張衛(wèi)君，李亦凡，張 煦，張顯兵，劉德龍

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著三維交互技術(shù)的不斷發(fā)展，三維可視化技術(shù)作為一種高效的展示與交互技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域由原來的航天、軍事、國土地質(zhì)等行業(yè)，越來越多的應(yīng)用到“智慧城市”“智慧工業(yè)”等各行各業(yè)智慧化管理運維中[1]。三維可視化技術(shù)以其獨特生動的三維模擬場景，為管理人員提供了全新的具有三維場景的人機交互方式，為行業(yè)管理的信息化、智慧化以及仿真研究提供了新的手段，是行業(yè)智慧化管理的發(fā)展方向之一。

水利水電工程作為一種結(jié)合人類工程學和自然地理等環(huán)境科學的綜合性學科，其三維可視化表達和應(yīng)用需求與其他行業(yè)相比更加多元和復雜，特別是流域性的水利水電工程，其模擬區(qū)域范圍不僅包含了大尺度的流域地形模擬、中尺度的水工建筑物結(jié)構(gòu)模擬、小尺度的水力機電設(shè)備狀態(tài)及操作模擬，還可能包括諸多科研數(shù)值模型的計算結(jié)果模擬，例如水流演進計算、洪水預(yù)測預(yù)報、淹沒分析、地質(zhì)或地下水的仿真模擬等。目前已有的三維可視化產(chǎn)品，如GIS或BIM等商業(yè)產(chǎn)品，由于數(shù)據(jù)的開放性不夠，難以加載專業(yè)的水利水電數(shù)據(jù)模型，很難滿足水利水電工程綜合性的數(shù)據(jù)分析和展示需求。且上述軟件使用和二次開發(fā)的費用昂貴，很難在水利水電領(lǐng)域大范圍推廣。

基于國內(nèi)尚無成熟的適用于水利水電工程的三維數(shù)字化平臺，中國水利水電科學研究院自動化所結(jié)合自身優(yōu)勢，在三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用方面不斷探索，經(jīng)過多年研發(fā)，構(gòu)建出了一套水利水電工程專業(yè)的三維可視化平臺。本文將介紹該平臺的技術(shù)特點，并以大渡河智慧流域建設(shè)項目為例，討論涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案。

1 三維可視化平臺結(jié)構(gòu)

該平臺自下而上包含了OpenGL底層，三維封裝層、三維數(shù)據(jù)訪問層、地理信息服務(wù)層、控件與服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖1所示。

針對目前三維可視化軟件在水利水電領(lǐng)域存在的問題，該平臺設(shè)計以O(shè)penGL（Open Graphics Library）為底層基礎(chǔ)。OpenGL作為一個跨編程語言、跨平臺的專業(yè)的圖形程序接口，具有功能強大，調(diào)用方便的底層圖像庫，特別在高端專業(yè)的繪圖領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。以O(shè)penGL為平臺底層，可以較好地兼顧水利水電行業(yè)對三維可視化平臺的開放性和專業(yè)性的需求。平臺設(shè)計并實現(xiàn)了三維封裝層，封裝了專業(yè)圖像程序接口OpenGL、三維引擎庫OSG（Open Scene Graph）等底層支持庫，通過派生、抽象等方式，支持三維渲染和多線程調(diào)度。

圖1 平臺軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 Software architecture

三維數(shù)據(jù)訪問層主要提供數(shù)據(jù)操作、空間計算的支撐，以及平面方式和球體方式的三維地理空間支持。地理信息服務(wù)層則集成了各種專業(yè)功能和工具模塊，包括三維模型、植被、漫游路徑、地形修改、淹沒分析等數(shù)據(jù)管理和分析模塊，以及空間測量工具集，支持平臺數(shù)據(jù)展示，交互及分析功能。控件及服務(wù)層主要為上層的應(yīng)用開發(fā)提供二次開發(fā)的可視化界面和SDK包。業(yè)務(wù)應(yīng)用層可根據(jù)水利水電業(yè)務(wù)需求定制化開發(fā)。

2 三維可視化平臺的空間模型與數(shù)據(jù)融合

2.1 三維GIS和BIM模型融合

在智慧水利水電管理中，不同維度管理視角的覆蓋面和關(guān)注點差異很大，既包含流域整體信息的宏觀管理，也包含工程局部或某一設(shè)施的微觀精細管理，因此，三維可視化平臺應(yīng)實現(xiàn)地理信息、建筑模型和精細設(shè)備模型的融合展現(xiàn)。其中，三維GIS（Geographic Information System）和BIM（Building Information Model）分別側(cè)重大范圍的地形地貌河道等相關(guān)地理信息和建筑物結(jié)構(gòu)等精細微觀信息的管理。這兩種技術(shù)初始應(yīng)用領(lǐng)域和需求不同，技術(shù)特點和模型數(shù)據(jù)格式差異大且獨立。GIS通常采用城市地理標記語言數(shù)據(jù)模型而BIM通常采用工業(yè)基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)模型。在加載到三維可視化平臺時，需要對這兩類設(shè)計軟件生成的三維模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輕量化處理后保持一致的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及語義語法，然后在統(tǒng)一的三維可視化平臺上進行建筑模型和地形的精確匹配，實現(xiàn)建筑模型和大尺度精細模型的無縫鑲嵌[2，3]。

圖2 平臺數(shù)據(jù)融合及功能應(yīng)用Fig.2 Data integration and function application

本平臺采用數(shù)據(jù)開放式設(shè)計理念，封裝了多種類形的數(shù)據(jù)接口及協(xié)議，采用插件的工作方式，可支持處理超過46類模型格式，22類圖片格式，實現(xiàn)包括GIS和BIM在內(nèi)的不同數(shù)據(jù)格式模型的加載和融合，將大尺度的地形數(shù)據(jù)以及高精度的建筑模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一于一個平臺，解決了GIS軟件和BIM軟件在水利行業(yè)應(yīng)用上的限制和不足，使得本平臺的適用范圍得以大幅拓展，包括但不限于圖2所示的水利水電工程業(yè)務(wù)領(lǐng)域。在大渡河智慧流域項目中，我們將該流域的三維GIS模型、電站已有的BIM模型和部分通過三維建模工具軟件建立的精細化模型相結(jié)合，在三維可視化平臺的驅(qū)動下構(gòu)建出了大渡河流域及流域范圍內(nèi)主要電站的虛擬運行環(huán)境。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合

智慧水利水電最重要的標志之一就是實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通以及融合共享。為了整合智慧化管理相關(guān)業(yè)務(wù)，實現(xiàn)三維可視化數(shù)據(jù)平臺與其他信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，消除信息孤島，通過開發(fā)與各信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并將業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維場景的交互操作、設(shè)備查詢、空間定位、仿真模擬等應(yīng)用。在大渡河智慧流域三維可視化平臺的解決方案中，系統(tǒng)支持多種來源的數(shù)據(jù)展示及分析查詢。除了平臺構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫外，系統(tǒng)還可調(diào)取大渡河公司的云數(shù)據(jù)中心獲得如計算機監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)分析系統(tǒng)、水調(diào)系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，以及水電廠仿真系統(tǒng)中的設(shè)備模型數(shù)據(jù)以及工況數(shù)據(jù)等，進行展示分析。針對不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，在三維場景中實現(xiàn)了該流域水文信息、地理信息、水文測站、水工建筑物、電站運行及流域管理等多方面信息的綜合展示，以滿足智慧流域管理中涉及流域規(guī)劃、水利工程建設(shè)施工、水電廠運營管理等建設(shè)階段下各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

3 三維可視化的功能應(yīng)用

三維可視化作為一種在三維空間中表達對象復雜信息的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，輔助以實時人機交互技術(shù)，適用于智慧水利水電系統(tǒng)中對海量數(shù)據(jù)的直觀表達和多種信息的融合應(yīng)用。大渡河公司在智慧流域方面的研究起步較早，在流域管理的各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智慧化建設(shè)已具備一定基礎(chǔ)，利用三維可視化技術(shù)進行資源整合后，可實現(xiàn)以下多種業(yè)務(wù)的智慧管理應(yīng)用。

3.1 流域三維地理信息展示

依據(jù)測繪數(shù)據(jù)，建立流域的三維地理信息模型，可從大尺度范圍內(nèi)真實展現(xiàn)流域地形及高程變化、河道信息等。結(jié)合水流演進等數(shù)值模擬算法，展現(xiàn)水位漲落、洪水演進過程，并根據(jù)汛限水位進行著色處理，如圖3和圖4所示，以表示出各電站的防汛薄弱點，實現(xiàn)智慧決策功能，供流域應(yīng)急指揮決策、防汛會商使用[4，5]。同時，在流域三維數(shù)字模型中，也綜合展現(xiàn)了水雨情遙測站點信息、水電站大壩、公共安全機構(gòu)站點（醫(yī)院、消防、公安派出所等）等信息，實現(xiàn)流域數(shù)據(jù)一張圖功能。

圖3 環(huán)境影響范圍示意圖Fig.3 A map of environmental impact area

圖4 洪水演進過程示意圖Fig.4 A map of flood routing process

3.2 三維虛擬廠房及智能應(yīng)用

按照水電站設(shè)計圖紙資料、三維掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場拍攝圖片、視頻等資料構(gòu)建廠房三維模型，三維模型在平臺引擎驅(qū)動下生成與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的虛擬化廠房。在三維虛擬廠房中，通過實現(xiàn)自動漫游或主動漫游，讓技術(shù)人員熟悉現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施及環(huán)境[3]。

基于三維虛擬廠房及設(shè)備的精細化模型，三維數(shù)字化平臺也可作為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)及智能應(yīng)用系統(tǒng)的綜合人機交互系統(tǒng)。在瀑布溝水電站“智慧水電廠”建設(shè)中，我們將生產(chǎn)實時系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)智能巡檢機器人、智能安全風險管控系統(tǒng)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成在三維平臺上，數(shù)據(jù)交互更為便捷、高效。

3.3 三維可視化資產(chǎn)管理

流域水電公司或電站都建立有設(shè)備資產(chǎn)信息庫，一般按照設(shè)備列表方式進行管理與查詢。通過將設(shè)備的三維模型與設(shè)備編碼信息和設(shè)備資產(chǎn)信息庫設(shè)備一一對應(yīng)，平臺可實時顯示設(shè)備臺賬信息，通過Web調(diào)用和二三維一體化技術(shù)，實現(xiàn)詳細設(shè)備資產(chǎn)信息的查詢，如設(shè)備缺陷、圖紙資料信息等，如圖5和圖6所示。

3.4 三維可視化監(jiān)視與智能巡檢

圖5 設(shè)備臺賬信息Fig.5 Equipment ledger information

圖6 設(shè)備缺陷信息Fig.6 Equipment deficiency management

目前電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用二維界面，運行人員通過點擊調(diào)用系統(tǒng)圖和事件表監(jiān)視電站實時運行情況。在三維數(shù)字化廠房中，根據(jù)不同的運行巡視人員設(shè)定相應(yīng)的巡視路線，在三維空間實時顯示儀表、閥門等運行需要關(guān)注的信息。事故故障情況下，根據(jù)報警信息等級并結(jié)合當前工況進行三維視點智能定位，查看報警設(shè)備信息。通過三維數(shù)字化廠房中的監(jiān)控探頭，直接查看生產(chǎn)現(xiàn)場工業(yè)視頻信號，可在三維空間對實時信息進行查驗。

3.5 三維可視化安全風險管控

水電廠在檢修、維護工作中，工作現(xiàn)場點多面廣、作業(yè)人員復雜，存在較多的交叉作業(yè)，面臨諸多現(xiàn)場安全管控風險。借助人員定位技術(shù)，對工作負責人和工作班成員長時間離開電子圍欄區(qū)域進行報警提醒，對非工作成員的闖入，同時對闖入人員、工作負責人和值班成員進行報警，防止誤操作，如圖7和圖8所示。在三維虛擬空間對全廠各工作面、工作人員進行自動巡回監(jiān)視并實現(xiàn)違章報警，實現(xiàn)安全風險的有效管控。

3.6 仿真培訓

圖7 人員定位Fig.7 Personnel location

圖8 電子圍欄Fig.8 Electronic fence

流域梯級水電運行目前大多設(shè)有集控中心，有較多沒有電站現(xiàn)地運行經(jīng)驗的值班人員對監(jiān)控的對象“只聞其名、不知其物”，在平時的運行操作中只會“按部就班”，一旦出現(xiàn)緊急情況，缺少“隨機應(yīng)變”的能力。為此，基于虛擬現(xiàn)實的仿真培訓系統(tǒng)就會尤為重要，通過仿真培訓，能使運行維護人員熟悉現(xiàn)場設(shè)備、增強事故處理能力，提高優(yōu)化調(diào)度水平。

4 結(jié)束語

本文以大渡河流域為背景，展現(xiàn)了三維可視化技術(shù)在流域智慧化管理方面的建設(shè)思路及應(yīng)用效果。在以大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)+云平臺為基礎(chǔ)的工業(yè)智慧化管理轉(zhuǎn)型和建設(shè)過程中，三維可視化技術(shù)對直觀表達海量數(shù)據(jù)，各種信息的融合和綜合展示，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)能效，減少人工數(shù)據(jù)解析成本方面具有積極意義。遵循智慧管理的建設(shè)思路和需求，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用還有很多領(lǐng)域亟待進一步探索，如科研數(shù)學模型的實時動態(tài)模擬，三維模型的輕量化處理，與智慧決策系統(tǒng)融合，以及三維可視化平臺與智慧水利水電工程深入結(jié)合所涉及的其他問題，將會是我們下一步研究方向和重點。