三维可视化技术在水电站运维管理中的应用

摘 要 水电站设计移交资料众多，在水电站运维管理阶段容易发生移交资料与业务系统衔接脱节、难以在运维阶段进行运用等问题。文章通过分析三维可视化技术的应用发展及水电站运维管理现状，将电站水工建筑物、设备等的运行状态管理对象化及可视化，提出水电设计数据编码、成果移交、生产运行维护的系统数据与可视化集成方法，并实现系统验证，证明水电站电力生产采用三维可视化能提高电力运行与检修定位等效率，从而提高生产管理效率。

【关键词】三维 水电站 可视化运维 可视化管理

1 引言

传统的水电站设计与建造主要以图档资料进行交付，水电站建设周期较长，交付数据量大，图档资料不直观，容易发生移交资料与水电站运维管理中各类业务系统的衔接脱节，加大了电站运维人员的工作难度，影响水电站运维管理的质量与效率。随着激光扫描、GIS、BIM、全景影像等三维可视化技术的发展，水电站设计与建造过程中越来越多的工程进行三维可视化数字移交以及可视化展示、会商、分析与建设管理。三维可视化移交形象直观，但在现阶段由于缺乏系统集成，电站运维人员无法进行三维可视化移交数据的深入应用。因此本文对三维可视化技术的特点进行分析，将三维可视化与水电站运维管理结合，研究如何以三维可视化交付数据为载体进行信息集成与系统实现，在水电站全生命周期管理过程中充分发挥三维可视化技术的优势，使水电站运维管理更加直观、高效与智能。

2 水电站三维可视化技术的应用发展

三维可视化技术是20世纪80年代中期诞生的集计算机数据处理、图像显示的综合性前沿技术，通过利用空间信息和多维信息的结合，对信息进行全方位的描述，而后对信息中的高阶异构数据进行挖掘和智能分析，以达到将现实的全域虚拟、全景信息展示的效果。可视化技术主要分为科学计算可视化、信息可视化、知识可视化及数据可视化，在水电站全生命周期中常用的三维可视化技术通常包括激光扫描、GIS、BIM、全景影像以及利用Unity3D、OpenGL开发的可视化平台等。

（1）激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法获取高精度点云，获取水电站三维地面数据，提供准确、详实的可视化测绘资料。

（2）GIS是近年来迅速发展的地学空间数据与计算机相结合的新型空间技术，将现实对象的空间位置和相关属性有机结合起来，满足对空间信息的管理，并借助空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。

（3）BIM技术是利用信息技术对项目的几何、物理和功能信息进行全生命周期的表达与信息存储，具有可视化设计与决策、参数化设计、关联修改设计、性能分析、协同设计、三维交付、等特点。

三维可视化技术的应用使水电站的设计模式、交付模式发生了变化，也使复杂的空间对象有了更直观更形象的表达方式。同时三维可视化技术中的信息集成使传统数据交付中的信息孤岛众多、信息不对称、信息传递无序、无效工作众多等问题有了载体及解决方案。设计与建造过程中的三维可视化应用也为电站运维管理中可视化管理、数据接入、信息交互、信息表达及分析奠定了基础。通过可视化监控，使潜在的问题直观显现，可事先消除存在的隐患，及早解决问题。

3 水电站运维管理现状

水电站运维管理过程中，各业务系统众多，监测及数据维护量大，接收的设计及建造的数据主要以二维资料为主。近年由于三维可视化技术的应用，部分水电站接收的资料还包括可视化GIS及BIM模型：

（1）水电站运维管理过程与水电站设计移交资料脱节。设计成果主要是以二维图纸移交，没有实现数据化和结构化，在运维管理过程中采用的电站资产运行管理、电站值班及维护等系统，往往需要根据业务系统需求重新建立电站资产与设备数据库，而这些系统很难与移交的图纸相关联。

（2）水电站运维管理的系统通常是各司其职，如设备管理系统、日志维护系统，工业视频系统，业务系统，各系统功能独立、数据分散，以图表或者文档方式记录与存储数据。

（3）水电站的运行管理不夠直观，设备资源查询与运维数据追溯复杂，当需要决策支持时，出现资料难找、资料不完整或者资料分散、资料呈现复杂等问题。

（4）电站运维人员进行培训学习时没有充分利用移交的可视化数据，对在线培训、模拟检修等三维可视化的应用较少。

（5）主要机电设备移动巡检采用手工记录，没有实现无纸化和便携性，使得巡检记录没有做到实时性。

（6）移交的GIS及BIM三维可视化模型虽然带有详尽的设计及施工信息，但是与水电站运维的各业务系统没有进行可视化模型及相关数据挂接，移交的可视化数据模型不能在运维管理阶段进行进一步的应用。

4 水电站运维阶段可视化数据集成方法

通过对三维可视化特点分析及现有水电站运维管理存在的问题进行总结，从水电站运维管理可视化集成的角度，对水电站可视化数据集成方法进行了以下研究。

4.1 可视化数据载体

可视化运维管理中的数据载体其表现形式为空间几何模型、数据及编码信息，这就需要对移交数据的表现形式、所要承载的信息进行分类，使数字移交产品在运维阶段具有可扩展性。如对定期需要检修的水轮机，电厂维护人员需要对其内部结构有详细了解。以增量（升级）方式管理模型版本，为数字移交应用、施工过程仿真等应用提供基础方法：通过移交的可视化数据模型对水轮机结构及其拆卸、安装、运转进行培训学习、仿真模拟等应用；通过模型中挂接的图纸、编码、工艺工法、采购及合同信息与电厂业务系统对接，进行可视化运营与维护。而对于水工建筑物里的相关监测仪器，在运营维护阶段不需要关注仪器内部结构，而是对其采集与传输的数据进行分析，达到可视化预警预报的目的。移交的可视化模型只需要其位置及编码信息，用于与生产系统的对接。

4.2 可视化数据信息转换

可视化数据载体在进行移交及系统接入时需满足数据轻量化及编码生成、编码自动转换等要求，通过编码进行唯一性标识及对应。数据轻量化是由于数据源的多样性以及运维阶段可视化平台及移动端应用的需求，确保数据使用流畅。

以可视化模型为基础，建立数据库，将模型以及对应的图档资料进行挂接。所挂接的资料及相关信息根据水电站运营维护需求按阶段进行扩充，逐步丰富各类信息。以可视化模型为基础的数据集要与水电站现有运营维护系统进行接入，其关键技术为进行编码与编码转换，使不同系统之间通过编码唯一对应以便利用可视化数据进行运维管理。编码及转换的原则以电站运维期编码（如KKS编码）进行定义及转换。在此之前将数据模型分部分项，按照电站编码规则进行调整划分，编码方式可在模型中以属性方式添加，也可设定相关规则，进行编码自动生成及手动调整。可视化模型数据与水电站各运维系统通过编码进行一一对应，并作为唯一查询与标识与各系统进行数据接入，从而实现与水电站运维管理业务系统的关联。

4.3 可视化系统数据接入与集成

可视化数据经过处理及转换，与水电站现有业务系统进行接入与集成，主要包含：

4.3.1 可视化模型信息查询

集成的可视化模型不仅具有空间图形形状，还具有定位、材质、型号规格等属性信息，这部分信息可直接进行查询与统计，进行所需要信息的筛选，辅助运维人员对工作现场进行熟悉、虚拟漫游，同时在可视化状态下对编码信息等进行复核与校验。

4.3.2 图档信息接入

图档信息接入主要指设计图纸、厂家图纸、相关文函、纪要等资料接入，目的是为了将分散的资料以可视化数据为载体，以编码为标识做分类，在数据库中进行图档资料的结构化管理，使原本分散无序的资料按照水电站运营管理方式进行存储与可视化管理，提高运维人员查询检索资料的效率。

4.3.3 台帐信息可视化数据

台帐信息可视化数据主要针对机电设备、安全监测仪器等，记载其编码、设计成果资料、固有尺寸、安装位置、出厂设置等基本信息。

4.3.4 状态信息可视化数据

状态信息主要为基点设备、安全监测仪器的实时测值、测值成果、运行状态信息。

4.3.5 可视化数据与运维管理

可视化数据与运维管理包含基于可视化模型的日常保养维护信息集成与管理、维修信息集成与管理，以及与运维管理知识库的集成与管理。

运维管理知识库包含可视化模拟培训、虚拟演练等，将可视化模型集成動作响应规则，在三维可视化场景中进行培训与学习，将知识与经验通过三维可视化场景进行积累，把抽象的过程进行直观的展现，保证了可复用性与可持续性。

利用RFID（Wi-Fi）室内定位技术，对日常巡检人员进行室内定位，方便电站集控中心对巡检人员进行定位，发送指令，确保日常巡检工作的质量与效率。

4.4 可视化监控及预警

可视化监控与预警是系统中十分重要的功能，通过可视化数据与生产监控系统的集成，直观表达运行状态，对采集与集成的监控信息进行预警与预报，辅助管理与决策。以机电设备为例，可包含以下可视化监控：

（1）设备运维状态可视化：以不同颜色表示运行、故障需维修、维修及保养、设备停运等状态。

（2）设备缺陷分析可视化及预警预报：监测设备运行的各项参数，当设备运行异常时，以在数据模型中闪烁及系统提示等方式，对异常情况进行可视化预警预报，现场维护人员能根据可视化模型进行快速定位，了解故障部位。

（3）设备处置决策可视化：结合合同及成本管理系统对设备的修理、改造、更新、报废等处置决策进行可视化信息集成，当运维管理决策者对设备进行了状态更新后，现场人员可及时收到通知，进行下一步工作的开展。

5 水电站运维阶段可视化运维管理系统实现

基于以上集成内容与运用模式，研究开发出三维可视化集成管理系统，系统主要功能架构如图1所示。

5.1 可视化查询

可视化模型数据与水电站业务系统进行集成后，可直观进行信息查询，通过传感器装置实时获取和展示采集到的监控信息，如图2所示，在系统中直观查询各机组基本信息，并集成日常信息。

5.2 可视化巡检

在系统中集成了可视化巡检线路，并在系统中进行巡检人员定位、基本信息的录入，水电站管理人员能方便快速调看巡检记录，及时获取巡检状态，录入的信息可按一定规则进行查询与统计，做到可视化管理。在巡检过程中发现故障时，可通过移动端进行故障登记，并在系统中查询设备属性、库存备件等信息。如图3所示。

5.3 可视化培训

基于水电站设备检修规程及三维可视化技术，构建设备检修虚拟培训场景，实现设备操作数字化，在虚拟场景中模拟组装、拆卸、操作设备，水电站工作人员学习之后，能更加准确的理解遇到应急情况时的处理方法和步骤，有效减少应急处理的时间和失误，为工作人员的人身安全提供了有力保障。如图4所示。

5.4 可视化台账

可视化模型与资产管理等系统进行关联，可直接进行合同信息、成本信息、图纸、设备状态等查询与管理。通过点击可视化模型，可以查阅相关台账信息，在可视化系统中根据编码、名称等进行查询与管理，相比传统方式可快速定位，并能直观查看进行分析与决策，如展开各类统计表，包括设备资产统计表、设备损毁分析表、备件情况表、维修情况表等。

5.5 可视化定位

实时显示各定位区人员的位置和行动轨迹。自动生成进出人员的进出记录。可查询、打印进出信息、定位信息，并通过定位轨迹校验巡检人员的行动路线，通过可视化系统对巡检人员进行指示。

5.6 可视化预警

将各类传感器、探测仪、仪表等监测仪器以及工业视频监控设备、消防报警设备等与可视化系统进行关联，实时在可视化平台中监控，确认设备是否正常运行，如红色表示出现故障，在收到报警信息时可快速定位，及时处理。对于各类设备，进行可视化设备缺陷处理，包括缺陷编号、状态（是否建立派工单）、缺陷信息、发现日期、完成日期、故障类别、采取的措施等等，通过数据库能查询追溯其历史状态数据，进行对比与分析。如图5所示。

6 总结与展望

随着数字化技术的不断进步，利用三维可视化技术对水电站运维进行管理成为发展趋势。本文分析了电站运维管理数据对象和业务特点、提出业务数据集成方法，并在软件系统中进行了展示与信息集成实现，使水电站运维管理更加直观、高效与智能，提升了水电站运维管理的数字化与智能化程度，提高了水电站运维管理的效率。

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作者简介

李谧，女，工程师，主要从事BIM技术应用研究。

钟维明，男，高级工程师，主要从事工程数字化方法研究。

作者单位

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川省成都市 610072