智慧水利水電工程三維可視化技術(shù)與應(yīng)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(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著三維交互技術(shù)的不斷發(fā)展，三維可視化技術(shù)作為一種高效的展示與交互技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域由原來(lái)的航天、軍事、國(guó)土地質(zhì)等行業(yè)，越來(lái)越多的應(yīng)用到“智慧城市”“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運(yùn)維中[1]。三維可視化技術(shù)以其獨(dú)特生動(dòng)的三維模擬場(chǎng)景，為管理人員提供了全新的具有三維場(chǎng)景的人機(jī)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(jié)合人類(lèi)工程學(xué)和自然地理等環(huán)境科學(xué)的綜合性學(xué)科，其三維可視化表達(dá)和應(yīng)用需求與其他行業(yè)相比更加多元和復(fù)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(jié)構(gòu)模擬、小尺度的水力機(jī)電設(shè)備狀態(tài)及操作模擬，還可能包括諸多科研數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果模擬，例如水流演進(jìn)計(jì)算、洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、淹沒(méi)分析、地質(zhì)或地下水的仿真模擬等。目前已有的三維可視化產(chǎn)品，如GIS或BIM等商業(yè)產(chǎn)品，由于數(shù)據(jù)的開(kāi)放性不夠，難以加載專(zhuān)業(yè)的水利水電數(shù)據(jù)模型，很難滿足水利水電工程綜合性的數(shù)據(jù)分析和展示需求。且上述軟件使用和二次開(kāi)發(fā)的費(fèi)用昂貴，很難在水利水電領(lǐng)域大范圍推廣。

基于國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的適用于水利水電工程的三維數(shù)字化平臺(tái)，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自動(dòng)化所結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，在三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用方面不斷探索，經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，構(gòu)建出了一套水利水電工程專(zhuān)業(yè)的三維可視化平臺(tái)。本文將介紹該平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，并以大渡河智慧流域建設(shè)項(xiàng)目為例，討論涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案。

1 三維可視化平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)自下而上包含了OpenGL底層，三維封裝層、三維數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、地理信息服務(wù)層、控件與服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖1所示。

針對(duì)目前三維可視化軟件在水利水電領(lǐng)域存在的問(wèn)題，該平臺(tái)設(shè)計(jì)以O(shè)penGL（Open Graphics Library）為底層基礎(chǔ)。OpenGL作為一個(gè)跨編程語(yǔ)言、跨平臺(tái)的專(zhuān)業(yè)的圖形程序接口，具有功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖像庫(kù)，特別在高端專(zhuān)業(yè)的繪圖領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。以O(shè)penGL為平臺(tái)底層，可以較好地兼顧水利水電行業(yè)對(duì)三維可視化平臺(tái)的開(kāi)放性和專(zhuān)業(yè)性的需求。平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維封裝層，封裝了專(zhuān)業(yè)圖像程序接口OpenGL、三維引擎庫(kù)OSG（Open Scene Graph）等底層支持庫(kù)，通過(guò)派生、抽象等方式，支持三維渲染和多線程調(diào)度。

圖1 平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 Software architecture

三維數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要提供數(shù)據(jù)操作、空間計(jì)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(wù)層則集成了各種專(zhuān)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(méi)分析等數(shù)據(jù)管理和分析模塊，以及空間測(cè)量工具集，支持平臺(tái)數(shù)據(jù)展示，交互及分析功能。控件及服務(wù)層主要為上層的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供二次開(kāi)發(fā)的可視化界面和SDK包。業(yè)務(wù)應(yīng)用層可根據(jù)水利水電業(yè)務(wù)需求定制化開(kāi)發(fā)。

2 三維可視化平臺(tái)的空間模型與數(shù)據(jù)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(guān)注點(diǎn)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(shè)施的微觀精細(xì)管理，因此，三維可視化平臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)地理信息、建筑模型和精細(xì)設(shè)備模型的融合展現(xiàn)。其中，三維GIS（Geographic Information System）和BIM（Building Information Model）分別側(cè)重大范圍的地形地貌河道等相關(guān)地理信息和建筑物結(jié)構(gòu)等精細(xì)微觀信息的管理。這兩種技術(shù)初始應(yīng)用領(lǐng)域和需求不同，技術(shù)特點(diǎn)和模型數(shù)據(jù)格式差異大且獨(dú)立。GIS通常采用城市地理標(biāo)記語(yǔ)言數(shù)據(jù)模型而B(niǎo)IM通常采用工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)數(shù)據(jù)模型。在加載到三維可視化平臺(tái)時(shí)，需要對(duì)這兩類(lèi)設(shè)計(jì)軟件生成的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輕量化處理后保持一致的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及語(yǔ)義語(yǔ)法，然后在統(tǒng)一的三維可視化平臺(tái)上進(jìn)行建筑模型和地形的精確匹配，實(shí)現(xiàn)建筑模型和大尺度精細(xì)模型的無(wú)縫鑲嵌[2，3]。

圖2 平臺(tái)數(shù)據(jù)融合及功能應(yīng)用Fig.2 Data integration and function application

本平臺(tái)采用數(shù)據(jù)開(kāi)放式設(shè)計(jì)理念，封裝了多種類(lèi)形的數(shù)據(jù)接口及協(xié)議，采用插件的工作方式，可支持處理超過(guò)46類(lèi)模型格式，22類(lèi)圖片格式，實(shí)現(xiàn)包括GIS和BIM在內(nèi)的不同數(shù)據(jù)格式模型的加載和融合，將大尺度的地形數(shù)據(jù)以及高精度的建筑模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一于一個(gè)平臺(tái)，解決了GIS軟件和BIM軟件在水利行業(yè)應(yīng)用上的限制和不足，使得本平臺(tái)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(wù)領(lǐng)域。在大渡河智慧流域項(xiàng)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(guò)三維建模工具軟件建立的精細(xì)化模型相結(jié)合，在三維可視化平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建出了大渡河流域及流域范圍內(nèi)主要電站的虛擬運(yùn)行環(huán)境。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合

智慧水利水電最重要的標(biāo)志之一就是實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通以及融合共享。為了整合智慧化管理相關(guān)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)三維可視化數(shù)據(jù)平臺(tái)與其他信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，消除信息孤島，通過(guò)開(kāi)發(fā)與各信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并將業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維場(chǎng)景的交互操作、設(shè)備查詢、空間定位、仿真模擬等應(yīng)用。在大渡河智慧流域三維可視化平臺(tái)的解決方案中，系統(tǒng)支持多種來(lái)源的數(shù)據(jù)展示及分析查詢。除了平臺(tái)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)外，系統(tǒng)還可調(diào)取大渡河公司的云數(shù)據(jù)中心獲得如計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)分析系統(tǒng)、水調(diào)系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，以及水電廠仿真系統(tǒng)中的設(shè)備模型數(shù)據(jù)以及工況數(shù)據(jù)等，進(jìn)行展示分析。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了該流域水文信息、地理信息、水文測(cè)站、水工建筑物、電站運(yùn)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(shè)施工、水電廠運(yùn)營(yíng)管理等建設(shè)階段下各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

3 三維可視化的功能應(yīng)用

三維可視化作為一種在三維空間中表達(dá)對(duì)象復(fù)雜信息的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，輔助以實(shí)時(shí)人機(jī)交互技術(shù)，適用于智慧水利水電系統(tǒng)中對(duì)海量數(shù)據(jù)的直觀表達(dá)和多種信息的融合應(yīng)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(wù)領(lǐng)域的智慧化建設(shè)已具備一定基礎(chǔ)，利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行資源整合后，可實(shí)現(xiàn)以下多種業(yè)務(wù)的智慧管理應(yīng)用。

3.1 流域三維地理信息展示

依據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)，建立流域的三維地理信息模型，可從大尺度范圍內(nèi)真實(shí)展現(xiàn)流域地形及高程變化、河道信息等。結(jié)合水流演進(jìn)等數(shù)值模擬算法，展現(xiàn)水位漲落、洪水演進(jìn)過(guò)程，并根據(jù)汛限水位進(jìn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智慧決策功能，供流域應(yīng)急指揮決策、防汛會(huì)商使用[4，5]。同時(shí)，在流域三維數(shù)字模型中，也綜合展現(xiàn)了水雨情遙測(cè)站點(diǎn)信息、水電站大壩、公共安全機(jī)構(gòu)站點(diǎn)（醫(yī)院、消防、公安派出所等）等信息，實(shí)現(xiàn)流域數(shù)據(jù)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(jìn)過(guò)程示意圖Fig.4 A map of flood routing process

3.2 三維虛擬廠房及智能應(yīng)用

按照水電站設(shè)計(jì)圖紙資料、三維掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片、視頻等資料構(gòu)建廠房三維模型，三維模型在平臺(tái)引擎驅(qū)動(dòng)下生成與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致的虛擬化廠房。在三維虛擬廠房中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游或主動(dòng)漫游，讓技術(shù)人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施及環(huán)境[3]。

基于三維虛擬廠房及設(shè)備的精細(xì)化模型，三維數(shù)字化平臺(tái)也可作為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)及智能應(yīng)用系統(tǒng)的綜合人機(jī)交互系統(tǒng)。在瀑布溝水電站“智慧水電廠”建設(shè)中，我們將生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)智能巡檢機(jī)器人、智能安全風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成在三維平臺(tái)上，數(shù)據(jù)交互更為便捷、高效。

3.3 三維可視化資產(chǎn)管理

流域水電公司或電站都建立有設(shè)備資產(chǎn)信息庫(kù)，一般按照設(shè)備列表方式進(jìn)行管理與查詢。通過(guò)將設(shè)備的三維模型與設(shè)備編碼信息和設(shè)備資產(chǎn)信息庫(kù)設(shè)備一一對(duì)應(yīng)，平臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備臺(tái)賬信息，通過(guò)Web調(diào)用和二三維一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)詳細(xì)設(shè)備資產(chǎn)信息的查詢，如設(shè)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(shè)備臺(tái)賬信息Fig.5 Equipment ledger information

圖6 設(shè)備缺陷信息Fig.6 Equipment deficiency management

目前電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用二維界面，運(yùn)行人員通過(guò)點(diǎn)擊調(diào)用系統(tǒng)圖和事件表監(jiān)視電站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。在三維數(shù)字化廠房中，根據(jù)不同的運(yùn)行巡視人員設(shè)定相應(yīng)的巡視路線，在三維空間實(shí)時(shí)顯示儀表、閥門(mén)等運(yùn)行需要關(guān)注的信息。事故故障情況下，根據(jù)報(bào)警信息等級(jí)并結(jié)合當(dāng)前工況進(jìn)行三維視點(diǎn)智能定位，查看報(bào)警設(shè)備信息。通過(guò)三維數(shù)字化廠房中的監(jiān)控探頭，直接查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)視頻信號(hào)，可在三維空間對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查驗(yàn)。

3.5 三維可視化安全風(fēng)險(xiǎn)管控

水電廠在檢修、維護(hù)工作中，工作現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)多面廣、作業(yè)人員復(fù)雜，存在較多的交叉作業(yè)，面臨諸多現(xiàn)場(chǎng)安全管控風(fēng)險(xiǎn)。借助人員定位技術(shù)，對(duì)工作負(fù)責(zé)人和工作班成員長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)電子圍欄區(qū)域進(jìn)行報(bào)警提醒，對(duì)非工作成員的闖入，同時(shí)對(duì)闖入人員、工作負(fù)責(zé)人和值班成員進(jìn)行報(bào)警，防止誤操作，如圖7和圖8所示。在三維虛擬空間對(duì)全廠各工作面、工作人員進(jìn)行自動(dòng)巡回監(jiān)視并實(shí)現(xiàn)違章報(bào)警，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。

3.6 仿真培訓(xùn)

圖7 人員定位Fig.7 Personnel location

圖8 電子圍欄Fig.8 Electronic fence

流域梯級(jí)水電運(yùn)行目前大多設(shè)有集控中心，有較多沒(méi)有電站現(xiàn)地運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的值班人員對(duì)監(jiān)控的對(duì)象“只聞其名、不知其物”，在平時(shí)的運(yùn)行操作中只會(huì)“按部就班”，一旦出現(xiàn)緊急情況，缺少“隨機(jī)應(yīng)變”的能力。為此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)就會(huì)尤為重要，通過(guò)仿真培訓(xùn)，能使運(yùn)行維護(hù)人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、增強(qiáng)事故處理能力，提高優(yōu)化調(diào)度水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以大渡河流域?yàn)楸尘埃宫F(xiàn)了三維可視化技術(shù)在流域智慧化管理方面的建設(shè)思路及應(yīng)用效果。在以大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)為基礎(chǔ)的工業(yè)智慧化管理轉(zhuǎn)型和建設(shè)過(guò)程中，三維可視化技術(shù)對(duì)直觀表達(dá)海量數(shù)據(jù)，各種信息的融合和綜合展示，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)能效，減少人工數(shù)據(jù)解析成本方面具有積極意義。遵循智慧管理的建設(shè)思路和需求，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用還有很多領(lǐng)域亟待進(jìn)一步探索，如科研數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，三維模型的輕量化處理，與智慧決策系統(tǒng)融合，以及三維可視化平臺(tái)與智慧水利水電工程深入結(jié)合所涉及的其他問(wèn)題，將會(huì)是我們下一步研究方向和重點(diǎn)。