梁 艷，徐希濤，徐靜波，郭正揚，謝小燕

［南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211000］

0 引言

隨著信息化、數(shù)字化技術的高速發(fā)展，水電廠智能化建設邁入了新階段，一方面建設了綜合一體化平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。另一方面，通過數(shù)字化和網(wǎng)絡化，實現(xiàn)了互聯(lián)互通，獲取更全面的設備狀態(tài)信息[1]。為進一步提高管理效率和管理水平，響應國家大力提倡的工業(yè)化與信息化深度融合的要求，傳統(tǒng)水電工程的建設管理模式也在不斷創(chuàng)新[2]，數(shù)字孿生技術逐漸用于水電廠的施工建設和管理運行中[3-5]。GB/T 40222—2021《智能水電廠技術導則》對數(shù)字孿生進行了明確定義，即數(shù)字孿生是用于理解、預測和優(yōu)化實體對象性能的數(shù)字仿真。利用數(shù)字孿生技術可將真實和虛擬兩個維度的水電廠進行連接，結合傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、虛擬仿真技術等實現(xiàn)兩者的同步仿真運行和虛實交互。2021 年水利部先后出臺了《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設規(guī)劃》等系列文件，大力推進數(shù)字孿生流域建設。水電廠作為水利樞紐的重要組成部分，其數(shù)字孿生建設是數(shù)字孿生流域建設的切入點和突破點。

目前數(shù)字孿生技術成為研究熱點，智能水電廠建設只是要求了對建筑物和機電設備進行三維數(shù)字化建模以及對部分設備運行工況進行三維可視化運行模擬仿真，與數(shù)字孿生要求的雙生交互還有較大差距，主要體現(xiàn)在三個方面：一是現(xiàn)地感知體系建設還不完善，工程和流域上的對水電廠運行管理影響的環(huán)境和工況信息采集還需要進一步補充；二是智能水電廠基于數(shù)字孿生技術的表達不成熟，海量多源數(shù)據(jù)采用數(shù)字孿生技術的表達方式還沒有規(guī)范的方法；三是數(shù)字孿生技術與業(yè)務應用的結合不夠，應用功能和交互方式面臨挑戰(zhàn)。因此，本文結合智能水電廠的框架，基于一般性的部署手段，初步構建了智能水電廠的數(shù)字孿生架構，探索基于數(shù)字孿生技術的應用模式和功能，為數(shù)字孿生技術在智能水電廠建設中落地應用提供方法參考。

1 整體架構

基于數(shù)字孿生的智能水電廠技術架構中共分為五部分：基礎支撐層、數(shù)據(jù)互動層、數(shù)字孿生底座、數(shù)字孿生平臺以及數(shù)字孿生應用，具體架構如圖1 所示。其中，基礎支撐層提供孿生建模和運行的數(shù)據(jù)來源，包括水工建筑物、水電廠設備和智能傳感器構成的數(shù)字化的感知體系和基礎設施體系。數(shù)據(jù)互動層負責數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，采用多種方式混合組網(wǎng)的方式，構建水電廠通信網(wǎng)絡，為數(shù)字化提供高質(zhì)量的基礎通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)孿生水電廠和物理水電廠雙向數(shù)據(jù)互動傳輸。數(shù)字孿生底座主要由實體感知數(shù)據(jù)、GIS 空間信息和BIM 模型組成，在此基礎上對各種精度和來源的空間數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)等）和業(yè)務數(shù)據(jù)（圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等）進行融合，構建數(shù)據(jù)資源層級無縫轉換、數(shù)據(jù)與地形無縫構建的可視化場景，以滿足工程數(shù)據(jù)層級瀏覽應用需求。數(shù)字孿生平臺包括二三維GIS 平臺和三維實時仿真引擎（目前一般采用游戲引擎），在數(shù)字孿生平臺之上，根據(jù)應用需求，進行各類場景可視化、業(yè)務應用仿真、設備的運行仿真培訓與檢修以及全壽命周期管理等業(yè)務的數(shù)字孿生交互設計和業(yè)務實現(xiàn)。

2 數(shù)字孿生底座

以GIS+BIM 構建數(shù)字孿生底座，將BIM 模型轉換成與GIS 數(shù)據(jù)標準兼容的格式，在同一個場景中顯示BIM 和GIS信息。根據(jù)《數(shù)字孿生水利工程技術導則》中的規(guī)定，對不同級別的模型數(shù)據(jù)進行創(chuàng)建。同時，將感知體系中感知的數(shù)據(jù)與場景中的實體進行孿生連接與融合。

2.1 感知體系完善

目前智能水電廠建設感知體系主要側重于廠內(nèi)機電設備工況、樞紐工程安全、流域水雨情等站點數(shù)據(jù)采集，采集到的都是點狀的數(shù)據(jù)，對具有河道、流域等層級的數(shù)據(jù)采集缺乏，如河道的大斷面、流域上的面雨量分布，土壤墑情分布等。隨著衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測、水下測量、物聯(lián)網(wǎng)通信等技術的發(fā)展，在數(shù)字孿生這種具有三維表達能力的技術下，需要對智能水電廠感知體系進一步完善。因此本文需要以衛(wèi)星遙感等先進技術為手段，建設完善“天空地一體化”的感知體系，從多尺度、多維度對水電廠的建設、運行、管理等方面進行感知手段補充。

2.2 地理空間數(shù)據(jù)

2.2.1 L1 級數(shù)據(jù)

利用水利部全國范圍的DOM 數(shù)據(jù)（分辨率優(yōu)于2m）和30m 格網(wǎng)精度DEM 數(shù)據(jù)，對流域影像和地形數(shù)據(jù)執(zhí)行三維切片操作，融合DOM 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)以及流域邊界劃線圖層、水系線圖層等形成L1 級數(shù)據(jù)底圖服務。支持HTTP 協(xié)議，提供網(wǎng)絡地圖服務（WMS），返回地圖格式包括PNG、GIF、JPEG、TIF 等柵格形式或SVG 等矢量形式。

2.2.2 L2 級數(shù)據(jù)

在L1 級數(shù)據(jù)底圖的基礎上，疊加水電廠及周邊的航攝影像和地面高程數(shù)據(jù)，獲取高精度的水下地形數(shù)據(jù)，形成L2 級地理空間數(shù)據(jù)。經(jīng)處理將地圖轉換成包含圖片和數(shù)據(jù)的分層瓦片格式或緩存，通過JavaScript 和XMLHttpRequest API 實現(xiàn)動態(tài)獲取地圖。

2.2.3 L3 級數(shù)據(jù)

在L1 級、L2 級數(shù)據(jù)底板基礎上，根據(jù)高精度數(shù)字正射影像和地面高程數(shù)據(jù)、水電廠區(qū)域航空傾斜攝影、重點水利建筑設施及關鍵機電設備的 BIM 數(shù)據(jù)構建L3 級地理空間數(shù)據(jù)底板。

傾斜攝影實景三維模型：利用傾斜攝影技術獲取下視影像地面傾斜影像，制作地面傾斜攝影模型，并對重要建筑物進行單體化處理。通過專業(yè)軟件進行影像數(shù)據(jù)整理、像控點量測、模型修飾及模型拼接等工作。傾斜攝影精度分辨率優(yōu)于8cm，重點水工建筑物等優(yōu)于3cm，并在內(nèi)業(yè)處理階段進行輕量化處理。

BIM 模型：搜集流域內(nèi)中大型大壩建設設計圖紙，結合現(xiàn)場采集的紋理圖像、貼圖制作等方式，建設場景設施設備模型，如機械、液壓裝置、電氣裝置、油、水、氣管路等模型，嚴格按照產(chǎn)品手冊和圖紙進行1:1 全尺寸三維建作，場景布局等應與現(xiàn)場一致，對于BIM 的建模精度，T/CWHIDA 0006—2019《水利水電工程設計信息模型交付標準》進行了相應的規(guī)定。水電廠土建模型、室內(nèi)模型、水輪機模型、傳感器模型等精度應不低于該標準相應規(guī)定，模型精度標準如表1 所示。

表1 CWHDIA006—2019 中LOD 的定義Table 1 Definition of LOD in CWHDIA006—2019

選擇Solidworks、3DS Max、blender 等主流建模軟件，基于CAD 圖紙的建筑物BIM 建模、三維激光點云掃描、傾斜攝影、人工建模等方式，搭建適用于不同場景的各種精度的三維模型。模型文件兼容主流格式（rvt、ifc、fbx），形成一致性的輕量化數(shù)據(jù)結構。針對大型的BIM 文件可進行分包處理，制定分包數(shù)據(jù)結構，在不同分包中構建與幾何的關聯(lián)關系與重組策略。

2.3 數(shù)據(jù)融合

將地理空間數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)等按標準規(guī)范統(tǒng)一編碼和映射，建立空間實體對象與業(yè)務對象間的關系連接，通過統(tǒng)一接口規(guī)范及索引技術實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的融合和應用，滿足數(shù)字孿生應用中實體對象與業(yè)務數(shù)據(jù)的圖形交互應用。標注三維模型所涉及的主要技術參數(shù)（水頭、壓力、流量、尺寸、重量、材質(zhì)等）、檢修電子檔案、廠家等信息支撐實時數(shù)據(jù)渲染、數(shù)據(jù)綜合查詢、空間分析應用、多維度統(tǒng)計分析等功能。

3 數(shù)字孿生平臺

3.1 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生平臺主要依托數(shù)字孿生引擎，在數(shù)字孿生底座的基礎上對各種數(shù)據(jù)進行融合。根據(jù)應用側重點的不同，可分別采用二三維一體化GIS 和游戲引擎，或者將兩者結合的方式。GIS 與WebGL（Web Graphics Library）相結合，建立三維虛擬場景，具備GIS 服務發(fā)布、管理、聚合、多層次擴展及地物建模添加、地形和模型實時交互等功能。GIS 技術與高仿真引擎技術UE（虛幻引擎）、Unity 3D 進行融合，可確保GIS 和模型數(shù)據(jù)的高效可視化。

3.2 各類對象數(shù)字孿生表達方式

數(shù)字孿生底座中獲得各層級數(shù)據(jù)主要分為點狀、線狀、面狀三類對象，在不同的層級中表達的形式不一樣，需要定義和規(guī)范不同種類物體在不同層級下的表達方式，如雨量站在L1 級和L2 級展示中，用點狀對象表達即可，到L3 級中，則采用面狀包圍體和局部線狀表達，機電設備的表達與此類似。工程樞紐則是在L1 級展示中，用面狀或者簡單面狀包圍體表達，但是到L2、L3 則是采用面狀包圍體表達（L2、L3 層級中采用不同精度的三維模型，均采用三角面片實時渲染而成）。此外，本文中新增的衛(wèi)星遙感、水下測量等數(shù)據(jù)也需要規(guī)范其表達，衛(wèi)星遙感與衛(wèi)星云圖等表示空間面狀上的信息采用紋理與地形進行貼合表達，水下測量的河道大斷面，采用多邊形面進行表達（實質(zhì)也是三角面片組成）。

4 數(shù)字孿生應用

通過包括三維GIS、BIM 數(shù)字建模、可視化渲染、輕量化技術等數(shù)字孿生技術的使用，動態(tài)、高性能地加載和渲染不同層級的場景，支撐數(shù)字孿生的模擬仿真功能，滿足水電廠各種業(yè)務應用需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動場景和仿真優(yōu)化迭代的雙向交互。

4.1 流域及水電廠漫游

集成流域DOM 數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、矢量圖層、傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)等，通過參數(shù)設定，實現(xiàn)流域和水電廠的自定義飛行，從宏觀上掌控流域和工程全局，同時為流域防洪減災、水電數(shù)字調(diào)配等提供交互場景支撐。圖2 為流域飛行示意圖。

圖2 流域飛行示意圖Figure 2 Schematic diagram of river basin flight

4.2 水電廠仿真運行

通過與各種智能傳感監(jiān)測點的綁定，可在水電廠孿生體中實現(xiàn)水電廠的仿真運行，通過業(yè)務數(shù)據(jù)驅動模型的顯示，包括實時水位的變化、閘門的啟閉、水輪機的運轉等，實現(xiàn)物理水電廠與孿生水電廠同步仿真運行。同時在孿生體中可統(tǒng)籌考慮耗水率和發(fā)電效益等多重目標仿真經(jīng)濟運行負荷最優(yōu)分配表，及與其他電站聯(lián)動運行的負荷聯(lián)動調(diào)整策略等。圖3 為仿真示意圖。

圖3 仿真示意圖Figure 3 Schematic diagram of simulation

4.3 防洪“四預”應用

建設水動力模型、水庫調(diào)度模型、安全監(jiān)測模型、水質(zhì)安全模型等水利水電專業(yè)模型，梳理水電廠業(yè)務邏輯，對海量數(shù)據(jù)進行結構化組織與重構，構建知識庫，構建水電廠數(shù)字孿生“預報—預警—預演—預案”四預應用，結合實時運行狀況、水利模型預測結果、人工智能分析結果等，在水電廠孿生體中進行可視化預演，迭代優(yōu)化，形成最佳預案。

4.4 設備全生命周期管理

嚴格按照設備的位置、尺寸、結構建立的BIM 模型，可清晰展示設備所處位置和設備的結構，關聯(lián)設備運行參數(shù)、圖紙資料、檢修資料、保養(yǎng)信息等。設備信息可進行實時展示，設備運行狀態(tài)異常、超壽命服役等信息可進行告警提示并差異化（高亮度等）顯示，形成水電廠設備設施的全生命周期管理[6]，能有效應對設備故障等突發(fā)事件。圖4 為設備技術文檔展示示意圖。

圖4 設備技術文檔展示示意圖Figure 4 Schematic diagram of equipment technical documents

4.5 虛擬巡檢

依據(jù)水電廠三維建模和AR（Augmented Reality）增強現(xiàn)實技術，可實現(xiàn)針對水輪機發(fā)電組、地下廠房、廊道等不同場景巡檢任務的定制。路徑規(guī)劃可自定義，在三維場景中繪制行走路線，手動添加路線中的興趣停留點。在虛擬巡檢中，自動記錄巡檢路線、設備參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，生成巡檢日志。尤其針對關鍵設備、報警設備、故障設備可實現(xiàn)快速巡檢。虛擬巡檢可增大巡檢范圍和頻率，結合人工巡檢方式，提高巡檢工作效率。圖5 為可視化巡檢示意圖。

圖5 可視化巡檢示意圖Figure 5 Visual patrol diagram

4.6 檢修培訓仿真

采用VR 技術（虛擬現(xiàn)實技術），通過視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，形成互動式運維檢修仿真，進一步提高檢修管理水平，提高員工應對事故及故障處理能力，仿真對象包括水輪機、水輪發(fā)電機、調(diào)速器等主要設備，依據(jù)檢修規(guī)程、作業(yè)指導書、按設備圖紙，建立局部和整體裝配三維模型。通過快速聚焦、光學空間定位、慣性動作捕捉、二三維聯(lián)動等關鍵技術的應用，準確定位檢修員工及檢修對象的位置及姿態(tài)，捕捉其在三維空間的運動狀態(tài)。圖6 為水輪機檢修示意圖。

圖6 水輪機檢修示意圖Figure 6 Schematic diagram of hydraulic turbine maintenance

4.7 數(shù)字全景大屏

通過大屏組態(tài)，綜合應用HTML5、Hybrid、數(shù)據(jù)資源池、輕量化技術、可視化渲染、云渲染等技術，建設數(shù)字全景大屏，依托數(shù)據(jù)孿生底座，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯聚和分析及面向多終端場景的可視化數(shù)據(jù)應用，提高智慧化水平。

5 結束語

數(shù)字孿生作為真實物理系統(tǒng)的虛擬、邏輯鏡像，結合傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、仿真技術，能如實、精確、實時地反應水電廠實體的全生命周期過程[7]，實現(xiàn)真實、虛擬兩個維度水電廠的同步仿真運行和虛實交互。后續(xù)將進一步研究仿真機理模型，通過人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術提高系統(tǒng)理解、預測和優(yōu)化實體對象性能的數(shù)字仿真水平，為智能水電廠的運行和管理提供更加有力的技術支持，進一步提升水電廠的運行管理水平和社會經(jīng)濟效益，推動水電廠智能化向更深層次發(fā)展。