基于数字孪生的智能水电厂建设初步研究

梁 艳，徐希涛，徐静波，郭正扬，谢小燕

［南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211000］

0 引言

随着信息化、数字化技术的高速发展，水电厂智能化建设迈入了新阶段，一方面建设了综合一体化平台，实现数据共享和统一管理。另一方面，通过数字化和网络化，实现了互联互通，获取更全面的设备状态信息[1]。为进一步提高管理效率和管理水平，响应国家大力提倡的工业化与信息化深度融合的要求，传统水电工程的建设管理模式也在不断创新[2]，数字孪生技术逐渐用于水电厂的施工建设和管理运行中[3-5]。GB/T 40222—2021《智能水电厂技术导则》对数字孪生进行了明确定义，即数字孪生是用于理解、预测和优化实体对象性能的数字仿真。利用数字孪生技术可将真实和虚拟两个维度的水电厂进行连接，结合传感器技术、物联网技术、虚拟仿真技术等实现两者的同步仿真运行和虚实交互。2021 年水利部先后出台了《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设规划》等系列文件，大力推进数字孪生流域建设。水电厂作为水利枢纽的重要组成部分，其数字孪生建设是数字孪生流域建设的切入点和突破点。

目前数字孪生技术成为研究热点，智能水电厂建设只是要求了对建筑物和机电设备进行三维数字化建模以及对部分设备运行工况进行三维可视化运行模拟仿真，与数字孪生要求的双生交互还有较大差距，主要体现在三个方面：一是现地感知体系建设还不完善，工程和流域上的对水电厂运行管理影响的环境和工况信息采集还需要进一步补充；二是智能水电厂基于数字孪生技术的表达不成熟，海量多源数据采用数字孪生技术的表达方式还没有规范的方法；三是数字孪生技术与业务应用的结合不够，应用功能和交互方式面临挑战。因此，本文结合智能水电厂的框架，基于一般性的部署手段，初步构建了智能水电厂的数字孪生架构，探索基于数字孪生技术的应用模式和功能，为数字孪生技术在智能水电厂建设中落地应用提供方法参考。

1 整体架构

基于数字孪生的智能水电厂技术架构中共分为五部分：基础支撑层、数据互动层、数字孪生底座、数字孪生平台以及数字孪生应用，具体架构如图1 所示。其中，基础支撑层提供孪生建模和运行的数据来源，包括水工建筑物、水电厂设备和智能传感器构成的数字化的感知体系和基础设施体系。数据互动层负责数据的采集、传输及处理，采用多种方式混合组网的方式，构建水电厂通信网络，为数字化提供高质量的基础通信网络，实现孪生水电厂和物理水电厂双向数据互动传输。数字孪生底座主要由实体感知数据、GIS 空间信息和BIM 模型组成，在此基础上对各种精度和来源的空间数据（矢量数据、地形数据、影像数据、倾斜摄影数据、激光点云数据等）和业务数据（图像数据、属性数据、监测数据等）进行融合，构建数据资源层级无缝转换、数据与地形无缝构建的可视化场景，以满足工程数据层级浏览应用需求。数字孪生平台包括二三维GIS 平台和三维实时仿真引擎（目前一般采用游戏引擎），在数字孪生平台之上，根据应用需求，进行各类场景可视化、业务应用仿真、设备的运行仿真培训与检修以及全寿命周期管理等业务的数字孪生交互设计和业务实现。

2 数字孪生底座

以GIS+BIM 构建数字孪生底座，将BIM 模型转换成与GIS 数据标准兼容的格式，在同一个场景中显示BIM 和GIS信息。根据《数字孪生水利工程技术导则》中的规定，对不同级别的模型数据进行创建。同时，将感知体系中感知的数据与场景中的实体进行孪生连接与融合。

2.1 感知体系完善

目前智能水电厂建设感知体系主要侧重于厂内机电设备工况、枢纽工程安全、流域水雨情等站点数据采集，采集到的都是点状的数据，对具有河道、流域等层级的数据采集缺乏，如河道的大断面、流域上的面雨量分布，土壤墒情分布等。随着卫星遥感、无人机监测、水下测量、物联网通信等技术的发展，在数字孪生这种具有三维表达能力的技术下，需要对智能水电厂感知体系进一步完善。因此本文需要以卫星遥感等先进技术为手段，建设完善“天空地一体化”的感知体系，从多尺度、多维度对水电厂的建设、运行、管理等方面进行感知手段补充。

2.2 地理空间数据

2.2.1 L1 级数据

利用水利部全国范围的DOM 数据（分辨率优于2m）和30m 格网精度DEM 数据，对流域影像和地形数据执行三维切片操作，融合DOM 数据和DEM 数据以及流域边界划线图层、水系线图层等形成L1 级数据底图服务。支持HTTP 协议，提供网络地图服务（WMS），返回地图格式包括PNG、GIF、JPEG、TIF 等栅格形式或SVG 等矢量形式。

2.2.2 L2 级数据

在L1 级数据底图的基础上，叠加水电厂及周边的航摄影像和地面高程数据，获取高精度的水下地形数据，形成L2 级地理空间数据。经处理将地图转换成包含图片和数据的分层瓦片格式或缓存，通过JavaScript 和XMLHttpRequest API 实现动态获取地图。

2.2.3 L3 级数据

在L1 级、L2 级数据底板基础上，根据高精度数字正射影像和地面高程数据、水电厂区域航空倾斜摄影、重点水利建筑设施及关键机电设备的 BIM 数据构建L3 级地理空间数据底板。

倾斜摄影实景三维模型：利用倾斜摄影技术获取下视影像地面倾斜影像，制作地面倾斜摄影模型，并对重要建筑物进行单体化处理。通过专业软件进行影像数据整理、像控点量测、模型修饰及模型拼接等工作。倾斜摄影精度分辨率优于8cm，重点水工建筑物等优于3cm，并在内业处理阶段进行轻量化处理。

BIM 模型：搜集流域内中大型大坝建设设计图纸，结合现场采集的纹理图像、贴图制作等方式，建设场景设施设备模型，如机械、液压装置、电气装置、油、水、气管路等模型，严格按照产品手册和图纸进行1:1 全尺寸三维建作，场景布局等应与现场一致，对于BIM 的建模精度，T/CWHIDA 0006—2019《水利水电工程设计信息模型交付标准》进行了相应的规定。水电厂土建模型、室内模型、水轮机模型、传感器模型等精度应不低于该标准相应规定，模型精度标准如表1 所示。

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

选择Solidworks、3DS Max、blender 等主流建模软件，基于CAD 图纸的建筑物BIM 建模、三维激光点云扫描、倾斜摄影、人工建模等方式，搭建适用于不同场景的各种精度的三维模型。模型文件兼容主流格式（rvt、ifc、fbx），形成一致性的轻量化数据结构。针对大型的BIM 文件可进行分包处理，制定分包数据结构，在不同分包中构建与几何的关联关系与重组策略。

2.3 数据融合

将地理空间数据、三维模型数据、监测数据、文件数据、音视频数据等按标准规范统一编码和映射，建立空间实体对象与业务对象间的关系连接，通过统一接口规范及索引技术实现业务数据的融合和应用，满足数字孪生应用中实体对象与业务数据的图形交互应用。标注三维模型所涉及的主要技术参数（水头、压力、流量、尺寸、重量、材质等）、检修电子档案、厂家等信息支撑实时数据渲染、数据综合查询、空间分析应用、多维度统计分析等功能。

3 数字孪生平台

3.1 数字孪生引擎

数字孪生平台主要依托数字孪生引擎，在数字孪生底座的基础上对各种数据进行融合。根据应用侧重点的不同，可分别采用二三维一体化GIS 和游戏引擎，或者将两者结合的方式。GIS 与WebGL（Web Graphics Library）相结合，建立三维虚拟场景，具备GIS 服务发布、管理、聚合、多层次扩展及地物建模添加、地形和模型实时交互等功能。GIS 技术与高仿真引擎技术UE（虚幻引擎）、Unity 3D 进行融合，可确保GIS 和模型数据的高效可视化。

3.2 各类对象数字孪生表达方式

数字孪生底座中获得各层级数据主要分为点状、线状、面状三类对象，在不同的层级中表达的形式不一样，需要定义和规范不同种类物体在不同层级下的表达方式，如雨量站在L1 级和L2 级展示中，用点状对象表达即可，到L3 级中，则采用面状包围体和局部线状表达，机电设备的表达与此类似。工程枢纽则是在L1 级展示中，用面状或者简单面状包围体表达，但是到L2、L3 则是采用面状包围体表达（L2、L3 层级中采用不同精度的三维模型，均采用三角面片实时渲染而成）。此外，本文中新增的卫星遥感、水下测量等数据也需要规范其表达，卫星遥感与卫星云图等表示空间面状上的信息采用纹理与地形进行贴合表达，水下测量的河道大断面，采用多边形面进行表达（实质也是三角面片组成）。

4 数字孪生应用

通过包括三维GIS、BIM 数字建模、可视化渲染、轻量化技术等数字孪生技术的使用，动态、高性能地加载和渲染不同层级的场景，支撑数字孪生的模拟仿真功能，满足水电厂各种业务应用需求，实现数据驱动场景和仿真优化迭代的双向交互。

4.1 流域及水电厂漫游

集成流域DOM 数据、DEM 数据、矢量图层、倾斜摄影数据、BIM 模型数据等，通过参数设定，实现流域和水电厂的自定义飞行，从宏观上掌控流域和工程全局，同时为流域防洪减灾、水电数字调配等提供交互场景支撑。图2 为流域飞行示意图。

图2 流域飞行示意图Figure 2 Schematic diagram of river basin flight

4.2 水电厂仿真运行

通过与各种智能传感监测点的绑定，可在水电厂孪生体中实现水电厂的仿真运行，通过业务数据驱动模型的显示，包括实时水位的变化、闸门的启闭、水轮机的运转等，实现物理水电厂与孪生水电厂同步仿真运行。同时在孪生体中可统筹考虑耗水率和发电效益等多重目标仿真经济运行负荷最优分配表，及与其他电站联动运行的负荷联动调整策略等。图3 为仿真示意图。

图3 仿真示意图Figure 3 Schematic diagram of simulation

4.3 防洪“四预”应用

建设水动力模型、水库调度模型、安全监测模型、水质安全模型等水利水电专业模型，梳理水电厂业务逻辑，对海量数据进行结构化组织与重构，构建知识库，构建水电厂数字孪生“预报—预警—预演—预案”四预应用，结合实时运行状况、水利模型预测结果、人工智能分析结果等，在水电厂孪生体中进行可视化预演，迭代优化，形成最佳预案。

4.4 设备全生命周期管理

严格按照设备的位置、尺寸、结构建立的BIM 模型，可清晰展示设备所处位置和设备的结构，关联设备运行参数、图纸资料、检修资料、保养信息等。设备信息可进行实时展示，设备运行状态异常、超寿命服役等信息可进行告警提示并差异化（高亮度等）显示，形成水电厂设备设施的全生命周期管理[6]，能有效应对设备故障等突发事件。图4 为设备技术文档展示示意图。

图4 设备技术文档展示示意图Figure 4 Schematic diagram of equipment technical documents

4.5 虚拟巡检

依据水电厂三维建模和AR（Augmented Reality）增强现实技术，可实现针对水轮机发电组、地下厂房、廊道等不同场景巡检任务的定制。路径规划可自定义，在三维场景中绘制行走路线，手动添加路线中的兴趣停留点。在虚拟巡检中，自动记录巡检路线、设备参数、监测数据等，生成巡检日志。尤其针对关键设备、报警设备、故障设备可实现快速巡检。虚拟巡检可增大巡检范围和频率，结合人工巡检方式，提高巡检工作效率。图5 为可视化巡检示意图。

图5 可视化巡检示意图Figure 5 Visual patrol diagram

4.6 检修培训仿真

采用VR 技术（虚拟现实技术），通过视觉、听觉、触觉等感官的模拟，形成互动式运维检修仿真，进一步提高检修管理水平，提高员工应对事故及故障处理能力，仿真对象包括水轮机、水轮发电机、调速器等主要设备，依据检修规程、作业指导书、按设备图纸，建立局部和整体装配三维模型。通过快速聚焦、光学空间定位、惯性动作捕捉、二三维联动等关键技术的应用，准确定位检修员工及检修对象的位置及姿态，捕捉其在三维空间的运动状态。图6 为水轮机检修示意图。

图6 水轮机检修示意图Figure 6 Schematic diagram of hydraulic turbine maintenance

4.7 数字全景大屏

通过大屏组态，综合应用HTML5、Hybrid、数据资源池、轻量化技术、可视化渲染、云渲染等技术，建设数字全景大屏，依托数据孪生底座，实现海量数据的汇聚和分析及面向多终端场景的可视化数据应用，提高智慧化水平。

5 结束语

数字孪生作为真实物理系统的虚拟、逻辑镜像，结合传感器技术、物联网技术、仿真技术，能如实、精确、实时地反应水电厂实体的全生命周期过程[7]，实现真实、虚拟两个维度水电厂的同步仿真运行和虚实交互。后续将进一步研究仿真机理模型，通过人工智能、大数据分析等技术提高系统理解、预测和优化实体对象性能的数字仿真水平，为智能水电厂的运行和管理提供更加有力的技术支持，进一步提升水电厂的运行管理水平和社会经济效益，推动水电厂智能化向更深层次发展。