陈村水电厂防汛调度三维仿真系统研发与应用

周二保，周 勇，汪正春，刘绍当

（大唐陈村水力发电厂，安徽宣城，242500）

陈村水电厂防汛调度三维仿真系统研发与应用

周二保，周 勇，汪正春，刘绍当

（大唐陈村水力发电厂，安徽宣城，242500）

大唐陈村水力发电厂结合防汛调度实际，利用三维建模、地理信息、数据库、虚拟现实等当今先进的数字化技术，成功创新开发了防汛调度三维仿真系统。详细阐述了设计技术方案、关键技术特点、系统的具体功能与应用等。

防汛调度；三维建模；仿真系统；数据库；虚拟现实

0 引言

大唐陈村水力发电厂位于长江支流安徽省芜湖段青弋江上游、安徽省泾县桃花潭镇以上3 km，流域面积达2 780 km2。大坝枢纽工程包括混凝土重力拱坝、溢洪道、中孔、底孔、坝后式发电厂房和筏道等。一级陈村水电站于1970年建厂发电，装机4台，总容量180 MW。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运、水产等综合利用效益。经水库调蓄，能将重现期1 000年的洪峰流量14 400 m3/s削减到4 890 m3/s，能将重现期5 000年的洪峰流量24 900 m3/s削减到5 470 m3/s。水库下游10 km处的溪口建有青弋江灌区渠首工程，利用陈村水库发电尾水进行引水灌溉，设计灌溉面积总计1 014 ha。青弋江灌区总干渠末端建有二级纪村水电站，装机2台，总容量34 MW，利用长40 km的总干渠与青弋江河道间的水位落差发电。陈村水库防洪及灌溉受益地区包括泾县、宣城、芜湖、繁昌和南陵等。

大唐陈村水力发电厂建厂40年以来，经过几代人的不断努力，水库调度工作已逐步形成了较为完善的工作体系，但在近年防汛工作中发现预报方式单一、过程及结果展示手段不直观。而随着VR（虚拟现实）技术、GIS（地理信息系统）技术和3D（三维）技术的发展，开展了陈村水电厂防汛调度三维仿真创新，为防汛调度信息化管理工作提供了新的工作方法和管理手段。使用三维仿真系统，可以做到实时查看水库的各项信息和参数，并且可以对特定水情工况进行模拟，为防汛调度管理工作提供调控和辅助决策作用，极大地提高了防汛调度工作的管理水平。陈村水电厂防汛调度三维仿真系统在水库防汛调度与三维信息技术相结合的应用方面进行了积极的探索，取得了较好的效果。

1 防汛调度系统概况

近年来，大唐陈村水力发电厂在防汛工作中加强管理，对2002～2011年10年来的近20场洪水进行了科学调度，取得了良好的社会和经济效益。但也发现常规的洪水调度中存在以下不足：

（1）人工预报结果未实现三维动态画面显示，单一的曲线过程不能给省防和上级领导以直观展现。

（2）调度过程采用单一的、比较准确的洪水模型预报，人工预报处理过程时间较长，给预报结果及时上报带来麻烦，预报数据不能满足上级及时性的要求。

（3）洪水预报要求精度高，而人工预报处理相对较慢，欠缺及时性，为预报结果快速上报，不得不减少调度方式演算。

（4）洪水预报采用模型预报，调度演算就缺少了中间变化方式，不能进行实时人机交流。

（5）不能随着水情自动测报系统采集数据和洪水过程的积累，对预报参数及时进行修正。

针对以上情况，大唐陈村水力发电厂于2010年10月提出建立陈村水电厂防汛调度三维仿真系统，作为陈村水库防汛汇报和协调管理的辅助决策系统，以增强防洪调度决策的科学性和预见性。经过一年的设计和开发，于2011年11月3日完成了“防汛调度三维仿真系统”。

陈村水电厂防汛调度三维仿真系统将水库调度与三维信息技术相结合，以防汛调度实时工况为核心，以三维数字技术作展示手段。系统主要模块包括：陈村水库厂区三维全景展示、360°实景展示、典型防汛调度工况洪水预测和调度调洪演算、泄洪挑流仿真演示等，在虚拟的三维环境下，提供直观的工况模拟参考，提高了防汛调度的预测水平。

2 防汛调度三维仿真系统技术方案

2.1 系统集成

系统以陈村水电厂防汛调度数据库为基础，使用虚拟现实技术，实现厂区三维虚拟全景展示、360°实景展示、典型工况模拟演示、泄洪挑流仿真演示等功能。以VRP虚拟现实软件作为系统开发的基础平台，由多种功能模块组成。防洪调度模块在调度演示过程中，可随时暂停，根据需要调整机组、闸门运行方式，并在新的调洪调度方式下继续调度演示，为技术人员提供了良好的人机交互功能。系统功能模块结构图如图1所示。

图1 系统功能模块结构图Fig.1 Structure of each functional module

2.2 系统平台选择

系统使用中视典公司的VRP 10.0软件作为系统集成平台。通过常规三维建模软件3DS MAX制作完成整个项目工程的三维模型；采用360°全景软件辅助制作360°实景FLASH浏览文件，然后把两者制作完成的数据文件直接导入VRP中进行二次编辑，并且实现系统的各种功能编辑；VRP软件亦可直接读取数据库，将数据库当中的相关数据信息直接反映到三维场景模型当中；同时VRP软件自带各种数码相机浏览模式、视频音频录入模式、天空盒选择、天气环境模拟、数据表格查询设计等功能；通过对各种资料素材的整理、重组和编辑，创造出一个接近真实的实时虚拟三维场景。

2.3 系统详细功能

根据陈村水电厂防汛调度日常管理工作的需要，该三维仿真系统主要具备以下功能。

2.3.1 厂区三维场景展示

按照陈村水电厂厂区设计文档和图纸资料，利用三维制作软件制作三维仿真模型，导入虚拟现实平台软件中，设定场景相机，编辑动画，实现场景实地游览模式、场景飞行浏览模式、预设路径浏览模式和自由漫游控制模式等，直观展示陈村水库及下游防洪情况，便于调度和决策人员掌握上下游防洪与发电调度的相互关系。

2.3.2 场景360°实景展示

对某些定点位置制作360°实景浏览界面，可对该位置进行360°任意方位的浏览，实现真实场景虚拟展示；同时浏览界面具备导航功能，可对预设地点进行切换、转动、缩放等操作，起到辅助展示三维建模资料的作用。

2.3.3 防汛调度预测

根据天气预报，通过选取降雨类型、降雨量和持续时间、计划开启发电机组数量和溢洪道启闭情况、假定在某一起始水位下等因素条件，预测库区水位在规定时间内的变化情况，预测的过程和结果能够实时地在三维场景中表现，为水库的防汛调度指挥管理工作提供非常真实、形象生动的演示，实现真正的防汛调度三维仿真。

结合二维的防汛调度水位变化图，可以从平面的角度观察库区水位变化的情况，用数字-曲线的图表方式补充三维场景下难以精确观察到水位数值变化的不足。

2.3.4 溢洪道泄洪挑流动画演示

对陈村水电厂主坝的溢洪道泄洪挑流采用动画方式，包括：溢洪道泄洪、中孔泄洪时的实拍视频资料和通过设计规范计算出的水库溢洪道泄洪挑流时的安全水位动画视频。以上动画通过虚实结合的方法形象地展示了溢洪道泄洪挑流仿真的全过程，为水库在日常维护方面做进一步的细化工作，对保护大坝坝基安全起到了一定的指导作用。

3 三维仿真系统关键技术

3.1 虚拟建模技术

搭建三维仿真系统首先需要的就是精确的三维建模，根据本项目的实际情况，实现三维建模采用的步骤如下：

首先扫描原始纸质图纸，得到原始图纸的扫描位图，使用专业位图处理软件（PHOTOSHOP等）进行细致的图形处理，将经过扫描的影像进行矫正，如方向偏移、像素杂点处理等，得到最接近方案原貌的像素位图。之后再导入CAD软件中，进行描图操作，使用CAD精确定位，最后得到接近原始设计方案的矢量电子图纸，用于进行常规的三维建模工作，虚拟建模流程如图2所示。

图2 虚拟建模流程图Fig.2 Flow chart of virtual modeling

3.2 实时泄洪水体粒子模拟技术

流体三维仿真一直是三维仿真技术中的难点。由于水流形态的复杂和多变，目前大多还只是使用简单的粒子系统进行粗糙的模拟，而有别于渲染完成的连续祯动画，实时的水流展示更是难点中的难点，如何在即时渲染的动画中演示水流是本项目需要解决的一个重要问题。经过多种对比试验，最终本项目采用了雾化粒子实时模拟技术。

雾化粒子的优点在于最大限度地体现了多粒子运动形态，节省了计算量，同时由于实际泄洪时水流也会产生雾化效果，结合本项目的实际，在各溢洪道模型出水口位置设置多个雾化粒子发射器，经过参数调整，最终模拟出类似实际泄洪效果的雾化虚拟水流。通过点击左右溢洪道的开启关闭按钮实现雾化粒子的显示和隐藏，既满足了项目对于三维表达的需要，也减少了实际运算量，保证了系统使用效率。雾化粒子在系统中的显示效果如图3所示。

另外，系统启动后，在检测过程中，传感器是通过人在监测区域的移动，通过检测人体温度与检测区域温度的差值来判断是否有人进入。若有人在检测区域静止不动，人体温度和检测区域温度的差值，也就是说没有变化量的输出，传感器是不会有人进入的信号输出。热释电传感器功能特性如表2所示。

图3 雾化粒子效果图Fig.3 Effect picture of atomized particles

3.3 360°全景展示技术

360°全景是通过安装有特定鱼眼镜头的数码相机捕捉整个真实场景的图像信息，再使用全景软件进行图片拼合，并用专门的播放器进行播放的一种虚拟现实显示技术。即将专业相机采集到的二维的平面图像模拟成真实的三维空间，呈现给观赏者；观赏者在该三维空间中可以实现放大、缩小、移动、旋转、切换等操作，同时也可以根据内置的场景导航图快速了解全景热点的布局情况。

3.4 防汛调度工况模拟

图4 防汛调度工况界面和系统部分界面图Fig.4 Flood control regulation operating interface and some other interfaces

防汛调度工况的模拟（见图4）作为开发本系统的核心，对水库的管理具有辅助决策的作用。实现水库的防汛调度工作必须从整体上把握水库流域范围内水文、水资源特征，科学地进行调度，保证水库安全运行，充分发挥水库的综合效益。本系统采取移动字幕简述、关键部位360°全景展示及关键点动画演示等多种表达方式阐明了水文水资源特征、水库与上下游防洪关系、防洪工程安全特性。

在实施防汛调度工况模拟的过程中，充分考虑了水库的汇入汇出情况，选取历史典型的来水情况进行演算，将数据放入系统数据库当中，根据天气预报进行多种情况的模拟洪水预报。通过查找数据库中的典型历史数据确定来水情况；模拟不同的发电方式、启闭不同的泄洪闸门实施泄洪以确定出水情况，在指定的时间内求得水库的汇入汇出量，得到预测水位的变化情况。

预测的过程和结果能够实时地在三维场景中表现，为水库的防汛调度指挥管理工作提供了非常真实、形象生动的表现，起到真正的防汛调度三维仿真的作用。

防汛调度三维仿真系统本身留有多个接口，随着应用的逐步深入，将根据实际应用情况，不断完善该系统的各项功能。

4 防汛调度三维仿真应用实例

根据天气预测或降雨情况，采用历史上的各种典型洪水过程，并按不同的防汛调度方式，对水库水位进行72 h内的预测，完成预测三维仿真仅用72 s时间，辅以生动的图形演示和快速预测能力对防汛调度进行辅助决策，具备快速反应能力。

在72 h内的防汛调度方式预测中可随时暂停、变更调度方式，并依照变更后的方式继续运行，实现了实时的人机交流，具有灵活性。

因为预测速度相对较快，在较短的时间内可进行更多的调度方式演算。同时实时人机交流可演算出多种泄洪方式供调度决策。

采用历史洪水过程模拟方式，可根据流域内洪水特性的发展和变化自行添加洪水过程模拟演算。

系统采用2010年发生的“莫拉克”台风洪水过程进行了成果比对。“莫拉克”台风袭击时，天气预报流域降雨为100 mm左右（实际降雨量为102 mm），系统据此对2010年7月8日8时～7月11日8时72 h调度情况进行了模拟调度（预测结果如表1所示）。

由此可见，三维仿真模拟调度水位最大偏差约33 cm，而常规调度人工手算的水位最大偏差在100～200 cm左右。采用防汛调度三维仿真系统后，快速、准确的水位预测和实时显示为防汛调度决策提供了及时准确的信息。

在洪水期间，采用该系统可以有力地保障防汛抗洪决策指挥的科学性，有效减轻青弋江上下游防洪压力，保护沿岸人民群众的生命财产安全，科学调度一次洪水可产生几百万、几千万甚至上亿元的

表1 “莫拉克台风过程线”预测结果对比表Table 1 Comparison of forecast results and actual situation of process line of Typhoon Morakot

经济效益。以2012年8月“海葵”台风为例，根据台风预测路径和预计降雨量，通过防汛调度预测陈村库水位将超过117 m，电厂主动以4台机满发方式降水位，陈村水库拦蓄洪水6.09亿m3，陈村电厂可发电约7 000万kW·h，创造价值5 250万元（以安徽省民用和商用中间价0.75元/kW·h计算），洪水演算反推结果，其中以预先满负荷发电合理调度方式避免弃水1.07亿m3，可发电约1 300万kW·h，创造价值975万元。2014年7月第10号超强台风“麦德姆”来临前，同样通过防汛调度预测，开启陈村4台发电机组满发，以抢发电方式腾空库容，洪水演算反推结果，以预先满发合理调度方式避免弃水0.96亿m3，发电量约1 100万kW·h，创造价值825万元。

5 结语

防汛调度三维仿真系统结合防汛调度实际工作，立体地展示了陈村水电厂全厂概况、大坝运行工况、陈纪水库调度相关工作，并能模拟防汛防洪情况。在三维仿真时加入溢洪道水流挑流模拟、交互式的防汛调度操作等模块。结合陈村水库多年防汛经验积累，根据天气预测或降雨情况，采用历史上的各种典型洪水过程对现在的水库进行多种防汛调度方式预测。

通过以上创新技术实施的陈村水库防汛调度三维仿真系统，构建了数字化的水库防汛数据管理平台和三维建模，是防汛调度的辅助决策系统，增强了防汛调度决策的科学性和预见性。应用到水库调度日常管理工作中，将更加高效地指导水库管理人员实施防汛调度计划和陈纪二站联合优化调度发电工作，极大地提高了陈村水电厂发电和防汛的综合效益。 ■

作者邮箱：ahjxzeb@126.com

Development and application of 3-D flood control regulation simulation system for Chencun hy⁃

dropower station

ZHOU Er-bao,ZHOU Yong,WANG Zheng-chun and LIU Shao-dang

Datang Ch⁃

encun Hydropower Plant

Based on practical status of flood control regulation,combined with 3-D modeling,geograph⁃ic information,data base,virtual reality and other advanced digital technologies,3-D flood control regu⁃lation simulation system for Chencun hydropower station is successfully developed.The design technolo⁃gy scheme,key technology features,specific functions of the system and applications are expounded in details for reference.

flood control regulation;3-D modeling;simulation system;data base;virtual reality

TV697.1

B

1671-1092（2015）04-0035-05

2014-11-27；

2015-01-29

周二保（1963-），男，高级工程师，大唐陈村水电厂总工程师，从事水电厂生产技术管理工作。