萬 晟 ，劉學(xué)山 ，徐 斌 ，施 濤，陳世坤

（1.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠(yuǎn)511853;2.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢430080）

近年來，隨著三維可視化模型與智慧數(shù)字化施工運(yùn)行理念在水電領(lǐng)域的擴(kuò)展，越來越多的水電廠接受并采用數(shù)字化手段對(duì)施工質(zhì)量、安全、水工運(yùn)行等方面進(jìn)行研究。

在智慧水電廠方面，周忠育、張仁貢[1]等人采用基于物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)等技術(shù)開發(fā)了智慧水電云監(jiān)管平臺(tái)，對(duì)農(nóng)村水電的安全監(jiān)管智能化建設(shè)進(jìn)行了研究。陳效濤、李朝暉[2]等人從設(shè)備檢修的角度出發(fā)，給出了一種水輪發(fā)電機(jī)組搖擺式導(dǎo)葉主接力器的數(shù)字化模型建模方法。韓建東[3]等人以糯扎渡水電廠建設(shè)實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)大壩施工進(jìn)度和質(zhì)量進(jìn)行控制的“數(shù)字大壩”系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，結(jié)合其應(yīng)用過程，重點(diǎn)分析系統(tǒng)在倉面碾壓、碾壓超速方面的控制過程，認(rèn)為該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)全面地對(duì)高心墻堆石壩進(jìn)行施工過程有效控制。孫周輝[4]認(rèn)為數(shù)字化系統(tǒng)使用后，在質(zhì)量、進(jìn)度控制上的貢獻(xiàn)非常突出:縮短了施工質(zhì)量檢查的時(shí)間，優(yōu)化了碾壓分區(qū)，提高了壩面平倉及碾壓設(shè)備的使用效率，施工質(zhì)量大幅提高后，現(xiàn)場(chǎng)返工處理大幅度減少，由于系統(tǒng)的全過程監(jiān)控，確保了大壩填筑碾壓質(zhì)量，后續(xù)的大壩沉降得到了有效的控制，為后續(xù)高壩的建設(shè)提供了技術(shù)上的支撐和經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)后續(xù)在覆蓋層上建設(shè)高壩積累了非常重要的全過程數(shù)據(jù)。

在三維可視化仿真技術(shù)方面，鐘登華、宋洋[5，6]等人將引水工程空間數(shù)據(jù)(矢量數(shù)據(jù)、形體數(shù)據(jù)等)和各種屬性信息集成在一起,在這些數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上建立引水工程三維可視化仿真模型及模型庫，一定程度上實(shí)現(xiàn)了引水工程施工的三維可視化圖形仿真系統(tǒng)。唐穩(wěn)、田斌[7]利用數(shù)字地形模型、三角網(wǎng)模型CAD實(shí)體建模等方法實(shí)現(xiàn)了水利樞紐工程施工全過程的三維仿真模擬。

目前三維可視化與仿真及數(shù)字化技術(shù)主要運(yùn)行在水工部分結(jié)構(gòu)（如大壩）的施工監(jiān)測(cè)及部分機(jī)組（如水輪機(jī)）視覺展示方面，在全廠的運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)監(jiān)控方面尚無先例。本文主要從抽水蓄能電廠運(yùn)行期可視化監(jiān)控的角度，應(yīng)用三維可視化與仿真技術(shù)，探討其建設(shè)及智慧應(yīng)用研究。

1 工程概況

1.1 電廠概況

清蓄電廠位于珠江三角洲西北部，距廣州市直線距離75km。清蓄電廠位于西電東送的走廊，珠江三角洲負(fù)荷中心，接入系統(tǒng)靈活。清蓄電廠設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1280MW（4×320MW），年發(fā)電量23.316億kW·h，年抽水耗電量30.283億kW·h，滿載發(fā)電9.1h，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電廠。

1.2 工程特點(diǎn)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電廠樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開關(guān)站、永久道路等部分組成，平均設(shè)計(jì)水頭470m，最大水頭502m。輸水系統(tǒng)采用一洞四機(jī)布置，縱剖面采用三級(jí)平洞加一級(jí)豎井及一級(jí)斜井，全長2767m。地下廠房由主機(jī)間、副廠房和安裝場(chǎng)3部分組成，開挖尺寸169.5m×25.5m×55.7m，與之相貫洞室有16余條。

2 圖形算法

2.1 LOD算法

LOD又稱為層次細(xì)節(jié)（(LevelOfDetail）[8],主要思想是通過算法和工具將原始三維模型進(jìn)行多重處理，降低它的復(fù)雜度，同時(shí)需要保證簡(jiǎn)化后的模型與原始模型有一定的相似度。

2.2 基于組合四面體的模型簡(jiǎn)化LOD算法

本工程采用的是基于組合四面體的模型簡(jiǎn)化LOD算法。該算法對(duì)四面體的幾何性質(zhì)與特征進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化與改進(jìn)。

2.2.1 算法實(shí)現(xiàn)步驟

（1）判斷頂點(diǎn)是否為公共頂點(diǎn)，默認(rèn)公共頂點(diǎn)取第1個(gè)相鄰邊最多的點(diǎn)；

（2）判斷公共頂點(diǎn)相鄰3個(gè)頂點(diǎn)是否共線，若共線，分別選最小最大值的兩個(gè)頂點(diǎn)，再選取另一個(gè)與公共頂點(diǎn)相鄰的頂點(diǎn)作為第4個(gè)頂點(diǎn)，然后組合成四面體；

（3）根據(jù)四面體相關(guān)參數(shù)，計(jì)算公共頂點(diǎn)的3個(gè)權(quán)值因子及特征度；

（4）比較并篩選出特征度大的點(diǎn)，優(yōu)先加入非移去頂點(diǎn)序列；

（5）對(duì)剩余頂點(diǎn)判斷，并作相關(guān)邊折疊處理；（6）重復(fù)以上步驟，直至簡(jiǎn)化完成。

2.2.2 計(jì)算公式

圖1 組合四面體結(jié)構(gòu)

（1）頂點(diǎn)的特征度權(quán)值公式：

其中，α、β都是取0～1之間的數(shù)值，且有α+β＜1，以便確保不會(huì)對(duì)簡(jiǎn)化效果造成影響，可以靈活控制與調(diào)整簡(jiǎn)化后模型的層次；dv表示頂點(diǎn)到組合四面體Tcom{v1,v2,v3,v4}底面的距離；Qθc表示底面法向量與公共頂點(diǎn)相鄰三角面片法向量夾角的均值；Hcuv表示公共頂點(diǎn)的高斯曲率。

這3個(gè)權(quán)值因子共同決定了頂點(diǎn)特征度大小，即在復(fù)雜模型中的凸顯程度。

（2）權(quán)值因子的詳細(xì)計(jì)算步驟

公共頂點(diǎn)到底面的距離公式為：

Qθc的計(jì)算式為：

其中θs為法向量與頂點(diǎn)相鄰三角形法向量夾角之和：

由式（5）、（6）可以看出，當(dāng)?shù)酌娣ㄏ蛄颗c頂點(diǎn)相鄰三角形法向量的夾角均值越接近于π/2時(shí)，θs越小，Qθc越大，因此頂點(diǎn)視覺特征越明顯。

在復(fù)雜模型中，通常利用高斯曲率[9、10]表示在頂點(diǎn)處的彎曲程度，平均曲率表示頂點(diǎn)相鄰三角面片的彎曲程度。在算法中，頂點(diǎn)曲率只需采用高斯曲率作為權(quán)值因子，這樣避免了求平均曲率而帶來多余的計(jì)算代價(jià)，其計(jì)算公式可表示為：

其中θp為頂點(diǎn)夾角：

（2）頂點(diǎn)的均值公式：

其中min(Kdeg）和max(Kdeg）分別表示特征度的最小、最大值。

如果某頂點(diǎn)的Kdeg＞Gavg，則說明該點(diǎn)的特征度比較大，即視覺特征比較明顯，應(yīng)該對(duì)其標(biāo)記并優(yōu)先加入不可刪除序列中。

此外，為了調(diào)節(jié)模型的平滑過渡性，本算法還對(duì)頂點(diǎn)增加一個(gè)正負(fù)閾值ε：

閾值越大簡(jiǎn)化效果越粗糙，反之越平滑，用以達(dá)到簡(jiǎn)化效果的微調(diào)。

3 參數(shù)化模型建立

清遠(yuǎn)抽水蓄能電廠大壩三維參數(shù)化建模主要包括地表傾斜攝影建模、水工樞紐建構(gòu)筑物點(diǎn)云建模。

3.1 傾斜攝影建模技術(shù)

地表模型由傾斜攝影相機(jī)獲取垂直影像和傾斜影像，導(dǎo)入Smart3D中利用AT模塊進(jìn)行空中三角測(cè)量，生成數(shù)字高程模型DEM，并疊加DOM作為紋理來表現(xiàn)地表真三維場(chǎng)景。

3.2 三維激光點(diǎn)云建模技術(shù)

采用三維激光掃描儀獲取空間信息數(shù)據(jù)，包括地面建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尺寸、水庫壩體的上部結(jié)構(gòu)等。①根據(jù)建構(gòu)筑物的密集程度布設(shè)合適的掃描站點(diǎn)。②按照?qǐng)D根控制點(diǎn)的精度要求實(shí)測(cè)掃描站點(diǎn)平面和高程坐標(biāo)。③在RiScanPro中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與拼接。④在3dMax中根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生成建構(gòu)筑物外輪廓幾何模型，并貼上紋理精確反映建構(gòu)筑物的顏色、質(zhì)地、圖案和局部特征，紋理可來源于航片或相機(jī)照片。建模流程見圖2。

3.3 三維可視化建模成果

水工建筑物方面共收集建立115萬個(gè)面片，7105個(gè)模型。

管路機(jī)組方面，由水輪發(fā)電機(jī)組、球閥系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、尾水事故閘門、金結(jié)系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)共6部分構(gòu)成，總計(jì)約10萬個(gè)零部件。

圖2 三維激光點(diǎn)云建模流程

圖3 地表建構(gòu)筑物建模成果

圖5 主機(jī)設(shè)備與管路建模成果

4 綜合平臺(tái)集成

綜合平臺(tái)采用的CityMaker三維驅(qū)動(dòng)引擎，通過自帶和其他三維建模工具對(duì)水庫、水工設(shè)備、電氣設(shè)備、安全監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行1：1三維建模，以三維模型為基礎(chǔ)，將電廠的三維空間信息與屬性數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間信息與各類屬性之間的一對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)聯(lián)，在瀏覽三維場(chǎng)景中，可以通過點(diǎn)擊查詢、空間范圍查詢、區(qū)域查詢、條件查詢等手段，將模型中所關(guān)聯(lián)的信息提取，并以文字、表格、圖表、視頻、動(dòng)畫的形式進(jìn)行展示。

系統(tǒng)顯示段采用DMS數(shù)字展示系統(tǒng)，所有信息的來源都是以三維模型瀏覽為觸發(fā)點(diǎn)，所有信息都依附于三維模型，提高了的空間感，展示效果更為生動(dòng)、直接。

圖6 綜合平臺(tái)展示

5 智慧抽水蓄能電廠應(yīng)用研究

5.1 三維全景漫游

平臺(tái)基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維數(shù)據(jù)加載技術(shù)，將海量的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式加載，提高漫游模型加載速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抽水蓄能電廠的全景瀏覽。可以保存興趣點(diǎn)，自定義飛行路徑，輸出多種格式的多媒體文件。通過點(diǎn)擊場(chǎng)景中任意模型，顯示該模型的詳細(xì)信息。

5.2 信息可視化展示

平臺(tái)的核心是通過三維展示手段，將水庫、機(jī)組重要的監(jiān)測(cè)信息可視化分析與展示，目前抽水蓄能電廠的重點(diǎn)關(guān)注信息主要包含生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外圍環(huán)境信息（如壩體整體結(jié)構(gòu)、廊道應(yīng)力狀態(tài)、水庫水情信息等）和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，三維模型制作中根據(jù)需要關(guān)聯(lián)信息的種類，將構(gòu)筑物、設(shè)備、儀表、攝像頭、廊體等進(jìn)行單體化處理，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)庫將模型唯一標(biāo)號(hào)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一對(duì)多的關(guān)聯(lián)，可以通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位到所屬模型的空間位置，也可以通過點(diǎn)擊模型查詢包含的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息。可以在三維場(chǎng)景中同時(shí)觸發(fā)不同種類的監(jiān)測(cè)監(jiān)視信息，全面的掌握水庫運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 二、三維系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

平臺(tái)在同一個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行二、三維聯(lián)動(dòng)，平臺(tái)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)系統(tǒng)一致二維信息展示界面，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)與三維模型的關(guān)聯(lián)，可以通過二維界面點(diǎn)擊監(jiān)控點(diǎn)與三維窗口互動(dòng)展示，彌補(bǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在三維中展示邏輯性差的缺點(diǎn)，將二、三維的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)在一個(gè)平臺(tái)中展示，提供更完善、全面的體驗(yàn)（圖7）。

5.4 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警

平臺(tái)將監(jiān)測(cè)歷史值分條件（溫度、濕度、氣壓、水位等）進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)保存，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史相似工況下的測(cè)值進(jìn)行比較，判斷其“異常”情況，降低由于環(huán)境因素造成的數(shù)據(jù)浮動(dòng)，若監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)比較差異超過限定值，則會(huì)在三維模型上用紅色標(biāo)記，并在系統(tǒng)中進(jìn)行彈窗提示。所有異常信息將會(huì)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)一記錄，方便進(jìn)行復(fù)查。

5.5 交互式操作模擬

平臺(tái)將復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行操作（閘門開停機(jī)操作、維護(hù)操作等）制作成三維模擬演練腳本，員工通過腳本目錄樹加載不同的場(chǎng)景，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還原真實(shí)的操作環(huán)境，結(jié)合相對(duì)應(yīng)工作票流程提示，以三維可交互的操作方式（開關(guān)的操作、閥門的控制、機(jī)械的裝配等），在三維場(chǎng)景中進(jìn)行模擬訓(xùn)練，完成不同的演練腳本，從而達(dá)到操作全過程仿真的目的。同時(shí)平臺(tái)支持對(duì)員工的操作進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，對(duì)錯(cuò)誤的操作進(jìn)行回放和正確講解，能夠自動(dòng)演示詳細(xì)的操作步驟，加深培訓(xùn)效果。

5.6 設(shè)備拆裝模擬

平臺(tái)通過研發(fā)Solidworks系列軟件二次開發(fā)接口，將其拆裝模擬演示模塊進(jìn)行功能的移植，通過加載服務(wù)器緩存的Solidworks高精度設(shè)備模型數(shù)據(jù)，在三維場(chǎng)景中選擇對(duì)應(yīng)模型，直接在線查看設(shè)備的精準(zhǔn)拆裝演示（圖8）。

圖8 設(shè)備拆裝模擬

6 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)三維可視化建模的基礎(chǔ)上，通過改良圖層建模算法，創(chuàng)新運(yùn)用傾斜攝影及三維激光點(diǎn)云技術(shù)，二次開發(fā)CityMaker平臺(tái)并運(yùn)用DMS數(shù)字展示系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了智慧抽水蓄能電廠的建設(shè)工作。但在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用，客戶端體驗(yàn)等方面尚在探索。

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