基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態(tài)監(jiān)控與仿真技術研究

張小冬，吳 超，劉學山，汪志強，徐 斌，萬 晟

(1.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080；2.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853)

基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態(tài)監(jiān)控與仿真技術研究

張小冬1，吳 超1，劉學山2，汪志強2，徐 斌2，萬 晟2

(1.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080；2.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853)

文中針對抽水蓄能電廠運營信息化建設的需求與現(xiàn)狀，依托高精度三維建模技術、設備動態(tài)監(jiān)控、虛擬仿真等技術，對抽水蓄能電廠進行全方位、多視角的精細測繪與三維建模，同時集成電廠現(xiàn)有系統(tǒng)資源，搭建動態(tài)監(jiān)控與仿真一體化平臺，解決目前抽水蓄能電廠信息展現(xiàn)不集中、不直觀的缺陷，為電廠三維信息化建設提供新型的解決方案。

三維空間信息技術；精細建模技術；三維動態(tài)監(jiān)控；教培仿真

隨著智能監(jiān)控技術的高速發(fā)展，目前我國建成的抽水蓄能電廠中應用了大量智能監(jiān)控、安全預警、運營管理等技術，這些技術能夠有效解決相應領域中遇到的問題，提高管理效率。但由于抽水蓄能電廠自身的結(jié)構(gòu)特點，同時產(chǎn)生水工建筑物結(jié)構(gòu)顯示不直觀、重要電氣設備結(jié)構(gòu)無可視化模型以及各監(jiān)控系統(tǒng)不兼容等缺陷。本文提出通過三維動態(tài)可視化監(jiān)控技術，將電廠內(nèi)的壩體、管路、設備等進行真實比例建模，在三維場景內(nèi)將模型與生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、拆裝仿真內(nèi)容相關聯(lián)，打通各個子系統(tǒng)之間的信息孤島，以直觀、動態(tài)、智能的方式展示廠區(qū)內(nèi)的設備運行情況、壩體安全監(jiān)控、異常報警信息等，提高電廠的運營能力和智慧化水平。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及關鍵技術

1.1 總體架構(gòu)

應用平臺的開發(fā)基于主流的B/S 3層架構(gòu)模式，分別為綜合應用層、核心服務層和數(shù)據(jù)資源層。其中核心服務層以不同的數(shù)據(jù)采集服務從不同的數(shù)據(jù)資源庫中將生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)、水工水情數(shù)據(jù)、仿真文件數(shù)據(jù)、三維地理信息數(shù)據(jù)等信息以Ajax通道傳輸或者Request數(shù)據(jù)請求的方式分發(fā)到不同的應用層。應用層以CityMaker三維展現(xiàn)控件為基礎，集成不同的業(yè)務展現(xiàn)插件，實現(xiàn)不同的功能和展現(xiàn)效果。平臺三層之間相對獨立，提供靈活的服務與應用邏輯關系，為后續(xù)應用的擴展提供支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 關鍵技術

1)數(shù)據(jù)實時采集技術。三維平臺要將電廠生產(chǎn)運行過程中的重要監(jiān)控信息通過三維場景進行實時展示，目前電廠內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)、水情監(jiān)測系統(tǒng)等[5]，各系統(tǒng)之間相對獨立，平臺根據(jù)實際情況通過以下兩種途徑進行實時數(shù)據(jù)的采集。第一種方式通過獲取對應系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集權限，通過部署負責數(shù)據(jù)采集的應用服務，將采集到的實時數(shù)據(jù)以key-value的形式存儲于實時數(shù)據(jù)庫中(本平臺使用Redis實時數(shù)據(jù)庫)。該方式訪問數(shù)據(jù)更為直接，實時數(shù)據(jù)庫讀取效率高，避免傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問量瓶頸的限制。其次，由于部分系統(tǒng)無法提供公共的數(shù)據(jù)采集權限，所以第二種方法是通過相關生產(chǎn)系統(tǒng)對應的輔助子系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)共享服務，當應用服務器發(fā)出數(shù)據(jù)訪問請求后，數(shù)據(jù)將以JSON或XML的形式發(fā)送回客戶端，客戶端進行解析與展示。這種方式能夠降低系統(tǒng)之間的耦合性，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。

2)富客戶端技術。平臺采用富客戶端的前端開發(fā)技術，將前端應用程序與后臺應用服務盡可能分離，提高日后程序擴展的可能性，方便基于松耦合的機制與用戶第三方組織機構(gòu)庫、第三方單點登錄服務銜接與集成，并且支持客戶端通過HTTP，SOAP，Web Service，Ajax等多種方式進行調(diào)用，實現(xiàn)Web 2.0的開發(fā)；平臺可以與任何第三方應用系統(tǒng)、多種數(shù)據(jù)庫類型進行流程整合服務，系統(tǒng)配置多個數(shù)據(jù)庫連接，通過實體層直接與其他業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)流程整合服務，支持Web Service并方便與其它已有系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合。

3)插件集成技術。由于Web展現(xiàn)技術的局限性，為了擴大平臺對其他相關系統(tǒng)的兼容性，平臺采取插件式系統(tǒng)集成技術，針對不同的子系統(tǒng)，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設備拆裝仿真系統(tǒng)等，根據(jù)系統(tǒng)提供的SDK深度定制開發(fā)運行插件，并將不同功能的插件統(tǒng)一發(fā)布，減少用戶的插件安裝次數(shù)，同時提高不同應用場景之間的聯(lián)動性。

2 三維建模技術

系統(tǒng)采用三維地理空間數(shù)據(jù)庫引擎技術，通過地理特征數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對地理空間數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蟮慕M織與管理，統(tǒng)一管理海量地理空間要素的空間屬性、時態(tài)屬性數(shù)據(jù)，以及管理地理空間信息符號化所需的二、三維符號數(shù)據(jù)。地理特征數(shù)據(jù)庫分為3層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)集、要素類。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維地理空間數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)

同時，實體對象可以擁有時態(tài)、空間、屬性、符號等4類地理空間屬性信息。其中時態(tài)屬性可將電廠的不同時期進行分類建模，通過時態(tài)的變化來展現(xiàn)不同時間的建設情況，如圖3所示。

圖3 實體對象屬性設計

平臺采用三維空間數(shù)據(jù)庫技術統(tǒng)一管理源數(shù)據(jù)和表現(xiàn)數(shù)據(jù)。源數(shù)據(jù)直接導入三維數(shù)據(jù)庫，以三維模型對象的附件形式，以二進制格式直接存儲于關系型數(shù)據(jù)表。同時，三維平臺基于源數(shù)據(jù)直接生成高精度表現(xiàn)數(shù)據(jù)。表現(xiàn)數(shù)據(jù)同樣以二進制方式存儲于關系型數(shù)據(jù)表，作為三維模型對象的符號資源。三維模型對象、源數(shù)據(jù)文件、表現(xiàn)數(shù)據(jù)均存儲于三維數(shù)據(jù)庫，并基于三維模型對象建立屬性關聯(lián)，互相之間可以被快速檢索和引用，實現(xiàn)源數(shù)據(jù)、表現(xiàn)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的一體化管理，如圖4所示。

圖4 空間數(shù)據(jù)一體化管理

3 綜合系統(tǒng)集成

平臺采用CityMaker三維驅(qū)動引擎，通過自帶和其他三維建模工具對水庫、廠區(qū)、水工設備、安全監(jiān)控設備等進行1∶1三維建模，以三維模型為基礎，將電廠的三維空間信息與屬性數(shù)據(jù)有機結(jié)合，實現(xiàn)空間信息與各類屬性之間的一對多、多對多的關聯(lián)，用戶在瀏覽三維場景中，可以通過點擊查詢、空間范圍查詢、區(qū)域查詢、條件查詢等手段，將模型中所關聯(lián)的信息提取，并以文字、表格、圖表、視頻、動畫的形式進行展示。所有信息的來源都是以三維模型瀏覽為觸發(fā)點，所有信息都依附于三維模型，提高用戶的空間感，展示效果更為生動、直接。系統(tǒng)的主要功能如下：

1)廠區(qū)三維全景漫游。平臺基于實時動態(tài)三維數(shù)據(jù)加載技術，將海量的三維數(shù)據(jù)進行分布式加載，提高用戶漫游模型加載速度，實現(xiàn)對抽水蓄能電廠的全景瀏覽。用戶可以保存興趣點，自定義飛行路徑，輸出多種格式的多媒體文件。通過點擊場景中任意模型，顯示該模型的詳細信息，例如：管線的管徑、流向、介質(zhì)等。

2)信息可視化展示?？梢暬脚_的核心是通過三維展示手段，將廠區(qū)內(nèi)重要的監(jiān)測信息可視化分析與展示，目前抽水蓄能電廠的重點關注信息主要包含生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外圍環(huán)境信息(如壩體整體結(jié)構(gòu)、廊道應力狀態(tài)、水庫水情信息等)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，三維模型制作中根據(jù)需要關聯(lián)信息的種類，將構(gòu)筑物、設備、儀表、攝像頭、廊體等進行單體化處理，通過后臺數(shù)據(jù)庫將模型唯一標號與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一對多的關聯(lián)，用戶可以通過監(jiān)測點定位到所屬模型的空間位置，也可以通過點擊模型查詢包含的監(jiān)測點信息。用戶可以在三維場景中同時觸發(fā)不同種類的監(jiān)測監(jiān)視信息，全面掌握廠區(qū)內(nèi)部運行狀態(tài)。

3)二、三維系統(tǒng)聯(lián)動。平臺在同一個場景下進行二、三維聯(lián)動，平臺設計與生產(chǎn)系統(tǒng)一致二維信息展示界面，通過監(jiān)測點與三維模型的關聯(lián)，用戶可以通過二維界面點擊監(jiān)控點與三維窗口互動展示，彌補監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維中展示邏輯性差的缺點，將二、三維的優(yōu)勢特點在一個平臺中展示，為用戶提供更完善、全面的體驗，如圖5所示。

4)智能監(jiān)測預警。平臺將監(jiān)測歷史值分條件(溫度、濕度、氣壓、水位等)進行歷史數(shù)據(jù)保存，將實時數(shù)據(jù)與歷史相似工況下的監(jiān)測值進行比較，判斷其“異常”情況，降低由于環(huán)境因素造成的數(shù)據(jù)浮動，若監(jiān)測到數(shù)據(jù)比較差異超過限定值，則會在三維模型上用紅色標記，并在系統(tǒng)中進行彈窗提示。所有異常信息將會在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)一記錄，方便用戶進行復查。

5)設備拆裝模擬。平臺首先根據(jù)設備部件圖及裝配圖中采集設備零部件形狀、幾何尺寸等部件特征及零部件之間相對位置關系，建立原始設備拆裝數(shù)據(jù)庫。再通過研發(fā)Solidworks系列軟件二次開發(fā)接口，將其拆裝模擬演示模塊進行功能的移植，通過加載服務器緩存的Solidworks高精度設備模型數(shù)據(jù)，通過在三維場景中選擇對應模型，直接在線查看設備的精準拆裝演示，如圖6所示。

6)互動式操作模擬演練。平臺將復雜的設備運行操作(開停機操作、維護操作等)制作成三維模擬演練腳本，員工通過腳本目錄樹加載不同的場景，利用三維虛擬現(xiàn)實技術，還原真實的操作環(huán)境，結(jié)合相對應工作流程提示，以三維可交互的操作方式(開關的操作、閥門的控制、機械的裝配等)，在三維場景中進行模擬訓練，完成不同的演練腳本，從而達到操作全過程仿真的目的。同時平臺支持對員工的操作進行打分評價，對錯誤的操作進行回放和正確講解，能夠自動演示詳細的操作步驟，加強培訓效果，如圖7所示。

圖6 設備拆裝模擬

圖7 操作模擬演練

4 工程案例

清遠抽水蓄能電站位于清遠市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，與廣州直線距離約75 km。電站裝機4×320 MW，總?cè)萘? 280 MW，最高凈水頭502.7 m。樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、開關站及永久公路等組成。上水庫正常水位612.5 m，調(diào)節(jié)庫容1 055萬m3；下水庫正常水位137.7 m，調(diào)節(jié)庫容1 058萬m3。輸水系統(tǒng)水平總長度2 449 m，距高比為5，滿載發(fā)電小時數(shù)為9.1 h。平臺建設前期通過無人機航空攝影制作數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像，結(jié)合三維激光掃描儀與CAD施工圖紙制作三維建構(gòu)筑物模型，同時采用三維精確建模技術完成設備機組的精細模型，最終將所有數(shù)據(jù)加載在三維可視化監(jiān)控平臺中進行綜合展示，平臺結(jié)合數(shù)據(jù)展示、異常預警、教培仿真等功能，輔助電廠的管理。

5 結(jié)束語

目前我國電力需求量大，各類型的電廠數(shù)量很多，電廠內(nèi)部信息化程度越來越高，將會遇到各類系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間信息不聯(lián)通、展示不直觀的問題，通過三維可視化平臺針對不同子系統(tǒng)進行深度定制，以一種直觀、高效的方式進行信息展示，能夠增強管理中心的信息查詢、瀏覽手段，公司各級管理人員能夠提高管理效率和水平，實現(xiàn)對電廠的遠程化、智能化管理。

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[責任編輯：張德福]

Dynamic monitoring and simulation technology of pumped storage power station based on 3D-GIS

ZHANG Xiaodong1, WU Chao1, LIU Xueshan2, WANG Zhiqiang2, XU Bin2, WAN Sheng2

(1.Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China; 2.Qingyuan Pumped Storage Power Generation Co., Ltd., Qingyuan 511853, China)

According to the requirements and current status of informatization construction of pumped storage power station, and relying on high precision 3D modeling technology, dynamic monitoring technology, virtual simulation technology, fine mapping and 3D modeling of pumped storage power station, and integrated existing system resources, this paper builds a dynamic monitoring and simulation integration information platform, and solves the defects of the information of the pumped storage power station being not centralized and visual, which provides an innovation solution for 3D power station informatization construction.

3D spatial technology; fine modeling technology; 3D dynamic monitoring; simulation training

著錄：張小冬，吳超，劉學山，等.基于3D-GIS的抽水蓄能電廠動態(tài)監(jiān)控與仿真技術研究[J].測繪工程，2017，26(11)：71-76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.016

2017-06-17

張小冬(1988-)，男，助理工程師，碩士。

P208

A

1006-7949(2017)11-0071-06