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      三維可視化技術(shù)在水利水電智慧化建設(shè)中的運(yùn)用

      2022-09-15 10:09:22
      智能城市 2022年8期
      關(guān)鍵詞:水利水電技術(shù)人員可視化

      賀 聰

      (中交水利水電建設(shè)有限公司,浙江寧波 315200)

      計(jì)算機(jī)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展,與多個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度融合,三維可視化技術(shù)可以不斷創(chuàng)新虛擬場(chǎng)景,在城市建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工程教育等行業(yè)發(fā)揮重要作用。文章以水利水電行業(yè)為例,分析三維可視化技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用,為相關(guān)技術(shù)人員提供可參考性建議。

      1 基本概述

      1.1 三維可視化技術(shù)

      三維可視化技術(shù)利用數(shù)據(jù)模型對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象、地面表象以及地下構(gòu)造進(jìn)行顯示和描述,利用大量數(shù)據(jù)對(duì)地下界面的地震反射率進(jìn)行解釋,通過(guò)立體掃描和追蹤幫助施工人員和技術(shù)人員快速準(zhǔn)確地掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。每個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換為三維像素,每個(gè)像素對(duì)數(shù)據(jù)母體具有對(duì)應(yīng)數(shù)值。通過(guò)三維可視化技術(shù)可以直接還原水利水電真實(shí)場(chǎng)景,利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以直接對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行放大、縮小和旋轉(zhuǎn),幫助管理者和技術(shù)人員了解工地概況,利用仿真動(dòng)畫直接對(duì)施工工藝和施工過(guò)程進(jìn)行還原。針對(duì)操作難度較大、危險(xiǎn)系數(shù)較高的工作,可以利用三維可視化技術(shù)先進(jìn)行操作模擬,在一定限度上保證施工人員安全。此外,利用視頻監(jiān)控可以直接對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行真實(shí)展示,監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工揚(yáng)塵,調(diào)取后端數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的PM2.5數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)整個(gè)水利水電建設(shè)項(xiàng)目的施工標(biāo)準(zhǔn)化、項(xiàng)目成本定量化、管理數(shù)據(jù)化、進(jìn)度節(jié)點(diǎn)化、現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)化,達(dá)到節(jié)本增效的目的。

      1.2 智慧水利

      智慧水利將高新技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù),對(duì)自然界的水資源進(jìn)行調(diào)配和控制,在保護(hù)水資源的同時(shí)進(jìn)行開發(fā)和利用,以此防治水旱災(zāi)害。將人工智能、水利模型、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)應(yīng)用到水壩、大壩、水電站、水庫(kù)加固等工作中,以智能化、數(shù)字化為主線,對(duì)水流流速、泄洪、排澇等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)報(bào),確保水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

      2 三維可視化仿真系統(tǒng)建立

      2.1 框架結(jié)構(gòu)

      三維可視化技術(shù)將BIM技術(shù)和GIS軟件系統(tǒng)相結(jié)合,充分利用三維動(dòng)態(tài)演示,對(duì)水利水電施工進(jìn)行總體布置和設(shè)計(jì),圍繞工程開發(fā)制定具體框架結(jié)構(gòu)。三維可視化仿真系統(tǒng)由物理層、數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層組成[1]。物理層主要包含硬件和軟件;數(shù)據(jù)層主要包含圖形庫(kù)、屬性庫(kù)、模型庫(kù);功能層通過(guò)相關(guān)技術(shù)模型對(duì)樞紐站、水利站、水庫(kù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)演示,對(duì)施工總布局進(jìn)行全程跟蹤,按時(shí)段展示。數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)的查詢和檢索系統(tǒng)中,對(duì)工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、建筑物布置、施工全貌進(jìn)行查詢,利用仿真化模型對(duì)大壩混凝土澆筑、施工測(cè)量、水流參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),加載大量的地理信息圖,通過(guò)地圖顯示功能對(duì)數(shù)據(jù)層顏色進(jìn)行標(biāo)注,做好專題制圖,以此滿足施工要求。

      2.2 子系統(tǒng)和相關(guān)功能

      三維可視化仿真系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,分別為動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)[2]。其中,數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)編輯、采集和輸出;應(yīng)用子系統(tǒng)主要對(duì)模型進(jìn)行維護(hù)和修改,如對(duì)地下洞室施工全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬,對(duì)施工廠內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬,對(duì)大壩澆筑全過(guò)程樞紐施工系統(tǒng)進(jìn)行模擬,基于GIS技術(shù)對(duì)石料廠規(guī)劃進(jìn)行模擬,對(duì)超標(biāo)洪水和過(guò)水場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)化演示以及模擬;查詢子系統(tǒng)主要根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)信息、施工場(chǎng)地布置、信息工程樞紐設(shè)計(jì)圖紙、砂石料廠信息,對(duì)整個(gè)施工計(jì)劃進(jìn)行靈活調(diào)控,查詢與統(tǒng)計(jì)施工進(jìn)度;動(dòng)態(tài)演示子系統(tǒng)主要對(duì)圍堰填筑、節(jié)流泄洪洞等施工過(guò)程進(jìn)行演示,對(duì)場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸場(chǎng)景進(jìn)行可視化演示。

      3 智慧水利水電項(xiàng)目中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

      金沙江下游某水電站工程以發(fā)電為主,兼具下游航運(yùn)、攔沙、防洪泄洪等功能,主要為華中和華東地區(qū)進(jìn)行水力發(fā)電,為下游電站進(jìn)行階梯性補(bǔ)償。水電站樞紐由泄洪建筑物、攔河大壩、引水發(fā)電建筑物組成,最大壩高為288 m,頂拱中心線弧長(zhǎng)700 m,壩身布設(shè)7個(gè)表孔,壩頂高程610 m,泄洪采用分區(qū)消能、分散泄洪原則,壩后設(shè)有水墊堂消能,發(fā)電廠房為地下式,單機(jī)容量為700 MW,兩岸各自布置3條導(dǎo)流隧洞,導(dǎo)流臨時(shí)建筑物涵蓋上下游圍堰。

      3.1 總體施工設(shè)計(jì)

      工程地勢(shì)陡峻,處于深山峽谷,具體施工設(shè)計(jì)時(shí),為了減少場(chǎng)料的運(yùn)距,整個(gè)工程設(shè)置碴廠6個(gè),做好主體工程的施工設(shè)計(jì),主要體現(xiàn)在泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)和拱壩系統(tǒng)3個(gè)方面。泄洪系統(tǒng)導(dǎo)流洞和泄洪洞相結(jié)合,隧洞長(zhǎng)度為1 480~1 825 m,泄洪洞前端均為圓形,直徑約15 m,襯砌后斷面尺寸為60 m×16 m,無(wú)壓平段的后段下降高差約100 m,圓形斷面尺寸約17 m×15 m。

      3.2 三維可視化系統(tǒng)在施工中的演示

      可視化三維動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)可以根據(jù)施工總布置對(duì)原始地形進(jìn)行繪制,構(gòu)建交通系統(tǒng)、砂石料系統(tǒng)、地下洞室群系統(tǒng)、大壩系統(tǒng),建立上述圖層相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),直接演示導(dǎo)流期間樞紐施工、大壩蓄水發(fā)電、地下洞室群施工、碴廠變化等全過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)施工場(chǎng)景、施工主體環(huán)境、局部環(huán)境進(jìn)行三維演示。相關(guān)技術(shù)人員可以通過(guò)交互操作信息,查詢所有地物、地形,并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控,從任意角度觀察構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu),通過(guò)旋轉(zhuǎn)、放大、縮小觀察構(gòu)筑物信息。在施工場(chǎng)地對(duì)地物進(jìn)行縮放過(guò)程中,相關(guān)技術(shù)人員可以選擇需要查看的碴場(chǎng)大壩、導(dǎo)流洞、地下廠房等地物,在三維窗口加入熱鏈接工具,將窗口縮放至設(shè)定角度,直接查看信息框,根據(jù)各標(biāo)段出入碴方量、碴場(chǎng)頂高程等表格數(shù)據(jù),對(duì)場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。施工過(guò)程中,對(duì)地形地物模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和演示,通過(guò)更加形象直觀、科學(xué)簡(jiǎn)便的方法,推動(dòng)水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化和現(xiàn)代化。

      以地質(zhì)開挖為例,相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該搭建標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同場(chǎng)景,通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì)完成機(jī)電模型、水工模型和數(shù)字地模等設(shè)計(jì)工作,利用三維地質(zhì)模型進(jìn)行邊坡開挖,在可視化技術(shù)的應(yīng)用中,可以直接展現(xiàn)地層總斷層和軟弱夾層間的剖切圖,提高出圖效率,直觀形象地展示出挖面地質(zhì)情況,了解施工的地質(zhì)情況和重難點(diǎn),總結(jié)水利水電項(xiàng)目施工的可行性。與傳統(tǒng)方法相比,可視化技術(shù)更加快捷、準(zhǔn)確,統(tǒng)計(jì)工程量時(shí),設(shè)計(jì)人員定義項(xiàng)目的分類和屬性,利用工程清單格式直接對(duì)單個(gè)或批量構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和輸出,制作可視化表格或圖表,提高統(tǒng)計(jì)效率,利用相關(guān)工程資料和數(shù)據(jù),對(duì)三維模型進(jìn)行剖析和動(dòng)態(tài)瀏覽??梢栽谑┕み^(guò)程中對(duì)泄洪洞出口明渠抗滑樁項(xiàng)目進(jìn)行模擬,對(duì)施工中可能存在的缺項(xiàng)、漏項(xiàng)進(jìn)行檢查,提高施工準(zhǔn)確性。通過(guò)相關(guān)視圖,現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以利用壓實(shí)傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和GPS技術(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)碾壓薄弱區(qū)域,實(shí)現(xiàn)大壩智能碾壓,對(duì)結(jié)果進(jìn)行智能反饋,提高施工效率和計(jì)算效率,減少溝通成本。

      3.3 三維可視化系統(tǒng)的具體應(yīng)用

      (1)流域氣象水文監(jiān)測(cè)。

      流域氣象水文監(jiān)測(cè)界面如圖1所示。

      圖1 流域氣象水文監(jiān)測(cè)界面

      流域氣象水文檢測(cè)主要對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的蒸發(fā)量、蒸騰量、對(duì)子流域的滲流量、降水量、徑流量等參數(shù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與分析,與氣象管理部門、業(yè)務(wù)系統(tǒng)連接,通過(guò)天氣雷達(dá)和氣象觀測(cè)對(duì)水利水電工程綜合指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和管理,輔助管理者全面掌控水電站水文氣象態(tài)勢(shì),預(yù)報(bào)、預(yù)警各種災(zāi)害氣象,對(duì)氣象進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并給出響應(yīng)辦法。

      (2)梯級(jí)電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

      技術(shù)人員可以通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)邏輯層結(jié)構(gòu)維度和地理空間分布,對(duì)供電范圍、節(jié)點(diǎn)位置、拓?fù)潢P(guān)系和大規(guī)模電網(wǎng)分布等信息進(jìn)行查詢和演示,在信息采集、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等技術(shù)的加持下,對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化管理和調(diào)度;可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電機(jī)、電容、各電站線路中的電流、開關(guān)狀態(tài)、電壓、頻率和電量,輔助管理者綜合掌握跨地域電站運(yùn)行情況。

      (3)水庫(kù)調(diào)度監(jiān)測(cè)。

      利用水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù),技術(shù)人員能夠直接對(duì)水庫(kù)狀態(tài)、位置、水庫(kù)蓄水量、入庫(kù)流量、可用水量、防洪庫(kù)容等信息進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)和分析研判,對(duì)水庫(kù)調(diào)蓄能力進(jìn)行預(yù)警,水位超限、調(diào)汛能力不足時(shí),系統(tǒng)直接發(fā)出預(yù)報(bào)和告警,引導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員和施工人員對(duì)水庫(kù)異常態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析、研判和解決,為水利水電工作提供決策支持,加大防洪防汛力度。

      (4)自動(dòng)化運(yùn)行安全和防汛安全監(jiān)測(cè)。

      在智慧水利背景下,相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)信用信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源,憑借人機(jī)交互方式,將各種大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)運(yùn)用至水利管理的各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。通過(guò)多機(jī)協(xié)同管理機(jī)制,強(qiáng)化硬軟件設(shè)備,使可視化監(jiān)測(cè)情景具有超大分辨率、多屏、大屏等顯示功能,直接對(duì)水利水電項(xiàng)目關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行多維可視分析。本項(xiàng)目中,通過(guò)多種角度,利用三維建模直接對(duì)大壩廠房、電機(jī)組、閘門泄建筑物等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),支持地理空間分布維度,利用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)區(qū)域分布、設(shè)備構(gòu)成、應(yīng)用功能等信息進(jìn)行演示,監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流轉(zhuǎn)情況、儲(chǔ)存余量、暢通度、調(diào)取情況、可用度、清晰度,對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和動(dòng)態(tài)演示,引導(dǎo)施工者和管理者全面掌控水利水電項(xiàng)目運(yùn)行態(tài)勢(shì),將三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)與城市內(nèi)澇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,直接對(duì)項(xiàng)目防汛抗旱、氣象、水位監(jiān)測(cè)、水利工程等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)入庫(kù)流量、水庫(kù)蓄水量、降水量、總庫(kù)容、水庫(kù)水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相關(guān)技術(shù)人員利用可視化技術(shù)對(duì)河堤位移變形、壩體位移變形等情況進(jìn)行三維顯示,根據(jù)位移情況及時(shí)進(jìn)行加固處理,為洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防汛抗旱工作提供支持。

      (5)分析研判和監(jiān)測(cè)告警。

      相關(guān)技術(shù)人員在利用三維可視化技術(shù)時(shí)直接接入相關(guān)地圖數(shù)據(jù),如警用地理信息系統(tǒng)(PGIS)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、天地圖、衛(wèi)星圖、行政圖、地形圖等,支持加載超大范圍高精度高程數(shù)據(jù),充分利用無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù),對(duì)各種矢量地圖要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合,充分滿足用戶應(yīng)用需求,利用可視化手段全面展示水利工作規(guī)劃,依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源制作可視圖表,如空間關(guān)系圖、空間統(tǒng)計(jì)圖、分布圖。通過(guò)多維度分析研判,對(duì)多指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,重點(diǎn)關(guān)注汛期、干旱情況和洪水?dāng)r截情況,構(gòu)建多個(gè)維度數(shù)據(jù)值,從空間、時(shí)間和指標(biāo)等多個(gè)層面對(duì)整體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行告警。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過(guò)閾值,直接觸發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)告警裝置,支持集成性視頻巡檢和流量監(jiān)測(cè),幫助相關(guān)管理者進(jìn)行應(yīng)急指揮調(diào)度,提高防災(zāi)減災(zāi)工作效率。

      3.4 應(yīng)用效果分析

      利用三維可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水利工程的智慧化發(fā)展,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù),提高水利行業(yè)綜合感知能力和數(shù)據(jù)共享能力,有助于構(gòu)建智能大壩、智能水電站,通過(guò)三維建模直接從多個(gè)角度觀察發(fā)電機(jī)組、船閘、壩體、泄水建筑物等管理對(duì)象的運(yùn)行情況,相關(guān)部門管理者和技術(shù)人員直接通過(guò)PC端或移動(dòng)端,對(duì)工作站情況進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行集中控制,通過(guò)可視對(duì)象的瀏覽、過(guò)濾、翻譯、縮放等功能,實(shí)現(xiàn)水利工程變形監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握異常水文情況,提高水災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)效率。

      4 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,三維可視化技術(shù)通過(guò)立體掃描和追蹤,可以幫助施工人員和技術(shù)人員快速、準(zhǔn)確掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象,利用三維建??梢灾苯訉?duì)大壩廠房、電機(jī)組、閘門泄建筑物等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工者和管理者應(yīng)常態(tài)化運(yùn)用三維可視化技術(shù)平臺(tái),全面掌控水利水電項(xiàng)目運(yùn)行態(tài)勢(shì),加大防洪防汛力度,推動(dòng)水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化和現(xiàn)代化。

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