基于數字孿生的智能水電廠建設初步研究

梁 艷，徐希濤，徐靜波，郭正揚，謝小燕

［南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211000］

0 引言

隨著信息化、數字化技術的高速發展，水電廠智能化建設邁入了新階段，一方面建設了綜合一體化平臺，實現數據共享和統一管理。另一方面，通過數字化和網絡化，實現了互聯互通，獲取更全面的設備狀態信息[1]。為進一步提高管理效率和管理水平，響應國家大力提倡的工業化與信息化深度融合的要求，傳統水電工程的建設管理模式也在不斷創新[2]，數字孿生技術逐漸用于水電廠的施工建設和管理運行中[3-5]。GB/T 40222—2021《智能水電廠技術導則》對數字孿生進行了明確定義，即數字孿生是用于理解、預測和優化實體對象性能的數字仿真。利用數字孿生技術可將真實和虛擬兩個維度的水電廠進行連接，結合傳感器技術、物聯網技術、虛擬仿真技術等實現兩者的同步仿真運行和虛實交互。2021 年水利部先后出臺了《“十四五”智慧水利建設規劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設規劃》等系列文件，大力推進數字孿生流域建設。水電廠作為水利樞紐的重要組成部分，其數字孿生建設是數字孿生流域建設的切入點和突破點。

目前數字孿生技術成為研究熱點，智能水電廠建設只是要求了對建筑物和機電設備進行三維數字化建模以及對部分設備運行工況進行三維可視化運行模擬仿真，與數字孿生要求的雙生交互還有較大差距，主要體現在三個方面：一是現地感知體系建設還不完善，工程和流域上的對水電廠運行管理影響的環境和工況信息采集還需要進一步補充；二是智能水電廠基于數字孿生技術的表達不成熟，海量多源數據采用數字孿生技術的表達方式還沒有規范的方法；三是數字孿生技術與業務應用的結合不夠，應用功能和交互方式面臨挑戰。因此，本文結合智能水電廠的框架，基于一般性的部署手段，初步構建了智能水電廠的數字孿生架構，探索基于數字孿生技術的應用模式和功能，為數字孿生技術在智能水電廠建設中落地應用提供方法參考。

1 整體架構

基于數字孿生的智能水電廠技術架構中共分為五部分：基礎支撐層、數據互動層、數字孿生底座、數字孿生平臺以及數字孿生應用，具體架構如圖1 所示。其中，基礎支撐層提供孿生建模和運行的數據來源，包括水工建筑物、水電廠設備和智能傳感器構成的數字化的感知體系和基礎設施體系。數據互動層負責數據的采集、傳輸及處理，采用多種方式混合組網的方式，構建水電廠通信網絡，為數字化提供高質量的基礎通信網絡，實現孿生水電廠和物理水電廠雙向數據互動傳輸。數字孿生底座主要由實體感知數據、GIS 空間信息和BIM 模型組成，在此基礎上對各種精度和來源的空間數據（矢量數據、地形數據、影像數據、傾斜攝影數據、激光點云數據等）和業務數據（圖像數據、屬性數據、監測數據等）進行融合，構建數據資源層級無縫轉換、數據與地形無縫構建的可視化場景，以滿足工程數據層級瀏覽應用需求。數字孿生平臺包括二三維GIS 平臺和三維實時仿真引擎（目前一般采用游戲引擎），在數字孿生平臺之上，根據應用需求，進行各類場景可視化、業務應用仿真、設備的運行仿真培訓與檢修以及全壽命周期管理等業務的數字孿生交互設計和業務實現。

2 數字孿生底座

以GIS+BIM 構建數字孿生底座，將BIM 模型轉換成與GIS 數據標準兼容的格式，在同一個場景中顯示BIM 和GIS信息。根據《數字孿生水利工程技術導則》中的規定，對不同級別的模型數據進行創建。同時，將感知體系中感知的數據與場景中的實體進行孿生連接與融合。

2.1 感知體系完善

目前智能水電廠建設感知體系主要側重于廠內機電設備工況、樞紐工程安全、流域水雨情等站點數據采集，采集到的都是點狀的數據，對具有河道、流域等層級的數據采集缺乏，如河道的大斷面、流域上的面雨量分布，土壤墑情分布等。隨著衛星遙感、無人機監測、水下測量、物聯網通信等技術的發展，在數字孿生這種具有三維表達能力的技術下，需要對智能水電廠感知體系進一步完善。因此本文需要以衛星遙感等先進技術為手段，建設完善“天空地一體化”的感知體系，從多尺度、多維度對水電廠的建設、運行、管理等方面進行感知手段補充。

2.2 地理空間數據

2.2.1 L1 級數據

利用水利部全國范圍的DOM 數據（分辨率優于2m）和30m 格網精度DEM 數據，對流域影像和地形數據執行三維切片操作，融合DOM 數據和DEM 數據以及流域邊界劃線圖層、水系線圖層等形成L1 級數據底圖服務。支持HTTP 協議，提供網絡地圖服務（WMS），返回地圖格式包括PNG、GIF、JPEG、TIF 等柵格形式或SVG 等矢量形式。

2.2.2 L2 級數據

在L1 級數據底圖的基礎上，疊加水電廠及周邊的航攝影像和地面高程數據，獲取高精度的水下地形數據，形成L2 級地理空間數據。經處理將地圖轉換成包含圖片和數據的分層瓦片格式或緩存，通過JavaScript 和XMLHttpRequest API 實現動態獲取地圖。

2.2.3 L3 級數據

在L1 級、L2 級數據底板基礎上，根據高精度數字正射影像和地面高程數據、水電廠區域航空傾斜攝影、重點水利建筑設施及關鍵機電設備的 BIM 數據構建L3 級地理空間數據底板。

傾斜攝影實景三維模型：利用傾斜攝影技術獲取下視影像地面傾斜影像，制作地面傾斜攝影模型，并對重要建筑物進行單體化處理。通過專業軟件進行影像數據整理、像控點量測、模型修飾及模型拼接等工作。傾斜攝影精度分辨率優于8cm，重點水工建筑物等優于3cm，并在內業處理階段進行輕量化處理。

BIM 模型：搜集流域內中大型大壩建設設計圖紙，結合現場采集的紋理圖像、貼圖制作等方式，建設場景設施設備模型，如機械、液壓裝置、電氣裝置、油、水、氣管路等模型，嚴格按照產品手冊和圖紙進行1:1 全尺寸三維建作，場景布局等應與現場一致，對于BIM 的建模精度，T/CWHIDA 0006—2019《水利水電工程設計信息模型交付標準》進行了相應的規定。水電廠土建模型、室內模型、水輪機模型、傳感器模型等精度應不低于該標準相應規定，模型精度標準如表1 所示。

表1 CWHDIA006—2019 中LOD 的定義Table 1 Definition of LOD in CWHDIA006—2019

選擇Solidworks、3DS Max、blender 等主流建模軟件，基于CAD 圖紙的建筑物BIM 建模、三維激光點云掃描、傾斜攝影、人工建模等方式，搭建適用于不同場景的各種精度的三維模型。模型文件兼容主流格式（rvt、ifc、fbx），形成一致性的輕量化數據結構。針對大型的BIM 文件可進行分包處理，制定分包數據結構，在不同分包中構建與幾何的關聯關系與重組策略。

2.3 數據融合

將地理空間數據、三維模型數據、監測數據、文件數據、音視頻數據等按標準規范統一編碼和映射，建立空間實體對象與業務對象間的關系連接，通過統一接口規范及索引技術實現業務數據的融合和應用，滿足數字孿生應用中實體對象與業務數據的圖形交互應用。標注三維模型所涉及的主要技術參數（水頭、壓力、流量、尺寸、重量、材質等）、檢修電子檔案、廠家等信息支撐實時數據渲染、數據綜合查詢、空間分析應用、多維度統計分析等功能。

3 數字孿生平臺

3.1 數字孿生引擎

數字孿生平臺主要依托數字孿生引擎，在數字孿生底座的基礎上對各種數據進行融合。根據應用側重點的不同，可分別采用二三維一體化GIS 和游戲引擎，或者將兩者結合的方式。GIS 與WebGL（Web Graphics Library）相結合，建立三維虛擬場景，具備GIS 服務發布、管理、聚合、多層次擴展及地物建模添加、地形和模型實時交互等功能。GIS 技術與高仿真引擎技術UE（虛幻引擎）、Unity 3D 進行融合，可確保GIS 和模型數據的高效可視化。

3.2 各類對象數字孿生表達方式

數字孿生底座中獲得各層級數據主要分為點狀、線狀、面狀三類對象，在不同的層級中表達的形式不一樣，需要定義和規范不同種類物體在不同層級下的表達方式，如雨量站在L1 級和L2 級展示中，用點狀對象表達即可，到L3 級中，則采用面狀包圍體和局部線狀表達，機電設備的表達與此類似。工程樞紐則是在L1 級展示中，用面狀或者簡單面狀包圍體表達，但是到L2、L3 則是采用面狀包圍體表達（L2、L3 層級中采用不同精度的三維模型，均采用三角面片實時渲染而成）。此外，本文中新增的衛星遙感、水下測量等數據也需要規范其表達，衛星遙感與衛星云圖等表示空間面狀上的信息采用紋理與地形進行貼合表達，水下測量的河道大斷面，采用多邊形面進行表達（實質也是三角面片組成）。

4 數字孿生應用

通過包括三維GIS、BIM 數字建模、可視化渲染、輕量化技術等數字孿生技術的使用，動態、高性能地加載和渲染不同層級的場景，支撐數字孿生的模擬仿真功能，滿足水電廠各種業務應用需求，實現數據驅動場景和仿真優化迭代的雙向交互。

4.1 流域及水電廠漫游

集成流域DOM 數據、DEM 數據、矢量圖層、傾斜攝影數據、BIM 模型數據等，通過參數設定，實現流域和水電廠的自定義飛行，從宏觀上掌控流域和工程全局，同時為流域防洪減災、水電數字調配等提供交互場景支撐。圖2 為流域飛行示意圖。

圖2 流域飛行示意圖Figure 2 Schematic diagram of river basin flight

4.2 水電廠仿真運行

通過與各種智能傳感監測點的綁定，可在水電廠孿生體中實現水電廠的仿真運行，通過業務數據驅動模型的顯示，包括實時水位的變化、閘門的啟閉、水輪機的運轉等，實現物理水電廠與孿生水電廠同步仿真運行。同時在孿生體中可統籌考慮耗水率和發電效益等多重目標仿真經濟運行負荷最優分配表，及與其他電站聯動運行的負荷聯動調整策略等。圖3 為仿真示意圖。

圖3 仿真示意圖Figure 3 Schematic diagram of simulation

4.3 防洪“四預”應用

建設水動力模型、水庫調度模型、安全監測模型、水質安全模型等水利水電專業模型，梳理水電廠業務邏輯，對海量數據進行結構化組織與重構，構建知識庫，構建水電廠數字孿生“預報—預警—預演—預案”四預應用，結合實時運行狀況、水利模型預測結果、人工智能分析結果等，在水電廠孿生體中進行可視化預演，迭代優化，形成最佳預案。

4.4 設備全生命周期管理

嚴格按照設備的位置、尺寸、結構建立的BIM 模型，可清晰展示設備所處位置和設備的結構，關聯設備運行參數、圖紙資料、檢修資料、保養信息等。設備信息可進行實時展示，設備運行狀態異常、超壽命服役等信息可進行告警提示并差異化（高亮度等）顯示，形成水電廠設備設施的全生命周期管理[6]，能有效應對設備故障等突發事件。圖4 為設備技術文檔展示示意圖。

圖4 設備技術文檔展示示意圖Figure 4 Schematic diagram of equipment technical documents

4.5 虛擬巡檢

依據水電廠三維建模和AR（Augmented Reality）增強現實技術，可實現針對水輪機發電組、地下廠房、廊道等不同場景巡檢任務的定制。路徑規劃可自定義，在三維場景中繪制行走路線，手動添加路線中的興趣停留點。在虛擬巡檢中，自動記錄巡檢路線、設備參數、監測數據等，生成巡檢日志。尤其針對關鍵設備、報警設備、故障設備可實現快速巡檢。虛擬巡檢可增大巡檢范圍和頻率，結合人工巡檢方式，提高巡檢工作效率。圖5 為可視化巡檢示意圖。

圖5 可視化巡檢示意圖Figure 5 Visual patrol diagram

4.6 檢修培訓仿真

采用VR 技術（虛擬現實技術），通過視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，形成互動式運維檢修仿真，進一步提高檢修管理水平，提高員工應對事故及故障處理能力，仿真對象包括水輪機、水輪發電機、調速器等主要設備，依據檢修規程、作業指導書、按設備圖紙，建立局部和整體裝配三維模型。通過快速聚焦、光學空間定位、慣性動作捕捉、二三維聯動等關鍵技術的應用，準確定位檢修員工及檢修對象的位置及姿態，捕捉其在三維空間的運動狀態。圖6 為水輪機檢修示意圖。

圖6 水輪機檢修示意圖Figure 6 Schematic diagram of hydraulic turbine maintenance

4.7 數字全景大屏

通過大屏組態，綜合應用HTML5、Hybrid、數據資源池、輕量化技術、可視化渲染、云渲染等技術，建設數字全景大屏，依托數據孿生底座，實現海量數據的匯聚和分析及面向多終端場景的可視化數據應用，提高智慧化水平。

5 結束語

數字孿生作為真實物理系統的虛擬、邏輯鏡像，結合傳感器技術、物聯網技術、仿真技術，能如實、精確、實時地反應水電廠實體的全生命周期過程[7]，實現真實、虛擬兩個維度水電廠的同步仿真運行和虛實交互。后續將進一步研究仿真機理模型，通過人工智能、大數據分析等技術提高系統理解、預測和優化實體對象性能的數字仿真水平，為智能水電廠的運行和管理提供更加有力的技術支持，進一步提升水電廠的運行管理水平和社會經濟效益，推動水電廠智能化向更深層次發展。