基于水電站監(jiān)測系統(tǒng)的BIM與虛擬引擎技術融合應用研究

劉文元，張 揚，三梅英，劉 靖，甄國強，劉 哲，保守富

（1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司,青海 西寧 810001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

水電站建設時間早,投產(chǎn)運行時間長,運行管理手段更迭速度緩慢。如公伯峽水電站自2004年第一臺機組并網(wǎng)發(fā)電以來,投產(chǎn)時間長達17年,在線監(jiān)測系統(tǒng)仍采用分層分布式結構,集成運行設備的監(jiān)測、分析、診斷、維護和管理信息,來實現(xiàn)遠程診斷與維護管理[1]。相較于現(xiàn)代數(shù)字化手段,早期建設完成水電站存在監(jiān)控系統(tǒng)老舊,設備運行管理技術手段落后,對人力、物力的依賴性較強等問題,均不同程度地影響發(fā)電效益[2]。

隨著三維數(shù)字化、信息化技術水平的提升,以及BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術研究的逐漸深入,大量學者開始著力于提升可視化仿真效果,開展BIM與虛擬引擎融合技術研究,在VR效果展示方面取得一定成果[3-5]。但是,這項技術多用于電子沙盤、項目駕駛艙等以展示為目的、精度要求較低的工程項目,沒有完全發(fā)揮BIM與虛擬引擎融合技術的應用價值。因此,本文研究的融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字電廠真實還原物理電廠的基礎上,將虛擬巡檢、運行數(shù)據(jù)及生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等在模型數(shù)據(jù)上融合展示,實現(xiàn)實時運行環(huán)境、動態(tài)數(shù)據(jù)、活動因素的三維動態(tài)可視化表達；同時,結合電站運行監(jiān)控管理體系,建設虛擬現(xiàn)實運行監(jiān)測預警體系,提高水電站生產(chǎn)運維效率和安全管控水平。

1 BIM+傾斜攝影的多元數(shù)據(jù)融合

BIM提供微觀表達的模型數(shù)據(jù)基礎,傾斜攝影提供環(huán)境與空間地理信息數(shù)據(jù)。BIM精細化模型據(jù)能夠清晰表達和描述機電設備內(nèi)部結構,傾斜攝影模型提供了宏觀可靠的地理環(huán)境基礎。基于微觀領域BIM模型和宏觀領域傾斜攝影模型,應用游戲引擎集成BIM+GIS功能,實現(xiàn)了對地形、建筑、機電設備模型的精細化表達和形象效果展示。

1.1 BIM和傾斜攝影信息模型

BIM信息模型的核心內(nèi)容是模型與信息關聯(lián)。由于電站建成十余年,早期設計成果以二維設計圖紙及報告為主,針對工程特點通過圖紙翻模+現(xiàn)場測量的方式,采用Revit、CATIA等BIM建模軟件對大壩、廠房建筑、機電設備進行參數(shù)化建模,采用Maya、3dsMAX等三維建模軟件對模型進行紋理、渲染等后期處理,模型建設精度LOD400,滿足虛擬現(xiàn)實電站設備運行監(jiān)測需求。

通過無人機傾斜攝影技術采集地形數(shù)據(jù),采取分級采集的方式,多角度在空中拍攝地標對象用以獲取影響數(shù)據(jù),密集匹配多視影像作用下的地表同名點坐標,來快速獲取地表三維數(shù)據(jù)。

1.2 模型組裝

BIM模型組裝一般使用相對坐標系,傾斜攝影模型組裝采用高斯平面直角坐標系來對空間位置信息進行表示,因此,對于BIM模型與傾斜攝影模型數(shù)據(jù)的集成存在坐標不匹配的問題,可以通過坐標轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模型精準組裝。

1.3 動態(tài)模型

動態(tài)模型是在電站設備模型的基礎上配合各種動畫手段,模擬實際真實設備運行狀態(tài),并將設備位置、角度、尺寸、顏色、透明度等模型物理屬性進行參數(shù)化控制,實現(xiàn)模型物理屬性與電站監(jiān)控指標的綁定關聯(lián),從而實現(xiàn)對動態(tài)模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動。

1.4 模型信息數(shù)據(jù)集成展示

BIM數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)在游戲引擎集成展示的過程相對復雜。BIM數(shù)據(jù)的建立基于IFC標準體系,以IFC格式進行數(shù)據(jù)交互流通,傾斜攝影數(shù)據(jù)為OSGB格式數(shù)據(jù),是自帶多級分辨率LOD數(shù)據(jù),用以存儲和交換三維空間信息。數(shù)據(jù)集成的核心在于IFC和OSGB兩種數(shù)據(jù)標準在游戲引擎中的可接納性,而模型效果流暢的核心在于模型的模型資源、貼圖質(zhì)量及渲染效果。

BIM模型通過IFC格式轉(zhuǎn)換導入3ds MAX或Maya,并使用紋理和渲染技術,賦予模型真實材質(zhì),導出為攜帶模型數(shù)據(jù)及材質(zhì)的fbx數(shù)據(jù)格式,最后融合BIM模型數(shù)據(jù)與傾斜攝影地形數(shù)據(jù)的坐標單位、坐標系和投影方式,使BIM數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中。

傾斜攝影模型采用將OSGB模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有相同屬性且能被游戲引擎讀取的3MX數(shù)據(jù)格式,將傾斜攝影模型數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中。

動態(tài)模型根據(jù)其建設方法大致分為水流動態(tài)模型、簡單位移動態(tài)模型、復雜設備運行動態(tài)模型等三類。其中,水流動態(tài)模型采用水流特效Shader、三維動態(tài)標簽和引擎粒子系統(tǒng)結合的方式,通過控制其平面坐標、流速、噴射量,實現(xiàn)庫水位、泄洪流量、流量等水情指標的展示；電氣裝置、油、水、氣管路、控制柜、保護柜等簡單位移動態(tài)模型采用代碼實現(xiàn)補間動畫的方式模擬設備運行控制狀態(tài)；機械、液壓裝置等復雜設備運行動態(tài)模型采用Soildworks建模軟件建模,導入系統(tǒng)后代碼控制動態(tài)展示。

2 融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)為整個數(shù)字化電站提供模型庫、模型管理、模型加載、場景管理、數(shù)據(jù)交互等的三維可視化基礎服務,并將電站監(jiān)控數(shù)據(jù)、人員定位及巡檢機器人定位數(shù)據(jù)集成于水電站監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)基于三維場景的實景管控,提供電站全景式、全視角、透視的三維場景展示及監(jiān)測管理,系統(tǒng)建設技術路線見圖1。

圖1 系統(tǒng)建設技術路線

系統(tǒng)采用Unity游戲引擎,基于HDRP的渲染技術優(yōu)化展示效果,并采用PBR流程開發(fā)。Unity游戲引擎采用C#語言,能夠加載BIM模型及傾斜攝影模型數(shù)據(jù),并通過自主研發(fā)框架搭建數(shù)字電站監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)使用C /S 架構設計,自上而下分為展現(xiàn)層、應用層、數(shù)據(jù)層、平臺層、網(wǎng)絡層5 個層次,具體架構見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構

2.2 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)功能主要包括全景展示、監(jiān)測預警系統(tǒng)管理、人員定位及巡檢機器人定位及電子檔案4個模塊,系統(tǒng)模塊功能見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

全景展示模塊即將輕量化無人機傾斜攝影模型結合建筑、設備精細化模型,構建電站三維基礎場景,通過不同視角交互控制實現(xiàn)電站三維全景漫游,提供熱點導航、漫游控制、自定義巡航、標繪測量等功能。

監(jiān)測預警系統(tǒng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化的設備運行狀態(tài)監(jiān)測,并依據(jù)設備監(jiān)控指標安全范圍,實現(xiàn)設備異常監(jiān)測預警。主要包括電站水情信息統(tǒng)計、設備監(jiān)控指標統(tǒng)計、機組運行狀態(tài)信息展示、監(jiān)控指標數(shù)值可視化、設備異常監(jiān)測預警等功能。

人員定位及巡檢機器人定位模塊能夠?qū)崟r展示人員及智能巡檢機器人定位信息,實現(xiàn)電站智能安全運維管理。

電子檔案模塊通過建立三維設備資料數(shù)據(jù)庫引擎,對設備資料進行可視化,以數(shù)據(jù)的互查、雙向檢索定位的方式管理模型和資料,改變了傳統(tǒng)的以卷宗、圖紙為載體的基礎信息管理模式,實現(xiàn)檔案資料的高效管理。檔案類型主要包括設備圖紙、說明書、設備臺賬、檢修臺賬等。

3 工程案例應用

以公伯峽水電站為例,建設融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng)。公伯峽水電站樞紐主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄水建筑物三大部分組成,電站右岸岸邊引水式地面廠房內(nèi)安裝5臺單機容量300 MW的水輪發(fā)電機組及其附屬設備,總裝機容量1500 MW。

該系統(tǒng)通過融合建筑物BIM模型、地形傾斜攝影模型、機電設備BIM模型、監(jiān)測設備模型,實時監(jiān)測數(shù)據(jù),對公伯峽水電站設備進行可視化管理,對設備運行狀態(tài)及人員、巡檢機器人定位進行監(jiān)測預警。

3.1 三維可視化展示與管理

采用BIM技術對公伯峽水電站廠房、開關站等建筑物、機電設備、監(jiān)測設備等進行三維可視化建模及渲染處理,見圖4。

圖4 機組BIM模型

采用傾斜攝影技術完成三維實景建模,模型精度按照項目需求分成高精度和較低精度兩類,見圖5、圖6。

圖5 高精度傾斜攝影模型

圖6 較低精度傾斜攝影模型

基于Unity游戲引擎通過自主研發(fā)實現(xiàn)水流、機械、液壓裝置、控制柜、保護柜、電氣裝置等動態(tài)模型建模及渲染,見圖7。

圖7 水輪機動態(tài)模型

將BIM模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型及動態(tài)模型在游戲引擎中集成,完成整體三維場景搭建,真實展現(xiàn)電站三維場景、機電設備結構、監(jiān)測設備分布及人員、巡檢機器人定位等,見圖8～圖10。

圖8 電站全景展示

圖9 主廠房三維BIM模型

圖10 人員及巡檢機器人定位

3.2 電站運行監(jiān)測預警

監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型進行關聯(lián),BIM模型通過模型結構樹對電站場景模型、設備模型等進行集中管理,利用模型結構樹或拾取三維場景中的實體對象,能夠查詢并顯示實體的屬性信息,見圖11。

圖11 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢管理

系統(tǒng)運行后可對監(jiān)測數(shù)據(jù)變化進行實時管理,通過對相關算法和規(guī)則的設置,實現(xiàn)觸發(fā)式預警預報并發(fā)送實時預警信息,預警信息包含所監(jiān)測設備的異常值及相關處理方式。同時,系統(tǒng)界面對異常設備通過異常色提醒展示,管理人員能夠通過分層顯示的三維標簽引導查看監(jiān)控參數(shù),監(jiān)測預警界面見圖12。

圖12 監(jiān)測預警管理

3.3 人員定位及巡檢機器人定位管理

系統(tǒng)集成人員及巡檢機器人管理系統(tǒng)定位數(shù)據(jù),通過坐標轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)定位信息三維場景中實時展示,見圖13。

4 結語

本文探索了融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng)建設的方法,研究了BIM模型、傾斜攝影模型和動態(tài)模型建模、坐標轉(zhuǎn)換、模型數(shù)據(jù)集成、融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng)設計與開發(fā)等關鍵技術,搭建了融合BIM與虛擬引擎技術的水電站監(jiān)測系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應用于公伯峽電站機電設備監(jiān)測管理中,實現(xiàn)了電站設備運行監(jiān)測預警仿真,有效提高電站設備運行管理效率。