fā)Solidworks系列軟件二次開發(fā)接口，將其拆裝模擬演示模塊進(jìn)行功能的移植，通過加載服務(wù)器緩存的Solidworks高精度設(shè)備模型數(shù)據(jù)，在三維場景中選擇對應(yīng)模型，直接在線查看設(shè)備的精準(zhǔn)拆裝演示（圖8）。

圖8 設(shè)備拆裝模擬

6 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)三維可視化建模的基礎(chǔ)上，通過改良圖層建模算法，創(chuàng)新運用傾斜攝影及三維激光點云技術(shù)，二次開發(fā)CityMaker平臺并運用DMS數(shù)字展示系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了智慧抽水蓄能電廠的建設(shè)工作。但在實時數(shù)據(jù)應(yīng)用，客戶端體驗等方面尚在探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周忠育，張仁貢.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水電云監(jiān)管平臺的設(shè)計與應(yīng)用[J]．浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2016,28(3):69-76.

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

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

[4] 孫州輝.數(shù)字大壩系統(tǒng)在長河壩電站大壩工程中的應(yīng)用[J]．四川水力發(fā)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(tǒng)研究[J]．系統(tǒng)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(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2004,16(1):121-128.

[7] 唐穩(wěn)，田斌.水電工程施工的三維可視化仿真技術(shù)研究[J]．湖北水力發(fā)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(xiàn)[J]．計算機工程與設(shè)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.