基于3D-GIS的抽水蓄能电厂动态监控与仿真技术研究

张小冬，吴 超，刘学山，汪志强，徐 斌，万 晟

(1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080；2.清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853)

基于3D-GIS的抽水蓄能电厂动态监控与仿真技术研究

张小冬1，吴 超1，刘学山2，汪志强2，徐 斌2，万 晟2

(1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080；2.清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853)

文中针对抽水蓄能电厂运营信息化建设的需求与现状，依托高精度三维建模技术、设备动态监控、虚拟仿真等技术，对抽水蓄能电厂进行全方位、多视角的精细测绘与三维建模，同时集成电厂现有系统资源，搭建动态监控与仿真一体化平台，解决目前抽水蓄能电厂信息展现不集中、不直观的缺陷，为电厂三维信息化建设提供新型的解决方案。

三维空间信息技术；精细建模技术；三维动态监控；教培仿真

随着智能监控技术的高速发展，目前我国建成的抽水蓄能电厂中应用了大量智能监控、安全预警、运营管理等技术，这些技术能够有效解决相应领域中遇到的问题，提高管理效率。但由于抽水蓄能电厂自身的结构特点，同时产生水工建筑物结构显示不直观、重要电气设备结构无可视化模型以及各监控系统不兼容等缺陷。本文提出通过三维动态可视化监控技术，将电厂内的坝体、管路、设备等进行真实比例建模，在三维场景内将模型与生产监控数据、视频监控数据、拆装仿真内容相关联，打通各个子系统之间的信息孤岛，以直观、动态、智能的方式展示厂区内的设备运行情况、坝体安全监控、异常报警信息等，提高电厂的运营能力和智慧化水平。

1 系统总体架构及关键技术

1.1 总体架构

应用平台的开发基于主流的B/S 3层架构模式，分别为综合应用层、核心服务层和数据资源层。其中核心服务层以不同的数据采集服务从不同的数据资源库中将生产监控数据、水工水情数据、仿真文件数据、三维地理信息数据等信息以Ajax通道传输或者Request数据请求的方式分发到不同的应用层。应用层以CityMaker三维展现控件为基础，集成不同的业务展现插件，实现不同的功能和展现效果。平台三层之间相对独立，提供灵活的服务与应用逻辑关系，为后续应用的扩展提供支持。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

1.2 关键技术

1)数据实时采集技术。三维平台要将电厂生产运行过程中的重要监控信息通过三维场景进行实时展示，目前电厂内的监控系统主要包括生产实时监控系统、水情监测系统等[5]，各系统之间相对独立，平台根据实际情况通过以下两种途径进行实时数据的采集。第一种方式通过获取对应系统的数据采集权限，通过部署负责数据采集的应用服务，将采集到的实时数据以key-value的形式存储于实时数据库中(本平台使用Redis实时数据库)。该方式访问数据更为直接，实时数据库读取效率高，避免传统关系型数据库的数据访问量瓶颈的限制。其次，由于部分系统无法提供公共的数据采集权限，所以第二种方法是通过相关生产系统对应的辅助子系统发布数据共享服务，当应用服务器发出数据访问请求后，数据将以JSON或XML的形式发送回客户端，客户端进行解析与展示。这种方式能够降低系统之间的耦合性，提高生产系统的安全性。

2)富客户端技术。平台采用富客户端的前端开发技术，将前端应用程序与后台应用服务尽可能分离，提高日后程序扩展的可能性，方便基于松耦合的机制与用户第三方组织机构库、第三方单点登录服务衔接与集成，并且支持客户端通过HTTP，SOAP，Web Service，Ajax等多种方式进行调用，实现Web 2.0的开发；平台可以与任何第三方应用系统、多种数据库类型进行流程整合服务，系统配置多个数据库连接，通过实体层直接与其他业务系统实现流程整合服务，支持Web Service并方便与其它已有系统进行数据整合。

3)插件集成技术。由于Web展现技术的局限性，为了扩大平台对其他相关系统的兼容性，平台采取插件式系统集成技术，针对不同的子系统，如视频监控系统、设备拆装仿真系统等，根据系统提供的SDK深度定制开发运行插件，并将不同功能的插件统一发布，减少用户的插件安装次数，同时提高不同应用场景之间的联动性。

2 三维建模技术

系统采用三维地理空间数据库引擎技术，通过地理特征数据库实现对地理空间数据的面向对象的组织与管理，统一管理海量地理空间要素的空间属性、时态属性数据，以及管理地理空间信息符号化所需的二、三维符号数据。地理特征数据库分为3层数据结构：数据源、数据集、要素类。其逻辑结构如图2所示。

图2 三维地理空间数据库逻辑结构

同时，实体对象可以拥有时态、空间、属性、符号等4类地理空间属性信息。其中时态属性可将电厂的不同时期进行分类建模，通过时态的变化来展现不同时间的建设情况，如图3所示。

图3 实体对象属性设计

平台采用三维空间数据库技术统一管理源数据和表现数据。源数据直接导入三维数据库，以三维模型对象的附件形式，以二进制格式直接存储于关系型数据表。同时，三维平台基于源数据直接生成高精度表现数据。表现数据同样以二进制方式存储于关系型数据表，作为三维模型对象的符号资源。三维模型对象、源数据文件、表现数据均存储于三维数据库，并基于三维模型对象建立属性关联，互相之间可以被快速检索和引用，实现源数据、表现数据、地理信息数据的一体化管理，如图4所示。

图4 空间数据一体化管理

3 综合系统集成

平台采用CityMaker三维驱动引擎，通过自带和其他三维建模工具对水库、厂区、水工设备、安全监控设备等进行1∶1三维建模，以三维模型为基础，将电厂的三维空间信息与属性数据有机结合，实现空间信息与各类属性之间的一对多、多对多的关联，用户在浏览三维场景中，可以通过点击查询、空间范围查询、区域查询、条件查询等手段，将模型中所关联的信息提取，并以文字、表格、图表、视频、动画的形式进行展示。所有信息的来源都是以三维模型浏览为触发点，所有信息都依附于三维模型，提高用户的空间感，展示效果更为生动、直接。系统的主要功能如下：

1)厂区三维全景漫游。平台基于实时动态三维数据加载技术，将海量的三维数据进行分布式加载，提高用户漫游模型加载速度，实现对抽水蓄能电厂的全景浏览。用户可以保存兴趣点，自定义飞行路径，输出多种格式的多媒体文件。通过点击场景中任意模型，显示该模型的详细信息，例如：管线的管径、流向、介质等。

2)信息可视化展示。可视化平台的核心是通过三维展示手段，将厂区内重要的监测信息可视化分析与展示，目前抽水蓄能电厂的重点关注信息主要包含生产控制系统数据、外围环境信息(如坝体整体结构、廊道应力状态、水库水情信息等)和视频监控数据，三维模型制作中根据需要关联信息的种类，将构筑物、设备、仪表、摄像头、廊体等进行单体化处理，通过后台数据库将模型唯一标号与监测数据进行一对多的关联，用户可以通过监测点定位到所属模型的空间位置，也可以通过点击模型查询包含的监测点信息。用户可以在三维场景中同时触发不同种类的监测监视信息，全面掌握厂区内部运行状态。

3)二、三维系统联动。平台在同一个场景下进行二、三维联动，平台设计与生产系统一致二维信息展示界面，通过监测点与三维模型的关联，用户可以通过二维界面点击监控点与三维窗口互动展示，弥补监测数据在三维中展示逻辑性差的缺点，将二、三维的优势特点在一个平台中展示，为用户提供更完善、全面的体验，如图5所示。

4)智能监测预警。平台将监测历史值分条件(温度、湿度、气压、水位等)进行历史数据保存，将实时数据与历史相似工况下的监测值进行比较，判断其“异常”情况，降低由于环境因素造成的数据浮动，若监测到数据比较差异超过限定值，则会在三维模型上用红色标记，并在系统中进行弹窗提示。所有异常信息将会在数据库中进行统一记录，方便用户进行复查。

5)设备拆装模拟。平台首先根据设备部件图及装配图中采集设备零部件形状、几何尺寸等部件特征及零部件之间相对位置关系，建立原始设备拆装数据库。再通过研发Solidworks系列软件二次开发接口，将其拆装模拟演示模块进行功能的移植，通过加载服务器缓存的Solidworks高精度设备模型数据，通过在三维场景中选择对应模型，直接在线查看设备的精准拆装演示，如图6所示。

6)互动式操作模拟演练。平台将复杂的设备运行操作(开停机操作、维护操作等)制作成三维模拟演练脚本，员工通过脚本目录树加载不同的场景，利用三维虚拟现实技术，还原真实的操作环境，结合相对应工作流程提示，以三维可交互的操作方式(开关的操作、阀门的控制、机械的装配等)，在三维场景中进行模拟训练，完成不同的演练脚本，从而达到操作全过程仿真的目的。同时平台支持对员工的操作进行打分评价，对错误的操作进行回放和正确讲解，能够自动演示详细的操作步骤，加强培训效果，如图7所示。

图6 设备拆装模拟

图7 操作模拟演练

4 工程案例

清远抽水蓄能电站位于清远市清新县太平镇境内，与广州直线距离约75 km。电站装机4×320 MW，总容量1 280 MW，最高净水头502.7 m。枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、开关站及永久公路等组成。上水库正常水位612.5 m，调节库容1 055万m3；下水库正常水位137.7 m，调节库容1 058万m3。输水系统水平总长度2 449 m，距高比为5，满载发电小时数为9.1 h。平台建设前期通过无人机航空摄影制作数字高程模型和数字正射影像，结合三维激光扫描仪与CAD施工图纸制作三维建构筑物模型，同时采用三维精确建模技术完成设备机组的精细模型，最终将所有数据加载在三维可视化监控平台中进行综合展示，平台结合数据展示、异常预警、教培仿真等功能，辅助电厂的管理。

5 结束语

目前我国电力需求量大，各类型的电厂数量很多，电厂内部信息化程度越来越高，将会遇到各类系统与数据之间信息不联通、展示不直观的问题，通过三维可视化平台针对不同子系统进行深度定制，以一种直观、高效的方式进行信息展示，能够增强管理中心的信息查询、浏览手段，公司各级管理人员能够提高管理效率和水平，实现对电厂的远程化、智能化管理。

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[3] 刘求龙，胡武生，王骢，等．基于激光扫描技术的变电站三维模型的建立[J]．测绘工程，2010，19(5)：38-40．

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[责任编辑：张德福]

Dynamic monitoring and simulation technology of pumped storage power station based on 3D-GIS

ZHANG Xiaodong1, WU Chao1, LIU Xueshan2, WANG Zhiqiang2, XU Bin2, WAN Sheng2

(1.Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co., Ltd. of MCC, Wuhan 430080, China; 2.Qingyuan Pumped Storage Power Generation Co., Ltd., Qingyuan 511853, China)

According to the requirements and current status of informatization construction of pumped storage power station, and relying on high precision 3D modeling technology, dynamic monitoring technology, virtual simulation technology, fine mapping and 3D modeling of pumped storage power station, and integrated existing system resources, this paper builds a dynamic monitoring and simulation integration information platform, and solves the defects of the information of the pumped storage power station being not centralized and visual, which provides an innovation solution for 3D power station informatization construction.

3D spatial technology; fine modeling technology; 3D dynamic monitoring; simulation training

著录：张小冬，吴超，刘学山，等.基于3D-GIS的抽水蓄能电厂动态监控与仿真技术研究[J].测绘工程，2017，26(11)：71-76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.016

2017-06-17

张小冬(1988-)，男，助理工程师，硕士。

P208

A

1006-7949(2017)11-0071-06