三維可視化技術(shù)在水電站設(shè)備管理中的應(yīng)用研究

胡海龍，常 龍，王欣欣，余忠偉，溫國(guó)強(qiáng)，楊高飛

（1.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽蕪湖市 241000；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.北京許繼電氣有限公司，北京市 100085；4.北京睿呈時(shí)代信息科技有限公司，北京市 100015）

0 引言

水電站設(shè)備管理方法停留在臺(tái)賬式管理階段，圍繞設(shè)備出入庫(kù)登記、設(shè)備規(guī)格信息記錄、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)表單管理等[3]，而且常規(guī)的方法大多對(duì)設(shè)備的資料以CAD圖紙或?qū)傩晕臋n進(jìn)行各自存儲(chǔ)管理，這種管理方式難以將設(shè)備及部件間的邏輯關(guān)系、設(shè)備的空間位置信息進(jìn)行直觀描述，并且設(shè)備與設(shè)備臺(tái)賬屬性信息也難以對(duì)應(yīng)，從而無(wú)法完整的對(duì)設(shè)備從安裝、使用、維護(hù)、報(bào)廢的全生命周期進(jìn)行管理。

通過(guò)建立水電站三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)，以三維建模方式立體呈現(xiàn)設(shè)備全貌，并將設(shè)備細(xì)化建模至零部件級(jí)別，并將每個(gè)零部件關(guān)聯(lián)設(shè)備基礎(chǔ)屬性、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備檢維修等業(yè)務(wù)信息，為設(shè)備管理提供直觀的表現(xiàn)平臺(tái)，提高設(shè)備檢維修效率；同時(shí)通過(guò)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作手冊(cè)的可視化，讓運(yùn)維人員熟悉設(shè)備裝配流程、檢維修工序，從容應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中可能發(fā)生的設(shè)備搶修事件，提高設(shè)備可靠率，最大限度的較少因停工停產(chǎn)造成的財(cái)產(chǎn)損失。

1 水電站設(shè)備管理發(fā)展的信息化趨勢(shì)

水電站傳統(tǒng)的設(shè)備管理方式從最初的臺(tái)賬式管理（紙質(zhì)檔案）、數(shù)字化管理（電子化）到信息化管理（HPMS系統(tǒng)等）等幾個(gè)階段[4]。目前對(duì)設(shè)備的信息化管理也是基于網(wǎng)頁(yè)的臺(tái)賬管理，各項(xiàng)數(shù)據(jù)只是“存在”于數(shù)據(jù)庫(kù)中，不易直觀理解和傳達(dá)，給相應(yīng)的設(shè)備維修維護(hù)管理、設(shè)備培訓(xùn)及資產(chǎn)管理等工作帶來(lái)難度。

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維精細(xì)化建模、可視化等技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)和GIS結(jié)合的設(shè)備管理應(yīng)用已經(jīng)在資產(chǎn)密集型企業(yè)中逐漸展開(kāi)。為適應(yīng)企業(yè)設(shè)備現(xiàn)代化管理要求，進(jìn)一步提升設(shè)備管理、設(shè)備培訓(xùn)、檢維修管理水平，更好地為水電站發(fā)展及經(jīng)濟(jì)效益服務(wù)，亟需一套可視化設(shè)備管理系統(tǒng)，以信息化管理平臺(tái)為手段，充分利用企業(yè)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，夯實(shí)設(shè)備基礎(chǔ)管理，提升設(shè)備專業(yè)管理，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備管理的“標(biāo)準(zhǔn)化，專業(yè)化，系統(tǒng)化”。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體構(gòu)架（見(jiàn)圖1）采用多層結(jié)構(gòu)，基于三維可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)的水電站三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)將水電站周邊50km2內(nèi)大范圍空間地理信息、水電站內(nèi)地上上下水庫(kù)、開(kāi)關(guān)站及地下水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備精細(xì)三維模型融合，同時(shí)基于設(shè)備位置關(guān)聯(lián)設(shè)備運(yùn)行及檢修全過(guò)程工單數(shù)據(jù)，為水電站全息化場(chǎng)景管理、設(shè)備可視化管理、生產(chǎn)運(yùn)行可視化應(yīng)用提供有效的支撐服務(wù)。通過(guò)提供的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外接口和功能方法調(diào)用，將未來(lái)更多的業(yè)務(wù)擴(kuò)展能借助平臺(tái)提供的各類服務(wù)快速完成。

圖1 總體架構(gòu)圖Figure 1 Architecture diagram

2.1.1 數(shù)據(jù)組織管理

數(shù)據(jù)組織管理實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)全息平臺(tái)數(shù)據(jù)的組織與管理，為應(yīng)用層提供有效的數(shù)據(jù)支撐。包括數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)重組與數(shù)據(jù)發(fā)布。

2.1.2 引擎層

實(shí)現(xiàn)VR 技術(shù)、空間GIS技術(shù)與模擬仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[5]，可以以二/三維的方式對(duì)地理信息進(jìn)行全息顯示。

2.1.3 基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)為基礎(chǔ)應(yīng)用及二次開(kāi)發(fā)提供顯示、計(jì)算、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理服務(wù)。

2.1.4 通用功能模塊

通用功能組件包括漫游瀏覽、空間分析、場(chǎng)景管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理與系統(tǒng)配置。

2.1.5 典型應(yīng)用服務(wù)模塊

典型應(yīng)用服務(wù)模塊是為具體業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支持，保障平臺(tái)具備三維業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力，縮短業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期，包括管線漫游、監(jiān)測(cè)報(bào)警、事故模擬等應(yīng)用服務(wù)。

2.2 技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)拓?fù)溥壿?/p>

三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)基于可視化技術(shù)、GIS技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，采用B/S+C/S體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合了ASP技術(shù)，并將組件技術(shù)COM+和ActiveX技術(shù)分別應(yīng)用在服務(wù)器端和客戶端。表現(xiàn)層由ASP頁(yè)面組成，用以實(shí)現(xiàn)Web頁(yè)面顯示和調(diào)用COM+組件，業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問(wèn)由一組用VC實(shí)現(xiàn)的COM+組件構(gòu)成。為了便于維護(hù)、升級(jí)和實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，又將業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層分離，ASP頁(yè)面不直接調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，而是通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)。一些需要用Web處理的、滿足大多數(shù)訪問(wèn)者請(qǐng)求的功能界面采用B/S結(jié)構(gòu)。如此處理，可充分發(fā)揮各種模式的優(yōu)越性，避免了B/S結(jié)構(gòu)在安全性、保密性和響應(yīng)速度等方面的缺點(diǎn)以及C/S結(jié)構(gòu)在維護(hù)和靈活性等方面的缺點(diǎn)。

為了能夠提供更加靈活的系統(tǒng)部署方式和使用方式，同時(shí)適應(yīng)水電站不斷發(fā)展變化的其他業(yè)務(wù)需求，需要發(fā)揮C/S+B/S模式的易擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)的靈活性。

因此，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)采用基于Internet/Intranet 通信方式的C/S+B/S相結(jié)合的架構(gòu)模式，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)溥壿媹DFigure 2 System topology

系統(tǒng)具有二維和三維兩種界面操作：

（1）裝有C/S客戶端的用戶可以實(shí)現(xiàn)全部三維場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)功能，同時(shí)可以與B/S模式提供的網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面進(jìn)行交互，點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)上的設(shè)備記錄能夠觸發(fā)三維場(chǎng)景自動(dòng)定位顯示該設(shè)備，而點(diǎn)擊場(chǎng)景里的設(shè)備又可以觸發(fā)網(wǎng)頁(yè)顯示該設(shè)備的屬性記錄和詳細(xì)信息。

（2）沒(méi)有安裝C/S客戶端的用戶，通過(guò)Internet瀏覽器就能以網(wǎng)頁(yè)的形式查詢?yōu)g覽水電站整體分布、站場(chǎng)平面圖等各類二維信息，同時(shí)可以進(jìn)行各類量算、檢索、標(biāo)繪等操作。

2.2.2 系統(tǒng)集成架構(gòu)（見(jiàn)圖3）

系統(tǒng)集成通過(guò)WebServices接口服務(wù)，基于符合標(biāo)準(zhǔn)的SOAP協(xié)議，HPMS管理系統(tǒng)提供Web服務(wù)數(shù)據(jù)交換接口，滿足三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)接口數(shù)據(jù)的調(diào)用；提供客戶端API，調(diào)用方式更加方便，通過(guò)封裝的客戶端組件，還可以在整個(gè)數(shù)據(jù)交換過(guò)程中提供透明的數(shù)據(jù)壓縮和加密。

三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)集成HPMS系統(tǒng)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)包含設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)和設(shè)備樹(shù)1～5級(jí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包含設(shè)備工單和設(shè)備日常檢維修信息，設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含設(shè)備有功、無(wú)功、電壓、電流實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)?；谌S設(shè)備設(shè)施模型將靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)至模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一站式獲取與可視化呈現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)集成架構(gòu)Figure 3 Integrated architecture

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 采用虛擬仿真與空間GIS融合技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)真實(shí)的畫面，仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生活中的各種現(xiàn)象模擬和推演，虛擬仿真將二者結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上對(duì)水電站地上地下設(shè)備設(shè)施進(jìn)行模擬和顯示[6]，通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站日常真實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)的模擬，同時(shí)以三維立體影像和量化信息的形式表現(xiàn)出這些生產(chǎn)活動(dòng)的全過(guò)程，從而增強(qiáng)展示設(shè)備管理效果。

2.3.2 采用三維場(chǎng)景自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)

水電站三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)提供一套設(shè)備模型的自動(dòng)組裝工序，能將設(shè)備模型各部件自動(dòng)進(jìn)行組裝，根據(jù)設(shè)備模型各部件的尺寸和比例，進(jìn)行部件的放大或縮小、旋轉(zhuǎn)等，將模型部件自動(dòng)組裝成與現(xiàn)實(shí)世界設(shè)備大小比例、外觀形狀等一致的設(shè)備模型[7]，快速構(gòu)建三維場(chǎng)景。

2.3.3 采用多源信息整合與數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

系統(tǒng)采用中間層模式以統(tǒng)一的全局?jǐn)?shù)據(jù)模型對(duì)異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)、遺留系統(tǒng)、Web資源等進(jìn)行訪問(wèn)。中間層位于各種數(shù)據(jù)源和應(yīng)用程序之間，向下對(duì)各數(shù)據(jù)源起協(xié)調(diào)作用，向上為訪問(wèn)集成數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)訪問(wèn)的通用接口[8]。各數(shù)據(jù)源的應(yīng)用依然完成它們的任務(wù)，中間層則主要集中向各種數(shù)據(jù)源提供高層次檢索服務(wù)。中間層以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)邏輯視圖方式將底層的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)予以隱藏，使得集成數(shù)據(jù)源為一個(gè)單一整體。

2.4 應(yīng)用功能

2.4.1 全息化場(chǎng)景管理

（1）地理信息數(shù)據(jù)支持與管理。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種類型和不同精度的GIS數(shù)據(jù)（DLG、DOM、DEM數(shù)據(jù)）的加載和融合顯示，構(gòu)建水電站三維全息化場(chǎng)景，真實(shí)展現(xiàn)水電站及其周邊的地形地貌、行政區(qū)劃、居民區(qū)、道路、河流等豐富的地理環(huán)境信息，支持GIS默認(rèn)圖層與自定義圖層控制，可任意選擇顯示或隱藏。

（2）水電站設(shè)備設(shè)施三維可視化展示。

系統(tǒng)根據(jù)水電站設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)成果和施工圖建立了與現(xiàn)實(shí)情況高度一致的水電站大壩、廠房、設(shè)備及地下隱蔽工程。宏觀上能夠展現(xiàn)整個(gè)響水澗抽水蓄能電站整體狀況，微觀上可以進(jìn)入水電站地下三維場(chǎng)景，具體查詢地上部分廠房?jī)?nèi)部設(shè)備設(shè)施，地下水輪機(jī)組及管線等隱蔽工程及設(shè)備設(shè)施的詳細(xì)屬性信息。

針對(duì)水電站地下埋設(shè)的管線進(jìn)行可視化構(gòu)建，并對(duì)地下管線進(jìn)行分類分級(jí)，支持點(diǎn)擊相應(yīng)管線設(shè)施在三維場(chǎng)景中定位查看。對(duì)于這些埋地管線，支持以俯視剖切、側(cè)面剖切和自定義剖切等多種方式展現(xiàn)具體某段管線在地下埋設(shè)的情況，并可關(guān)聯(lián)相應(yīng)檢維修知識(shí)。

圖4 水電站周邊宏觀場(chǎng)景Figure 4 Macro scenario

圖5 水電站上水庫(kù)場(chǎng)景Figure 5 Scene of upper reservoir

圖6 水電站大壩三維場(chǎng)景Figure 6 Dam scenario

圖7 水電站水輪機(jī)設(shè)備三維模型Figure 7 Turbine model

圖8 水電站地下管線交互定位查詢Figure 8 Pipeline cross relationship

圖9 水電站三維全景漫游Figure 9 Scene roaming

（3）水電站全景漫游。

以水電站三維可視化場(chǎng)景為依托，通過(guò)時(shí)間軸的方式全方位、多視角、立體化可視化呈現(xiàn)水電站地上大壩及建筑、地下設(shè)備及其他附屬設(shè)施的三維場(chǎng)景信息。

2.4.2 設(shè)備完整性可視化管理

（1）設(shè)備臺(tái)賬可視化管理。

設(shè)備臺(tái)帳管理主要是對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)并記錄設(shè)備的各種信息，如設(shè)備名稱、規(guī)格型號(hào)、技術(shù)參數(shù)、使用年限等。系統(tǒng)分類管理水電站內(nèi)的設(shè)備設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備設(shè)施的地理位置、基本屬性（如設(shè)備名稱、型號(hào)規(guī)范、安裝位置、錄設(shè)備安裝、調(diào)試及投產(chǎn)記錄）等信息進(jìn)行查詢。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備編輯器動(dòng)態(tài)編輯設(shè)備屬性信息。

對(duì)水電站內(nèi)各類設(shè)備（如水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等）工藝參數(shù)屬性信息，實(shí)現(xiàn)自由靈活地鼠標(biāo)點(diǎn)選查詢、列表查詢及模糊查詢。通過(guò)動(dòng)態(tài)標(biāo)牌等方式立體展示設(shè)備屬性信息，為人員了解站內(nèi)設(shè)備情況提供便捷的可視化途徑。

圖10 水電站水輪機(jī)設(shè)備信息可視化Figure 10 Equipment information visualization

（2）設(shè)備維檢修信息管理。

為便于直觀了解設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，系統(tǒng)應(yīng)能夠利用三維特效，將設(shè)備內(nèi)部剖切，查看詳細(xì)信息，掌握關(guān)鍵設(shè)備的構(gòu)造、工作原理，為檢維修提供可視化輔助支撐。

通過(guò)設(shè)備模型可查詢檢修性質(zhì)（大修、小修、搶修）、負(fù)責(zé)人、檢維修時(shí)間、檢維修記錄、設(shè)備零部件更換記錄等信息，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備位置的檢維修信息的所見(jiàn)即所得。

圖11 設(shè)備檢維修剖解圖Figure 11 Visualization of equipment maintenance

圖12 設(shè)備檢維修工單信息Figure 12 Equipment repair order

2.4.3 生產(chǎn)運(yùn)行可視化

（1）生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控。

通過(guò)集成水電站生產(chǎn)管理系統(tǒng)（HPMS）中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒍S操作運(yùn)行畫面和結(jié)果以三維可視化呈現(xiàn)?；谠O(shè)備的實(shí)際位置，實(shí)時(shí)顯示水輪機(jī)的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)、變壓器的有功、無(wú)功、電壓、電流實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)[9]，實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行趨勢(shì)動(dòng)態(tài)，保障企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)、安全和高效。

圖13 生產(chǎn)運(yùn)行總體調(diào)度一張圖Figure 13 Production scheduling visualization

設(shè)備監(jiān)控預(yù)警分析：基于設(shè)備真實(shí)位置可視化實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)、數(shù)值及歷史參數(shù)，并支持閥值預(yù)警，實(shí)現(xiàn)報(bào)警后自動(dòng)定位到設(shè)備并以模型著色方式呈現(xiàn)報(bào)警設(shè)備。

圖14 水電站主變?cè)O(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)警監(jiān)控Figure 14 Data monitoring and early warning

（2）工藝邏輯可視化。

1）整合水電站設(shè)備工藝連通路由，可視化顯示關(guān)注流程的連通關(guān)系，用戶在三維場(chǎng)景中點(diǎn)選一設(shè)備時(shí)，即可查詢與所選設(shè)備相關(guān)聯(lián)的上下游設(shè)備的信息。

圖15 水電站發(fā)電工藝流程Figure 15 Technological process

2）系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)展現(xiàn)機(jī)組的發(fā)電、抽水、啟停等過(guò)程，并對(duì)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急狀況下工藝處置的智能提醒。

圖16 設(shè)備內(nèi)部工藝流程Figure 16 Internal process flow of equipment

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)水電站三維全息化設(shè)備管理平臺(tái)，可快速構(gòu)建三維可視化動(dòng)態(tài)設(shè)備管理應(yīng)用，顯著提高設(shè)備管理能力，降低運(yùn)營(yíng)支出比例，減少因意外停運(yùn)造成的收入損失，實(shí)現(xiàn)水電站的安全運(yùn)營(yíng)。在水電站設(shè)備全生命周期管理的關(guān)鍵工作流程中，動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與其它信息系統(tǒng)的協(xié)作功能將顯得極為便捷。系統(tǒng)的建立與應(yīng)用可以提高水電站的運(yùn)營(yíng)和維修的效率，提高水電站整體的管理水平，并在水電站設(shè)備管理的生命周期內(nèi)節(jié)省大量的費(fèi)用和資源。