基于三维仿真技术的智慧水电厂应用研究

万 晟 ，刘学山 ，徐 斌 ，施 涛，陈世坤

（1.清远蓄能发电有限公司，广东清远511853;2.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉430080）

近年来，随着三维可视化模型与智慧数字化施工运行理念在水电领域的扩展，越来越多的水电厂接受并采用数字化手段对施工质量、安全、水工运行等方面进行研究。

在智慧水电厂方面，周忠育、张仁贡[1]等人采用基于物联网、移动互联网云技术等技术开发了智慧水电云监管平台，对农村水电的安全监管智能化建设进行了研究。陈效涛、李朝晖[2]等人从设备检修的角度出发，给出了一种水轮发电机组摇摆式导叶主接力器的数字化模型建模方法。韩建东[3]等人以糯扎渡水电厂建设实践为基础，对大坝施工进度和质量进行控制的“数字大坝”系统进行全面分析，结合其应用过程，重点分析系统在仓面碾压、碾压超速方面的控制过程，认为该系统可以实时全面地对高心墙堆石坝进行施工过程有效控制。孙周辉[4]认为数字化系统使用后，在质量、进度控制上的贡献非常突出:缩短了施工质量检查的时间，优化了碾压分区，提高了坝面平仓及碾压设备的使用效率，施工质量大幅提高后，现场返工处理大幅度减少，由于系统的全过程监控，确保了大坝填筑碾压质量，后续的大坝沉降得到了有效的控制，为后续高坝的建设提供了技术上的支撑和经验积累，对后续在覆盖层上建设高坝积累了非常重要的全过程数据。

在三维可视化仿真技术方面，钟登华、宋洋[5，6]等人将引水工程空间数据(矢量数据、形体数据等)和各种属性信息集成在一起,在这些数据库的基础上建立引水工程三维可视化仿真模型及模型库，一定程度上实现了引水工程施工的三维可视化图形仿真系统。唐稳、田斌[7]利用数字地形模型、三角网模型CAD实体建模等方法实现了水利枢纽工程施工全过程的三维仿真模拟。

目前三维可视化与仿真及数字化技术主要运行在水工部分结构（如大坝）的施工监测及部分机组（如水轮机）视觉展示方面，在全厂的运行综合监测及实时监控方面尚无先例。本文主要从抽水蓄能电厂运行期可视化监控的角度，应用三维可视化与仿真技术，探讨其建设及智慧应用研究。

1 工程概况

1.1 电厂概况

清蓄电厂位于珠江三角洲西北部，距广州市直线距离75km。清蓄电厂位于西电东送的走廊，珠江三角洲负荷中心，接入系统灵活。清蓄电厂设计装机容量1280MW（4×320MW），年发电量23.316亿kW·h，年抽水耗电量30.283亿kW·h，满载发电9.1h，属日调节纯抽水蓄能电厂。

1.2 工程特点

清远抽水蓄能电厂枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房洞室群及开关站、永久道路等部分组成，平均设计水头470m，最大水头502m。输水系统采用一洞四机布置，纵剖面采用三级平洞加一级竖井及一级斜井，全长2767m。地下厂房由主机间、副厂房和安装场3部分组成，开挖尺寸169.5m×25.5m×55.7m，与之相贯洞室有16余条。

2 图形算法

2.1 LOD算法

LOD又称为层次细节（(LevelOfDetail）[8],主要思想是通过算法和工具将原始三维模型进行多重处理，降低它的复杂度，同时需要保证简化后的模型与原始模型有一定的相似度。

2.2 基于组合四面体的模型简化LOD算法

本工程采用的是基于组合四面体的模型简化LOD算法。该算法对四面体的几何性质与特征进行了相关优化与改进。

2.2.1 算法实现步骤

（1）判断顶点是否为公共顶点，默认公共顶点取第1个相邻边最多的点；

（2）判断公共顶点相邻3个顶点是否共线，若共线，分别选最小最大值的两个顶点，再选取另一个与公共顶点相邻的顶点作为第4个顶点，然后组合成四面体；

（3）根据四面体相关参数，计算公共顶点的3个权值因子及特征度；

（4）比较并筛选出特征度大的点，优先加入非移去顶点序列；

（5）对剩余顶点判断，并作相关边折叠处理；（6）重复以上步骤，直至简化完成。

2.2.2 计算公式

图1 组合四面体结构

（1）顶点的特征度权值公式：

其中，α、β都是取0～1之间的数值，且有α+β＜1，以便确保不会对简化效果造成影响，可以灵活控制与调整简化后模型的层次；dv表示顶点到组合四面体Tcom{v1,v2,v3,v4}底面的距离；Qθc表示底面法向量与公共顶点相邻三角面片法向量夹角的均值；Hcuv表示公共顶点的高斯曲率。

这3个权值因子共同决定了顶点特征度大小，即在复杂模型中的凸显程度。

（2）权值因子的详细计算步骤

公共顶点到底面的距离公式为：

Qθc的计算式为：

其中θs为法向量与顶点相邻三角形法向量夹角之和：

由式（5）、（6）可以看出，当底面法向量与顶点相邻三角形法向量的夹角均值越接近于π/2时，θs越小，Qθc越大，因此顶点视觉特征越明显。

在复杂模型中，通常利用高斯曲率[9、10]表示在顶点处的弯曲程度，平均曲率表示顶点相邻三角面片的弯曲程度。在算法中，顶点曲率只需采用高斯曲率作为权值因子，这样避免了求平均曲率而带来多余的计算代价，其计算公式可表示为：

其中θp为顶点夹角：

（2）顶点的均值公式：

其中min(Kdeg）和max(Kdeg）分别表示特征度的最小、最大值。

如果某顶点的Kdeg＞Gavg，则说明该点的特征度比较大，即视觉特征比较明显，应该对其标记并优先加入不可删除序列中。

此外，为了调节模型的平滑过渡性，本算法还对顶点增加一个正负阈值ε：

阈值越大简化效果越粗糙，反之越平滑，用以达到简化效果的微调。

3 参数化模型建立

清远抽水蓄能电厂大坝三维参数化建模主要包括地表倾斜摄影建模、水工枢纽建构筑物点云建模。

3.1 倾斜摄影建模技术

地表模型由倾斜摄影相机获取垂直影像和倾斜影像，导入Smart3D中利用AT模块进行空中三角测量，生成数字高程模型DEM，并叠加DOM作为纹理来表现地表真三维场景。

3.2 三维激光点云建模技术

采用三维激光扫描仪获取空间信息数据，包括地面建构筑物结构尺寸、水库坝体的上部结构等。①根据建构筑物的密集程度布设合适的扫描站点。②按照图根控制点的精度要求实测扫描站点平面和高程坐标。③在RiScanPro中进行数据处理与拼接。④在3dMax中根据点云数据可以生成建构筑物外轮廓几何模型，并贴上纹理精确反映建构筑物的颜色、质地、图案和局部特征，纹理可来源于航片或相机照片。建模流程见图2。

3.3 三维可视化建模成果

水工建筑物方面共收集建立115万个面片，7105个模型。

管路机组方面，由水轮发电机组、球阀系统、调速系统、尾水事故闸门、金结系统、技术供水系统共6部分构成，总计约10万个零部件。

图2 三维激光点云建模流程

图3 地表建构筑物建模成果

图5 主机设备与管路建模成果

4 综合平台集成

综合平台采用的CityMaker三维驱动引擎，通过自带和其他三维建模工具对水库、水工设备、电气设备、安全监控设备等进行1：1三维建模，以三维模型为基础，将电厂的三维空间信息与属性数据有机结合，实现空间信息与各类属性之间的一对多、多对多的关联，在浏览三维场景中，可以通过点击查询、空间范围查询、区域查询、条件查询等手段，将模型中所关联的信息提取，并以文字、表格、图表、视频、动画的形式进行展示。

系统显示段采用DMS数字展示系统，所有信息的来源都是以三维模型浏览为触发点，所有信息都依附于三维模型，提高了的空间感，展示效果更为生动、直接。

图6 综合平台展示

5 智慧抽水蓄能电厂应用研究

5.1 三维全景漫游

平台基于实时动态三维数据加载技术，将海量的三维数据进行分布式加载，提高漫游模型加载速度，实现了对抽水蓄能电厂的全景浏览。可以保存兴趣点，自定义飞行路径，输出多种格式的多媒体文件。通过点击场景中任意模型，显示该模型的详细信息。

5.2 信息可视化展示

平台的核心是通过三维展示手段，将水库、机组重要的监测信息可视化分析与展示，目前抽水蓄能电厂的重点关注信息主要包含生产控制系统数据、外围环境信息（如坝体整体结构、廊道应力状态、水库水情信息等）和视频监控数据，三维模型制作中根据需要关联信息的种类，将构筑物、设备、仪表、摄像头、廊体等进行单体化处理，通过后台数据库将模型唯一标号与监测数据进行一对多的关联，可以通过监测点定位到所属模型的空间位置，也可以通过点击模型查询包含的监测点信息。可以在三维场景中同时触发不同种类的监测监视信息，全面的掌握水库运行状态。

5.3 二、三维系统联动

平台在同一个场景下进行二、三维联动，平台设计与生产系统一致二维信息展示界面，通过监测点与三维模型的关联，可以通过二维界面点击监控点与三维窗口互动展示，弥补监测数据在三维中展示逻辑性差的缺点，将二、三维的优势特点在一个平台中展示，提供更完善、全面的体验（图7）。

5.4 智能监测预警

平台将监测历史值分条件（温度、湿度、气压、水位等）进行历史数据保存，将实时数据与历史相似工况下的测值进行比较，判断其“异常”情况，降低由于环境因素造成的数据浮动，若监测到数据比较差异超过限定值，则会在三维模型上用红色标记，并在系统中进行弹窗提示。所有异常信息将会在数据库中进行统一记录，方便进行复查。

5.5 交互式操作模拟

平台将复杂的设备运行操作（闸门开停机操作、维护操作等）制作成三维模拟演练脚本，员工通过脚本目录树加载不同的场景，利用三维虚拟现实技术，还原真实的操作环境，结合相对应工作票流程提示，以三维可交互的操作方式（开关的操作、阀门的控制、机械的装配等），在三维场景中进行模拟训练，完成不同的演练脚本，从而达到操作全过程仿真的目的。同时平台支持对员工的操作进行打分评价，对错误的操作进行回放和正确讲解，能够自动演示详细的操作步骤，加深培训效果。

5.6 设备拆装模拟

平台通过研发Solidworks系列软件二次开发接口，将其拆装模拟演示模块进行功能的移植，通过加载服务器缓存的Solidworks高精度设备模型数据，在三维场景中选择对应模型，直接在线查看设备的精准拆装演示（图8）。

图8 设备拆装模拟

6 结语

本文在传统三维可视化建模的基础上，通过改良图层建模算法，创新运用倾斜摄影及三维激光点云技术，二次开发CityMaker平台并运用DMS数字展示系统，初步实现了智慧抽水蓄能电厂的建设工作。但在实时数据应用，客户端体验等方面尚在探索。

参考文献：

[1] 周忠育，张仁贡.基于物联网技术的智慧水电云监管平台的设计与应用[J]．浙江水利水电学院学报，2016,28(3):69-76.

[2] 陈效涛，李朝晖.面向检修的水电设备数字化建模[J]．电力系统自动化，2005，29（7）:79-83.

[3] 韩建东，张琛，肖闯.糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究[J]．西北水电，2012(2):96-100.

[4] 孙州辉.数字大坝系统在长河坝电站大坝工程中的应用[J]．四川水力发电，2015，34（5）:139-143.

[5] 钟登华，宋洋，刘东海,等.大型引水工程施工三维可视化仿真系统研究[J]．系统工程理论与实践，2003(11):111-118.

[6] 钟登华，宋洋.大型水利工程三维可视化仿真方法研究[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2004,16(1):121-128.

[7] 唐稳，田斌.水电工程施工的三维可视化仿真技术研究[J]．湖北水力发电，2004(4):23-25.

[8] 张宛方，苏鸿根.3D模型LOD算法的研究及其OpenGL实现[J]．计算机工程与设计，2004,25(10):1790-1791.

[9] HOPPEH.View-dependentrefinementofprogressive meshes[J].Siggpaph,1997(8):189-198.

[10] HOPPEH.SmoothView-Dependantlevel-of-detail controland itsapplication to terrain rendering[C]//ProceedingsofIEEEVisualization,ResearchTrianglePark,WorthCarolina,1998:35-42.