基于數(shù)字孿生的智能水電廠建設(shè)初步研究

梁 艷，徐希濤，徐靜波，郭正揚(yáng)，謝小燕

［南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211000］

0 引言

隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，水電廠智能化建設(shè)邁入了新階段，一方面建設(shè)了綜合一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。另一方面，通過(guò)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，獲取更全面的設(shè)備狀態(tài)信息[1]。為進(jìn)一步提高管理效率和管理水平，響應(yīng)國(guó)家大力提倡的工業(yè)化與信息化深度融合的要求，傳統(tǒng)水電工程的建設(shè)管理模式也在不斷創(chuàng)新[2]，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸用于水電廠的施工建設(shè)和管理運(yùn)行中[3-5]。GB/T 40222—2021《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了明確定義，即數(shù)字孿生是用于理解、預(yù)測(cè)和優(yōu)化實(shí)體對(duì)象性能的數(shù)字仿真。利用數(shù)字孿生技術(shù)可將真實(shí)和虛擬兩個(gè)維度的水電廠進(jìn)行連接，結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等實(shí)現(xiàn)兩者的同步仿真運(yùn)行和虛實(shí)交互。2021 年水利部先后出臺(tái)了《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)規(guī)劃》等系列文件，大力推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)。水電廠作為水利樞紐的重要組成部分，其數(shù)字孿生建設(shè)是數(shù)字孿生流域建設(shè)的切入點(diǎn)和突破點(diǎn)。

目前數(shù)字孿生技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，智能水電廠建設(shè)只是要求了對(duì)建筑物和機(jī)電設(shè)備進(jìn)行三維數(shù)字化建模以及對(duì)部分設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行三維可視化運(yùn)行模擬仿真，與數(shù)字孿生要求的雙生交互還有較大差距，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是現(xiàn)地感知體系建設(shè)還不完善，工程和流域上的對(duì)水電廠運(yùn)行管理影響的環(huán)境和工況信息采集還需要進(jìn)一步補(bǔ)充；二是智能水電廠基于數(shù)字孿生技術(shù)的表達(dá)不成熟，海量多源數(shù)據(jù)采用數(shù)字孿生技術(shù)的表達(dá)方式還沒(méi)有規(guī)范的方法；三是數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的結(jié)合不夠，應(yīng)用功能和交互方式面臨挑戰(zhàn)。因此，本文結(jié)合智能水電廠的框架，基于一般性的部署手段，初步構(gòu)建了智能水電廠的數(shù)字孿生架構(gòu)，探索基于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用模式和功能，為數(shù)字孿生技術(shù)在智能水電廠建設(shè)中落地應(yīng)用提供方法參考。

1 整體架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的智能水電廠技術(shù)架構(gòu)中共分為五部分：基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、數(shù)字孿生底座、數(shù)字孿生平臺(tái)以及數(shù)字孿生應(yīng)用，具體架構(gòu)如圖1 所示。其中，基礎(chǔ)支撐層提供孿生建模和運(yùn)行的數(shù)據(jù)來(lái)源，包括水工建筑物、水電廠設(shè)備和智能傳感器構(gòu)成的數(shù)字化的感知體系和基礎(chǔ)設(shè)施體系。數(shù)據(jù)互動(dòng)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，采用多種方式混合組網(wǎng)的方式，構(gòu)建水電廠通信網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)字化提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)孿生水電廠和物理水電廠雙向數(shù)據(jù)互動(dòng)傳輸。數(shù)字孿生底座主要由實(shí)體感知數(shù)據(jù)、GIS 空間信息和BIM 模型組成，在此基礎(chǔ)上對(duì)各種精度和來(lái)源的空間數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行融合，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源層級(jí)無(wú)縫轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)與地形無(wú)縫構(gòu)建的可視化場(chǎng)景，以滿足工程數(shù)據(jù)層級(jí)瀏覽應(yīng)用需求。數(shù)字孿生平臺(tái)包括二三維GIS 平臺(tái)和三維實(shí)時(shí)仿真引擎（目前一般采用游戲引擎），在數(shù)字孿生平臺(tái)之上，根據(jù)應(yīng)用需求，進(jìn)行各類場(chǎng)景可視化、業(yè)務(wù)應(yīng)用仿真、設(shè)備的運(yùn)行仿真培訓(xùn)與檢修以及全壽命周期管理等業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生交互設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)字孿生底座

以GIS+BIM 構(gòu)建數(shù)字孿生底座，將BIM 模型轉(zhuǎn)換成與GIS 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容的格式，在同一個(gè)場(chǎng)景中顯示BIM 和GIS信息。根據(jù)《數(shù)字孿生水利工程技術(shù)導(dǎo)則》中的規(guī)定，對(duì)不同級(jí)別的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建。同時(shí)，將感知體系中感知的數(shù)據(jù)與場(chǎng)景中的實(shí)體進(jìn)行孿生連接與融合。

2.1 感知體系完善

目前智能水電廠建設(shè)感知體系主要側(cè)重于廠內(nèi)機(jī)電設(shè)備工況、樞紐工程安全、流域水雨情等站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，采集到的都是點(diǎn)狀的數(shù)據(jù)，對(duì)具有河道、流域等層級(jí)的數(shù)據(jù)采集缺乏，如河道的大斷面、流域上的面雨量分布，土壤墑情分布等。隨著衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、水下測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字孿生這種具有三維表達(dá)能力的技術(shù)下，需要對(duì)智能水電廠感知體系進(jìn)一步完善。因此本文需要以衛(wèi)星遙感等先進(jìn)技術(shù)為手段，建設(shè)完善“天空地一體化”的感知體系，從多尺度、多維度對(duì)水電廠的建設(shè)、運(yùn)行、管理等方面進(jìn)行感知手段補(bǔ)充。

2.2 地理空間數(shù)據(jù)

2.2.1 L1 級(jí)數(shù)據(jù)

利用水利部全國(guó)范圍的DOM 數(shù)據(jù)（分辨率優(yōu)于2m）和30m 格網(wǎng)精度DEM 數(shù)據(jù)，對(duì)流域影像和地形數(shù)據(jù)執(zhí)行三維切片操作，融合DOM 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)以及流域邊界劃線圖層、水系線圖層等形成L1 級(jí)數(shù)據(jù)底圖服務(wù)。支持HTTP 協(xié)議，提供網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS），返回地圖格式包括PNG、GIF、JPEG、TIF 等柵格形式或SVG 等矢量形式。

2.2.2 L2 級(jí)數(shù)據(jù)

在L1 級(jí)數(shù)據(jù)底圖的基礎(chǔ)上，疊加水電廠及周邊的航攝影像和地面高程數(shù)據(jù)，獲取高精度的水下地形數(shù)據(jù)，形成L2 級(jí)地理空間數(shù)據(jù)。經(jīng)處理將地圖轉(zhuǎn)換成包含圖片和數(shù)據(jù)的分層瓦片格式或緩存，通過(guò)JavaScript 和XMLHttpRequest API 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)獲取地圖。

2.2.3 L3 級(jí)數(shù)據(jù)

在L1 級(jí)、L2 級(jí)數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，根據(jù)高精度數(shù)字正射影像和地面高程數(shù)據(jù)、水電廠區(qū)域航空傾斜攝影、重點(diǎn)水利建筑設(shè)施及關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備的 BIM 數(shù)據(jù)構(gòu)建L3 級(jí)地理空間數(shù)據(jù)底板。

傾斜攝影實(shí)景三維模型：利用傾斜攝影技術(shù)獲取下視影像地面傾斜影像，制作地面傾斜攝影模型，并對(duì)重要建筑物進(jìn)行單體化處理。通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)整理、像控點(diǎn)量測(cè)、模型修飾及模型拼接等工作。傾斜攝影精度分辨率優(yōu)于8cm，重點(diǎn)水工建筑物等優(yōu)于3cm，并在內(nèi)業(yè)處理階段進(jìn)行輕量化處理。

BIM 模型：搜集流域內(nèi)中大型大壩建設(shè)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的紋理圖像、貼圖制作等方式，建設(shè)場(chǎng)景設(shè)施設(shè)備模型，如機(jī)械、液壓裝置、電氣裝置、油、水、氣管路等模型，嚴(yán)格按照產(chǎn)品手冊(cè)和圖紙進(jìn)行1:1 全尺寸三維建作，場(chǎng)景布局等應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)一致，對(duì)于BIM 的建模精度，T/CWHIDA 0006—2019《水利水電工程設(shè)計(jì)信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。水電廠土建模型、室內(nèi)模型、水輪機(jī)模型、傳感器模型等精度應(yīng)不低于該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)規(guī)定，模型精度標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 CWHDIA006—2019 中LOD 的定義Table 1 Definition of LOD in CWHDIA006—2019

選擇Solidworks、3DS Max、blender 等主流建模軟件，基于CAD 圖紙的建筑物BIM 建模、三維激光點(diǎn)云掃描、傾斜攝影、人工建模等方式，搭建適用于不同場(chǎng)景的各種精度的三維模型。模型文件兼容主流格式（rvt、ifc、fbx），形成一致性的輕量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。針對(duì)大型的BIM 文件可進(jìn)行分包處理，制定分包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在不同分包中構(gòu)建與幾何的關(guān)聯(lián)關(guān)系與重組策略。

2.3 數(shù)據(jù)融合

將地理空間數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)等按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一編碼和映射，建立空間實(shí)體對(duì)象與業(yè)務(wù)對(duì)象間的關(guān)系連接，通過(guò)統(tǒng)一接口規(guī)范及索引技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合和應(yīng)用，滿足數(shù)字孿生應(yīng)用中實(shí)體對(duì)象與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的圖形交互應(yīng)用。標(biāo)注三維模型所涉及的主要技術(shù)參數(shù)（水頭、壓力、流量、尺寸、重量、材質(zhì)等）、檢修電子檔案、廠家等信息支撐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)渲染、數(shù)據(jù)綜合查詢、空間分析應(yīng)用、多維度統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3 數(shù)字孿生平臺(tái)

3.1 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生平臺(tái)主要依托數(shù)字孿生引擎，在數(shù)字孿生底座的基礎(chǔ)上對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。根據(jù)應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)的不同，可分別采用二三維一體化GIS 和游戲引擎，或者將兩者結(jié)合的方式。GIS 與WebGL（Web Graphics Library）相結(jié)合，建立三維虛擬場(chǎng)景，具備GIS 服務(wù)發(fā)布、管理、聚合、多層次擴(kuò)展及地物建模添加、地形和模型實(shí)時(shí)交互等功能。GIS 技術(shù)與高仿真引擎技術(shù)UE（虛幻引擎）、Unity 3D 進(jìn)行融合，可確保GIS 和模型數(shù)據(jù)的高效可視化。

3.2 各類對(duì)象數(shù)字孿生表達(dá)方式

數(shù)字孿生底座中獲得各層級(jí)數(shù)據(jù)主要分為點(diǎn)狀、線狀、面狀三類對(duì)象，在不同的層級(jí)中表達(dá)的形式不一樣，需要定義和規(guī)范不同種類物體在不同層級(jí)下的表達(dá)方式，如雨量站在L1 級(jí)和L2 級(jí)展示中，用點(diǎn)狀對(duì)象表達(dá)即可，到L3 級(jí)中，則采用面狀包圍體和局部線狀表達(dá)，機(jī)電設(shè)備的表達(dá)與此類似。工程樞紐則是在L1 級(jí)展示中，用面狀或者簡(jiǎn)單面狀包圍體表達(dá)，但是到L2、L3 則是采用面狀包圍體表達(dá)（L2、L3 層級(jí)中采用不同精度的三維模型，均采用三角面片實(shí)時(shí)渲染而成）。此外，本文中新增的衛(wèi)星遙感、水下測(cè)量等數(shù)據(jù)也需要規(guī)范其表達(dá)，衛(wèi)星遙感與衛(wèi)星云圖等表示空間面狀上的信息采用紋理與地形進(jìn)行貼合表達(dá)，水下測(cè)量的河道大斷面，采用多邊形面進(jìn)行表達(dá)（實(shí)質(zhì)也是三角面片組成）。

4 數(shù)字孿生應(yīng)用

通過(guò)包括三維GIS、BIM 數(shù)字建模、可視化渲染、輕量化技術(shù)等數(shù)字孿生技術(shù)的使用，動(dòng)態(tài)、高性能地加載和渲染不同層級(jí)的場(chǎng)景，支撐數(shù)字孿生的模擬仿真功能，滿足水電廠各種業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景和仿真優(yōu)化迭代的雙向交互。

4.1 流域及水電廠漫游

集成流域DOM 數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、矢量圖層、傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)等，通過(guò)參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)流域和水電廠的自定義飛行，從宏觀上掌控流域和工程全局，同時(shí)為流域防洪減災(zāi)、水電數(shù)字調(diào)配等提供交互場(chǎng)景支撐。圖2 為流域飛行示意圖。

圖2 流域飛行示意圖Figure 2 Schematic diagram of river basin flight

4.2 水電廠仿真運(yùn)行

通過(guò)與各種智能傳感監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綁定，可在水電廠孿生體中實(shí)現(xiàn)水電廠的仿真運(yùn)行，通過(guò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的顯示，包括實(shí)時(shí)水位的變化、閘門的啟閉、水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)物理水電廠與孿生水電廠同步仿真運(yùn)行。同時(shí)在孿生體中可統(tǒng)籌考慮耗水率和發(fā)電效益等多重目標(biāo)仿真經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷最優(yōu)分配表，及與其他電站聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的負(fù)荷聯(lián)動(dòng)調(diào)整策略等。圖3 為仿真示意圖。

圖3 仿真示意圖Figure 3 Schematic diagram of simulation

4.3 防洪“四預(yù)”應(yīng)用

建設(shè)水動(dòng)力模型、水庫(kù)調(diào)度模型、安全監(jiān)測(cè)模型、水質(zhì)安全模型等水利水電專業(yè)模型，梳理水電廠業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織與重構(gòu)，構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建水電廠數(shù)字孿生“預(yù)報(bào)—預(yù)警—預(yù)演—預(yù)案”四預(yù)應(yīng)用，結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況、水利模型預(yù)測(cè)結(jié)果、人工智能分析結(jié)果等，在水電廠孿生體中進(jìn)行可視化預(yù)演，迭代優(yōu)化，形成最佳預(yù)案。

4.4 設(shè)備全生命周期管理

嚴(yán)格按照設(shè)備的位置、尺寸、結(jié)構(gòu)建立的BIM 模型，可清晰展示設(shè)備所處位置和設(shè)備的結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、圖紙資料、檢修資料、保養(yǎng)信息等。設(shè)備信息可進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常、超壽命服役等信息可進(jìn)行告警提示并差異化（高亮度等）顯示，形成水電廠設(shè)備設(shè)施的全生命周期管理[6]，能有效應(yīng)對(duì)設(shè)備故障等突發(fā)事件。圖4 為設(shè)備技術(shù)文檔展示示意圖。

圖4 設(shè)備技術(shù)文檔展示示意圖Figure 4 Schematic diagram of equipment technical documents

4.5 虛擬巡檢

依據(jù)水電廠三維建模和AR（Augmented Reality）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)水輪機(jī)發(fā)電組、地下廠房、廊道等不同場(chǎng)景巡檢任務(wù)的定制。路徑規(guī)劃可自定義，在三維場(chǎng)景中繪制行走路線，手動(dòng)添加路線中的興趣停留點(diǎn)。在虛擬巡檢中，自動(dòng)記錄巡檢路線、設(shè)備參數(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，生成巡檢日志。尤其針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、報(bào)警設(shè)備、故障設(shè)備可實(shí)現(xiàn)快速巡檢。虛擬巡檢可增大巡檢范圍和頻率，結(jié)合人工巡檢方式，提高巡檢工作效率。圖5 為可視化巡檢示意圖。

圖5 可視化巡檢示意圖Figure 5 Visual patrol diagram

4.6 檢修培訓(xùn)仿真

采用VR 技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)），通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，形成互動(dòng)式運(yùn)維檢修仿真，進(jìn)一步提高檢修管理水平，提高員工應(yīng)對(duì)事故及故障處理能力，仿真對(duì)象包括水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、調(diào)速器等主要設(shè)備，依據(jù)檢修規(guī)程、作業(yè)指導(dǎo)書、按設(shè)備圖紙，建立局部和整體裝配三維模型。通過(guò)快速聚焦、光學(xué)空間定位、慣性動(dòng)作捕捉、二三維聯(lián)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，準(zhǔn)確定位檢修員工及檢修對(duì)象的位置及姿態(tài)，捕捉其在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖6 為水輪機(jī)檢修示意圖。

圖6 水輪機(jī)檢修示意圖Figure 6 Schematic diagram of hydraulic turbine maintenance

4.7 數(shù)字全景大屏

通過(guò)大屏組態(tài)，綜合應(yīng)用HTML5、Hybrid、數(shù)據(jù)資源池、輕量化技術(shù)、可視化渲染、云渲染等技術(shù)，建設(shè)數(shù)字全景大屏，依托數(shù)據(jù)孿生底座，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯聚和分析及面向多終端場(chǎng)景的可視化數(shù)據(jù)應(yīng)用，提高智慧化水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生作為真實(shí)物理系統(tǒng)的虛擬、邏輯鏡像，結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、仿真技術(shù)，能如實(shí)、精確、實(shí)時(shí)地反應(yīng)水電廠實(shí)體的全生命周期過(guò)程[7]，實(shí)現(xiàn)真實(shí)、虛擬兩個(gè)維度水電廠的同步仿真運(yùn)行和虛實(shí)交互。后續(xù)將進(jìn)一步研究仿真機(jī)理模型，通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)提高系統(tǒng)理解、預(yù)測(cè)和優(yōu)化實(shí)體對(duì)象性能的數(shù)字仿真水平，為智能水電廠的運(yùn)行和管理提供更加有力的技術(shù)支持，進(jìn)一步提升水電廠的運(yùn)行管理水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)水電廠智能化向更深層次發(fā)展。