三維可視化技術(shù)在水利水電的運用

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摘要：文章主要探究智慧水利水電項目中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，對三維可視化技術(shù)和智慧水利項目進行簡述，總結(jié)三維可視化仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)相關(guān)功能，并以金沙江下游某水電站為例，給出三維可視化系統(tǒng)在施工中的演示和具體應(yīng)用，為相關(guān)從業(yè)者的工作提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧水利水電；三維可視化；框架結(jié)構(gòu)

計算機技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展，與多個行業(yè)實現(xiàn)深度融合，三維可視化技術(shù)可以不斷創(chuàng)新虛擬場景，在城市建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工程教育等行業(yè)發(fā)揮重要作用。文章以水利水電行業(yè)為例，分析三維可視化技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用，為相關(guān)技術(shù)人員提供可參考性建議。

1基本概述

1.1三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)利用數(shù)據(jù)模型對地質(zhì)現(xiàn)象、地面表象以及地下構(gòu)造進行顯示和描述，利用大量數(shù)據(jù)對地下界面的地震反射率進行解釋，通過立體掃描和追蹤幫助施工人員和技術(shù)人員快速準確地掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。每個數(shù)據(jù)樣點被轉(zhuǎn)換為三維像素，每個像素對數(shù)據(jù)母體具有對應(yīng)數(shù)值。通過三維可視化技術(shù)可以直接還原水利水電真實場景，利用無人機傾斜攝影可以直接對施工場地進行放大、縮小和旋轉(zhuǎn)，幫助管理者和技術(shù)人員了解工地概況，利用仿真動畫直接對施工工藝和施工過程進行還原。針對操作難度較大、危險系數(shù)較高的工作，可以利用三維可視化技術(shù)先進行操作模擬，在一定限度上保證施工人員安全。此外，利用視頻監(jiān)控可以直接對事故現(xiàn)場進行真實展示，監(jiān)測現(xiàn)場施工揚塵，調(diào)取后端數(shù)據(jù)，監(jiān)測場地的PM2.5數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個水利水電建設(shè)項目的施工標準化、項目成本定量化、管理數(shù)據(jù)化、進度節(jié)點化、現(xiàn)場移動化，達到節(jié)本增效的目的。

1.2智慧水利

智慧水利將高新技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對自然界的水資源進行調(diào)配和控制，在保護水資源的同時進行開發(fā)和利用，以此防治水旱災(zāi)害。將人工智能、水利模型、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)應(yīng)用到水壩、大壩、水電站、水庫加固等工作中，以智能化、數(shù)字化為主線，對水流流速、泄洪、排澇等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和預(yù)報，確保水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2三維可視化仿真系統(tǒng)建立

2.1框架結(jié)構(gòu)

三維可視化技術(shù)將BIM技術(shù)和GIS軟件系統(tǒng)相結(jié)合，充分利用三維動態(tài)演示，對水利水電施工進行總體布置和設(shè)計，圍繞工程開發(fā)制定具體框架結(jié)構(gòu)。三維可視化仿真系統(tǒng)由物理層、數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層組成[1]。物理層主要包含硬件和軟件；數(shù)據(jù)層主要包含圖形庫、屬性庫、模型庫；功能層通過相關(guān)技術(shù)模型對樞紐站、水利站、水庫進行三維動態(tài)演示，對施工總布局進行全程跟蹤，按時段展示。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)的查詢和檢索系統(tǒng)中，對工程進度、工程質(zhì)量、建筑物布置、施工全貌進行查詢，利用仿真化模型對大壩混凝土澆筑、施工測量、水流參數(shù)進行監(jiān)測，加載大量的地理信息圖，通過地圖顯示功能對數(shù)據(jù)層顏色進行標注，做好專題制圖，以此滿足施工要求。

2.2子系統(tǒng)和相關(guān)功能

三維可視化仿真系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為動態(tài)演示系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)[2]。其中，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要負責數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)編輯、采集和輸出；應(yīng)用子系統(tǒng)主要對模型進行維護和修改，如對地下洞室施工全過程進行仿真模擬，對施工廠內(nèi)交通運輸系統(tǒng)進行模擬，對大壩澆筑全過程樞紐施工系統(tǒng)進行模擬，基于GIS技術(shù)對石料廠規(guī)劃進行模擬，對超標洪水和過水場景進行動態(tài)化演示以及模擬；查詢子系統(tǒng)主要根據(jù)場地水文地質(zhì)信息、施工場地布置、信息工程樞紐設(shè)計圖紙、砂石料廠信息，對整個施工計劃進行靈活調(diào)控，查詢與統(tǒng)計施工進度；動態(tài)演示子系統(tǒng)主要對圍堰填筑、節(jié)流泄洪洞等施工過程進行演示，對場內(nèi)交通運輸場景進行可視化演示。

3智慧水利水電項目中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

金沙江下游某水電站工程以發(fā)電為主，兼具下游航運、攔沙、防洪泄洪等功能，主要為華中和華東地區(qū)進行水力發(fā)電，為下游電站進行階梯性補償。水電站樞紐由泄洪建筑物、攔河大壩、引水發(fā)電建筑物組成，最大壩高為288m，頂拱中心線弧長700m，壩身布設(shè)7個表孔，壩頂高程610m，泄洪采用分區(qū)消能、分散泄洪原則，壩后設(shè)有水墊堂消能，發(fā)電廠房為地下式，單機容量為700MW，兩岸各自布置3條導(dǎo)流隧洞，導(dǎo)流臨時建筑物涵蓋上下游圍堰。

3.1總體施工設(shè)計

工程地勢陡峻，處于深山峽谷，具體施工設(shè)計時，為了減少場料的運距，整個工程設(shè)置碴廠6個，做好主體工程的施工設(shè)計，主要體現(xiàn)在泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)和拱壩系統(tǒng)3個方面。泄洪系統(tǒng)導(dǎo)流洞和泄洪洞相結(jié)合，隧洞長度為1480~1825m，泄洪洞前端均為圓形，直徑約15m，襯砌后斷面尺寸為60m×16m，無壓平段的后段下降高差約100m，圓形斷面尺寸約17m×15m。

3.2三維可視化系統(tǒng)在施工中的演示

可視化三維動態(tài)演示系統(tǒng)可以根據(jù)施工總布置對原始地形進行繪制，構(gòu)建交通系統(tǒng)、砂石料系統(tǒng)、地下洞室群系統(tǒng)、大壩系統(tǒng)，建立上述圖層相關(guān)數(shù)據(jù)庫，直接演示導(dǎo)流期間樞紐施工、大壩蓄水發(fā)電、地下洞室群施工、碴廠變化等全過程應(yīng)用場景，對施工場景、施工主體環(huán)境、局部環(huán)境進行三維演示。相關(guān)技術(shù)人員可以通過交互操作信息，查詢所有地物、地形，并對其進行監(jiān)控，從任意角度觀察構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小觀察構(gòu)筑物信息。在施工場地對地物進行縮放過程中，相關(guān)技術(shù)人員可以選擇需要查看的碴場大壩、導(dǎo)流洞、地下廠房等地物，在三維窗口加入熱鏈接工具，將窗口縮放至設(shè)定角度，直接查看信息框，根據(jù)各標段出入碴方量、碴場頂高程等表格數(shù)據(jù)，對場景環(huán)境進行設(shè)定。施工過程中，對地形地物模型進行設(shè)計和演示，通過更加形象直觀、科學簡便的方法，推動水電項目設(shè)計的智能化和現(xiàn)代化。以地質(zhì)開挖為例，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該搭建標準化協(xié)同場景，通過三維協(xié)同設(shè)計完成機電模型、水工模型和數(shù)字地模等設(shè)計工作，利用三維地質(zhì)模型進行邊坡開挖，在可視化技術(shù)的應(yīng)用中，可以直接展現(xiàn)地層總斷層和軟弱夾層間的剖切圖，提高出圖效率，直觀形象地展示出挖面地質(zhì)情況，了解施工的地質(zhì)情況和重難點，總結(jié)水利水電項目施工的可行性。與傳統(tǒng)方法相比，可視化技術(shù)更加快捷、準確，統(tǒng)計工程量時，設(shè)計人員定義項目的分類和屬性，利用工程清單格式直接對單個或批量構(gòu)件進行統(tǒng)計和輸出，制作可視化表格或圖表，提高統(tǒng)計效率，利用相關(guān)工程資料和數(shù)據(jù)，對三維模型進行剖析和動態(tài)瀏覽。可以在施工過程中對泄洪洞出口明渠抗滑樁項目進行模擬，對施工中可能存在的缺項、漏項進行檢查，提高施工準確性。通過相關(guān)視圖，現(xiàn)場管理人員可以利用壓實傳感器監(jiān)測技術(shù)和GPS技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)碾壓薄弱區(qū)域，實現(xiàn)大壩智能碾壓，對結(jié)果進行智能反饋，提高施工效率和計算效率，減少溝通成本。

3.3三維可視化系統(tǒng)的具體應(yīng)用

（1）流域氣象水文監(jiān)測。流域氣象水文監(jiān)測界面如圖1所示。流域氣象水文檢測主要對各個站點的蒸發(fā)量、蒸騰量、對子流域的滲流量、降水量、徑流量等參數(shù)進行綜合監(jiān)測與分析，與氣象管理部門、業(yè)務(wù)系統(tǒng)連接，通過天氣雷達和氣象觀測對水利水電工程綜合指標進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管理，輔助管理者全面掌控水電站水文氣象態(tài)勢，預(yù)報、預(yù)警各種災(zāi)害氣象，對氣象進行準確預(yù)測并給出響應(yīng)辦法。（2）梯級電站運行監(jiān)測。技術(shù)人員可以通過系統(tǒng)平臺邏輯層結(jié)構(gòu)維度和地理空間分布，對供電范圍、節(jié)點位置、拓撲關(guān)系和大規(guī)模電網(wǎng)分布等信息進行查詢和演示，在信息采集、運行監(jiān)測等技術(shù)的加持下，對電網(wǎng)參數(shù)進行自動化管理和調(diào)度；可以遠程監(jiān)測電機、電容、各電站線路中的電流、開關(guān)狀態(tài)、電壓、頻率和電量，輔助管理者綜合掌握跨地域電站運行情況。（3）水庫調(diào)度監(jiān)測。利用水庫監(jiān)測管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，技術(shù)人員能夠直接對水庫狀態(tài)、位置、水庫蓄水量、入庫流量、可用水量、防洪庫容等信息進行直觀監(jiān)測和分析研判，對水庫調(diào)蓄能力進行預(yù)警，水位超限、調(diào)汛能力不足時，系統(tǒng)直接發(fā)出預(yù)報和告警，引導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員和施工人員對水庫異常態(tài)勢進行分析、研判和解決，為水利水電工作提供決策支持，加大防洪防汛力度。（4）自動化運行安全和防汛安全監(jiān)測。在智慧水利背景下，相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)信用信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，憑借人機交互方式，將各種大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)運用至水利管理的各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。通過多機協(xié)同管理機制，強化硬軟件設(shè)備，使可視化監(jiān)測情景具有超大分辨率、多屏、大屏等顯示功能，直接對水利水電項目關(guān)鍵性指標進行多維可視分析。本項目中，通過多種角度，利用三維建模直接對大壩廠房、電機組、閘門泄建筑物等運行狀態(tài)進行監(jiān)測，支持地理空間分布維度，利用自動化系統(tǒng)對區(qū)域分布、設(shè)備構(gòu)成、應(yīng)用功能等信息進行演示，監(jiān)測各項數(shù)據(jù)的實時流轉(zhuǎn)情況、儲存余量、暢通度、調(diào)取情況、可用度、清晰度，對以上數(shù)據(jù)進行可視化分析和動態(tài)演示，引導(dǎo)施工者和管理者全面掌控水利水電項目運行態(tài)勢，將三維可視化系統(tǒng)平臺建設(shè)與城市內(nèi)澇監(jiān)測系統(tǒng)有機結(jié)合，直接對項目防汛抗旱、氣象、水位監(jiān)測、水利工程等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，對入庫流量、水庫蓄水量、降水量、總庫容、水庫水位等數(shù)據(jù)進行可視化分析和實時監(jiān)測。相關(guān)技術(shù)人員利用可視化技術(shù)對河堤位移變形、壩體位移變形等情況進行三維顯示，根據(jù)位移情況及時進行加固處理，為洪災(zāi)風險評估和防汛抗旱工作提供支持。（5）分析研判和監(jiān)測告警。相關(guān)技術(shù)人員在利用三維可視化技術(shù)時直接接入相關(guān)地圖數(shù)據(jù)，如警用地理信息系統(tǒng)（PGIS）、傾斜攝影數(shù)據(jù)、天地圖、衛(wèi)星圖、行政圖、地形圖等，支持加載超大范圍高精度高程數(shù)據(jù)，充分利用無人機航拍數(shù)據(jù)，對各種矢量地圖要素數(shù)據(jù)進行分析和融合，充分滿足用戶應(yīng)用需求，利用可視化手段全面展示水利工作規(guī)劃，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源制作可視圖表，如空間關(guān)系圖、空間統(tǒng)計圖、分布圖。通過多維度分析研判，對多指標數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，重點關(guān)注汛期、干旱情況和洪水攔截情況，構(gòu)建多個維度數(shù)據(jù)值，從空間、時間和指標等多個層面對整體數(shù)據(jù)監(jiān)測進行告警。監(jiān)控數(shù)據(jù)超過閾值，直接觸發(fā)平臺系統(tǒng)告警裝置，支持集成性視頻巡檢和流量監(jiān)測，幫助相關(guān)管理者進行應(yīng)急指揮調(diào)度，提高防災(zāi)減災(zāi)工作效率。

3.4應(yīng)用效果分析

利用三維可視化技術(shù)可以實現(xiàn)水利工程的智慧化發(fā)展，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)，提高水利行業(yè)綜合感知能力和數(shù)據(jù)共享能力，有助于構(gòu)建智能大壩、智能水電站，通過三維建模直接從多個角度觀察發(fā)電機組、船閘、壩體、泄水建筑物等管理對象的運行情況，相關(guān)部門管理者和技術(shù)人員直接通過PC端或移動端，對工作站情況進行可視化監(jiān)測。通過遠程監(jiān)控對各項設(shè)備進行集中控制，通過可視對象的瀏覽、過濾、翻譯、縮放等功能，實現(xiàn)水利工程變形監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、安全監(jiān)測和滲流監(jiān)測，及時掌握異常水文情況，提高水災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)效率。

4結(jié)語

綜上所述，三維可視化技術(shù)通過立體掃描和追蹤，可以幫助施工人員和技術(shù)人員快速、準確掌握復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，利用三維建模可以直接對大壩廠房、電機組、閘門泄建筑物等運行狀態(tài)進行監(jiān)測。施工者和管理者應(yīng)常態(tài)化運用三維可視化技術(shù)平臺，全面掌控水利水電項目運行態(tài)勢，加大防洪防汛力度，推動水電項目設(shè)計的智能化和現(xiàn)代化。

參考文獻

[1]呂彬,傅志浩.基于Microstation平臺的水利水電工程三維開挖設(shè)計軟件開發(fā)與應(yīng)用[J].人民珠江,2021,42(11):16-23,52.

[2]張慧媛,曾凡誠,王兵.關(guān)于Bentley三維設(shè)計軟件在水利水電工程中應(yīng)用與研究[J].內(nèi)蒙古水利,2021(7):46-47.

作者：賀聰 單位：中交水利水電建設(shè)有限公司