溪洛渡水电站工程科研与仿真信息系统研究与应用

李禛阳，时洪涛，姚孟迪，张攀峰，李俊平

(1.武汉英思工程科技股份有限公司，湖北 武汉 430071；2.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610000)

溪洛渡水电站工程[1]是国家“西电东送”骨干工程，位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江峡谷段，工程以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善上游航运条件等综合效益，并可为下游电站进行梯级补偿，电站主要供电华东、华中地区，兼顾川、滇两省用电需要，最大装机容量13 860 MW，是中国第二、世界第三大水电站。工程于2005年底开工，2007年实现截流，2009年3月大坝主体工程混凝土浇筑开工，2013年首批机组发电，2014年6月所有机组全部投产运行。

溪洛渡大坝长期安全特性仿真分析针对溪洛渡水电站初期运行发现的新情况、新问题开展研究，同时满足溪洛渡大坝体系安全性和极端条件下的安全评价。长期安全特性仿真分析项目面临专业多、参建人员多、信息量大、工作周期长等现状，传统的人工管理方法无法满足项目全过程、精细化管理目标。项目建设中遇到的主要问题表现在以下方面。

1)信息资源整合与重用难。溪洛渡水电站工程建设期间积累了数量庞大的数据和资料，项目工作涉及静力、渗流、动力等多个专业方向、上百个研究课题，各研究课题过程中将输出前处理信息、中间成果和最终成果(包括图片、文档、模型、软件程序、边界条件、算法等)资料。当前大量的地质勘测资料、枢纽结构物设计资料、施工建设资料和研究过程资料分散在建设单位档案室、设计院、各科研单位，如何整合勘测、设计、施工建设、研究过程等阶段的信息资源，提高信息资源利用效率是当前建设单位必须考虑解决的问题。

2)过程精细化管理和数据应用的新需求[1]。传统科研仿真项目各研究单位向建设单位主要提供最终专题报告资料，建设单位往往无法及时了解研究过程中的各项工作任务进度完成情况，针对工作过程中的进度、质量和成本控制缺失有效的数据支撑。同时安全特性仿真分析成果包含应力、温度、变形、渗流、动力等多种大量的有限元计算数据，传统的文档对数值分析数据的表现不足，非专业人员理解难度大。

综上所述，本文将在现有研究成果[1]的基础上,深入研究科研与仿真信息整合与重用、全过程精细化管理、有限元仿真成果可视化技术及其工程应用问题。

1 系统建设的意义

通过科研与仿真信息系统的建设，形成统一、规范的科研基础资料、仿真模型、科研仿真成果管理体系，整合工程建设期和运营初期地质、水文、建筑物、安全评估等信息，建立统一的工程与科研电子资料库，为长期安全特性仿真分析参建各方提供所需的基础资料和数据，保证研究资料的一致性、完整性，提高信息的重用率。通过计算机流程管理，记录整个科研与仿真过程的信息生成、流转与处理环节，提高项目执行过程透明度，实现过程可追溯、工作流程化和精细化管理。同时采用先进的数值计算后处理图形可视化技术完善有限元后处理分析效果，对有限元仿真分析成果进行三维可视化展示，增强有限元计算结果的直观性、降低阅读理解难度，为科研与仿真成果的数据挖掘提供有效工具。

2 系统设计

科研与仿真信息系统在对参建各方产生的信息和知识进行集中管理的基础上，为参建各方在互联网平台提供一个获取个性化项目信息的单一入口，同时为项目参建各方提供一个高效率信息交流和协同工作的环境。其核心功能包括：信息交流、协同工作、文档管理、可视化展示。溪洛渡科研与仿真服务平台定位为工程管理层和各科研仿真人员之间的信息管理系统，主要负责项目进度监控管理、全过程电子文档管理和有限元后处理可视化展示。系统总体结构见图1。

图1 系统总体架构图

2.1 数据存储

科研与仿真服务平台采用统一的数据存储平台，组织机构、用户、权限、仿真任务工况等信息存储在Oracle数据库；三维结构模型文件、科研仿真模型文件、仿真成果文件及电子文档报告存储在Mongodb数据库。

2.2 支撑服务

科研与仿真服务平台包括系统管理模块、电子文档管理服务、有限元后处理通用组件。系统管理模块实现用户、角色、权限的统一管理。电子文档管理服务模块实现大坝三维结构模型、地质三维结构模型、仿真模型的文件集中管理、有限元计算文件的上传、下载、格式转换和全文检索。通用的有限元文件后处理组件，针对每种成果模型文件格式，定义一个模型信息获取器，正确地获取单元、节点以及跟单元或节点相关的物理量信息，生成通用数据结构；利用VTK将专题分析的物理量以云图、矢量图、等值线图等形式显示出来。

2.3 软件功能

科研与仿真服务平台主要实现的业务功能包括模型管理、工程与科研资料库、科研过程管理、结构仿真成果可视化管理。

1)统一模型管理。基于设计院构建的工程结构模型和地质模型，在系统中进行管理发布，对模型文件和模型属性参数进行统一管理，各科研单位在系统中下载模型，并在此基础上构建自身工作需要的仿真模型，确保模型坐标与工程坐标保持一致、仿真模型与成果展现相一致。

2)工程与科研资料库。科研分析成果作为科研项目的输出，将包含：过程仿真成果、仿真参数、实验数据、技术方案、阶段性成果报告、最终科研成果报告等。系统实现工程勘测、设计、施工、安全监测电子资料的统一管理，实现模型文件的三维可视化展示和文件发布输出，通过WEB方式实现用户随时随地便捷共享、浏览、下载。科研成果的有效管理可以保证科研工作的延续性和继承性，前期的成果可以作为后期科研工作的基础和依据，同时为溪洛渡水电站工程建立全生命周期的工程建设资料提供数据支撑和有力保障。

3)交互式仿真过程管理。各个科研单位负责数十个研究课题，每个研究课题将分为多个阶段任务开展工作，每个任务的完成进度和阶段成果在科研与仿真服务平台进行发布，项目管理人员可实时了解并掌握各个研究课题的工作进度、了解各阶段完成的成果质量，为整个科研仿真分析工作的进度、质量、资源协调等管理目标的达成提供有力依据和有效管理手段。过程管理实现仿真任务提交、结果复核在线流程管理，管理人员进行成果评审并反馈审核结论，实现任务进度跟踪管理、各研究任务过程可追溯、进度实时发布。

4)精细化仿真成果管理与可视化发布。参建单位建立仿真精细化模型，并整合计算参数，经有限元计算后输出仿真结果，将仿真结果反馈至系统进行集中管理与统一发布。系统采用先进的数据可视化技术完善有限元仿真后处理分析效果，增强云图、等值线、过程线、位移图、矢量图等的展现，提高可视化展示效果与多维剖切、交互能力，同时实现变形场、应力场、渗流场的三维可视化，增强科研成果直观性、降低阅读理解难度。

3 系统应用

3.1 模型与资料安全共享

1)资料分类。工程资料包括枢纽布置及建筑物设计资料、水文地质资料、工程安全监测资料、地震相关研究资料、项目过程管理文档、科研仿真分析阶段性成果资料、研究课题最终报告等文档。针对工程资料的提供方、资料用途、资料种类等要求，对各资料进行分类管理，包括基础资料、合同文件、工作报告、工作会议、科研成果、专项文件6大类。

2)文档集中存储。建设单位将科研仿真所需的基础资料文件集中上传到系统中，依据资料分类目录，各资料拥有自己的目录结构分类存放。针对工作过程中输出的各种资料文档，参建单位通过系统进行文档上报、建设单位审核后存档。

3)统一发布与共享。通过互联网浏览器随时登录系统查阅科研仿真所需的资料文档，依据资料目录、日期、提供单位、文件名称、查阅范围等属性进行资料文件的查询、浏览、下载。各资料文档进行精细的权限管控，通过指定具体查阅人员、限制编辑下载操作等方式，确保文档安全共享。

3.2 科研过程监控

1)科研过程分解。针对科研仿真工作的特点，提出专题-任务-工况三级管理理论。专题即针对渗流、应力、温度、变形、抗震等进行主题研究的课题；任务即某一研究课题划分的阶段研究子目标，一个研究课题可以存在一个或多个任务；工况即工程结构在某一载荷组合条件下的工作状况，一个任务可以存在一个或多个工况。通过对科研仿真工作目标逐层细化分解为专题、任务、工况多个管理单元，工况作为细粒度最小的单元。

2)过程计划与成果反馈。各参建单位根据科研过程分解成果和时间要求向建设单位提交总进度、年度和季度工作计划，建设单位组织各方讨论后确认仿真任务清单下发给各参建单位，各参建单位将批准的工作计划维护到系统平台。参建单位依据仿真任务时间和质量要求完成工作并提交工作成果(包括仿真模型、整合并确认计算参数、经计算后输出结构仿真结果)，建设单位对各项工作成果进行评审确认，当存在不满足要求，及时反馈给科研单位；建设单位评审通过后，将成果进行发布。

3)过程执行监控。系统详细记录各家科研单位负责的研究课题的开始日期、完成日期、里程碑节点、主要负责人等进度计划信息，各科研人员依据实际仿真分析工作完成情况进行信息反馈，系统提供自动延期提醒功能，当任务未按时完成则发送提醒信息给各负责用户，同时系统提供任务进度看板，建设单位人员和科研单位人员可随时了解各研究课题及任务的进度完成率、任务评审过程流程信息记录，实现科研仿真分析工作任务的过程跟踪追溯。

3.3 有限元后处理可视化

1)文件解析转换。针对静力分析、渗流分析、动力分析等不同种类的有限元计算输出文件格式，分别定义文件解析器，配置解析关键词和解析规则。文件上传后通过文件解析器获取单元、节点以及跟单元或节点相关的模型信息，同时读取静力分析、动力分析或渗流分析的物理量信息(见表1)，通过文件解析器将模型信息和物理量信息转换成ins专有格式文件，然后通过VTK(Visualization Toolkit)[2-6]有限元后处理可视化工具读取ins文件并以云图、矢量图、等值线图等形式显示。

2)专题可视化分析。依据渗流分析、静力分析、变形分析、温度分析、动力分析等不同有限元分析种类和数据效果展示特点，定制渗流场、应力场、温度场、位移场等不同的数据可视化展示样式(见图2)，包括云图、等值线、剖面图、过程线、等值面等样式[7]。通过有限元后处理可视化实现具体功能包括以下内容：①实现任意部位、任意阶段的有限元计算结果三维效果图展示；②实现同一个任务的多个工况的仿真结果对比查看、分析；③实现极值大小、极值所在位置、数值发展趋势分析并展示；④实现仿真结果与实际测量数据的对比分析。

表1 数值计算参数表

4 结 语

通过本工程实践，运用互联网技术和计算机技术改进了参建单位之间信息交流方式、工作方式、管理方式，提高了项目过程信息交流和协同办公效率；整合工程建设资料和科研资料，为后续的信息重用提供重要保障；增强管理决策的科学性，完整记录项目执行过程信息和最终成果信息，并应用数据统计与图形分析技术提高信息利用率，为项目进度和质量管控辅助决策提供有效依据。