三維可視化技術(shù)在水電站運(yùn)維管理中的應(yīng)用

李謐 鐘維明 沈國焱

摘 要 水電站設(shè)計(jì)移交資料眾多，在水電站運(yùn)維管理階段容易發(fā)生移交資料與業(yè)務(wù)系統(tǒng)銜接脫節(jié)、難以在運(yùn)維階段進(jìn)行運(yùn)用等問題。文章通過分析三維可視化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及水電站運(yùn)維管理現(xiàn)狀，將電站水工建筑物、設(shè)備等的運(yùn)行狀態(tài)管理對(duì)象化及可視化，提出水電設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)編碼、成果移交、生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)與可視化集成方法，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驗(yàn)證，證明水電站電力生產(chǎn)采用三維可視化能提高電力運(yùn)行與檢修定位等效率，從而提高生產(chǎn)管理效率。

【關(guān)鍵詞】三維 水電站 可視化運(yùn)維 可視化管理

1 引言

傳統(tǒng)的水電站設(shè)計(jì)與建造主要以圖檔資料進(jìn)行交付，水電站建設(shè)周期較長，交付數(shù)據(jù)量大，圖檔資料不直觀，容易發(fā)生移交資料與水電站運(yùn)維管理中各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的銜接脫節(jié)，加大了電站運(yùn)維人員的工作難度，影響水電站運(yùn)維管理的質(zhì)量與效率。隨著激光掃描、GIS、BIM、全景影像等三維可視化技術(shù)的發(fā)展，水電站設(shè)計(jì)與建造過程中越來越多的工程進(jìn)行三維可視化數(shù)字移交以及可視化展示、會(huì)商、分析與建設(shè)管理。三維可視化移交形象直觀，但在現(xiàn)階段由于缺乏系統(tǒng)集成，電站運(yùn)維人員無法進(jìn)行三維可視化移交數(shù)據(jù)的深入應(yīng)用。因此本文對(duì)三維可視化技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，將三維可視化與水電站運(yùn)維管理結(jié)合，研究如何以三維可視化交付數(shù)據(jù)為載體進(jìn)行信息集成與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在水電站全生命周期管理過程中充分發(fā)揮三維可視化技術(shù)的優(yōu)勢，使水電站運(yùn)維管理更加直觀、高效與智能。

2 水電站三維可視化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

三維可視化技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期誕生的集計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、圖像顯示的綜合性前沿技術(shù)，通過利用空間信息和多維信息的結(jié)合，對(duì)信息進(jìn)行全方位的描述，而后對(duì)信息中的高階異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和智能分析，以達(dá)到將現(xiàn)實(shí)的全域虛擬、全景信息展示的效果。可視化技術(shù)主要分為科學(xué)計(jì)算可視化、信息可視化、知識(shí)可視化及數(shù)據(jù)可視化，在水電站全生命周期中常用的三維可視化技術(shù)通常包括激光掃描、GIS、BIM、全景影像以及利用Unity3D、OpenGL開發(fā)的可視化平臺(tái)等。

（1）激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法獲取高精度點(diǎn)云，獲取水電站三維地面數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的可視化測繪資料。

（2）GIS是近年來迅速發(fā)展的地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的新型空間技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，滿足對(duì)空間信息的管理，并借助空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策。

（3）BIM技術(shù)是利用信息技術(shù)對(duì)項(xiàng)目的幾何、物理和功能信息進(jìn)行全生命周期的表達(dá)與信息存儲(chǔ)，具有可視化設(shè)計(jì)與決策、參數(shù)化設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)修改設(shè)計(jì)、性能分析、協(xié)同設(shè)計(jì)、三維交付、等特點(diǎn)。

三維可視化技術(shù)的應(yīng)用使水電站的設(shè)計(jì)模式、交付模式發(fā)生了變化，也使復(fù)雜的空間對(duì)象有了更直觀更形象的表達(dá)方式。同時(shí)三維可視化技術(shù)中的信息集成使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交付中的信息孤島眾多、信息不對(duì)稱、信息傳遞無序、無效工作眾多等問題有了載體及解決方案。設(shè)計(jì)與建造過程中的三維可視化應(yīng)用也為電站運(yùn)維管理中可視化管理、數(shù)據(jù)接入、信息交互、信息表達(dá)及分析奠定了基礎(chǔ)。通過可視化監(jiān)控，使?jié)撛诘膯栴}直觀顯現(xiàn)，可事先消除存在的隱患，及早解決問題。

3 水電站運(yùn)維管理現(xiàn)狀

水電站運(yùn)維管理過程中，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)眾多，監(jiān)測及數(shù)據(jù)維護(hù)量大，接收的設(shè)計(jì)及建造的數(shù)據(jù)主要以二維資料為主。近年由于三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，部分水電站接收的資料還包括可視化GIS及BIM模型：

（1）水電站運(yùn)維管理過程與水電站設(shè)計(jì)移交資料脫節(jié)。設(shè)計(jì)成果主要是以二維圖紙移交，沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化和結(jié)構(gòu)化，在運(yùn)維管理過程中采用的電站資產(chǎn)運(yùn)行管理、電站值班及維護(hù)等系統(tǒng)，往往需要根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求重新建立電站資產(chǎn)與設(shè)備數(shù)據(jù)庫，而這些系統(tǒng)很難與移交的圖紙相關(guān)聯(lián)。

（2）水電站運(yùn)維管理的系統(tǒng)通常是各司其職，如設(shè)備管理系統(tǒng)、日志維護(hù)系統(tǒng)，工業(yè)視頻系統(tǒng)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)，各系統(tǒng)功能獨(dú)立、數(shù)據(jù)分散，以圖表或者文檔方式記錄與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）水電站的運(yùn)行管理不夠直觀，設(shè)備資源查詢與運(yùn)維數(shù)據(jù)追溯復(fù)雜，當(dāng)需要決策支持時(shí)，出現(xiàn)資料難找、資料不完整或者資料分散、資料呈現(xiàn)復(fù)雜等問題。

（4）電站運(yùn)維人員進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)時(shí)沒有充分利用移交的可視化數(shù)據(jù)，對(duì)在線培訓(xùn)、模擬檢修等三維可視化的應(yīng)用較少。

（5）主要機(jī)電設(shè)備移動(dòng)巡檢采用手工記錄，沒有實(shí)現(xiàn)無紙化和便攜性，使得巡檢記錄沒有做到實(shí)時(shí)性。

（6）移交的GIS及BIM三維可視化模型雖然帶有詳盡的設(shè)計(jì)及施工信息，但是與水電站運(yùn)維的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)沒有進(jìn)行可視化模型及相關(guān)數(shù)據(jù)掛接，移交的可視化數(shù)據(jù)模型不能在運(yùn)維管理階段進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用。

4 水電站運(yùn)維階段可視化數(shù)據(jù)集成方法

通過對(duì)三維可視化特點(diǎn)分析及現(xiàn)有水電站運(yùn)維管理存在的問題進(jìn)行總結(jié)，從水電站運(yùn)維管理可視化集成的角度，對(duì)水電站可視化數(shù)據(jù)集成方法進(jìn)行了以下研究。

4.1 可視化數(shù)據(jù)載體

可視化運(yùn)維管理中的數(shù)據(jù)載體其表現(xiàn)形式為空間幾何模型、數(shù)據(jù)及編碼信息，這就需要對(duì)移交數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式、所要承載的信息進(jìn)行分類，使數(shù)字移交產(chǎn)品在運(yùn)維階段具有可擴(kuò)展性。如對(duì)定期需要檢修的水輪機(jī)，電廠維護(hù)人員需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有詳細(xì)了解。以增量（升級(jí)）方式管理模型版本，為數(shù)字移交應(yīng)用、施工過程仿真等應(yīng)用提供基礎(chǔ)方法：通過移交的可視化數(shù)據(jù)模型對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及其拆卸、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)、仿真模擬等應(yīng)用；通過模型中掛接的圖紙、編碼、工藝工法、采購及合同信息與電廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接，進(jìn)行可視化運(yùn)營與維護(hù)。而對(duì)于水工建筑物里的相關(guān)監(jiān)測儀器，在運(yùn)營維護(hù)階段不需要關(guān)注儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是對(duì)其采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到可視化預(yù)警預(yù)報(bào)的目的。移交的可視化模型只需要其位置及編碼信息，用于與生產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)接。

4.2 可視化數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換

可視化數(shù)據(jù)載體在進(jìn)行移交及系統(tǒng)接入時(shí)需滿足數(shù)據(jù)輕量化及編碼生成、編碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換等要求，通過編碼進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)及對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)輕量化是由于數(shù)據(jù)源的多樣性以及運(yùn)維階段可視化平臺(tái)及移動(dòng)端應(yīng)用的需求，確保數(shù)據(jù)使用流暢。

以可視化模型為基礎(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫，將模型以及對(duì)應(yīng)的圖檔資料進(jìn)行掛接。所掛接的資料及相關(guān)信息根據(jù)水電站運(yùn)營維護(hù)需求按階段進(jìn)行擴(kuò)充，逐步豐富各類信息。以可視化模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)集要與水電站現(xiàn)有運(yùn)營維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行接入，其關(guān)鍵技術(shù)為進(jìn)行編碼與編碼轉(zhuǎn)換，使不同系統(tǒng)之間通過編碼唯一對(duì)應(yīng)以便利用可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維管理。編碼及轉(zhuǎn)換的原則以電站運(yùn)維期編碼（如KKS編碼）進(jìn)行定義及轉(zhuǎn)換。在此之前將數(shù)據(jù)模型分部分項(xiàng)，按照電站編碼規(guī)則進(jìn)行調(diào)整劃分，編碼方式可在模型中以屬性方式添加，也可設(shè)定相關(guān)規(guī)則，進(jìn)行編碼自動(dòng)生成及手動(dòng)調(diào)整。可視化模型數(shù)據(jù)與水電站各運(yùn)維系統(tǒng)通過編碼進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，并作為唯一查詢與標(biāo)識(shí)與各系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，從而實(shí)現(xiàn)與水電站運(yùn)維管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。

4.3 可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入與集成

可視化數(shù)據(jù)經(jīng)過處理及轉(zhuǎn)換，與水電站現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行接入與集成，主要包含：

4.3.1 可視化模型信息查詢

集成的可視化模型不僅具有空間圖形形狀，還具有定位、材質(zhì)、型號(hào)規(guī)格等屬性信息，這部分信息可直接進(jìn)行查詢與統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行所需要信息的篩選，輔助運(yùn)維人員對(duì)工作現(xiàn)場進(jìn)行熟悉、虛擬漫游，同時(shí)在可視化狀態(tài)下對(duì)編碼信息等進(jìn)行復(fù)核與校驗(yàn)。

4.3.2 圖檔信息接入

圖檔信息接入主要指設(shè)計(jì)圖紙、廠家圖紙、相關(guān)文函、紀(jì)要等資料接入，目的是為了將分散的資料以可視化數(shù)據(jù)為載體，以編碼為標(biāo)識(shí)做分類，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行圖檔資料的結(jié)構(gòu)化管理，使原本分散無序的資料按照水電站運(yùn)營管理方式進(jìn)行存儲(chǔ)與可視化管理，提高運(yùn)維人員查詢檢索資料的效率。

4.3.3 臺(tái)帳信息可視化數(shù)據(jù)

臺(tái)帳信息可視化數(shù)據(jù)主要針對(duì)機(jī)電設(shè)備、安全監(jiān)測儀器等，記載其編碼、設(shè)計(jì)成果資料、固有尺寸、安裝位置、出廠設(shè)置等基本信息。

4.3.4 狀態(tài)信息可視化數(shù)據(jù)

狀態(tài)信息主要為基點(diǎn)設(shè)備、安全監(jiān)測儀器的實(shí)時(shí)測值、測值成果、運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.3.5 可視化數(shù)據(jù)與運(yùn)維管理

可視化數(shù)據(jù)與運(yùn)維管理包含基于可視化模型的日常保養(yǎng)維護(hù)信息集成與管理、維修信息集成與管理，以及與運(yùn)維管理知識(shí)庫的集成與管理。

運(yùn)維管理知識(shí)庫包含可視化模擬培訓(xùn)、虛擬演練等，將可視化模型集成動(dòng)作響應(yīng)規(guī)則，在三維可視化場景中進(jìn)行培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，將知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)通過三維可視化場景進(jìn)行積累，把抽象的過程進(jìn)行直觀的展現(xiàn)，保證了可復(fù)用性與可持續(xù)性。

利用RFID（Wi-Fi）室內(nèi)定位技術(shù)，對(duì)日常巡檢人員進(jìn)行室內(nèi)定位，方便電站集控中心對(duì)巡檢人員進(jìn)行定位，發(fā)送指令，確保日常巡檢工作的質(zhì)量與效率。

4.4 可視化監(jiān)控及預(yù)警

可視化監(jiān)控與預(yù)警是系統(tǒng)中十分重要的功能，通過可視化數(shù)據(jù)與生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的集成，直觀表達(dá)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)采集與集成的監(jiān)控信息進(jìn)行預(yù)警與預(yù)報(bào)，輔助管理與決策。以機(jī)電設(shè)備為例，可包含以下可視化監(jiān)控：

（1）設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)可視化：以不同顏色表示運(yùn)行、故障需維修、維修及保養(yǎng)、設(shè)備停運(yùn)等狀態(tài)。

（2）設(shè)備缺陷分析可視化及預(yù)警預(yù)報(bào)：監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，以在數(shù)據(jù)模型中閃爍及系統(tǒng)提示等方式，對(duì)異常情況進(jìn)行可視化預(yù)警預(yù)報(bào)，現(xiàn)場維護(hù)人員能根據(jù)可視化模型進(jìn)行快速定位，了解故障部位。

（3）設(shè)備處置決策可視化：結(jié)合合同及成本管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的修理、改造、更新、報(bào)廢等處置決策進(jìn)行可視化信息集成，當(dāng)運(yùn)維管理決策者對(duì)設(shè)備進(jìn)行了狀態(tài)更新后，現(xiàn)場人員可及時(shí)收到通知，進(jìn)行下一步工作的開展。

5 水電站運(yùn)維階段可視化運(yùn)維管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上集成內(nèi)容與運(yùn)用模式，研究開發(fā)出三維可視化集成管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要功能架構(gòu)如圖1所示。

5.1 可視化查詢

可視化模型數(shù)據(jù)與水電站業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成后，可直觀進(jìn)行信息查詢，通過傳感器裝置實(shí)時(shí)獲取和展示采集到的監(jiān)控信息，如圖2所示，在系統(tǒng)中直觀查詢各機(jī)組基本信息，并集成日常信息。

5.2 可視化巡檢

在系統(tǒng)中集成了可視化巡檢線路，并在系統(tǒng)中進(jìn)行巡檢人員定位、基本信息的錄入，水電站管理人員能方便快速調(diào)看巡檢記錄，及時(shí)獲取巡檢狀態(tài)，錄入的信息可按一定規(guī)則進(jìn)行查詢與統(tǒng)計(jì)，做到可視化管理。在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，可通過移動(dòng)端進(jìn)行故障登記，并在系統(tǒng)中查詢?cè)O(shè)備屬性、庫存?zhèn)浼刃畔ⅰＨ鐖D3所示。

5.3 可視化培訓(xùn)

基于水電站設(shè)備檢修規(guī)程及三維可視化技術(shù)，構(gòu)建設(shè)備檢修虛擬培訓(xùn)場景，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作數(shù)字化，在虛擬場景中模擬組裝、拆卸、操作設(shè)備，水電站工作人員學(xué)習(xí)之后，能更加準(zhǔn)確的理解遇到應(yīng)急情況時(shí)的處理方法和步驟，有效減少應(yīng)急處理的時(shí)間和失誤，為工作人員的人身安全提供了有力保障。如圖4所示。

5.4 可視化臺(tái)賬

可視化模型與資產(chǎn)管理等系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可直接進(jìn)行合同信息、成本信息、圖紙、設(shè)備狀態(tài)等查詢與管理。通過點(diǎn)擊可視化模型，可以查閱相關(guān)臺(tái)賬信息，在可視化系統(tǒng)中根據(jù)編碼、名稱等進(jìn)行查詢與管理，相比傳統(tǒng)方式可快速定位，并能直觀查看進(jìn)行分析與決策，如展開各類統(tǒng)計(jì)表，包括設(shè)備資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表、設(shè)備損毀分析表、備件情況表、維修情況表等。

5.5 可視化定位

實(shí)時(shí)顯示各定位區(qū)人員的位置和行動(dòng)軌跡。自動(dòng)生成進(jìn)出人員的進(jìn)出記錄。可查詢、打印進(jìn)出信息、定位信息，并通過定位軌跡校驗(yàn)巡檢人員的行動(dòng)路線，通過可視化系統(tǒng)對(duì)巡檢人員進(jìn)行指示。

5.6 可視化預(yù)警

將各類傳感器、探測儀、儀表等監(jiān)測儀器以及工業(yè)視頻監(jiān)控設(shè)備、消防報(bào)警設(shè)備等與可視化系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)在可視化平臺(tái)中監(jiān)控，確認(rèn)設(shè)備是否正常運(yùn)行，如紅色表示出現(xiàn)故障，在收到報(bào)警信息時(shí)可快速定位，及時(shí)處理。對(duì)于各類設(shè)備，進(jìn)行可視化設(shè)備缺陷處理，包括缺陷編號(hào)、狀態(tài)（是否建立派工單）、缺陷信息、發(fā)現(xiàn)日期、完成日期、故障類別、采取的措施等等，通過數(shù)據(jù)庫能查詢追溯其歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比與分析。如圖5所示。

6 總結(jié)與展望

隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用三維可視化技術(shù)對(duì)水電站運(yùn)維進(jìn)行管理成為發(fā)展趨勢。本文分析了電站運(yùn)維管理數(shù)據(jù)對(duì)象和業(yè)務(wù)特點(diǎn)、提出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成方法，并在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行了展示與信息集成實(shí)現(xiàn)，使水電站運(yùn)維管理更加直觀、高效與智能，提升了水電站運(yùn)維管理的數(shù)字化與智能化程度，提高了水電站運(yùn)維管理的效率。

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作者簡介

李謐，女，工程師，主要從事BIM技術(shù)應(yīng)用研究。

鐘維明，男，高級(jí)工程師，主要從事工程數(shù)字化方法研究。

作者單位

中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川省成都市 610072