溪洛渡水電站工程科研與仿真信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李禛陽(yáng)，時(shí)洪濤，姚孟迪，張攀峰，李俊平

(1.武漢英思工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000)

溪洛渡水電站工程[1]是國(guó)家“西電東送”骨干工程，位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷段，工程以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善上游航運(yùn)條件等綜合效益，并可為下游電站進(jìn)行梯級(jí)補(bǔ)償，電站主要供電華東、華中地區(qū)，兼顧川、滇兩省用電需要，最大裝機(jī)容量13 860 MW，是中國(guó)第二、世界第三大水電站。工程于2005年底開工，2007年實(shí)現(xiàn)截流，2009年3月大壩主體工程混凝土澆筑開工，2013年首批機(jī)組發(fā)電，2014年6月所有機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行。

溪洛渡大壩長(zhǎng)期安全特性仿真分析針對(duì)溪洛渡水電站初期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)的新情況、新問(wèn)題開展研究，同時(shí)滿足溪洛渡大壩體系安全性和極端條件下的安全評(píng)價(jià)。長(zhǎng)期安全特性仿真分析項(xiàng)目面臨專業(yè)多、參建人員多、信息量大、工作周期長(zhǎng)等現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的人工管理方法無(wú)法滿足項(xiàng)目全過(guò)程、精細(xì)化管理目標(biāo)。項(xiàng)目建設(shè)中遇到的主要問(wèn)題表現(xiàn)在以下方面。

1)信息資源整合與重用難。溪洛渡水電站工程建設(shè)期間積累了數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)和資料，項(xiàng)目工作涉及靜力、滲流、動(dòng)力等多個(gè)專業(yè)方向、上百個(gè)研究課題，各研究課題過(guò)程中將輸出前處理信息、中間成果和最終成果(包括圖片、文檔、模型、軟件程序、邊界條件、算法等)資料。當(dāng)前大量的地質(zhì)勘測(cè)資料、樞紐結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)資料、施工建設(shè)資料和研究過(guò)程資料分散在建設(shè)單位檔案室、設(shè)計(jì)院、各科研單位，如何整合勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、研究過(guò)程等階段的信息資源，提高信息資源利用效率是當(dāng)前建設(shè)單位必須考慮解決的問(wèn)題。

2)過(guò)程精細(xì)化管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用的新需求[1]。傳統(tǒng)科研仿真項(xiàng)目各研究單位向建設(shè)單位主要提供最終專題報(bào)告資料，建設(shè)單位往往無(wú)法及時(shí)了解研究過(guò)程中的各項(xiàng)工作任務(wù)進(jìn)度完成情況，針對(duì)工作過(guò)程中的進(jìn)度、質(zhì)量和成本控制缺失有效的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)安全特性仿真分析成果包含應(yīng)力、溫度、變形、滲流、動(dòng)力等多種大量的有限元計(jì)算數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的文檔對(duì)數(shù)值分析數(shù)據(jù)的表現(xiàn)不足，非專業(yè)人員理解難度大。

綜上所述，本文將在現(xiàn)有研究成果[1]的基礎(chǔ)上,深入研究科研與仿真信息整合與重用、全過(guò)程精細(xì)化管理、有限元仿真成果可視化技術(shù)及其工程應(yīng)用問(wèn)題。

1 系統(tǒng)建設(shè)的意義

通過(guò)科研與仿真信息系統(tǒng)的建設(shè)，形成統(tǒng)一、規(guī)范的科研基礎(chǔ)資料、仿真模型、科研仿真成果管理體系，整合工程建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)初期地質(zhì)、水文、建筑物、安全評(píng)估等信息，建立統(tǒng)一的工程與科研電子資料庫(kù)，為長(zhǎng)期安全特性仿真分析參建各方提供所需的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，保證研究資料的一致性、完整性，提高信息的重用率。通過(guò)計(jì)算機(jī)流程管理，記錄整個(gè)科研與仿真過(guò)程的信息生成、流轉(zhuǎn)與處理環(huán)節(jié)，提高項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程透明度，實(shí)現(xiàn)過(guò)程可追溯、工作流程化和精細(xì)化管理。同時(shí)采用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算后處理圖形可視化技術(shù)完善有限元后處理分析效果，對(duì)有限元仿真分析成果進(jìn)行三維可視化展示，增強(qiáng)有限元計(jì)算結(jié)果的直觀性、降低閱讀理解難度，為科研與仿真成果的數(shù)據(jù)挖掘提供有效工具。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

科研與仿真信息系統(tǒng)在對(duì)參建各方產(chǎn)生的信息和知識(shí)進(jìn)行集中管理的基礎(chǔ)上，為參建各方在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供一個(gè)獲取個(gè)性化項(xiàng)目信息的單一入口，同時(shí)為項(xiàng)目參建各方提供一個(gè)高效率信息交流和協(xié)同工作的環(huán)境。其核心功能包括：信息交流、協(xié)同工作、文檔管理、可視化展示。溪洛渡科研與仿真服務(wù)平臺(tái)定位為工程管理層和各科研仿真人員之間的信息管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目進(jìn)度監(jiān)控管理、全過(guò)程電子文檔管理和有限元后處理可視化展示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

科研與仿真服務(wù)平臺(tái)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，組織機(jī)構(gòu)、用戶、權(quán)限、仿真任務(wù)工況等信息存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)；三維結(jié)構(gòu)模型文件、科研仿真模型文件、仿真成果文件及電子文檔報(bào)告存儲(chǔ)在Mongodb數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 支撐服務(wù)

科研與仿真服務(wù)平臺(tái)包括系統(tǒng)管理模塊、電子文檔管理服務(wù)、有限元后處理通用組件。系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶、角色、權(quán)限的統(tǒng)一管理。電子文檔管理服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)大壩三維結(jié)構(gòu)模型、地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型、仿真模型的文件集中管理、有限元計(jì)算文件的上傳、下載、格式轉(zhuǎn)換和全文檢索。通用的有限元文件后處理組件，針對(duì)每種成果模型文件格式，定義一個(gè)模型信息獲取器，正確地獲取單元、節(jié)點(diǎn)以及跟單元或節(jié)點(diǎn)相關(guān)的物理量信息，生成通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；利用VTK將專題分析的物理量以云圖、矢量圖、等值線圖等形式顯示出來(lái)。

2.3 軟件功能

科研與仿真服務(wù)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能包括模型管理、工程與科研資料庫(kù)、科研過(guò)程管理、結(jié)構(gòu)仿真成果可視化管理。

1)統(tǒng)一模型管理?；谠O(shè)計(jì)院構(gòu)建的工程結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型，在系統(tǒng)中進(jìn)行管理發(fā)布，對(duì)模型文件和模型屬性參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，各科研單位在系統(tǒng)中下載模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建自身工作需要的仿真模型，確保模型坐標(biāo)與工程坐標(biāo)保持一致、仿真模型與成果展現(xiàn)相一致。

2)工程與科研資料庫(kù)。科研分析成果作為科研項(xiàng)目的輸出，將包含：過(guò)程仿真成果、仿真參數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、技術(shù)方案、階段性成果報(bào)告、最終科研成果報(bào)告等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、安全監(jiān)測(cè)電子資料的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)模型文件的三維可視化展示和文件發(fā)布輸出，通過(guò)WEB方式實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地便捷共享、瀏覽、下載?？蒲谐晒挠行Ч芾砜梢员ＷC科研工作的延續(xù)性和繼承性，前期的成果可以作為后期科研工作的基礎(chǔ)和依據(jù)，同時(shí)為溪洛渡水電站工程建立全生命周期的工程建設(shè)資料提供數(shù)據(jù)支撐和有力保障。

3)交互式仿真過(guò)程管理。各個(gè)科研單位負(fù)責(zé)數(shù)十個(gè)研究課題，每個(gè)研究課題將分為多個(gè)階段任務(wù)開展工作，每個(gè)任務(wù)的完成進(jìn)度和階段成果在科研與仿真服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，項(xiàng)目管理人員可實(shí)時(shí)了解并掌握各個(gè)研究課題的工作進(jìn)度、了解各階段完成的成果質(zhì)量，為整個(gè)科研仿真分析工作的進(jìn)度、質(zhì)量、資源協(xié)調(diào)等管理目標(biāo)的達(dá)成提供有力依據(jù)和有效管理手段。過(guò)程管理實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)提交、結(jié)果復(fù)核在線流程管理，管理人員進(jìn)行成果評(píng)審并反饋審核結(jié)論，實(shí)現(xiàn)任務(wù)進(jìn)度跟蹤管理、各研究任務(wù)過(guò)程可追溯、進(jìn)度實(shí)時(shí)發(fā)布。

4)精細(xì)化仿真成果管理與可視化發(fā)布。參建單位建立仿真精細(xì)化模型，并整合計(jì)算參數(shù)，經(jīng)有限元計(jì)算后輸出仿真結(jié)果，將仿真結(jié)果反饋至系統(tǒng)進(jìn)行集中管理與統(tǒng)一發(fā)布。系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)完善有限元仿真后處理分析效果，增強(qiáng)云圖、等值線、過(guò)程線、位移圖、矢量圖等的展現(xiàn)，提高可視化展示效果與多維剖切、交互能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的三維可視化，增強(qiáng)科研成果直觀性、降低閱讀理解難度。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 模型與資料安全共享

1)資料分類。工程資料包括樞紐布置及建筑物設(shè)計(jì)資料、水文地質(zhì)資料、工程安全監(jiān)測(cè)資料、地震相關(guān)研究資料、項(xiàng)目過(guò)程管理文檔、科研仿真分析階段性成果資料、研究課題最終報(bào)告等文檔。針對(duì)工程資料的提供方、資料用途、資料種類等要求，對(duì)各資料進(jìn)行分類管理，包括基礎(chǔ)資料、合同文件、工作報(bào)告、工作會(huì)議、科研成果、專項(xiàng)文件6大類。

2)文檔集中存儲(chǔ)。建設(shè)單位將科研仿真所需的基礎(chǔ)資料文件集中上傳到系統(tǒng)中，依據(jù)資料分類目錄，各資料擁有自己的目錄結(jié)構(gòu)分類存放。針對(duì)工作過(guò)程中輸出的各種資料文檔，參建單位通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行文檔上報(bào)、建設(shè)單位審核后存檔。

3)統(tǒng)一發(fā)布與共享。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器隨時(shí)登錄系統(tǒng)查閱科研仿真所需的資料文檔，依據(jù)資料目錄、日期、提供單位、文件名稱、查閱范圍等屬性進(jìn)行資料文件的查詢、瀏覽、下載。各資料文檔進(jìn)行精細(xì)的權(quán)限管控，通過(guò)指定具體查閱人員、限制編輯下載操作等方式，確保文檔安全共享。

3.2 科研過(guò)程監(jiān)控

1)科研過(guò)程分解。針對(duì)科研仿真工作的特點(diǎn)，提出專題-任務(wù)-工況三級(jí)管理理論。專題即針對(duì)滲流、應(yīng)力、溫度、變形、抗震等進(jìn)行主題研究的課題；任務(wù)即某一研究課題劃分的階段研究子目標(biāo)，一個(gè)研究課題可以存在一個(gè)或多個(gè)任務(wù)；工況即工程結(jié)構(gòu)在某一載荷組合條件下的工作狀況，一個(gè)任務(wù)可以存在一個(gè)或多個(gè)工況。通過(guò)對(duì)科研仿真工作目標(biāo)逐層細(xì)化分解為專題、任務(wù)、工況多個(gè)管理單元，工況作為細(xì)粒度最小的單元。

2)過(guò)程計(jì)劃與成果反饋。各參建單位根據(jù)科研過(guò)程分解成果和時(shí)間要求向建設(shè)單位提交總進(jìn)度、年度和季度工作計(jì)劃，建設(shè)單位組織各方討論后確認(rèn)仿真任務(wù)清單下發(fā)給各參建單位，各參建單位將批準(zhǔn)的工作計(jì)劃維護(hù)到系統(tǒng)平臺(tái)。參建單位依據(jù)仿真任務(wù)時(shí)間和質(zhì)量要求完成工作并提交工作成果(包括仿真模型、整合并確認(rèn)計(jì)算參數(shù)、經(jīng)計(jì)算后輸出結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果)，建設(shè)單位對(duì)各項(xiàng)工作成果進(jìn)行評(píng)審確認(rèn)，當(dāng)存在不滿足要求，及時(shí)反饋給科研單位；建設(shè)單位評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，將成果進(jìn)行發(fā)布。

3)過(guò)程執(zhí)行監(jiān)控。系統(tǒng)詳細(xì)記錄各家科研單位負(fù)責(zé)的研究課題的開始日期、完成日期、里程碑節(jié)點(diǎn)、主要負(fù)責(zé)人等進(jìn)度計(jì)劃信息，各科研人員依據(jù)實(shí)際仿真分析工作完成情況進(jìn)行信息反饋，系統(tǒng)提供自動(dòng)延期提醒功能，當(dāng)任務(wù)未按時(shí)完成則發(fā)送提醒信息給各負(fù)責(zé)用戶，同時(shí)系統(tǒng)提供任務(wù)進(jìn)度看板，建設(shè)單位人員和科研單位人員可隨時(shí)了解各研究課題及任務(wù)的進(jìn)度完成率、任務(wù)評(píng)審過(guò)程流程信息記錄，實(shí)現(xiàn)科研仿真分析工作任務(wù)的過(guò)程跟蹤追溯。

3.3 有限元后處理可視化

1)文件解析轉(zhuǎn)換。針對(duì)靜力分析、滲流分析、動(dòng)力分析等不同種類的有限元計(jì)算輸出文件格式，分別定義文件解析器，配置解析關(guān)鍵詞和解析規(guī)則。文件上傳后通過(guò)文件解析器獲取單元、節(jié)點(diǎn)以及跟單元或節(jié)點(diǎn)相關(guān)的模型信息，同時(shí)讀取靜力分析、動(dòng)力分析或滲流分析的物理量信息(見表1)，通過(guò)文件解析器將模型信息和物理量信息轉(zhuǎn)換成ins專有格式文件，然后通過(guò)VTK(Visualization Toolkit)[2-6]有限元后處理可視化工具讀取ins文件并以云圖、矢量圖、等值線圖等形式顯示。

2)專題可視化分析。依據(jù)滲流分析、靜力分析、變形分析、溫度分析、動(dòng)力分析等不同有限元分析種類和數(shù)據(jù)效果展示特點(diǎn)，定制滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)等不同的數(shù)據(jù)可視化展示樣式(見圖2)，包括云圖、等值線、剖面圖、過(guò)程線、等值面等樣式[7]。通過(guò)有限元后處理可視化實(shí)現(xiàn)具體功能包括以下內(nèi)容：①實(shí)現(xiàn)任意部位、任意階段的有限元計(jì)算結(jié)果三維效果圖展示；②實(shí)現(xiàn)同一個(gè)任務(wù)的多個(gè)工況的仿真結(jié)果對(duì)比查看、分析；③實(shí)現(xiàn)極值大小、極值所在位置、數(shù)值發(fā)展趨勢(shì)分析并展示；④實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)表

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本工程實(shí)踐，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)改進(jìn)了參建單位之間信息交流方式、工作方式、管理方式，提高了項(xiàng)目過(guò)程信息交流和協(xié)同辦公效率；整合工程建設(shè)資料和科研資料，為后續(xù)的信息重用提供重要保障；增強(qiáng)管理決策的科學(xué)性，完整記錄項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程信息和最終成果信息，并應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與圖形分析技術(shù)提高信息利用率，為項(xiàng)目進(jìn)度和質(zhì)量管控輔助決策提供有效依據(jù)。