三維可視化技術在水利水電的運用

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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的應用，對三維可視化技術和智慧水利項目進行簡述，總結三維可視化仿真系統框架結構和子系統相關功能，并以金沙江下游某水電站為例，給出三維可視化系統在施工中的演示和具體應用，為相關從業者的工作提供參考。

關鍵詞：智慧水利水電；三維可視化；框架結構

計算機技術和大數據技術飛速發展，與多個行業實現深度融合，三維可視化技術可以不斷創新虛擬場景，在城市建設、醫療衛生、工程教育等行業發揮重要作用。文章以水利水電行業為例，分析三維可視化技術在智慧水利中的應用，為相關技術人員提供可參考性建議。

1基本概述

1.1三維可視化技術

三維可視化技術利用數據模型對地質現象、地面表象以及地下構造進行顯示和描述，利用大量數據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人員快速準確地掌握復雜地質現象。每個數據樣點被轉換為三維像素，每個像素對數據母體具有對應數值。通過三維可視化技術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，幫助管理者和技術人員了解工地概況，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、危險系數較高的工作，可以利用三維可視化技術先進行操作模擬，在一定限度上保證施工人員安全。此外，利用視頻監控可以直接對事故現場進行真實展示，監測現場施工揚塵，調取后端數據，監測場地的PM2.5數據，實現整個水利水電建設項目的施工標準化、項目成本定量化、管理數據化、進度節點化、現場移動化，達到節本增效的目的。

1.2智慧水利

智慧水利將高新技術結合物聯網、云計算、大數據等技術，對自然界的水資源進行調配和控制，在保護水資源的同時進行開發和利用，以此防治水旱災害。將人工智能、水利模型、物聯網、傳感器等技術應用到水壩、大壩、水電站、水庫加固等工作中，以智能化、數字化為主線，對水流流速、泄洪、排澇等數據進行監控和預報，確保水利行業高質量發展。

2三維可視化仿真系統建立

2.1框架結構

三維可視化技術將BIM技術和GIS軟件系統相結合，充分利用三維動態演示，對水利水電施工進行總體布置和設計，圍繞工程開發制定具體框架結構。三維可視化仿真系統由物理層、數據層、功能層和應用層組成[1]。物理層主要包含硬件和軟件；數據層主要包含圖形庫、屬性庫、模型庫；功能層通過相關技術模型對樞紐站、水利站、水庫進行三維動態演示，對施工總布局進行全程跟蹤，按時段展示。數據庫管理子系統的查詢和檢索系統中，對工程進度、工程質量、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、水流參數進行監測，加載大量的地理信息圖，通過地圖顯示功能對數據層顏色進行標注，做好專題制圖，以此滿足施工要求。

2.2子系統和相關功能

三維可視化仿真系統主要由四個子系統構成，分別為動態演示系統、查詢子系統、應用子系統和數據庫子系統[2]。其中，數據庫子系統主要負責數據儲存、數據編輯、采集和輸出；應用子系統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，對施工廠內交通運輸系統進行模擬，對大壩澆筑全過程樞紐施工系統進行模擬，基于GIS技術對石料廠規劃進行模擬，對超標洪水和過水場景進行動態化演示以及模擬；查詢子系統主要根據場地水文地質信息、施工場地布置、信息工程樞紐設計圖紙、砂石料廠信息，對整個施工計劃進行靈活調控，查詢與統計施工進度；動態演示子系統主要對圍堰填筑、節流泄洪洞等施工過程進行演示，對場內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的應用

金沙江下游某水電站工程以發電為主，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進行水力發電，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、引水發電建筑物組成，最大壩高為288m，頂拱中心線弧長700m，壩身布設7個表孔，壩頂高程610m，泄洪采用分區消能、分散泄洪原則，壩后設有水墊堂消能，發電廠房為地下式，單機容量為700MW，兩岸各自布置3條導流隧洞，導流臨時建筑物涵蓋上下游圍堰。

3.1總體施工設計

工程地勢陡峻，處于深山峽谷，具體施工設計時，為了減少場料的運距，整個工程設置碴廠6個，做好主體工程的施工設計，主要體現在泄洪系統、引水發電系統和拱壩系統3個方面。泄洪系統導流洞和泄洪洞相結合，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在施工中的演示

可視化三維動態演示系統可以根據施工總布置對原始地形進行繪制，構建交通系統、砂石料系統、地下洞室群系統、大壩系統，建立上述圖層相關數據庫，直接演示導流期間樞紐施工、大壩蓄水發電、地下洞室群施工、碴廠變化等全過程應用場景，對施工場景、施工主體環境、局部環境進行三維演示。相關技術人員可以通過交互操作信息，查詢所有地物、地形，并對其進行監控，從任意角度觀察構筑物內部結構，通過旋轉、放大、縮小觀察構筑物信息。在施工場地對地物進行縮放過程中，相關技術人員可以選擇需要查看的碴場大壩、導流洞、地下廠房等地物，在三維窗口加入熱鏈接工具，將窗口縮放至設定角度，直接查看信息框，根據各標段出入碴方量、碴場頂高程等表格數據，對場景環境進行設定。施工過程中，對地形地物模型進行設計和演示，通過更加形象直觀、科學簡便的方法，推動水電項目設計的智能化和現代化。以地質開挖為例，相關技術人員應該搭建標準化協同場景，通過三維協同設計完成機電模型、水工模型和數字地模等設計工作，利用三維地質模型進行邊坡開挖，在可視化技術的應用中，可以直接展現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情況，了解施工的地質情況和重難點，總結水利水電項目施工的可行性。與傳統方法相比，可視化技術更加快捷、準確，統計工程量時，設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件進行統計和輸出，制作可視化表格或圖表，提高統計效率，利用相關工程資料和數據，對三維模型進行剖析和動態瀏覽。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。通過相關視圖，現場管理人員可以利用壓實傳感器監測技術和GPS技術，及時發現碾壓薄弱區域，實現大壩智能碾壓，對結果進行智能反饋，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的具體應用

（1）流域氣象水文監測。流域氣象水文監測界面如圖1所示。流域氣象水文檢測主要對各個站點的蒸發量、蒸騰量、對子流域的滲流量、降水量、徑流量等參數進行綜合監測與分析，與氣象管理部門、業務系統連接，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據統計和管理，輔助管理者全面掌控水電站水文氣象態勢，預報、預警各種災害氣象，對氣象進行準確預測并給出響應辦法。（2）梯級電站運行監測。技術人員可以通過系統平臺邏輯層結構維度和地理空間分布，對供電范圍、節點位置、拓撲關系和大規模電網分布等信息進行查詢和演示，在信息采集、運行監測等技術的加持下，對電網參數進行自動化管理和調度；可以遠程監測電機、電容、各電站線路中的電流、開關狀態、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）水庫調度監測。利用水庫監測管理系統數據，技術人員能夠直接對水庫狀態、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測和分析研判，對水庫調蓄能力進行預警，水位超限、調汛能力不足時，系統直接發出預報和告警，引導相關技術人員和施工人員對水庫異常態勢進行分析、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測。在智慧水利背景下，相關技術人員可以根據信用信息系統的數據資源，憑借人機交互方式，將各種大數據、人工智能技術運用至水利管理的各個業務領域。通過多機協同管理機制，強化硬軟件設備，使可視化監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進行監測，支持地理空間分布維度，利用自動化系統對區域分布、設備構成、應用功能等信息進行演示，監測各項數據的實時流轉情況、儲存余量、暢通度、調取情況、可用度、清晰度，對以上數據進行可視化分析和動態演示，引導施工者和管理者全面掌控水利水電項目運行態勢，將三維可視化系統平臺建設與城市內澇監測系統有機結合，直接對項目防汛抗旱、氣象、水位監測、水利工程等數據進行統計，對入庫流量、水庫蓄水量、降水量、總庫容、水庫水位等數據進行可視化分析和實時監測。相關技術人員利用可視化技術對河堤位移變形、壩體位移變形等情況進行三維顯示，根據位移情況及時進行加固處理，為洪災風險評估和防汛抗旱工作提供支持。（5）分析研判和監測告警。相關技術人員在利用三維可視化技術時直接接入相關地圖數據，如警用地理信息系統（PGIS）、傾斜攝影數據、天地圖、衛星圖、行政圖、地形圖等，支持加載超大范圍高精度高程數據，充分利用無人機航拍數據，對各種矢量地圖要素數據進行分析和融合，充分滿足用戶應用需求，利用可視化手段全面展示水利工作規劃，依據現有數據資源制作可視圖表，如空間關系圖、空間統計圖、分布圖。通過多維度分析研判，對多指標數據進行監測分析，重點關注汛期、干旱情況和洪水攔截情況，構建多個維度數據值，從空間、時間和指標等多個層面對整體數據監測進行告警。監控數據超過閾值，直接觸發平臺系統告警裝置，支持集成性視頻巡檢和流量監測，幫助相關管理者進行應急指揮調度，提高防災減災工作效率。

3.4應用效果分析

利用三維可視化技術可以實現水利工程的智慧化發展，結合物聯網、大數據等新型技術，提高水利行業綜合感知能力和數據共享能力，有助于構建智能大壩、智能水電站，通過三維建模直接從多個角度觀察發電機組、船閘、壩體、泄水建筑物等管理對象的運行情況，相關部門管理者和技術人員直接通過PC端或移動端，對工作站情況進行可視化監測。通過遠程監控對各項設備進行集中控制，通過可視對象的瀏覽、過濾、翻譯、縮放等功能，實現水利工程變形監測、環境監測、安全監測和滲流監測，及時掌握異常水文情況，提高水災應急響應效率。

4結語

綜上所述，三維可視化技術通過立體掃描和追蹤，可以幫助施工人員和技術人員快速、準確掌握復雜地質現象，利用三維建?？梢灾苯訉Υ髩螐S房、電機組、閘門泄建筑物等運行狀態進行監測。施工者和管理者應常態化運用三維可視化技術平臺，全面掌控水利水電項目運行態勢，加大防洪防汛力度，推動水電項目設計的智能化和現代化。

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計軟件開發與應用[J].人民珠江,2021,42(11):16-23,52.

[2]張慧媛,曾凡誠,王兵.關于Bentley三維設計軟件在水利水電工程中應用與研究[J].內蒙古水利,2021(7):46-47.

作者：賀聰 單位：中交水利水電建設有限公司