三維可視化技術(shù)在水利水電智慧化建設(shè)中的運(yùn)用

賀 聰

（中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江寧波 315200）

計(jì)算機(jī)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展，與多個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度融合，三維可視化技術(shù)可以不斷創(chuàng)新虛擬場(chǎng)景，在城市建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工程教育等行業(yè)發(fā)揮重要作用。文章以水利水電行業(yè)為例，分析三維可視化技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用，為相關(guān)技術(shù)人員提供可參考性建議。

1 基本概述

1.1 三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)利用數(shù)據(jù)模型對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象、地面表象以及地下構(gòu)造進(jìn)行顯示和描述，利用大量數(shù)據(jù)對(duì)地下界面的地震反射率進(jìn)行解釋，通過(guò)立體掃描和追蹤幫助施工人員和技術(shù)人員快速準(zhǔn)確地掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。每個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換為三維像素，每個(gè)像素對(duì)數(shù)據(jù)母體具有對(duì)應(yīng)數(shù)值。通過(guò)三維可視化技術(shù)可以直接還原水利水電真實(shí)場(chǎng)景，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以直接對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行放大、縮小和旋轉(zhuǎn)，幫助管理者和技術(shù)人員了解工地概況，利用仿真動(dòng)畫直接對(duì)施工工藝和施工過(guò)程進(jìn)行還原。針對(duì)操作難度較大、危險(xiǎn)系數(shù)較高的工作，可以利用三維可視化技術(shù)先進(jìn)行操作模擬，在一定限度上保證施工人員安全。此外，利用視頻監(jiān)控可以直接對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行真實(shí)展示，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工揚(yáng)塵，調(diào)取后端數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的PM2.5數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水利水電建設(shè)項(xiàng)目的施工標(biāo)準(zhǔn)化、項(xiàng)目成本定量化、管理數(shù)據(jù)化、進(jìn)度節(jié)點(diǎn)化、現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)化，達(dá)到節(jié)本增效的目的。

1.2 智慧水利

智慧水利將高新技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對(duì)自然界的水資源進(jìn)行調(diào)配和控制，在保護(hù)水資源的同時(shí)進(jìn)行開發(fā)和利用，以此防治水旱災(zāi)害。將人工智能、水利模型、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)應(yīng)用到水壩、大壩、水電站、水庫(kù)加固等工作中，以智能化、數(shù)字化為主線，對(duì)水流流速、泄洪、排澇等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)報(bào)，確保水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2 三維可視化仿真系統(tǒng)建立

2.1 框架結(jié)構(gòu)

三維可視化技術(shù)將BIM技術(shù)和GIS軟件系統(tǒng)相結(jié)合，充分利用三維動(dòng)態(tài)演示，對(duì)水利水電施工進(jìn)行總體布置和設(shè)計(jì)，圍繞工程開發(fā)制定具體框架結(jié)構(gòu)。三維可視化仿真系統(tǒng)由物理層、數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層組成[1]。物理層主要包含硬件和軟件；數(shù)據(jù)層主要包含圖形庫(kù)、屬性庫(kù)、模型庫(kù)；功能層通過(guò)相關(guān)技術(shù)模型對(duì)樞紐站、水利站、水庫(kù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)演示，對(duì)施工總布局進(jìn)行全程跟蹤，按時(shí)段展示。數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)的查詢和檢索系統(tǒng)中，對(duì)工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、建筑物布置、施工全貌進(jìn)行查詢，利用仿真化模型對(duì)大壩混凝土澆筑、施工測(cè)量、水流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加載大量的地理信息圖，通過(guò)地圖顯示功能對(duì)數(shù)據(jù)層顏色進(jìn)行標(biāo)注，做好專題制圖，以此滿足施工要求。

2.2 子系統(tǒng)和相關(guān)功能

三維可視化仿真系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)[2]。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)編輯、采集和輸出；應(yīng)用子系統(tǒng)主要對(duì)模型進(jìn)行維護(hù)和修改，如對(duì)地下洞室施工全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)施工廠內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬，對(duì)大壩澆筑全過(guò)程樞紐施工系統(tǒng)進(jìn)行模擬，基于GIS技術(shù)對(duì)石料廠規(guī)劃進(jìn)行模擬，對(duì)超標(biāo)洪水和過(guò)水場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)化演示以及模擬；查詢子系統(tǒng)主要根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)信息、施工場(chǎng)地布置、信息工程樞紐設(shè)計(jì)圖紙、砂石料廠信息，對(duì)整個(gè)施工計(jì)劃進(jìn)行靈活調(diào)控，查詢與統(tǒng)計(jì)施工進(jìn)度；動(dòng)態(tài)演示子系統(tǒng)主要對(duì)圍堰填筑、節(jié)流泄洪洞等施工過(guò)程進(jìn)行演示，對(duì)場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸場(chǎng)景進(jìn)行可視化演示。

3 智慧水利水電項(xiàng)目中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

金沙江下游某水電站工程以發(fā)電為主，兼具下游航運(yùn)、攔沙、防洪泄洪等功能，主要為華中和華東地區(qū)進(jìn)行水力發(fā)電，為下游電站進(jìn)行階梯性補(bǔ)償。水電站樞紐由泄洪建筑物、攔河大壩、引水發(fā)電建筑物組成，最大壩高為288 m，頂拱中心線弧長(zhǎng)700 m，壩身布設(shè)7個(gè)表孔，壩頂高程610 m，泄洪采用分區(qū)消能、分散泄洪原則，壩后設(shè)有水墊堂消能，發(fā)電廠房為地下式，單機(jī)容量為700 MW，兩岸各自布置3條導(dǎo)流隧洞，導(dǎo)流臨時(shí)建筑物涵蓋上下游圍堰。

3.1 總體施工設(shè)計(jì)

工程地勢(shì)陡峻，處于深山峽谷，具體施工設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少場(chǎng)料的運(yùn)距，整個(gè)工程設(shè)置碴廠6個(gè)，做好主體工程的施工設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)和拱壩系統(tǒng)3個(gè)方面。泄洪系統(tǒng)導(dǎo)流洞和泄洪洞相結(jié)合，隧洞長(zhǎng)度為1 480～1 825 m，泄洪洞前端均為圓形，直徑約15 m，襯砌后斷面尺寸為60 m×16 m，無(wú)壓平段的后段下降高差約100 m，圓形斷面尺寸約17 m×15 m。

3.2 三維可視化系統(tǒng)在施工中的演示

可視化三維動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)可以根據(jù)施工總布置對(duì)原始地形進(jìn)行繪制，構(gòu)建交通系統(tǒng)、砂石料系統(tǒng)、地下洞室群系統(tǒng)、大壩系統(tǒng)，建立上述圖層相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，直接演示導(dǎo)流期間樞紐施工、大壩蓄水發(fā)電、地下洞室群施工、碴廠變化等全過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)施工場(chǎng)景、施工主體環(huán)境、局部環(huán)境進(jìn)行三維演示。相關(guān)技術(shù)人員可以通過(guò)交互操作信息，查詢所有地物、地形，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，從任意角度觀察構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、放大、縮小觀察構(gòu)筑物信息。在施工場(chǎng)地對(duì)地物進(jìn)行縮放過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員可以選擇需要查看的碴場(chǎng)大壩、導(dǎo)流洞、地下廠房等地物，在三維窗口加入熱鏈接工具，將窗口縮放至設(shè)定角度，直接查看信息框，根據(jù)各標(biāo)段出入碴方量、碴場(chǎng)頂高程等表格數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。施工過(guò)程中，對(duì)地形地物模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和演示，通過(guò)更加形象直觀、科學(xué)簡(jiǎn)便的方法，推動(dòng)水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化和現(xiàn)代化。

以地質(zhì)開挖為例，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該搭建標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同場(chǎng)景，通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì)完成機(jī)電模型、水工模型和數(shù)字地模等設(shè)計(jì)工作，利用三維地質(zhì)模型進(jìn)行邊坡開挖，在可視化技術(shù)的應(yīng)用中，可以直接展現(xiàn)地層總斷層和軟弱夾層間的剖切圖，提高出圖效率，直觀形象地展示出挖面地質(zhì)情況，了解施工的地質(zhì)情況和重難點(diǎn)，總結(jié)水利水電項(xiàng)目施工的可行性。與傳統(tǒng)方法相比，可視化技術(shù)更加快捷、準(zhǔn)確，統(tǒng)計(jì)工程量時(shí)，設(shè)計(jì)人員定義項(xiàng)目的分類和屬性，利用工程清單格式直接對(duì)單個(gè)或批量構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和輸出，制作可視化表格或圖表，提高統(tǒng)計(jì)效率，利用相關(guān)工程資料和數(shù)據(jù)，對(duì)三維模型進(jìn)行剖析和動(dòng)態(tài)瀏覽?？梢栽谑┕み^(guò)程中對(duì)泄洪洞出口明渠抗滑樁項(xiàng)目進(jìn)行模擬，對(duì)施工中可能存在的缺項(xiàng)、漏項(xiàng)進(jìn)行檢查，提高施工準(zhǔn)確性。通過(guò)相關(guān)視圖，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以利用壓實(shí)傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和GPS技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)碾壓薄弱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)大壩智能碾壓，對(duì)結(jié)果進(jìn)行智能反饋，提高施工效率和計(jì)算效率，減少溝通成本。

3.3 三維可視化系統(tǒng)的具體應(yīng)用

（1）流域氣象水文監(jiān)測(cè)。

流域氣象水文監(jiān)測(cè)界面如圖1所示。

圖1 流域氣象水文監(jiān)測(cè)界面

流域氣象水文檢測(cè)主要對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的蒸發(fā)量、蒸騰量、對(duì)子流域的滲流量、降水量、徑流量等參數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與分析，與氣象管理部門、業(yè)務(wù)系統(tǒng)連接，通過(guò)天氣雷達(dá)和氣象觀測(cè)對(duì)水利水電工程綜合指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和管理，輔助管理者全面掌控水電站水文氣象態(tài)勢(shì)，預(yù)報(bào)、預(yù)警各種災(zāi)害氣象，對(duì)氣象進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并給出響應(yīng)辦法。

（2）梯級(jí)電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

技術(shù)人員可以通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)邏輯層結(jié)構(gòu)維度和地理空間分布，對(duì)供電范圍、節(jié)點(diǎn)位置、拓?fù)潢P(guān)系和大規(guī)模電網(wǎng)分布等信息進(jìn)行查詢和演示，在信息采集、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等技術(shù)的加持下，對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化管理和調(diào)度；可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電機(jī)、電容、各電站線路中的電流、開關(guān)狀態(tài)、電壓、頻率和電量，輔助管理者綜合掌握跨地域電站運(yùn)行情況。

（3）水庫(kù)調(diào)度監(jiān)測(cè)。

利用水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，技術(shù)人員能夠直接對(duì)水庫(kù)狀態(tài)、位置、水庫(kù)蓄水量、入庫(kù)流量、可用水量、防洪庫(kù)容等信息進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)和分析研判，對(duì)水庫(kù)調(diào)蓄能力進(jìn)行預(yù)警，水位超限、調(diào)汛能力不足時(shí)，系統(tǒng)直接發(fā)出預(yù)報(bào)和告警，引導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員和施工人員對(duì)水庫(kù)異常態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析、研判和解決，為水利水電工作提供決策支持，加大防洪防汛力度。

（4）自動(dòng)化運(yùn)行安全和防汛安全監(jiān)測(cè)。

在智慧水利背景下，相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)信用信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，憑借人機(jī)交互方式，將各種大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)運(yùn)用至水利管理的各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。通過(guò)多機(jī)協(xié)同管理機(jī)制，強(qiáng)化硬軟件設(shè)備，使可視化監(jiān)測(cè)情景具有超大分辨率、多屏、大屏等顯示功能，直接對(duì)水利水電項(xiàng)目關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行多維可視分析。本項(xiàng)目中，通過(guò)多種角度，利用三維建模直接對(duì)大壩廠房、電機(jī)組、閘門泄建筑物等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，支持地理空間分布維度，利用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)區(qū)域分布、設(shè)備構(gòu)成、應(yīng)用功能等信息進(jìn)行演示，監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)情況、儲(chǔ)存余量、暢通度、調(diào)取情況、可用度、清晰度，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和動(dòng)態(tài)演示，引導(dǎo)施工者和管理者全面掌控水利水電項(xiàng)目運(yùn)行態(tài)勢(shì)，將三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)與城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，直接對(duì)項(xiàng)目防汛抗旱、氣象、水位監(jiān)測(cè)、水利工程等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)入庫(kù)流量、水庫(kù)蓄水量、降水量、總庫(kù)容、水庫(kù)水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相關(guān)技術(shù)人員利用可視化技術(shù)對(duì)河堤位移變形、壩體位移變形等情況進(jìn)行三維顯示，根據(jù)位移情況及時(shí)進(jìn)行加固處理，為洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防汛抗旱工作提供支持。

（5）分析研判和監(jiān)測(cè)告警。

相關(guān)技術(shù)人員在利用三維可視化技術(shù)時(shí)直接接入相關(guān)地圖數(shù)據(jù)，如警用地理信息系統(tǒng)（PGIS）、傾斜攝影數(shù)據(jù)、天地圖、衛(wèi)星圖、行政圖、地形圖等，支持加載超大范圍高精度高程數(shù)據(jù)，充分利用無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)，對(duì)各種矢量地圖要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合，充分滿足用戶應(yīng)用需求，利用可視化手段全面展示水利工作規(guī)劃，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源制作可視圖表，如空間關(guān)系圖、空間統(tǒng)計(jì)圖、分布圖。通過(guò)多維度分析研判，對(duì)多指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，重點(diǎn)關(guān)注汛期、干旱情況和洪水?dāng)r截情況，構(gòu)建多個(gè)維度數(shù)據(jù)值，從空間、時(shí)間和指標(biāo)等多個(gè)層面對(duì)整體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行告警。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過(guò)閾值，直接觸發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)告警裝置，支持集成性視頻巡檢和流量監(jiān)測(cè)，幫助相關(guān)管理者進(jìn)行應(yīng)急指揮調(diào)度，提高防災(zāi)減災(zāi)工作效率。

3.4 應(yīng)用效果分析

利用三維可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水利工程的智慧化發(fā)展，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)，提高水利行業(yè)綜合感知能力和數(shù)據(jù)共享能力，有助于構(gòu)建智能大壩、智能水電站，通過(guò)三維建模直接從多個(gè)角度觀察發(fā)電機(jī)組、船閘、壩體、泄水建筑物等管理對(duì)象的運(yùn)行情況，相關(guān)部門管理者和技術(shù)人員直接通過(guò)PC端或移動(dòng)端，對(duì)工作站情況進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行集中控制，通過(guò)可視對(duì)象的瀏覽、過(guò)濾、翻譯、縮放等功能，實(shí)現(xiàn)水利工程變形監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握異常水文情況，提高水災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維可視化技術(shù)通過(guò)立體掃描和追蹤，可以幫助施工人員和技術(shù)人員快速、準(zhǔn)確掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，利用三維建?？梢灾苯訉?duì)大壩廠房、電機(jī)組、閘門泄建筑物等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工者和管理者應(yīng)常態(tài)化運(yùn)用三維可視化技術(shù)平臺(tái)，全面掌控水利水電項(xiàng)目運(yùn)行態(tài)勢(shì)，加大防洪防汛力度，推動(dòng)水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化和現(xiàn)代化。