周二保，周 勇，汪正春，劉紹當

（大唐陳村水力發(fā)電廠，安徽宣城，242500）

陳村水電廠防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)研發(fā)與應用

周二保，周 勇，汪正春，劉紹當

（大唐陳村水力發(fā)電廠，安徽宣城，242500）

大唐陳村水力發(fā)電廠結(jié)合防汛調(diào)度實際，利用三維建模、地理信息、數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實等當今先進的數(shù)字化技術，成功創(chuàng)新開發(fā)了防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)。詳細闡述了設計技術方案、關鍵技術特點、系統(tǒng)的具體功能與應用等。

防汛調(diào)度；三維建模；仿真系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；虛擬現(xiàn)實

0 引言

大唐陳村水力發(fā)電廠位于長江支流安徽省蕪湖段青弋江上游、安徽省涇縣桃花潭鎮(zhèn)以上3 km，流域面積達2 780 km2。大壩樞紐工程包括混凝土重力拱壩、溢洪道、中孔、底孔、壩后式發(fā)電廠房和筏道等。一級陳村水電站于1970年建廠發(fā)電，裝機4臺，總?cè)萘?80 MW。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運、水產(chǎn)等綜合利用效益。經(jīng)水庫調(diào)蓄，能將重現(xiàn)期1 000年的洪峰流量14 400 m3/s削減到4 890 m3/s，能將重現(xiàn)期5 000年的洪峰流量24 900 m3/s削減到5 470 m3/s。水庫下游10 km處的溪口建有青弋江灌區(qū)渠首工程，利用陳村水庫發(fā)電尾水進行引水灌溉，設計灌溉面積總計1 014 ha。青弋江灌區(qū)總干渠末端建有二級紀村水電站，裝機2臺，總?cè)萘?4 MW，利用長40 km的總干渠與青弋江河道間的水位落差發(fā)電。陳村水庫防洪及灌溉受益地區(qū)包括涇縣、宣城、蕪湖、繁昌和南陵等。

大唐陳村水力發(fā)電廠建廠40年以來，經(jīng)過幾代人的不斷努力，水庫調(diào)度工作已逐步形成了較為完善的工作體系，但在近年防汛工作中發(fā)現(xiàn)預報方式單一、過程及結(jié)果展示手段不直觀。而隨著VR（虛擬現(xiàn)實）技術、GIS（地理信息系統(tǒng)）技術和3D（三維）技術的發(fā)展，開展了陳村水電廠防汛調(diào)度三維仿真創(chuàng)新，為防汛調(diào)度信息化管理工作提供了新的工作方法和管理手段。使用三維仿真系統(tǒng)，可以做到實時查看水庫的各項信息和參數(shù)，并且可以對特定水情工況進行模擬，為防汛調(diào)度管理工作提供調(diào)控和輔助決策作用，極大地提高了防汛調(diào)度工作的管理水平。陳村水電廠防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)在水庫防汛調(diào)度與三維信息技術相結(jié)合的應用方面進行了積極的探索，取得了較好的效果。

1 防汛調(diào)度系統(tǒng)概況

近年來，大唐陳村水力發(fā)電廠在防汛工作中加強管理，對2002～2011年10年來的近20場洪水進行了科學調(diào)度，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。但也發(fā)現(xiàn)常規(guī)的洪水調(diào)度中存在以下不足：

（1）人工預報結(jié)果未實現(xiàn)三維動態(tài)畫面顯示，單一的曲線過程不能給省防和上級領導以直觀展現(xiàn)。

（2）調(diào)度過程采用單一的、比較準確的洪水模型預報，人工預報處理過程時間較長，給預報結(jié)果及時上報帶來麻煩，預報數(shù)據(jù)不能滿足上級及時性的要求。

（3）洪水預報要求精度高，而人工預報處理相對較慢，欠缺及時性，為預報結(jié)果快速上報，不得不減少調(diào)度方式演算。

（4）洪水預報采用模型預報，調(diào)度演算就缺少了中間變化方式，不能進行實時人機交流。

（5）不能隨著水情自動測報系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和洪水過程的積累，對預報參數(shù)及時進行修正。

針對以上情況，大唐陳村水力發(fā)電廠于2010年10月提出建立陳村水電廠防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)，作為陳村水庫防汛匯報和協(xié)調(diào)管理的輔助決策系統(tǒng)，以增強防洪調(diào)度決策的科學性和預見性。經(jīng)過一年的設計和開發(fā)，于2011年11月3日完成了“防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)”。

陳村水電廠防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)將水庫調(diào)度與三維信息技術相結(jié)合，以防汛調(diào)度實時工況為核心，以三維數(shù)字技術作展示手段。系統(tǒng)主要模塊包括：陳村水庫廠區(qū)三維全景展示、360°實景展示、典型防汛調(diào)度工況洪水預測和調(diào)度調(diào)洪演算、泄洪挑流仿真演示等，在虛擬的三維環(huán)境下，提供直觀的工況模擬參考，提高了防汛調(diào)度的預測水平。

2 防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)技術方案

2.1 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)以陳村水電廠防汛調(diào)度數(shù)據(jù)庫為基礎，使用虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)廠區(qū)三維虛擬全景展示、360°實景展示、典型工況模擬演示、泄洪挑流仿真演示等功能。以VRP虛擬現(xiàn)實軟件作為系統(tǒng)開發(fā)的基礎平臺，由多種功能模塊組成。防洪調(diào)度模塊在調(diào)度演示過程中，可隨時暫停，根據(jù)需要調(diào)整機組、閘門運行方式，并在新的調(diào)洪調(diào)度方式下繼續(xù)調(diào)度演示，為技術人員提供了良好的人機交互功能。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構圖Fig.1 Structure of each functional module

2.2 系統(tǒng)平臺選擇

系統(tǒng)使用中視典公司的VRP 10.0軟件作為系統(tǒng)集成平臺。通過常規(guī)三維建模軟件3DS MAX制作完成整個項目工程的三維模型；采用360°全景軟件輔助制作360°實景FLASH瀏覽文件，然后把兩者制作完成的數(shù)據(jù)文件直接導入VRP中進行二次編輯，并且實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能編輯；VRP軟件亦可直接讀取數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫當中的相關數(shù)據(jù)信息直接反映到三維場景模型當中；同時VRP軟件自帶各種數(shù)碼相機瀏覽模式、視頻音頻錄入模式、天空盒選擇、天氣環(huán)境模擬、數(shù)據(jù)表格查詢設計等功能；通過對各種資料素材的整理、重組和編輯，創(chuàng)造出一個接近真實的實時虛擬三維場景。

2.3 系統(tǒng)詳細功能

根據(jù)陳村水電廠防汛調(diào)度日常管理工作的需要，該三維仿真系統(tǒng)主要具備以下功能。

2.3.1 廠區(qū)三維場景展示

按照陳村水電廠廠區(qū)設計文檔和圖紙資料，利用三維制作軟件制作三維仿真模型，導入虛擬現(xiàn)實平臺軟件中，設定場景相機，編輯動畫，實現(xiàn)場景實地游覽模式、場景飛行瀏覽模式、預設路徑瀏覽模式和自由漫游控制模式等，直觀展示陳村水庫及下游防洪情況，便于調(diào)度和決策人員掌握上下游防洪與發(fā)電調(diào)度的相互關系。

2.3.2 場景360°實景展示

對某些定點位置制作360°實景瀏覽界面，可對該位置進行360°任意方位的瀏覽，實現(xiàn)真實場景虛擬展示；同時瀏覽界面具備導航功能，可對預設地點進行切換、轉(zhuǎn)動、縮放等操作，起到輔助展示三維建模資料的作用。

2.3.3 防汛調(diào)度預測

根據(jù)天氣預報，通過選取降雨類型、降雨量和持續(xù)時間、計劃開啟發(fā)電機組數(shù)量和溢洪道啟閉情況、假定在某一起始水位下等因素條件，預測庫區(qū)水位在規(guī)定時間內(nèi)的變化情況，預測的過程和結(jié)果能夠?qū)崟r地在三維場景中表現(xiàn)，為水庫的防汛調(diào)度指揮管理工作提供非常真實、形象生動的演示，實現(xiàn)真正的防汛調(diào)度三維仿真。

結(jié)合二維的防汛調(diào)度水位變化圖，可以從平面的角度觀察庫區(qū)水位變化的情況，用數(shù)字-曲線的圖表方式補充三維場景下難以精確觀察到水位數(shù)值變化的不足。

2.3.4 溢洪道泄洪挑流動畫演示

對陳村水電廠主壩的溢洪道泄洪挑流采用動畫方式，包括：溢洪道泄洪、中孔泄洪時的實拍視頻資料和通過設計規(guī)范計算出的水庫溢洪道泄洪挑流時的安全水位動畫視頻。以上動畫通過虛實結(jié)合的方法形象地展示了溢洪道泄洪挑流仿真的全過程，為水庫在日常維護方面做進一步的細化工作，對保護大壩壩基安全起到了一定的指導作用。

3 三維仿真系統(tǒng)關鍵技術

3.1 虛擬建模技術

搭建三維仿真系統(tǒng)首先需要的就是精確的三維建模，根據(jù)本項目的實際情況，實現(xiàn)三維建模采用的步驟如下：

首先掃描原始紙質(zhì)圖紙，得到原始圖紙的掃描位圖，使用專業(yè)位圖處理軟件（PHOTOSHOP等）進行細致的圖形處理，將經(jīng)過掃描的影像進行矯正，如方向偏移、像素雜點處理等，得到最接近方案原貌的像素位圖。之后再導入CAD軟件中，進行描圖操作，使用CAD精確定位，最后得到接近原始設計方案的矢量電子圖紙，用于進行常規(guī)的三維建模工作，虛擬建模流程如圖2所示。

圖2 虛擬建模流程圖Fig.2 Flow chart of virtual modeling

3.2 實時泄洪水體粒子模擬技術

流體三維仿真一直是三維仿真技術中的難點。由于水流形態(tài)的復雜和多變，目前大多還只是使用簡單的粒子系統(tǒng)進行粗糙的模擬，而有別于渲染完成的連續(xù)禎動畫，實時的水流展示更是難點中的難點，如何在即時渲染的動畫中演示水流是本項目需要解決的一個重要問題。經(jīng)過多種對比試驗，最終本項目采用了霧化粒子實時模擬技術。

霧化粒子的優(yōu)點在于最大限度地體現(xiàn)了多粒子運動形態(tài)，節(jié)省了計算量，同時由于實際泄洪時水流也會產(chǎn)生霧化效果，結(jié)合本項目的實際，在各溢洪道模型出水口位置設置多個霧化粒子發(fā)射器，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，最終模擬出類似實際泄洪效果的霧化虛擬水流。通過點擊左右溢洪道的開啟關閉按鈕實現(xiàn)霧化粒子的顯示和隱藏，既滿足了項目對于三維表達的需要，也減少了實際運算量，保證了系統(tǒng)使用效率。霧化粒子在系統(tǒng)中的顯示效果如圖3所示。

另外，系統(tǒng)啟動后，在檢測過程中，傳感器是通過人在監(jiān)測區(qū)域的移動，通過檢測人體溫度與檢測區(qū)域溫度的差值來判斷是否有人進入。若有人在檢測區(qū)域靜止不動，人體溫度和檢測區(qū)域溫度的差值，也就是說沒有變化量的輸出，傳感器是不會有人進入的信號輸出。熱釋電傳感器功能特性如表2所示。

圖3 霧化粒子效果圖Fig.3 Effect picture of atomized particles

3.3 360°全景展示技術

360°全景是通過安裝有特定魚眼鏡頭的數(shù)碼相機捕捉整個真實場景的圖像信息，再使用全景軟件進行圖片拼合，并用專門的播放器進行播放的一種虛擬現(xiàn)實顯示技術。即將專業(yè)相機采集到的二維的平面圖像模擬成真實的三維空間，呈現(xiàn)給觀賞者；觀賞者在該三維空間中可以實現(xiàn)放大、縮小、移動、旋轉(zhuǎn)、切換等操作，同時也可以根據(jù)內(nèi)置的場景導航圖快速了解全景熱點的布局情況。

3.4 防汛調(diào)度工況模擬

圖4 防汛調(diào)度工況界面和系統(tǒng)部分界面圖Fig.4 Flood control regulation operating interface and some other interfaces

防汛調(diào)度工況的模擬（見圖4）作為開發(fā)本系統(tǒng)的核心，對水庫的管理具有輔助決策的作用。實現(xiàn)水庫的防汛調(diào)度工作必須從整體上把握水庫流域范圍內(nèi)水文、水資源特征，科學地進行調(diào)度，保證水庫安全運行，充分發(fā)揮水庫的綜合效益。本系統(tǒng)采取移動字幕簡述、關鍵部位360°全景展示及關鍵點動畫演示等多種表達方式闡明了水文水資源特征、水庫與上下游防洪關系、防洪工程安全特性。

在實施防汛調(diào)度工況模擬的過程中，充分考慮了水庫的匯入?yún)R出情況，選取歷史典型的來水情況進行演算，將數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當中，根據(jù)天氣預報進行多種情況的模擬洪水預報。通過查找數(shù)據(jù)庫中的典型歷史數(shù)據(jù)確定來水情況；模擬不同的發(fā)電方式、啟閉不同的泄洪閘門實施泄洪以確定出水情況，在指定的時間內(nèi)求得水庫的匯入?yún)R出量，得到預測水位的變化情況。

預測的過程和結(jié)果能夠?qū)崟r地在三維場景中表現(xiàn)，為水庫的防汛調(diào)度指揮管理工作提供了非常真實、形象生動的表現(xiàn)，起到真正的防汛調(diào)度三維仿真的作用。

防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)本身留有多個接口，隨著應用的逐步深入，將根據(jù)實際應用情況，不斷完善該系統(tǒng)的各項功能。

4 防汛調(diào)度三維仿真應用實例

根據(jù)天氣預測或降雨情況，采用歷史上的各種典型洪水過程，并按不同的防汛調(diào)度方式，對水庫水位進行72 h內(nèi)的預測，完成預測三維仿真僅用72 s時間，輔以生動的圖形演示和快速預測能力對防汛調(diào)度進行輔助決策，具備快速反應能力。

在72 h內(nèi)的防汛調(diào)度方式預測中可隨時暫停、變更調(diào)度方式，并依照變更后的方式繼續(xù)運行，實現(xiàn)了實時的人機交流，具有靈活性。

因為預測速度相對較快，在較短的時間內(nèi)可進行更多的調(diào)度方式演算。同時實時人機交流可演算出多種泄洪方式供調(diào)度決策。

采用歷史洪水過程模擬方式，可根據(jù)流域內(nèi)洪水特性的發(fā)展和變化自行添加洪水過程模擬演算。

系統(tǒng)采用2010年發(fā)生的“莫拉克”臺風洪水過程進行了成果比對?！澳恕迸_風襲擊時，天氣預報流域降雨為100 mm左右（實際降雨量為102 mm），系統(tǒng)據(jù)此對2010年7月8日8時～7月11日8時72 h調(diào)度情況進行了模擬調(diào)度（預測結(jié)果如表1所示）。

由此可見，三維仿真模擬調(diào)度水位最大偏差約33 cm，而常規(guī)調(diào)度人工手算的水位最大偏差在100～200 cm左右。采用防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)后，快速、準確的水位預測和實時顯示為防汛調(diào)度決策提供了及時準確的信息。

在洪水期間，采用該系統(tǒng)可以有力地保障防汛抗洪決策指揮的科學性，有效減輕青弋江上下游防洪壓力，保護沿岸人民群眾的生命財產(chǎn)安全，科學調(diào)度一次洪水可產(chǎn)生幾百萬、幾千萬甚至上億元的

表1 “莫拉克臺風過程線”預測結(jié)果對比表Table 1 Comparison of forecast results and actual situation of process line of Typhoon Morakot

經(jīng)濟效益。以2012年8月“?？迸_風為例，根據(jù)臺風預測路徑和預計降雨量，通過防汛調(diào)度預測陳村庫水位將超過117 m，電廠主動以4臺機滿發(fā)方式降水位，陳村水庫攔蓄洪水6.09億m3，陳村電廠可發(fā)電約7 000萬kW·h，創(chuàng)造價值5 250萬元（以安徽省民用和商用中間價0.75元/kW·h計算），洪水演算反推結(jié)果，其中以預先滿負荷發(fā)電合理調(diào)度方式避免棄水1.07億m3，可發(fā)電約1 300萬kW·h，創(chuàng)造價值975萬元。2014年7月第10號超強臺風“麥德姆”來臨前，同樣通過防汛調(diào)度預測，開啟陳村4臺發(fā)電機組滿發(fā)，以搶發(fā)電方式騰空庫容，洪水演算反推結(jié)果，以預先滿發(fā)合理調(diào)度方式避免棄水0.96億m3，發(fā)電量約1 100萬kW·h，創(chuàng)造價值825萬元。

5 結(jié)語

防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)結(jié)合防汛調(diào)度實際工作，立體地展示了陳村水電廠全廠概況、大壩運行工況、陳紀水庫調(diào)度相關工作，并能模擬防汛防洪情況。在三維仿真時加入溢洪道水流挑流模擬、交互式的防汛調(diào)度操作等模塊。結(jié)合陳村水庫多年防汛經(jīng)驗積累，根據(jù)天氣預測或降雨情況，采用歷史上的各種典型洪水過程對現(xiàn)在的水庫進行多種防汛調(diào)度方式預測。

通過以上創(chuàng)新技術實施的陳村水庫防汛調(diào)度三維仿真系統(tǒng)，構建了數(shù)字化的水庫防汛數(shù)據(jù)管理平臺和三維建模，是防汛調(diào)度的輔助決策系統(tǒng)，增強了防汛調(diào)度決策的科學性和預見性。應用到水庫調(diào)度日常管理工作中，將更加高效地指導水庫管理人員實施防汛調(diào)度計劃和陳紀二站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度發(fā)電工作，極大地提高了陳村水電廠發(fā)電和防汛的綜合效益。 ■

作者郵箱：ahjxzeb@126.com

Development and application of 3-D flood control regulation simulation system for Chencun hy?

dropower station

ZHOU Er-bao,ZHOU Yong,WANG Zheng-chun and LIU Shao-dang

Datang Ch?

encun Hydropower Plant

Based on practical status of flood control regulation,combined with 3-D modeling,geograph?ic information,data base,virtual reality and other advanced digital technologies,3-D flood control regu?lation simulation system for Chencun hydropower station is successfully developed.The design technolo?gy scheme,key technology features,specific functions of the system and applications are expounded in details for reference.

flood control regulation;3-D modeling;simulation system;data base;virtual reality

TV697.1

B

1671-1092（2015）04-0035-05

2014-11-27；

2015-01-29

周二保（1963-），男，高級工程師，大唐陳村水電廠總工程師，從事水電廠生產(chǎn)技術管理工作。