三维可视化技术在水利水电智慧化建设中的运用

2022-09-15贺聪

智能城市 2022年8期

关键词：水利水电技术人员可视化

贺聪

（中交水利水电建设有限公司，浙江宁波 315200）

计算机技术和大数据技术飞速发展，与多个行业实现深度融合，三维可视化技术可以不断创新虚拟场景，在城市建设、医疗卫生、工程教育等行业发挥重要作用。文章以水利水电行业为例，分析三维可视化技术在智慧水利中的应用，为相关技术人员提供可参考性建议。

1 基本概述

1.1 三维可视化技术

三维可视化技术利用数据模型对地质现象、地面表象以及地下构造进行显示和描述，利用大量数据对地下界面的地震反射率进行解释，通过立体扫描和追踪帮助施工人员和技术人员快速准确地掌握复杂地质现象。每个数据样点被转换为三维像素，每个像素对数据母体具有对应数值。通过三维可视化技术可以直接还原水利水电真实场景，利用无人机倾斜摄影可以直接对施工场地进行放大、缩小和旋转，帮助管理者和技术人员了解工地概况，利用仿真动画直接对施工工艺和施工过程进行还原。针对操作难度较大、危险系数较高的工作，可以利用三维可视化技术先进行操作模拟，在一定限度上保证施工人员安全。此外，利用视频监控可以直接对事故现场进行真实展示，监测现场施工扬尘，调取后端数据，监测场地的PM2.5数据，实现整个水利水电建设项目的施工标准化、项目成本定量化、管理数据化、进度节点化、现场移动化，达到节本增效的目的。

1.2 智慧水利

智慧水利将高新技术结合物联网、云计算、大数据等技术，对自然界的水资源进行调配和控制，在保护水资源的同时进行开发和利用，以此防治水旱灾害。将人工智能、水利模型、物联网、传感器等技术应用到水坝、大坝、水电站、水库加固等工作中，以智能化、数字化为主线，对水流流速、泄洪、排涝等数据进行监控和预报，确保水利行业高质量发展。

2 三维可视化仿真系统建立

2.1 框架结构

三维可视化技术将BIM技术和GIS软件系统相结合，充分利用三维动态演示，对水利水电施工进行总体布置和设计，围绕工程开发制定具体框架结构。三维可视化仿真系统由物理层、数据层、功能层和应用层组成[1]。物理层主要包含硬件和软件；数据层主要包含图形库、属性库、模型库；功能层通过相关技术模型对枢纽站、水利站、水库进行三维动态演示，对施工总布局进行全程跟踪，按时段展示。数据库管理子系统的查询和检索系统中，对工程进度、工程质量、建筑物布置、施工全貌进行查询，利用仿真化模型对大坝混凝土浇筑、施工测量、水流参数进行监测，加载大量的地理信息图，通过地图显示功能对数据层颜色进行标注，做好专题制图，以此满足施工要求。

2.2 子系统和相关功能

三维可视化仿真系统主要由四个子系统构成，分别为动态演示系统、查询子系统、应用子系统和数据库子系统[2]。其中，数据库子系统主要负责数据储存、数据编辑、采集和输出；应用子系统主要对模型进行维护和修改，如对地下洞室施工全过程进行仿真模拟，对施工厂内交通运输系统进行模拟，对大坝浇筑全过程枢纽施工系统进行模拟，基于GIS技术对石料厂规划进行模拟，对超标洪水和过水场景进行动态化演示以及模拟；查询子系统主要根据场地水文地质信息、施工场地布置、信息工程枢纽设计图纸、砂石料厂信息，对整个施工计划进行灵活调控，查询与统计施工进度；动态演示子系统主要对围堰填筑、节流泄洪洞等施工过程进行演示，对场内交通运输场景进行可视化演示。

3 智慧水利水电项目中三维可视化技术的应用

金沙江下游某水电站工程以发电为主，兼具下游航运、拦沙、防洪泄洪等功能，主要为华中和华东地区进行水力发电，为下游电站进行阶梯性补偿。水电站枢纽由泄洪建筑物、拦河大坝、引水发电建筑物组成，最大坝高为288 m，顶拱中心线弧长700 m，坝身布设7个表孔，坝顶高程610 m，泄洪采用分区消能、分散泄洪原则，坝后设有水垫堂消能，发电厂房为地下式，单机容量为700 MW，两岸各自布置3条导流隧洞，导流临时建筑物涵盖上下游围堰。

3.1 总体施工设计

工程地势陡峻，处于深山峡谷，具体施工设计时，为了减少场料的运距，整个工程设置碴厂6个，做好主体工程的施工设计，主要体现在泄洪系统、引水发电系统和拱坝系统3个方面。泄洪系统导流洞和泄洪洞相结合，隧洞长度为1 480～1 825 m，泄洪洞前端均为圆形，直径约15 m，衬砌后断面尺寸为60 m×16 m，无压平段的后段下降高差约100 m，圆形断面尺寸约17 m×15 m。

3.2 三维可视化系统在施工中的演示

可视化三维动态演示系统可以根据施工总布置对原始地形进行绘制，构建交通系统、砂石料系统、地下洞室群系统、大坝系统，建立上述图层相关数据库，直接演示导流期间枢纽施工、大坝蓄水发电、地下洞室群施工、碴厂变化等全过程应用场景，对施工场景、施工主体环境、局部环境进行三维演示。相关技术人员可以通过交互操作信息，查询所有地物、地形，并对其进行监控，从任意角度观察构筑物内部结构，通过旋转、放大、缩小观察构筑物信息。在施工场地对地物进行缩放过程中，相关技术人员可以选择需要查看的碴场大坝、导流洞、地下厂房等地物，在三维窗口加入热链接工具，将窗口缩放至设定角度，直接查看信息框，根据各标段出入碴方量、碴场顶高程等表格数据，对场景环境进行设定。施工过程中，对地形地物模型进行设计和演示，通过更加形象直观、科学简便的方法，推动水电项目设计的智能化和现代化。

以地质开挖为例，相关技术人员应该搭建标准化协同场景，通过三维协同设计完成机电模型、水工模型和数字地模等设计工作，利用三维地质模型进行边坡开挖，在可视化技术的应用中，可以直接展现地层总断层和软弱夹层间的剖切图，提高出图效率，直观形象地展示出挖面地质情况，了解施工的地质情况和重难点，总结水利水电项目施工的可行性。与传统方法相比，可视化技术更加快捷、准确，统计工程量时，设计人员定义项目的分类和属性，利用工程清单格式直接对单个或批量构件进行统计和输出，制作可视化表格或图表，提高统计效率，利用相关工程资料和数据，对三维模型进行剖析和动态浏览。可以在施工过程中对泄洪洞出口明渠抗滑桩项目进行模拟，对施工中可能存在的缺项、漏项进行检查，提高施工准确性。通过相关视图，现场管理人员可以利用压实传感器监测技术和GPS技术，及时发现碾压薄弱区域，实现大坝智能碾压，对结果进行智能反馈，提高施工效率和计算效率，减少沟通成本。

3.3 三维可视化系统的具体应用

（1）流域气象水文监测。

流域气象水文监测界面如图1所示。

图1 流域气象水文监测界面

流域气象水文检测主要对各个站点的蒸发量、蒸腾量、对子流域的渗流量、降水量、径流量等参数进行综合监测与分析，与气象管理部门、业务系统连接，通过天气雷达和气象观测对水利水电工程综合指标进行数据统计和管理，辅助管理者全面掌控水电站水文气象态势，预报、预警各种灾害气象，对气象进行准确预测并给出响应办法。

（2）梯级电站运行监测。

技术人员可以通过系统平台逻辑层结构维度和地理空间分布，对供电范围、节点位置、拓扑关系和大规模电网分布等信息进行查询和演示，在信息采集、运行监测等技术的加持下，对电网参数进行自动化管理和调度；可以远程监测电机、电容、各电站线路中的电流、开关状态、电压、频率和电量，辅助管理者综合掌握跨地域电站运行情况。

（3）水库调度监测。

利用水库监测管理系统数据，技术人员能够直接对水库状态、位置、水库蓄水量、入库流量、可用水量、防洪库容等信息进行直观监测和分析研判，对水库调蓄能力进行预警，水位超限、调汛能力不足时，系统直接发出预报和告警，引导相关技术人员和施工人员对水库异常态势进行分析、研判和解决，为水利水电工作提供决策支持，加大防洪防汛力度。

（4）自动化运行安全和防汛安全监测。

在智慧水利背景下，相关技术人员可以根据信用信息系统的数据资源，凭借人机交互方式，将各种大数据、人工智能技术运用至水利管理的各个业务领域。通过多机协同管理机制，强化硬软件设备，使可视化监测情景具有超大分辨率、多屏、大屏等显示功能，直接对水利水电项目关键性指标进行多维可视分析。本项目中，通过多种角度，利用三维建模直接对大坝厂房、电机组、闸门泄建筑物等运行状态进行监测，支持地理空间分布维度，利用自动化系统对区域分布、设备构成、应用功能等信息进行演示，监测各项数据的实时流转情况、储存余量、畅通度、调取情况、可用度、清晰度，对以上数据进行可视化分析和动态演示，引导施工者和管理者全面掌控水利水电项目运行态势，将三维可视化系统平台建设与城市内涝监测系统有机结合，直接对项目防汛抗旱、气象、水位监测、水利工程等数据进行统计，对入库流量、水库蓄水量、降水量、总库容、水库水位等数据进行可视化分析和实时监测。相关技术人员利用可视化技术对河堤位移变形、坝体位移变形等情况进行三维显示，根据位移情况及时进行加固处理，为洪灾风险评估和防汛抗旱工作提供支持。

（5）分析研判和监测告警。

相关技术人员在利用三维可视化技术时直接接入相关地图数据，如警用地理信息系统（PGIS）、倾斜摄影数据、天地图、卫星图、行政图、地形图等，支持加载超大范围高精度高程数据，充分利用无人机航拍数据，对各种矢量地图要素数据进行分析和融合，充分满足用户应用需求，利用可视化手段全面展示水利工作规划，依据现有数据资源制作可视图表，如空间关系图、空间统计图、分布图。通过多维度分析研判，对多指标数据进行监测分析，重点关注汛期、干旱情况和洪水拦截情况，构建多个维度数据值，从空间、时间和指标等多个层面对整体数据监测进行告警。监控数据超过阈值，直接触发平台系统告警装置，支持集成性视频巡检和流量监测，帮助相关管理者进行应急指挥调度，提高防灾减灾工作效率。

3.4 应用效果分析

利用三维可视化技术可以实现水利工程的智慧化发展，结合物联网、大数据等新型技术，提高水利行业综合感知能力和数据共享能力，有助于构建智能大坝、智能水电站，通过三维建模直接从多个角度观察发电机组、船闸、坝体、泄水建筑物等管理对象的运行情况，相关部门管理者和技术人员直接通过PC端或移动端，对工作站情况进行可视化监测。通过远程监控对各项设备进行集中控制，通过可视对象的浏览、过滤、翻译、缩放等功能，实现水利工程变形监测、环境监测、安全监测和渗流监测，及时掌握异常水文情况，提高水灾应急响应效率。