張小冬，吳 超，劉學(xué)山，汪志強(qiáng)，徐 斌，萬(wàn) 晟

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

基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動(dòng)態(tài)監(jiān)控與仿真技術(shù)研究

張小冬1，吳 超1，劉學(xué)山2，汪志強(qiáng)2，徐 斌2，萬(wàn) 晟2

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

文中針對(duì)抽水蓄能電廠運(yùn)營(yíng)信息化建設(shè)的需求與現(xiàn)狀，依托高精度三維建模技術(shù)、設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控、虛擬仿真等技術(shù)，對(duì)抽水蓄能電廠進(jìn)行全方位、多視角的精細(xì)測(cè)繪與三維建模，同時(shí)集成電廠現(xiàn)有系統(tǒng)資源，搭建動(dòng)態(tài)監(jiān)控與仿真一體化平臺(tái)，解決目前抽水蓄能電廠信息展現(xiàn)不集中、不直觀的缺陷，為電廠三維信息化建設(shè)提供新型的解決方案。

三維空間信息技術(shù)；精細(xì)建模技術(shù)；三維動(dòng)態(tài)監(jiān)控；教培仿真

隨著智能監(jiān)控技術(shù)的高速發(fā)展，目前我國(guó)建成的抽水蓄能電廠中應(yīng)用了大量智能監(jiān)控、安全預(yù)警、運(yùn)營(yíng)管理等技術(shù)，這些技術(shù)能夠有效解決相應(yīng)領(lǐng)域中遇到的問(wèn)題，提高管理效率。但由于抽水蓄能電廠自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生水工建筑物結(jié)構(gòu)顯示不直觀、重要電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)無(wú)可視化模型以及各監(jiān)控系統(tǒng)不兼容等缺陷。本文提出通過(guò)三維動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控技術(shù)，將電廠內(nèi)的壩體、管路、設(shè)備等進(jìn)行真實(shí)比例建模，在三維場(chǎng)景內(nèi)將模型與生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、拆裝仿真內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，打通各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息孤島，以直觀、動(dòng)態(tài)、智能的方式展示廠區(qū)內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況、壩體安全監(jiān)控、異常報(bào)警信息等，提高電廠的運(yùn)營(yíng)能力和智慧化水平。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 總體架構(gòu)

應(yīng)用平臺(tái)的開(kāi)發(fā)基于主流的B/S 3層架構(gòu)模式，分別為綜合應(yīng)用層、核心服務(wù)層和數(shù)據(jù)資源層。其中核心服務(wù)層以不同的數(shù)據(jù)采集服務(wù)從不同的數(shù)據(jù)資源庫(kù)中將生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、水工水情數(shù)據(jù)、仿真文件數(shù)據(jù)、三維地理信息數(shù)據(jù)等信息以Ajax通道傳輸或者Request數(shù)據(jù)請(qǐng)求的方式分發(fā)到不同的應(yīng)用層。應(yīng)用層以CityMaker三維展現(xiàn)控件為基礎(chǔ)，集成不同的業(yè)務(wù)展現(xiàn)插件，實(shí)現(xiàn)不同的功能和展現(xiàn)效果。平臺(tái)三層之間相對(duì)獨(dú)立，提供靈活的服務(wù)與應(yīng)用邏輯關(guān)系，為后續(xù)應(yīng)用的擴(kuò)展提供支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)。三維平臺(tái)要將電廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的重要監(jiān)控信息通過(guò)三維場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，目前電廠內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[5]，各系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，平臺(tái)根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)以下兩種途徑進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。第一種方式通過(guò)獲取對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集權(quán)限，通過(guò)部署負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用服務(wù)，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以key-value的形式存儲(chǔ)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中(本平臺(tái)使用Redis實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù))。該方式訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)更為直接，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取效率高，避免傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)量瓶頸的限制。其次，由于部分系統(tǒng)無(wú)法提供公共的數(shù)據(jù)采集權(quán)限，所以第二種方法是通過(guò)相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輔助子系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)共享服務(wù)，當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求后，數(shù)據(jù)將以JSON或XML的形式發(fā)送回客戶(hù)端，客戶(hù)端進(jìn)行解析與展示。這種方式能夠降低系統(tǒng)之間的耦合性，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。

2)富客戶(hù)端技術(shù)。平臺(tái)采用富客戶(hù)端的前端開(kāi)發(fā)技術(shù)，將前端應(yīng)用程序與后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)盡可能分離，提高日后程序擴(kuò)展的可能性，方便基于松耦合的機(jī)制與用戶(hù)第三方組織機(jī)構(gòu)庫(kù)、第三方單點(diǎn)登錄服務(wù)銜接與集成，并且支持客戶(hù)端通過(guò)HTTP，SOAP，Web Service，Ajax等多種方式進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)Web 2.0的開(kāi)發(fā)；平臺(tái)可以與任何第三方應(yīng)用系統(tǒng)、多種數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)型進(jìn)行流程整合服務(wù)，系統(tǒng)配置多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，通過(guò)實(shí)體層直接與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程整合服務(wù)，支持Web Service并方便與其它已有系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合。

3)插件集成技術(shù)。由于Web展現(xiàn)技術(shù)的局限性，為了擴(kuò)大平臺(tái)對(duì)其他相關(guān)系統(tǒng)的兼容性，平臺(tái)采取插件式系統(tǒng)集成技術(shù)，針對(duì)不同的子系統(tǒng)，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備拆裝仿真系統(tǒng)等，根據(jù)系統(tǒng)提供的SDK深度定制開(kāi)發(fā)運(yùn)行插件，并將不同功能的插件統(tǒng)一發(fā)布，減少用戶(hù)的插件安裝次數(shù)，同時(shí)提高不同應(yīng)用場(chǎng)景之間的聯(lián)動(dòng)性。

2 三維建模技術(shù)

系統(tǒng)采用三維地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎技術(shù)，通過(guò)地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蟮慕M織與管理，統(tǒng)一管理海量地理空間要素的空間屬性、時(shí)態(tài)屬性數(shù)據(jù)，以及管理地理空間信息符號(hào)化所需的二、三維符號(hào)數(shù)據(jù)。地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)分為3層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)集、要素類(lèi)。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)

同時(shí)，實(shí)體對(duì)象可以擁有時(shí)態(tài)、空間、屬性、符號(hào)等4類(lèi)地理空間屬性信息。其中時(shí)態(tài)屬性可將電廠的不同時(shí)期進(jìn)行分類(lèi)建模，通過(guò)時(shí)態(tài)的變化來(lái)展現(xiàn)不同時(shí)間的建設(shè)情況，如圖3所示。

圖3 實(shí)體對(duì)象屬性設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)統(tǒng)一管理源數(shù)據(jù)和表現(xiàn)數(shù)據(jù)。源數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)庫(kù)，以三維模型對(duì)象的附件形式，以二進(jìn)制格式直接存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)表。同時(shí)，三維平臺(tái)基于源數(shù)據(jù)直接生成高精度表現(xiàn)數(shù)據(jù)。表現(xiàn)數(shù)據(jù)同樣以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)表，作為三維模型對(duì)象的符號(hào)資源。三維模型對(duì)象、源數(shù)據(jù)文件、表現(xiàn)數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于三維數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于三維模型對(duì)象建立屬性關(guān)聯(lián)，互相之間可以被快速檢索和引用，實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)、表現(xiàn)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的一體化管理，如圖4所示。

圖4 空間數(shù)據(jù)一體化管理

3 綜合系統(tǒng)集成

平臺(tái)采用CityMaker三維驅(qū)動(dòng)引擎，通過(guò)自帶和其他三維建模工具對(duì)水庫(kù)、廠區(qū)、水工設(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(lèi)屬性之間的一對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)聯(lián)，用戶(hù)在瀏覽三維場(chǎng)景中，可以通過(guò)點(diǎn)擊查詢(xún)、空間范圍查詢(xún)、區(qū)域查詢(xún)、條件查詢(xún)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(huà)的形式進(jìn)行展示。所有信息的來(lái)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，提高用戶(hù)的空間感，展示效果更為生動(dòng)、直接。系統(tǒng)的主要功能如下：

1)廠區(qū)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，提高用戶(hù)漫游模型加載速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽水蓄能電廠的全景瀏覽。用戶(hù)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(guò)點(diǎn)擊場(chǎng)景中任意模型，顯示該模型的詳細(xì)信息，例如：管線(xiàn)的管徑、流向、介質(zhì)等。

2)信息可視化展示?？梢暬脚_(tái)的核心是通過(guò)三維展示手段，將廠區(qū)內(nèi)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(kù)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(lèi)，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(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)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)，用戶(hù)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位到所屬模型的空間位置，也可以通過(guò)點(diǎn)擊模型查詢(xún)包含的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息。用戶(hù)可以在三維場(chǎng)景中同時(shí)觸發(fā)不同種類(lèi)的監(jiān)測(cè)監(jiān)視信息，全面掌握廠區(qū)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。

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(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與三維模型的關(guān)聯(lián)，用戶(hù)可以通過(guò)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，為用戶(hù)提供更完善、全面的體驗(yàn)，如圖5所示。

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監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，判斷其“異?！鼻闆r，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(guò)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(kù)中進(jìn)行統(tǒng)一記錄，方便用戶(hù)進(jìn)行復(fù)查。

5)設(shè)備拆裝模擬。平臺(tái)首先根據(jù)設(shè)備部件圖及裝配圖中采集設(shè)備零部件形狀、幾何尺寸等部件特征及零部件之間相對(duì)位置關(guān)系，建立原始設(shè)備拆裝數(shù)據(jù)庫(kù)。再通過(guò)研發(fā)Solidworks系列軟件二次開(kāi)發(fā)接口，將其拆裝模擬演示模塊進(jìn)行功能的移植，通過(guò)加載服務(wù)器緩存的Solidworks高精度設(shè)備模型數(shù)據(jù)，通過(guò)在三維場(chǎng)景中選擇對(duì)應(yīng)模型，直接在線(xiàn)查看設(shè)備的精準(zhǔn)拆裝演示，如圖6所示。

6)互動(dòng)式操作模擬演練。平臺(tái)將復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行操作(開(kāi)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(guò)腳本目錄樹(shù)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)工作流程提示，以三維可交互的操作方式(開(kāi)關(guān)的操作、閥門(mén)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(guò)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，加強(qiáng)培訓(xùn)效果，如圖7所示。

圖6 設(shè)備拆裝模擬

圖7 操作模擬演練

4 工程案例

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，與廣州直線(xiàn)距離約75 km。電站裝機(jī)4×320 MW，總?cè)萘? 280 MW，最高凈水頭502.7 m。樞紐建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、開(kāi)關(guān)站及永久公路等組成。上水庫(kù)正常水位612.5 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 055萬(wàn)m3；下水庫(kù)正常水位137.7 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容1 058萬(wàn)m3。輸水系統(tǒng)水平總長(zhǎng)度2 449 m，距高比為5，滿(mǎn)載發(fā)電小時(shí)數(shù)為9.1 h。平臺(tái)建設(shè)前期通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影制作數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像，結(jié)合三維激光掃描儀與CAD施工圖紙制作三維建構(gòu)筑物模型，同時(shí)采用三維精確建模技術(shù)完成設(shè)備機(jī)組的精細(xì)模型，最終將所有數(shù)據(jù)加載在三維可視化監(jiān)控平臺(tái)中進(jìn)行綜合展示，平臺(tái)結(jié)合數(shù)據(jù)展示、異常預(yù)警、教培仿真等功能，輔助電廠的管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)電力需求量大，各類(lèi)型的電廠數(shù)量很多，電廠內(nèi)部信息化程度越來(lái)越高，將會(huì)遇到各類(lèi)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間信息不聯(lián)通、展示不直觀的問(wèn)題，通過(guò)三維可視化平臺(tái)針對(duì)不同子系統(tǒng)進(jìn)行深度定制，以一種直觀、高效的方式進(jìn)行信息展示，能夠增強(qiáng)管理中心的信息查詢(xún)、瀏覽手段，公司各級(jí)管理人員能夠提高管理效率和水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的遠(yuǎn)程化、智能化管理。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Dynamic monitoring and simulation technology of pumped storage power station based on 3D-GIS

ZHANG Xiaodong1, WU Chao1, LIU Xueshan2, WANG Zhiqiang2, XU Bin2, WAN Sheng2

(1.Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China; 2.Qingyuan Pumped Storage Power Generation Co., Ltd., Qingyuan 511853, China)

According to the requirements and current status of informatization construction of pumped storage power station, and relying on high precision 3D modeling technology, dynamic monitoring technology, virtual simulation technology, fine mapping and 3D modeling of pumped storage power station, and integrated existing system resources, this paper builds a dynamic monitoring and simulation integration information platform, and solves the defects of the information of the pumped storage power station being not centralized and visual, which provides an innovation solution for 3D power station informatization construction.

3D spatial technology; fine modeling technology; 3D dynamic monitoring; simulation training

著錄：張小冬，吳超，劉學(xué)山，等.基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動(dòng)態(tài)監(jiān)控與仿真技術(shù)研究[J].測(cè)繪工程，2017，26(11)：71-76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.016

2017-06-17

張小冬(1988-)，男，助理工程師，碩士。

P208

A

1006-7949(2017)11-0071-06