智慧水利水电工程三维可视化技术与应用研究

张卫君，李亦凡，张 煦，张显兵，刘德龙

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

0 引言

随着三维交互技术的不断发展，三维可视化技术作为一种高效的展示与交互技术，应用领域由原来的航天、军事、国土地质等行业，越来越多的应用到“智慧城市”“智慧工业”等各行各业智慧化管理运维中[1]。三维可视化技术以其独特生动的三维模拟场景，为管理人员提供了全新的具有三维场景的人机交互方式，为行业管理的信息化、智慧化以及仿真研究提供了新的手段，是行业智慧化管理的发展方向之一。

水利水电工程作为一种结合人类工程学和自然地理等环境科学的综合性学科，其三维可视化表达和应用需求与其他行业相比更加多元和复杂，特别是流域性的水利水电工程，其模拟区域范围不仅包含了大尺度的流域地形模拟、中尺度的水工建筑物结构模拟、小尺度的水力机电设备状态及操作模拟，还可能包括诸多科研数值模型的计算结果模拟，例如水流演进计算、洪水预测预报、淹没分析、地质或地下水的仿真模拟等。目前已有的三维可视化产品，如GIS或BIM等商业产品，由于数据的开放性不够，难以加载专业的水利水电数据模型，很难满足水利水电工程综合性的数据分析和展示需求。且上述软件使用和二次开发的费用昂贵，很难在水利水电领域大范围推广。

基于国内尚无成熟的适用于水利水电工程的三维数字化平台，中国水利水电科学研究院自动化所结合自身优势，在三维虚拟现实技术应用方面不断探索，经过多年研发，构建出了一套水利水电工程专业的三维可视化平台。本文将介绍该平台的技术特点，并以大渡河智慧流域建设项目为例，讨论涉及的关键技术以及解决方案。

1 三维可视化平台结构

该平台自下而上包含了OpenGL底层，三维封装层、三维数据访问层、地理信息服务层、控件与服务层和业务应用层，如图1所示。

针对目前三维可视化软件在水利水电领域存在的问题，该平台设计以OpenGL（Open Graphics Library）为底层基础。OpenGL作为一个跨编程语言、跨平台的专业的图形程序接口，具有功能强大，调用方便的底层图像库，特别在高端专业的绘图领域优势明显。以OpenGL为平台底层，可以较好地兼顾水利水电行业对三维可视化平台的开放性和专业性的需求。平台设计并实现了三维封装层，封装了专业图像程序接口OpenGL、三维引擎库OSG（Open Scene Graph）等底层支持库，通过派生、抽象等方式，支持三维渲染和多线程调度。

图1 平台软件结构Fig.1 Software architecture

三维数据访问层主要提供数据操作、空间计算的支撑，以及平面方式和球体方式的三维地理空间支持。地理信息服务层则集成了各种专业功能和工具模块，包括三维模型、植被、漫游路径、地形修改、淹没分析等数据管理和分析模块，以及空间测量工具集，支持平台数据展示，交互及分析功能。控件及服务层主要为上层的应用开发提供二次开发的可视化界面和SDK包。业务应用层可根据水利水电业务需求定制化开发。

2 三维可视化平台的空间模型与数据融合

2.1 三维GIS和BIM模型融合

在智慧水利水电管理中，不同维度管理视角的覆盖面和关注点差异很大，既包含流域整体信息的宏观管理，也包含工程局部或某一设施的微观精细管理，因此，三维可视化平台应实现地理信息、建筑模型和精细设备模型的融合展现。其中，三维GIS（Geographic Information System）和BIM（Building Information Model）分别侧重大范围的地形地貌河道等相关地理信息和建筑物结构等精细微观信息的管理。这两种技术初始应用领域和需求不同，技术特点和模型数据格式差异大且独立。GIS通常采用城市地理标记语言数据模型而BIM通常采用工业基础类数据模型。在加载到三维可视化平台时，需要对这两类设计软件生成的三维模型进行数据转换，轻量化处理后保持一致的结构、参数及语义语法，然后在统一的三维可视化平台上进行建筑模型和地形的精确匹配，实现建筑模型和大尺度精细模型的无缝镶嵌[2，3]。

图2 平台数据融合及功能应用Fig.2 Data integration and function application

本平台采用数据开放式设计理念，封装了多种类形的数据接口及协议，采用插件的工作方式，可支持处理超过46类模型格式，22类图片格式，实现包括GIS和BIM在内的不同数据格式模型的加载和融合，将大尺度的地形数据以及高精度的建筑模型数据统一于一个平台，解决了GIS软件和BIM软件在水利行业应用上的限制和不足，使得本平台的适用范围得以大幅拓展，包括但不限于图2所示的水利水电工程业务领域。在大渡河智慧流域项目中，我们将该流域的三维GIS模型、电站已有的BIM模型和部分通过三维建模工具软件建立的精细化模型相结合，在三维可视化平台的驱动下构建出了大渡河流域及流域范围内主要电站的虚拟运行环境。

2.2 多源数据融合

智慧水利水电最重要的标志之一就是实现信息的互联互通以及融合共享。为了整合智慧化管理相关业务，实现三维可视化数据平台与其他信息业务系统的数据交互，消除信息孤岛，通过开发与各信息业务系统通信接口，实现数据交互，并将业务系统数据与三维模型关联，实现基于数据驱动的三维场景的交互操作、设备查询、空间定位、仿真模拟等应用。在大渡河智慧流域三维可视化平台的解决方案中，系统支持多种来源的数据展示及分析查询。除了平台构建的数据库外，系统还可调取大渡河公司的云数据中心获得如计算机监控系统、在线监测系统、生产管理系统、工业电视系统、消防监控系统、状态分析系统、水调系统、应急指挥系统、物资管理系统等各业务系统实时数据或历史数据，以及水电厂仿真系统中的设备模型数据以及工况数据等，进行展示分析。针对不同的业务应用，在三维场景中实现了该流域水文信息、地理信息、水文测站、水工建筑物、电站运行及流域管理等多方面信息的综合展示，以满足智慧流域管理中涉及流域规划、水利工程建设施工、水电厂运营管理等建设阶段下各业务领域的应用需求。

3 三维可视化的功能应用

三维可视化作为一种在三维空间中表达对象复杂信息的数据可视化技术，辅助以实时人机交互技术，适用于智慧水利水电系统中对海量数据的直观表达和多种信息的融合应用。大渡河公司在智慧流域方面的研究起步较早，在流域管理的各业务领域的智慧化建设已具备一定基础，利用三维可视化技术进行资源整合后，可实现以下多种业务的智慧管理应用。

3.1 流域三维地理信息展示

依据测绘数据，建立流域的三维地理信息模型，可从大尺度范围内真实展现流域地形及高程变化、河道信息等。结合水流演进等数值模拟算法，展现水位涨落、洪水演进过程，并根据汛限水位进行着色处理，如图3和图4所示，以表示出各电站的防汛薄弱点，实现智慧决策功能，供流域应急指挥决策、防汛会商使用[4，5]。同时，在流域三维数字模型中，也综合展现了水雨情遥测站点信息、水电站大坝、公共安全机构站点（医院、消防、公安派出所等）等信息，实现流域数据一张图功能。

图3 环境影响范围示意图Fig.3 A map of environmental impact area

图4 洪水演进过程示意图Fig.4 A map of flood routing process

3.2 三维虚拟厂房及智能应用

按照水电站设计图纸资料、三维扫描数据，结合现场拍摄图片、视频等资料构建厂房三维模型，三维模型在平台引擎驱动下生成与生产现场一致的虚拟化厂房。在三维虚拟厂房中，通过实现自动漫游或主动漫游，让技术人员熟悉现场设备设施及环境[3]。

基于三维虚拟厂房及设备的精细化模型，三维数字化平台也可作为各业务系统及智能应用系统的综合人机交互系统。在瀑布沟水电站“智慧水电厂”建设中，我们将生产实时系统、工业电视系统智能巡检机器人、智能安全风险管控系统等系统数据集成在三维平台上，数据交互更为便捷、高效。

3.3 三维可视化资产管理

流域水电公司或电站都建立有设备资产信息库，一般按照设备列表方式进行管理与查询。通过将设备的三维模型与设备编码信息和设备资产信息库设备一一对应，平台可实时显示设备台账信息，通过Web调用和二三维一体化技术，实现详细设备资产信息的查询，如设备缺陷、图纸资料信息等，如图5和图6所示。

3.4 三维可视化监视与智能巡检

图5 设备台账信息Fig.5 Equipment ledger information

图6 设备缺陷信息Fig.6 Equipment deficiency management

目前电站计算机监控系统普遍采用二维界面，运行人员通过点击调用系统图和事件表监视电站实时运行情况。在三维数字化厂房中，根据不同的运行巡视人员设定相应的巡视路线，在三维空间实时显示仪表、阀门等运行需要关注的信息。事故故障情况下，根据报警信息等级并结合当前工况进行三维视点智能定位，查看报警设备信息。通过三维数字化厂房中的监控探头，直接查看生产现场工业视频信号，可在三维空间对实时信息进行查验。

3.5 三维可视化安全风险管控

水电厂在检修、维护工作中，工作现场点多面广、作业人员复杂，存在较多的交叉作业，面临诸多现场安全管控风险。借助人员定位技术，对工作负责人和工作班成员长时间离开电子围栏区域进行报警提醒，对非工作成员的闯入，同时对闯入人员、工作负责人和值班成员进行报警，防止误操作，如图7和图8所示。在三维虚拟空间对全厂各工作面、工作人员进行自动巡回监视并实现违章报警，实现安全风险的有效管控。

3.6 仿真培训

图7 人员定位Fig.7 Personnel location

图8 电子围栏Fig.8 Electronic fence

流域梯级水电运行目前大多设有集控中心，有较多没有电站现地运行经验的值班人员对监控的对象“只闻其名、不知其物”，在平时的运行操作中只会“按部就班”，一旦出现紧急情况，缺少“随机应变”的能力。为此，基于虚拟现实的仿真培训系统就会尤为重要，通过仿真培训，能使运行维护人员熟悉现场设备、增强事故处理能力，提高优化调度水平。

4 结束语

本文以大渡河流域为背景，展现了三维可视化技术在流域智慧化管理方面的建设思路及应用效果。在以大数据+互联网+云平台为基础的工业智慧化管理转型和建设过程中，三维可视化技术对直观表达海量数据，各种信息的融合和综合展示，充分发挥数据能效，减少人工数据解析成本方面具有积极意义。遵循智慧管理的建设思路和需求，三维可视化技术的应用还有很多领域亟待进一步探索，如科研数学模型的实时动态模拟，三维模型的轻量化处理，与智慧决策系统融合，以及三维可视化平台与智慧水利水电工程深入结合所涉及的其他问题，将会是我们下一步研究方向和重点。