基于水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的BIM與虛擬引擎技術(shù)融合應(yīng)用研究

劉文元，張 揚(yáng)，三梅英，劉 靖，甄國(guó)強(qiáng)，劉 哲，保守富

（1.青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,青海 西寧 810001；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

水電站建設(shè)時(shí)間早,投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),運(yùn)行管理手段更迭速度緩慢。如公伯峽水電站自2004年第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電以來(lái),投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17年,在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍采用分層分布式結(jié)構(gòu),集成運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)測(cè)、分析、診斷、維護(hù)和管理信息,來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)管理[1]。相較于現(xiàn)代數(shù)字化手段,早期建設(shè)完成水電站存在監(jiān)控系統(tǒng)老舊,設(shè)備運(yùn)行管理技術(shù)手段落后,對(duì)人力、物力的依賴(lài)性較強(qiáng)等問(wèn)題,均不同程度地影響發(fā)電效益[2]。

隨著三維數(shù)字化、信息化技術(shù)水平的提升,以及BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研究的逐漸深入,大量學(xué)者開(kāi)始著力于提升可視化仿真效果,開(kāi)展BIM與虛擬引擎融合技術(shù)研究,在VR效果展示方面取得一定成果[3-5]。但是,這項(xiàng)技術(shù)多用于電子沙盤(pán)、項(xiàng)目駕駛艙等以展示為目的、精度要求較低的工程項(xiàng)目,沒(méi)有完全發(fā)揮BIM與虛擬引擎融合技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。因此,本文研究的融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字電廠真實(shí)還原物理電廠的基礎(chǔ)上,將虛擬巡檢、運(yùn)行數(shù)據(jù)及生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等在模型數(shù)據(jù)上融合展示,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、活動(dòng)因素的三維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；同時(shí),結(jié)合電站運(yùn)行監(jiān)控管理體系,建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警體系,提高水電站生產(chǎn)運(yùn)維效率和安全管控水平。

1 BIM+傾斜攝影的多元數(shù)據(jù)融合

BIM提供微觀表達(dá)的模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ),傾斜攝影提供環(huán)境與空間地理信息數(shù)據(jù)。BIM精細(xì)化模型據(jù)能夠清晰表達(dá)和描述機(jī)電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu),傾斜攝影模型提供了宏觀可靠的地理環(huán)境基礎(chǔ)?；谖⒂^領(lǐng)域BIM模型和宏觀領(lǐng)域傾斜攝影模型,應(yīng)用游戲引擎集成BIM+GIS功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地形、建筑、機(jī)電設(shè)備模型的精細(xì)化表達(dá)和形象效果展示。

1.1 BIM和傾斜攝影信息模型

BIM信息模型的核心內(nèi)容是模型與信息關(guān)聯(lián)。由于電站建成十余年,早期設(shè)計(jì)成果以二維設(shè)計(jì)圖紙及報(bào)告為主,針對(duì)工程特點(diǎn)通過(guò)圖紙翻模+現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方式,采用Revit、CATIA等BIM建模軟件對(duì)大壩、廠房建筑、機(jī)電設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化建模,采用Maya、3dsMAX等三維建模軟件對(duì)模型進(jìn)行紋理、渲染等后期處理,模型建設(shè)精度LOD400,滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)電站設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求。

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集地形數(shù)據(jù),采取分級(jí)采集的方式,多角度在空中拍攝地標(biāo)對(duì)象用以獲取影響數(shù)據(jù),密集匹配多視影像作用下的地表同名點(diǎn)坐標(biāo),來(lái)快速獲取地表三維數(shù)據(jù)。

1.2 模型組裝

BIM模型組裝一般使用相對(duì)坐標(biāo)系,傾斜攝影模型組裝采用高斯平面直角坐標(biāo)系來(lái)對(duì)空間位置信息進(jìn)行表示,因此,對(duì)于BIM模型與傾斜攝影模型數(shù)據(jù)的集成存在坐標(biāo)不匹配的問(wèn)題,可以通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模型精準(zhǔn)組裝。

1.3 動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型是在電站設(shè)備模型的基礎(chǔ)上配合各種動(dòng)畫(huà)手段,模擬實(shí)際真實(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并將設(shè)備位置、角度、尺寸、顏色、透明度等模型物理屬性進(jìn)行參數(shù)化控制,實(shí)現(xiàn)模型物理屬性與電站監(jiān)控指標(biāo)的綁定關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

1.4 模型信息數(shù)據(jù)集成展示

BIM數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)在游戲引擎集成展示的過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。BIM數(shù)據(jù)的建立基于IFC標(biāo)準(zhǔn)體系,以IFC格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互流通,傾斜攝影數(shù)據(jù)為OSGB格式數(shù)據(jù),是自帶多級(jí)分辨率LOD數(shù)據(jù),用以存儲(chǔ)和交換三維空間信息。數(shù)據(jù)集成的核心在于IFC和OSGB兩種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在游戲引擎中的可接納性,而模型效果流暢的核心在于模型的模型資源、貼圖質(zhì)量及渲染效果。

BIM模型通過(guò)IFC格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入3ds MAX或Maya,并使用紋理和渲染技術(shù),賦予模型真實(shí)材質(zhì),導(dǎo)出為攜帶模型數(shù)據(jù)及材質(zhì)的fbx數(shù)據(jù)格式,最后融合BIM模型數(shù)據(jù)與傾斜攝影地形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)單位、坐標(biāo)系和投影方式,使BIM數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中。

傾斜攝影模型采用將OSGB模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有相同屬性且能被游戲引擎讀取的3MX數(shù)據(jù)格式,將傾斜攝影模型數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中。

動(dòng)態(tài)模型根據(jù)其建設(shè)方法大致分為水流動(dòng)態(tài)模型、簡(jiǎn)單位移動(dòng)態(tài)模型、復(fù)雜設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型等三類(lèi)。其中,水流動(dòng)態(tài)模型采用水流特效Shader、三維動(dòng)態(tài)標(biāo)簽和引擎粒子系統(tǒng)結(jié)合的方式,通過(guò)控制其平面坐標(biāo)、流速、噴射量,實(shí)現(xiàn)庫(kù)水位、泄洪流量、流量等水情指標(biāo)的展示；電氣裝置、油、水、氣管路、控制柜、保護(hù)柜等簡(jiǎn)單位移動(dòng)態(tài)模型采用代碼實(shí)現(xiàn)補(bǔ)間動(dòng)畫(huà)的方式模擬設(shè)備運(yùn)行控制狀態(tài)；機(jī)械、液壓裝置等復(fù)雜設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型采用Soildworks建模軟件建模,導(dǎo)入系統(tǒng)后代碼控制動(dòng)態(tài)展示。

2 融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為整個(gè)數(shù)字化電站提供模型庫(kù)、模型管理、模型加載、場(chǎng)景管理、數(shù)據(jù)交互等的三維可視化基礎(chǔ)服務(wù),并將電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、人員定位及巡檢機(jī)器人定位數(shù)據(jù)集成于水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基于三維場(chǎng)景的實(shí)景管控,提供電站全景式、全視角、透視的三維場(chǎng)景展示及監(jiān)測(cè)管理,系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)路線(xiàn)

系統(tǒng)采用Unity游戲引擎,基于HDRP的渲染技術(shù)優(yōu)化展示效果,并采用PBR流程開(kāi)發(fā)。Unity游戲引擎采用C#語(yǔ)言,能夠加載BIM模型及傾斜攝影模型數(shù)據(jù),并通過(guò)自主研發(fā)框架搭建數(shù)字電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)使用C /S 架構(gòu)設(shè)計(jì),自上而下分為展現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層5 個(gè)層次,具體架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能主要包括全景展示、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)管理、人員定位及巡檢機(jī)器人定位及電子檔案4個(gè)模塊,系統(tǒng)模塊功能見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

全景展示模塊即將輕量化無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型結(jié)合建筑、設(shè)備精細(xì)化模型,構(gòu)建電站三維基礎(chǔ)場(chǎng)景,通過(guò)不同視角交互控制實(shí)現(xiàn)電站三維全景漫游,提供熱點(diǎn)導(dǎo)航、漫游控制、自定義巡航、標(biāo)繪測(cè)量等功能。

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),并依據(jù)設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)安全范圍,實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常監(jiān)測(cè)預(yù)警。主要包括電站水情信息統(tǒng)計(jì)、設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息展示、監(jiān)控指標(biāo)數(shù)值可視化、設(shè)備異常監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能。

人員定位及巡檢機(jī)器人定位模塊能夠?qū)崟r(shí)展示人員及智能巡檢機(jī)器人定位信息,實(shí)現(xiàn)電站智能安全運(yùn)維管理。

電子檔案模塊通過(guò)建立三維設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫(kù)引擎,對(duì)設(shè)備資料進(jìn)行可視化,以數(shù)據(jù)的互查、雙向檢索定位的方式管理模型和資料,改變了傳統(tǒng)的以卷宗、圖紙為載體的基礎(chǔ)信息管理模式,實(shí)現(xiàn)檔案資料的高效管理。檔案類(lèi)型主要包括設(shè)備圖紙、說(shuō)明書(shū)、設(shè)備臺(tái)賬、檢修臺(tái)賬等。

3 工程案例應(yīng)用

以公伯峽水電站為例,建設(shè)融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。公伯峽水電站樞紐主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄水建筑物三大部分組成,電站右岸岸邊引水式地面廠房?jī)?nèi)安裝5臺(tái)單機(jī)容量300 MW的水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備,總裝機(jī)容量1500 MW。

該系統(tǒng)通過(guò)融合建筑物BIM模型、地形傾斜攝影模型、機(jī)電設(shè)備BIM模型、監(jiān)測(cè)設(shè)備模型,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)公伯峽水電站設(shè)備進(jìn)行可視化管理,對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及人員、巡檢機(jī)器人定位進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3.1 三維可視化展示與管理

采用BIM技術(shù)對(duì)公伯峽水電站廠房、開(kāi)關(guān)站等建筑物、機(jī)電設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備等進(jìn)行三維可視化建模及渲染處理,見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)組BIM模型

采用傾斜攝影技術(shù)完成三維實(shí)景建模,模型精度按照項(xiàng)目需求分成高精度和較低精度兩類(lèi),見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 高精度傾斜攝影模型

圖6 較低精度傾斜攝影模型

基于Unity游戲引擎通過(guò)自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)水流、機(jī)械、液壓裝置、控制柜、保護(hù)柜、電氣裝置等動(dòng)態(tài)模型建模及渲染,見(jiàn)圖7。

圖7 水輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型

將BIM模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型及動(dòng)態(tài)模型在游戲引擎中集成,完成整體三維場(chǎng)景搭建,真實(shí)展現(xiàn)電站三維場(chǎng)景、機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)設(shè)備分布及人員、巡檢機(jī)器人定位等,見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 電站全景展示

圖9 主廠房三維BIM模型

圖10 人員及巡檢機(jī)器人定位

3.2 電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),BIM模型通過(guò)模型結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)電站場(chǎng)景模型、設(shè)備模型等進(jìn)行集中管理,利用模型結(jié)構(gòu)樹(shù)或拾取三維場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象,能夠查詢(xún)并顯示實(shí)體的屬性信息,見(jiàn)圖11。

圖11 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(xún)管理

系統(tǒng)運(yùn)行后可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)管理,通過(guò)對(duì)相關(guān)算法和規(guī)則的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式預(yù)警預(yù)報(bào)并發(fā)送實(shí)時(shí)預(yù)警信息,預(yù)警信息包含所監(jiān)測(cè)設(shè)備的異常值及相關(guān)處理方式。同時(shí),系統(tǒng)界面對(duì)異常設(shè)備通過(guò)異常色提醒展示,管理人員能夠通過(guò)分層顯示的三維標(biāo)簽引導(dǎo)查看監(jiān)控參數(shù),監(jiān)測(cè)預(yù)警界面見(jiàn)圖12。

圖12 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理

3.3 人員定位及巡檢機(jī)器人定位管理

系統(tǒng)集成人員及巡檢機(jī)器人管理系統(tǒng)定位數(shù)據(jù),通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)定位信息三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)展示,見(jiàn)圖13。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探索了融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的方法,研究了BIM模型、傾斜攝影模型和動(dòng)態(tài)模型建模、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模型數(shù)據(jù)集成、融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù),搭建了融合BIM與虛擬引擎技術(shù)的水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應(yīng)用于公伯峽電站機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)管理中,實(shí)現(xiàn)了電站設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警仿真,有效提高電站設(shè)備運(yùn)行管理效率。