胡鵬鑫，林春祥，羋大偉

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213022；2.常州凱悅科技有限公司，江蘇 常州 213022）

1 概 述

數(shù)字孿生水利工程利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)，對實體水利工程全要素和建設(shè)運行全生命周期進(jìn)行數(shù)字化映射、智慧化模擬，支撐工程調(diào)度應(yīng)用精準(zhǔn)化決策和持續(xù)迭代優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)字孿生水利工程與實體水利工程同步仿真運行、虛實交互［1-2］。

水利工程事故應(yīng)急演練是針對可能發(fā)生的事故情景，依據(jù)應(yīng)急預(yù)案而開展的模擬演練。大型水利工程運行中可能會遇到主機突然停電、水淹廠房、防汛應(yīng)急響應(yīng)等事件，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還原事故處理場景，研究多部門、多工種協(xié)同處置，將事故預(yù)警、接警、事故確認(rèn)、啟動事故應(yīng)急處理機制、事故處理及智能評判等環(huán)節(jié)真實呈現(xiàn)，是數(shù)字孿生水利工程事故應(yīng)急智能處理業(yè)務(wù)主要模塊內(nèi)容。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建具有理論培訓(xùn)與實訓(xùn)相結(jié)合的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、考試3 種模式，分級權(quán)限管理、Web 瀏覽的數(shù)字孿生水利工程事故處理與應(yīng)急演練仿真數(shù)據(jù)庫三維信息管理系統(tǒng)，提升運行人員的應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)防風(fēng)險、除隱患、遏事故的目標(biāo)。

2 工程概況

洪澤站位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)洪澤湖畔，是南水北調(diào)東線第三梯級泵站之一，工程的主要任務(wù)是與金湖站聯(lián)合運行，通過金寶航道、入江水道向洪澤湖調(diào)水，為洪澤湖周邊及以北地區(qū)供水，并結(jié)合寶應(yīng)湖、白馬湖地區(qū)排澇。洪澤站主體工程主要包括洪澤泵站和上下游引河以及擋洪閘、進(jìn)水閘、洪金地涵等3 座配套建筑物。其中，泵站調(diào)水規(guī)模150 m3/s，裝機容量17 500 kW，排澇規(guī)模72 m3/s，配套建筑物中的擋洪閘和進(jìn)水閘規(guī)模為150 m3/s，洪金地涵規(guī)模為72 m3/s。

作為數(shù)字孿生泵站建設(shè)先行先試項目，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總要求，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，搭建洪澤站數(shù)字孿生平臺，構(gòu)建工程“四預(yù)”體系，實現(xiàn)數(shù)字工程與物理工程數(shù)據(jù)實時交互。在水利專業(yè)、智能和可視化等模型及知識庫、引擎的支撐下，數(shù)字孿生體可同步仿真運行，實時反映物理工程運行情況，并具備超前感知、預(yù)報、預(yù)警、預(yù)測等功能，進(jìn)一步提升洪澤站工程安全、高效、經(jīng)濟運行的水平。

3 應(yīng)急演練現(xiàn)狀及發(fā)展

泵站工程運行中在建筑物類、金屬結(jié)構(gòu)類、設(shè)備設(shè)施類、作業(yè)活動類、管理類和環(huán)境類6個類別均存在不同的危險源。水利工程依據(jù)危險源的等級制定了相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案。目前，作為常態(tài)化工作的預(yù)案演練，不僅能檢驗、評價其應(yīng)急處置能力，而且對降低事故損失、避免人身傷害等具有重要的現(xiàn)實意義。

桌面推演和實戰(zhàn)模擬演練是水利工程常見的2 種應(yīng)急預(yù)案演練模式。桌面演練是針對事故情景，利用圖紙、沙盤、流程圖、計算機模擬、視頻會議等輔助手段，進(jìn)行交互式討論和推演的一種應(yīng)急演練，一般在室內(nèi)通過演練情景口述方式進(jìn)行。桌面推演可追溯至古代的軍事演習(xí)，也稱為兵棋推演，可逼真地推演預(yù)測戰(zhàn)場的實際作戰(zhàn)活動［3］。實戰(zhàn)演練針對事故情景，選擇（或模擬）生產(chǎn)經(jīng)營活動中的設(shè)備、設(shè)施或場所，利用各類應(yīng)急器材、裝備、物資，通過決策行動實際操作，完成真實應(yīng)急響應(yīng)的演練。因缺失實際設(shè)備操作演練，難以體驗事故的真實性，加之受參演人員多、素質(zhì)參差不齊、組織不易等因素制約，實際培訓(xùn)效果有限。安全生產(chǎn)法對編制事故應(yīng)急救援預(yù)案即定期組織演練等作了明確規(guī)定，為事故應(yīng)急處置、救援等工作走向正規(guī)化、系統(tǒng)化、常態(tài)化提供了依據(jù)。隨著云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，未知風(fēng)險的識別和評估，主動感知與預(yù)測預(yù)警智能聯(lián)動、多元協(xié)同與系統(tǒng)化應(yīng)急和全行業(yè)整合、高共享、深應(yīng)用的智慧應(yīng)急演練，也是水利工程智慧應(yīng)急演練的重要發(fā)展方向［4］。

4 應(yīng)急演練仿真功能

數(shù)字孿生洪澤站事故應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)是基于虛擬引擎，面向多用戶協(xié)同事故應(yīng)急處理仿真培訓(xùn)而開發(fā)的，涵蓋泵站水、機、電等各類事故應(yīng)急處理，集教學(xué)、培訓(xùn)、技能鑒定于一體的多功能綜合平臺。數(shù)字孿生洪澤站事故應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)首期開發(fā)了主機電源突然停電演練、水淹廠房模擬演練、防汛應(yīng)急響應(yīng)及措施演練模擬仿真3 個典型科目，事故科目為可擴展架構(gòu)。數(shù)字孿生洪澤站事故應(yīng)急處理仿真演練系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

4.1 用戶管理

用戶管理是針對事故應(yīng)急處理科目而設(shè)定的人員及角色管理，演練角色包括值班員、值班長、分場主任、泵站副總及總經(jīng)理等。

4.2 場景管理

不同事故類型所需工作場景不同，需根據(jù)事故類型、具體事故科目開發(fā)相應(yīng)的事故處置場景，利用后臺程序予以操控。操作控制臺則用于事故場景的切換操作，根據(jù)事故處理步驟，快速切換到對應(yīng)的工作場景。

4.3 數(shù)據(jù)管理

針對水利工程6 個類別中不同等級危險源的眾多預(yù)案，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對各類事故應(yīng)急處置預(yù)案進(jìn)行分類管理，實現(xiàn)預(yù)案修改、添加及刪除等功能。

4.4 知識庫

水利工程應(yīng)急處置知識庫涵蓋各類事故應(yīng)急處置所需的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，以選擇題、問答題、簡答題、計算題等多種題型，采用題庫形式呈現(xiàn)，既可自動組卷進(jìn)行智能評判，也可用于自測、技能鑒定和技術(shù)比武。

4.5 培訓(xùn)模式

事故應(yīng)急處理仿真演練科目包括學(xué)習(xí)、訓(xùn)練及考試3種可選模式。通過大型泵站事故應(yīng)急處理演練平臺，用戶可自行創(chuàng)建事故科目所需的角色，不同角色在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行各類事故應(yīng)急處置演練，既可單人演練，也能多人協(xié)同演練。針對已有演練案例的訓(xùn)練考試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動統(tǒng)計同一事故應(yīng)急處理案例的典型錯誤，利用大數(shù)據(jù)分析手段，對此進(jìn)行專項強化訓(xùn)練，以期迅速提高事故應(yīng)急處理的綜合能力。

5 關(guān)鍵技術(shù)研究

洪澤站事故應(yīng)急處理演練仿真系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用虛擬引擎和C#語言進(jìn)行開發(fā)，項目成果在普通計算機上能流暢運行。進(jìn)入系統(tǒng)管理程序后，以科目管理頁面作為演練入口，由數(shù)據(jù)層驅(qū)動演練操作界面的各子系統(tǒng)，實現(xiàn)任務(wù)信息的可視流轉(zhuǎn)及更新。學(xué)員可在不同場景中進(jìn)行角色切換，追蹤記錄相應(yīng)的任務(wù)操作，將練習(xí)或考試結(jié)果實時反饋給學(xué)員，實現(xiàn)事故應(yīng)急處置演練的全程掌控。

5.1 虛擬場景構(gòu)建

5.1.1 三維建模

洪澤站事故應(yīng)急處理演練仿真場景是在全站三維模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的，而全站模型建構(gòu)采用傾斜攝影自動建模及人工建模2種方式。

傾斜攝影技術(shù)包括傾斜影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和傾斜影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)。利用無人機拍攝地面影像，使用專業(yè)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生成三維模型。對洪澤站工程水工建筑、主機組、油水風(fēng)系統(tǒng)、輔助設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備、室內(nèi)外裝飾物等多種需要精細(xì)化建模的設(shè)施，依據(jù)圖紙或現(xiàn)場照片進(jìn)行人工建模。此外，模型裝配整合及輕量化處理均屬于人工建模范疇。

5.1.2 仿真場景構(gòu)建

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，洪澤站3 個不同事故應(yīng)急處理演練場景有較大區(qū)別。其中，防汛應(yīng)急響應(yīng)及措施演練模擬仿真主要區(qū)域涉及調(diào)度閘、綜合辦公樓及泵站周圍的河道、閘站等場景，主機組電源突然停電事故應(yīng)急處理場景主要由0.4 kV 開關(guān)室、35 kV廠用電變電站、主廠房（電機層、水泵層、葉輪室層）、中控室等多個場景組成，水淹廠房事故應(yīng)急演練主要場景包括中控室、排水廊道及物資倉庫等。

洪澤站3個事故應(yīng)急處理仿真演練科目均涉及物資與工具的配給、發(fā)放、使用及回收，物資與工器具的儲備倉庫也是主要場景之一。對與事故應(yīng)急處理相關(guān)聯(lián)的設(shè)備設(shè)施、人物角色、粒子特效等交互對象，需要設(shè)置動態(tài)效果，構(gòu)建相應(yīng)動作以角色背包的形式綁定到角色上，諸如測溫計、對講機、氣體檢測儀、正壓呼吸器背負(fù)等演練動作，根據(jù)操作步驟激活相應(yīng)的設(shè)備，通過有限狀態(tài)機觸發(fā)對應(yīng)動作。

5.1.3 仿真場景優(yōu)化

采用傾斜攝影自動建模技術(shù)生成的水利工程宏觀流域場景三維模型，借助模型生成算法獲取三角面，考慮現(xiàn)有運行平臺的支撐能力以及后續(xù)二次開發(fā)利用，采用模型輕量化處理及其優(yōu)化技術(shù)，這是集群渲染算力、事故應(yīng)急處理科目能否順暢演示的重要保證。傾斜攝影掃描無法覆蓋鏤空及暗角部位，會導(dǎo)致模型細(xì)節(jié)缺失。為此，需對重要建筑物或機電設(shè)施進(jìn)行模型人工重構(gòu)，以確保展示模型的完整性。

洪澤站辦公區(qū)域不同建模方式比較如表1所示。

表1 不同建模方式比較

5.2 交互程序開發(fā)

5.2.1 演練流程設(shè)計

水利工程應(yīng)急預(yù)案因成本高、多部門協(xié)調(diào)組織不易、實戰(zhàn)演練的安全要求等多因素影響，有時無法形成有效的協(xié)同操作，也難以評估預(yù)案措施的科學(xué)性、操作合理性。通過分析梳理事故應(yīng)急預(yù)案，形成正確規(guī)范的處理流程，作為用戶與開發(fā)人員溝通的工具，能有效保障交互仿真程序開發(fā)的順利進(jìn)行。每個演練科目需梳理出設(shè)計制作流程大綱，而依據(jù)應(yīng)急預(yù)案編制的演練腳本則貫穿項目開發(fā)全過程。

5.2.2 架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)基于Unity 3d開發(fā)，使用客戶端、服務(wù)端架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計包含基礎(chǔ)游戲框架設(shè)計、數(shù)據(jù)模型設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計。

（1）基礎(chǔ)游戲框架設(shè)計

采用經(jīng)典的MVC框架模式設(shè)計基礎(chǔ)游戲框架，調(diào)用控制層的方法執(zhí)行相應(yīng)操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動動態(tài)數(shù)據(jù)變化，監(jiān)聽數(shù)據(jù)管理層的數(shù)值變化。

（2）數(shù)據(jù)模型設(shè)計

數(shù)據(jù)模型設(shè)計包含用戶、場景，需接收仿真系統(tǒng)登陸用戶并存儲于獨立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而實現(xiàn)管理系統(tǒng)與客戶端的數(shù)據(jù)同步。為用戶表設(shè)計角色子表，每個用戶可創(chuàng)建多個不同角色進(jìn)行仿真演練。

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計

采用Sokect 協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，依據(jù)架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)基礎(chǔ)支撐模塊，包括日志系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)消息、場景管理、注冊登錄、角色創(chuàng)建與選擇、角色控制、移動同步。在完成上述功能的前提下，開發(fā)仿真演練操作模塊。仿真演練操作模塊是將演練流程進(jìn)行總結(jié)，將所有的演練動作抽象設(shè)計為對話、通話、廣播、檢查、操作票、工具操作、目標(biāo)尋路等七大類操作行為，為演練對象提供相應(yīng)的視圖層操作入口，即交互界面，通過交互按鈕及輸入設(shè)備，實現(xiàn)仿真角色進(jìn)行相應(yīng)的交互行為仿真。

5.2.3 角色控制

漫游模式和宏觀視角模式是常見的2種角色控制模式。主場景漫游通常以第三人稱視角展示，視圖旋轉(zhuǎn)、縮放通過Unity 相機系統(tǒng)中的物理相機予以實現(xiàn)。事故應(yīng)急處理演練科目則采用宏觀視角模式展示，相機控制器負(fù)責(zé)控制視角的目標(biāo)點和旋轉(zhuǎn)角度，通過鼠標(biāo)點選擇虛擬角色或使用角色選擇界面選中需控制的角色，以選中角色為視圖目標(biāo)點進(jìn)行相機跟隨，并設(shè)置跟隨緩動，獲得舒適的視覺感受。

通過梳理洪澤站事故應(yīng)急處理仿真演練系統(tǒng)功能需求，采用Unity3D自帶模塊，設(shè)計系統(tǒng)基本界面，涵蓋用戶登錄、角色選擇、各典型事故演練場景等主要界面。此外，在場景的頂部、左邊和底部放置演練導(dǎo)航組件，既保證了界面的美觀，又能實現(xiàn)較好的交互性。系統(tǒng)軟件集成后嵌入南水北調(diào)東線一期工程數(shù)字孿生洪澤站先行先試項目中運行。

6 結(jié) 語

根據(jù)大型泵站事故應(yīng)急處理仿真演練需求，通過對事故進(jìn)行分類，按照應(yīng)急機制、應(yīng)急流程，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)了事故應(yīng)急處理仿真演練系統(tǒng)。未來需進(jìn)一步加強泵站事故應(yīng)急處理仿真系統(tǒng)開發(fā)研究。