水利工程集成管理框架研究

曾微波 王卫平 王本林 殷晓飞

摘要：为合理开发、高效利用水资源，提高区域水利工程集群的调度效率，在单个闸站调度管理的基础上，将区域空间上分散的闸站纳入统一调度管理范围，提出了“以图管站，图站联动”的水利工程集成管理模式。利用Web GIS技术整合公共地理框架数据体系“天地图”及区域水利工程、河网、断面等基础数据，在此基础上，利用Unity3D建立闸站三维仿真场景，设计了区域河网水利工程集成管理框架，为实现闸站集群统一调度提供了直观决策参考，有效提高了闸站集群的调度效率和管理水平。

关键词：Web GIS;Unity3D;水利工程;调度决策

中图分类号：TV697.1 文献标志码：A

随着可视化技术、仿真技术的发展，对水利工程调度过程进行仿真，为水利工程的调度管理开辟了新道路[1-2]，提高了水利工程运行与调度的信息化水平。同时，通过仿真试验对比分析多种调度方案的运行效果，为水利工程的规划设计及管理人员提供了科学的决策支持[3-4]。水利工程的仿真调度极大提升了水利工程闸站调度管理的信息化水平，但这仅限于单个水利工程站点的调度管理，从全局角度对空间位置分散但隶属同一管理范圍的水利工程集群进行集成管理与统一调度所开展的研究和实施的应用相对较少。为此，根据苏南地区河网密布，水利工程量大、面广的实际情况，分析了利用Web GIS结合Unity3D开展水利工程集成管理框架研究与应用的可行性。通过获取水利工程实时工况信息，与Unity3D场景对象进行同步，真实反映水利工程调度过程，并基于Web GIS统筹管理各水利工程闸站，为实现区域水利工程集群的集成管理与统一调度提供技术支持。

1 水利工程集成管理框架

本文论述的水利工程集成管理框架主要包括两个方面的内容：一是以闸站三维仿真为基础的单个闸站调度模拟，二是以Web GIS为基础的闸站集群集成管理与统一调度。

1.1 基于Unity3D的闸站三维仿真

Unity3D是由Unity Technologies开发的专业游戏引擎[5-6]，由完整的图形渲染系统、物理系统、音视频系统、网络系统、编辑器系统、图形用户接口、着色系统等多个子系统组成。Unity3D支持3DS Max、Maya、SketchUp等三维建模软件的模型导入，可以方便地构建三维虚拟场景。集成的MonoDevel叩脚本编辑环境，允许开发人员编写C#和Java Script两种脚本访问和控制游戏场景对象。良好的跨平台特性可以将程序和场景打包，并发布到不同的操作系统平台。综合考虑水利工程仿真调度需求以及Unity3D平台的诸多特性，采用Unity3D构建闸站三维模型实现闸站仿真及闸站调度的过程模拟。

导入由3DS Max构建的闸站场景精细三维模型，并为闸站场景中各主要设备模型的运行动作编写控制脚本。通过设计闸站主控程序与闸站三维仿真场景的实时数据通信接口，为仿真场景提供实时工况和实时水情信息访问通道。基于这样的思路，闸站主控程序在进行闸门启闭、水泵启停等调度操作时，可通过实时数据访问接口为闸站场景的过程模拟提供实时工况数据;闸站仿真场景通过数据访问接口获取闸站主要设备的实时工况及水情数据，并通过脚本控制场景对象，展现闸站调度过程和闸站内外河水位变化。

1.2 基于Web GIS的闸站集成管理

三维仿真解决了单个闸站调度过程的仿真模拟，在集成管理框架中引入Web GIS则为实现“以图管站”提供了有效的技术手段。

（1）水利基础地理与专题数据服务。通过WebGIS可将特定地理空间范围或水利片区内分散的水利工程集成在一张基础底图上进行统一管理。实际应用中，基础底图可采取影像地图服务+专题地图服务的组合。影像地图服务可采用国家测绘地理信息局建设的国家地理信息公共服务平台“天地图”[7]。“天地图”运行于互联网、移动通信网等公共网络，以门户网站和服务接口两种形式向公众、企业、专业部门、政府部门提供24h不间断的地理信息服务。同时，“天地图，给开发者提供了免费且功能强大的Java ScriptAPI，开发者可利用“天地图”API调用基础地理信息服务，包括“天地图”服务提供的影像图、地形图等[8]。将“天地图”提供的影像图作为基础，参照国家基础地理信息建设相关规范，结合多站集成管理与统一调度的需要，建立了除基础地理信息之外的其他专题信息，内容主要包括河道、河段、河道中心线、断面、节点、流向、监测站点、泵站、水闸等。这些信息以专题地图服务的形式与“天地图”影像地图服务叠加，为集成管理框架提供基础地图服务。

（2）闸站工况多尺度SVG符号表达。SVG即可升级矢量图形，是由World Wide Web Consortium（W3C）组织制定的一种开放标准的文本式矢量图形规范。SVG是一种使用XML来描述二维图像的语言，也是一种全新的矢量图形规范[9]。SVG提供超链接功能并定义了丰富的事件。通过脚本编程，访问SVG DOM的元素和属性即可响应特定的事件，使SVG具有动态交互的性能。相比于传统的地图符号，基于SVG的地图符号具有可读性强、符号清晰、加载速度快、网络传输消耗小等特点[10-12]。

不同比例尺的闸站运行状态信息可通过XML文件进行配置。通过定义不同尺度下闸站工况的XML格式，结合实时工况和水情访问接口获取的闸站工况，在Web GIS地图上利用动态图层对闸站基本信息和实时工况进行SVG符号化表达，从而实现在一张底图上纵览管辖范围内所有闸站的实时运行状况。闸站工况多尺度SVG符号表达效果见图1～图3。

在1：15000的小比例尺下，闸站的运行简况只显示闸站内外河水位及附属闸控设备运行情况;比例尺放大到1：10000，闸站运行工况信息则包含了闸站内外河水位、主控设备运行状态及主控设备的电流、电压、功率及闸门开度等信息;当比例尺放大到1：5000时，闸站运行工况除显示上述信息外，还加载视频探头、网络状态和设备报警状态等信息。

基于SVG符号的多尺度闸站工况表达可取代传统水利工程网络地图中静态符号的表达方式，使符号与所表征的地理对象建立实时属性关联，为特定区域闸站集群的统一管理提供了一种新的途径。

1.3 系统框架体系结构

考虑到系统安全及实时调度的需要，集成管理框架基于客户机/服务器架构进行设计，并按照单站控制与集成管理相结合的模式构建单站控制系统和集成管理系统。单站控制系统集成闸站三维仿真和闸站调度系统实现闸站调度操作及调度过程模拟，并通过实时工况与水情数据接口更新实时工况。集成管理系统一方面通过系统内置的ArcGIS MapControl组件加载区域影像地图服务，并叠加SVG符号实现区域闸站集群的统一管理;另一方面以区域河网划分的河段数据及实时工况、水情信息为基础，通过河段水质的符号渲染及水量过程线模拟区域河网的水质、水量变化过程，从而为区域河网水资源调度决策提供参考。

实际部署时，将集成管理系统和单站控制系统分别部署在调度管理中心及所属各闸站。集成管理系统可通过SVG符号绑定各单站控制系统进行调度监控，各闸站通过单站控制系统进行闸站日常调度，系统架构见图4。

基礎地理数据和水利工程专题数据叠加“天地图”影像为闸站集成管理框架提供基础地图服务，单站调度控制系统通过实时工况与水情数据接口更新实时工况。实时工况与水情数据接口为单个闸站的调度过程模拟与地图中SVG闸站符号渲染提供工况信息，同时为区域河网的水量和水质过程模拟提供实时数据。

2 水利工程闸站仿真

2.1 闸站三维仿真

（1）闸站建模。闸站建模可以利用Unity3D的建模功能实现，也可以导入由Maya、SketchUp、3DS Max等三维模型制作软件制作的模型。本文以闸站工程开工建设的CAD图件为基础，利用3DS Max进行闸站和附属设备精细建模，并将现场拍摄的闸站实体外墙、附属设施外立面等照片作为场景对象的纹理贴图。建模完成后，将模型整体导出成FBX格式文件，连同纹理贴图一并导入Unity3D场景中，导入后的闸站三维场景见图5。

（2）仿真模拟。闸站的仿真包括场景控制、闸站设备运行模拟、内外河水位模拟。考虑闸站的不同类型、规模及闸站内外河过水的不同特点，设计了几种场景控制脚本，包括场景平移、场景旋转和视域控制。除场景控制外，闸站主要设备需要通过编写相应的脚本进行动作控制以模拟闸门的升降、旋转，水泵的启停等。内外河水面采用Unity3D自带的水面插件制作，闸门开闸放水采用Unity3D粒子系统进行模拟。

（3）场景发布。Unity3D支持多种平台的场景发布，包括Mac OS、BlackBerry、Windows、Android及浏览器发布等。考虑到与闸站调度控制系统的集成部署，将闸站场景以浏览器模式进行发布，发布后的场景包含一个场景访问的html页面和打包的场景文件。

2.2 Web GIS与Unity3D一体化

Web GIS地图以动态图层的方式将所有闸站的实时状态通过SVG符号进行渲染，每个SVG符号可通过闸站代码与闸站调度控制系统建立关联，单个闸站的调度控制系统通过内置.Net Framework浏览器组件和Unity3D的WebPlayer插件加载闸站三维场景进行闸站调度控制与过程模拟。Web GIS地图显示了管理范围内所有水利工程运行的工况摘要和当前河网实时水情信息。单击Web GIS地图中的SVG闸站符号，可加载对应闸站的详细工况和调度信息，如主要设备电流、电压、功率，以及水位过程数据、水量统计数据、内外河水位监测数据和闸站预警信息等;双击闸站SVG符号，可进入集成了仿真场景的闸站调度控制系统。

3 闸站调度过程模拟与辅助决策

闸站工况格式可基于XML进行自定义。闸站模型导入后，在Unity3D自带的脚本编辑环境MonoDevelop中，利用C#脚本对场景中的对象进行脚本编程，以实现闸站设备的状态反馈。闸站设备的调度过程模拟主要包括闸门启闭、水泵启停以及内外河实时水位变化等。闸站三维场景通过实时工况与水情数据接口读取由闸站控制程序更新的工况信息，利用Unity3D协程技术，对实时工况数据进行解析，并调用场景中编写好的闸站对象控制脚本同步场景对象的空间坐标和欧拉角及其他状态信息，从而实现闸站设备的调度过程模拟。

Web GIS与Unity3D一体化集成主要目的是实现区域水利工程集群的集成管理与统一调度，并利用Web GIS反馈调度结果以辅助调度决策。一方面，区域内单站调度以三维场景为基础，调度过程在场景中进行仿真模拟，方便调度执行者全方位实时观察调度执行情况;另一方面，利用Web GIS地图，为水利工程调度提供实时水情信息，从而获得闸站调度在特定区域范围的调度效果，如区域河网的实时水质、实时水位等，为辅助闸站调度决策提供参考。

区域河网水质水量变化过程是进行水利工程调度决策的主要依据。传统的水质水量变化过程一般采用过程线表达，为更直观、清晰地展示水利工程调度效果，将高分辨率遥感影像切片地图服务作为底图，利用Web GIS符号模拟水利工程调度对区域河网水质产生的影响。

（1）水质过程动态模拟。对于一维河网，首先，假定同一断面水质监测因子浓度值相同，结合河段与断面的空间关系，用断面数据对河段进行打断处理，两个概化断面之间形成一段模拟河段作为水质渲染单元;然后，依据水质评价标准制定区域河网各主要水质监测因子的浓度所对应的颜色标准;再次，根据河流流向，自动匹配各河段起止断面颜色，并确定起止断面水质监测因子浓度对应的颜色值;最后，采用线性内插算法对断面间的河段填充颜色进行插值处理，实现相邻断面间水质的连续变化。水质模拟实现过程中，依据断面编号提取某个时间点相邻断面各自的水质数据，通过重写SimpleFillSymbol类，自动配置开始断面、结束断面的颜色值，对相邻断面构成的河段进行渐变渲染，从而实现某个时点河段的水质表达。

按照上述思路，Web GIS客户端通过请求同一时点所有监测断面的水质遥测数据，并利用不同时点的水质数据刷新河网所有河段的填充符号，从而实现区域河网水质过程的动态模拟。水质过程连续变化的渲染效果见图6～图8，其中水质监测因子浓度上限和下限对应的RGB值，采用过渡色带的方式表征。

（2）闸站调度辅助决策。区域河网闸站集群的调度辅助决策主要依据区域河网实时水情及各闸站实时工况。集成管理框架通过对河网闸站集群的统一管理及区域河网水资源的动态模拟为闸站集群的统一调度提供直观的决策参考。通过集成管理框架，可获得区域河网闸站调度的实时反馈，这种反馈主要体现在两个方面：一是闸站三维场景中水泵、闸门等主要设备的工况和内外河水位的变化过程仿真模拟;二是河网水质变化过程的Web GIS符号动态渲染。集成管理框架還可将区域河网各遥测站点的流量及水位变化过程信息通过实时水情与工况数据接口进行展示，为区域河网闸站集群的统一调度提供决策依据，达到“图站联动”的调度效果。

4 结语

利用Unity3D三维仿真技术与闸站调度控制系统进行集成应用，解决了以往单纯依靠水利工程自动控制系统或现地操作进行调度带来的不便，同时为闸站调度的过程控制提供了直观依据。基于Web GIS技术将区域地理空间上分散的闸站进行集中管理和统一调度，通过闸站调度的过程模拟、水量变化过程的实时展现、河网水质的动态模拟全方位展现闸站调度对区域河网水资源产生的影响，为闸站集群的统一调度提供决策参考。

通过融合Web GIS技术Unity3 D技术及闸站调度控制系统的特点，设计并完成了水利工程集成管理框架，并成功应用于苏南某地区闸站集群的统一调度与管理实践。由此可见，将Web GIS、Unity3D技术与闸站调度控制系统进行集成，实现区域水利工程集群集成管理与统一调度是切实可行的。

参考文献：

[1]刘云峰，齐欢，代建民.三峡船闸运行调度仿真研究[J].计算机仿真，2005，22（8）：186-189.

[2]李峰.城区防洪动态监控管理及仿真系统[J].水电自动化与大坝监测，2012，36（6）：64-66.

[3]刘云峰.三峡永久船闸运行调度决策与仿真系统研究[D].武汉：华中科技大学，2002：5-12.

[4]商剑平，吴澎，唐颖.基于计算机仿真的船闸联合调度方案研究[J].水运工程，2011（9）：199-204.

[5]JEREM、Elson，LEIS Girod，DEBORAH Estrin.Fine-GRained Network Time Synchronization Using Reference Broad-casts[C]//Fifth Symposium on Operating Systems Design andImplementation.Boston：Massaehusetts，2002：1-2.

[6]Kenneth C F.3D游戏开发大全[M].齐兰博，肖奕，译.北京：清华大学出版社，2005：7-9.

[7]李志刚，蒋捷，翟永，等.面向分布式服务聚合的“天地图”总体技术架构[J].测绘地理信息，2012，37（5）：13-15.

[8]方庆，陈长伟.基于ArcGIS和天地图的黄河流域“一张图”研究[J].河南科技，2015（12）：11-13.

[9]童雪娟.基于Web GIS的地图发布技术研究[D].武汉：武汉大学，2005：12-28.

[10]尹章才，李霖，朱海红，等.基于SVG的地图符号描述模型研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2004，29（6）：544-547.

[11]韩双旺，周珑，李德录，等.基于SVG的矢量Web GIS地图符号库的构建与引用[J].自动化与仪器仪表，2010（2）：50-53.

[12]李少波，魏勇，李楚阳，等.基于SVG的地图符号描述模型设计[J].测绘科学技术学报，2013，30（2）：214-218.