基于水电站监测系统的BIM与虚拟引擎技术融合应用研究.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：1 6 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 1 2 2-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023基于水电站监测系统的BIM与虚拟引擎技术融合应用研究刘文元1，张扬，三梅英1，刘靖1,甄国强1，刘哲1，保守富1（1.青海黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁8 1 0 0 0 1；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 6 5)【摘要】针对水电站设备运行状态监测与三维可视化表达问题，融合BIM与虚拟引擎技术搭建水电站监测系统。该系统集成水电站BIM模型及动态演示模型，关联监测数据，实时反映电站运行状态及预警信息，形成虚拟现实的水电站运行监测预警体系。系统应用在公伯峡水电站运行监测中，不仅促进电站监测系统升级管理，有效提升电站运行的管理效率，也为数字化、智能化、智慧化电站建设奠定基础。【关键词数字化电站；监测预警；设备运行；BIM；虚拟现实中图分类号TP391.9文献标识码】AResearch on the Fusion Application of BIM and Virtual Engine Technology Based onHydropower Station Monitoring SystemLiu Wenyuan,Zhang Yang,San Meiyingl,Liu Jing,Zhen Guoqiang,Liu Zhe,Bao Shoufu(1.Qinghai Huanghe Hydropower Development Co.,Ltd.,Xining 810001,Qinghai;2.PowerChina Northwest EngineeringCo.,Ltd.,Xian 710065,Shaanxi)Abstract:Aiming at the problem of operation status monitoring and three-dimensional visualization expression ofhydropower station equipment,the hydropower station monitoring system is built by integrating BIM and virtual enginetechnology.The system integrates BIM model and dynamic demonstration model of hydropower station,associates monitoringdata,reflects the operation status and early warning information of hydropower station in real time,and forms a virtual realityhydropower station operation monitoring and early warning system.The application of the system in the operation monitoringof Gongboxia hydropower station not only promotes the upgrade management of the power station monitoring system,effectively improves the management efficiency of the power station operation,but also lays the foundation for the constructionof digital,intelligent and intelligent power stations.Key words:Digital power station;monitoring and early warning;equipment operation;BIM;Virtual realityCIS、物联网、移动互联网等技术研究的逐渐深人，大量学者0引言开始着力于提升可视化仿真效果，开展BIM与虚拟引擎融合水电站建设时间早，投产运行时间长，运行管理手段更技术研究，在VR效果展示方面取得一定成果 1 3-5。但是，这迭速度缓慢。如公伯峡水电站自2 0 0 4年第一台机组并网发项技术多用于电子沙盘、项目驾驶舱等以展示为目的、精度电以来，投产时间长达1 7 年，在线监测系统仍采用分层分布要求较低的工程项目，没有完全发挥BIM与虚拟引擎融合技式结构，集成运行设备的监测、分析、诊断、维护和管理信术的应用价值。因此，本文研究的融合BIM与虚拟引擎技术息，来实现远程诊断与维护管理。相较于现代数字化手段，的水电站监测系统在数据驱动数字电厂真实还原物理电厂的早期建设完成水电站存在监控系统老旧，设备运行管理技术基础上，将虚拟巡检、运行数据及生产管理数据等在模型数手段落后，对人力、物力的依赖性较强等问题，均不同程度据上融合展示，实现实时运行环境、动态数据、活动因素的地影响发电效益2。三维动态可视化表达；同时，结合电站运行监控管理体系，随着三维数字化、信息化技术水平的提升，以及BIM、建设虚拟现实运行监测预警体系，提高水电站生产运维效率收稿日期 2 0 2 2-1 1-0 7【作者简介刘元文（1 96 7-），男，青海西宁人，高级工程师，主要从事水电站运行管理工作。122第9 期2023年9 月和安全管控水平。1BIM+倾斜摄影的多元数据融合BIM提供微观表达的模型数据基础，倾斜摄影提供环境与空间地理信息数据。BIM精细化模型据能够清晰表达和描述机电设备内部结构，倾斜摄影模型提供了宏观可靠的地理环境基础。基于微观领域BIM模型和宏观领域倾斜摄影模型，应用游戏引擎集成BIM+GIS功能，实现了对地形、建筑、机电设备模型的精细化表达和形象效果展示。1.1BIM和倾斜摄影信息模型BIM信息模型的核心内容是模型与信息关联。由于电站建成十余年，早期设计成果以二维设计图纸及报告为主，针对工程特点通过图纸翻模+现场测量的方式，采用Revit、CATIA等BIM建模软件对大坝、厂房建筑、机电设备进行参数化建模，采用Maya、3d s MA X 等三维建模软件对模型进行纹理、煊染等后期处理，模型建设精度LOD400,满足虚拟现实电站设备运行监测需求。通过无人机倾斜摄影技术采集地形数据，采取分级采集的方式，多角度在空中拍摄地标对象用以获取影响数据，密集匹配多视影像作用下的地表同名点坐标，来快速获取地表三维数据。1.2模型组装BIM模型组装一般使用相对坐标系，倾斜摄影模型组装采用高斯平面直角坐标系来对空间位置信息进行表示，因此，对于BIM模型与倾斜摄影模型数据的集成存在坐标不匹配的问题，可以通过坐标转换方式实现模型精准组装。1.3动态模型动态模型是在电站设备模型的基础上配合各种动画手段，模拟实际真实设备运行状态，并将设备位置、角度、尺寸、颜色、透明度等模型物理属性进行参数化控制，实现模型物理属性与电站监控指标的绑定关联，从而实现对动态模型的数据驱动。1.4模型信息数据集成展示BIM数据和倾斜摄影数据在游戏引擎集成展示的过程相对复杂。BIM数据的建立基于IFC标准体系，以IFC格式进行数据交互流通，倾斜摄影数据为OSGB格式数据，是自带多级分辨率LOD数据，用以存储和交换三维空间信息。数据集成的核心在于IFC和OSGB两种数据标准在游戏引擎中的可接纳性，而模型效果流畅的核心在于模型的模型资源、贴图质量及染效果。BIM模型通过IFC格式转换导人3dsMAX或Maya,并使用纹理和染技术，赋予模型真实材质，导出为携带模型数据及材质的fbx数据格式，最后融合BIM模型数据与倾斜摄影地形数据的坐标单位、坐标系和投影方式，使BIM数据存人系统中。倾斜摄影模型采用将OSGB模型数据转换为具有相同属性且能被游戏引擎读取的3MX数据格式，将倾斜摄影模型数据存人系统中。动态模型根据其建设方法大致分为水流动态模型、简单位移动态模型、复杂设备运行动态模型等三类。其中，水流陕西水利Shaanxi Water Resources动态模型采用水流特效Shader、三维动态标签和引擎粒子系统结合的方式，通过控制其平面坐标、流速、喷射量，实现库水位、泄洪流量、流量等水情指标的展示；电气装置、油、水、气管路、控制柜、保护柜等简单位移动态模型采用代码实现补间动画的方式模拟设备运行控制状态；机械、液压装置等复杂设备运行动态模型采用Soildworks建模软件建模，导入系统后代码控制动态展示。2融合BIM与虚拟引擎技术的水电站监测系统设计与实现监测系统为整个数字化电站提供模型库、模型管理、模型加载、场景管理、数据交互等的三维可视化基础服务，并将电站监控数据、人员定位及巡检机器人定位数据集成于水电站监测系统，实现基于三维场景的实景管控，提供电站全景式、全视角、透视的三维场景展示及监测管理，系统建设技术路线见图1。模型构建模型导人及管理数据接人地形模型静态导人建筑模型静态模型+设备模型+模型编码资料文件录人电子档案水流模型数据接口机械液压参数化控制动态模型电气装置管路模型控制柜图1 系统建设技术路线系统采用Unity游戏引擎，基于HDRP的煊染技术优化展示效果，并采用PBR流程开发。Unity游戏引擎采用C#语言，能够加载BIM模型及倾斜摄影模型数据，并通过自主研发框架搭建数字电站监测系统。2.1系统架构系统使用C/S架构设计，自上而下分为展现层、应用层、数据层、平台层、网络层5个层次，具体架构见图2。展现层监控大屏端三维数字化电站应用应用层系统接口面积、测距三维模型地表建筑设施单台机组设备图纸数据层设备台账模型内部及设备高精度模创建模型创建型创建说明书检修台账计算机监控系统模型管理数据集成场景管理数据管理三维数字用户管理权限管理菜单管理数据调用平台服务器存储基础软件灾备计算资源网络层内网有线局域网4G5G物联网无线局域网图2系统架构2.2系统功能设计与实现系统功能主要包括全景展示、监测预警系统管理、人员定位及巡检机器人定位及电子档案4个模块，系统模块功能见图3。123No.9September,2023功能应用漫游控制场景管理自动巡航热点导航标绘设置实时监控情系统系统电脑PC端场景展示机器人位置阅览电子档案动态模型设备资料系统业务系统智能巡检机器人系统安全管控系统档案系统第9期2023年9 月游陕西水利ShaanxiWater Resources三维数字化平台全景展示监控系统监控系统报警测电No.9September,2023采用倾斜摄影技术完成三维实景建模，模型精度按照项目需求分成高精度和较低精度两类，见图5、图6。人员及机器人定位电子档案可资视化查询贝料维护数值可视化计人员定位机器人定位图3系统功能模块全景展示模块即将轻量化无人机倾斜摄影模型结合建筑、设备精细化模型，构建电站三维基础场景，通过不同视角交互控制实现电站三维全景漫游，提供热点导航、漫游控制、自定义巡航、标绘测量等功能。监测预警系统模块能够实现三维可视化的设备运行状态监测，并依据设备监控指标安全范围，实现设备异常监测预警。主要包括电站水情信息统计、设备监控指标统计、机组运行状态信息展示、监控指标数值可视化、设备异常监测预警等功能。人员定位及巡检机器人定位模块能够实时展示人员及智能巡检机器人定位信息，实现电站智能安全运维管理。电子档案模块通过建立三维设备资料数据库引擎，对设备资料进行可视化，以数据的互查、双向检索定位的方式管理模型和资料，改变了传统的以卷宗、图纸为载体的基础信息管理模式，实现档案资料的高效管理。档案类型主要包括设备图纸、说明书、设备台账、检修台账等。3工程案例应用以公伯峡水电站为例，建设融合BIM与虚拟引擎技术的水电站监测系统。公伯峡水电站枢纽主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成，电站右岸岸边引水式地面厂房内安装5台单机容量30 0 MW的水轮发电机组及其附属设备，总装机容量1 50 0 MW。该系统通过融合建筑物BIM模型、地形倾斜摄影模型、机电设备BIM模型、监测设备模型，实时监测数据，对公伯峡水电站设备进行可视化管理，对设备运行状态及人员、巡检机器人定位进行监测预警。3.1三维可视化展示与管理采用BIM技术对公伯峡水电站厂房、开关站等建筑物、机电设备、监测设备等进行三维可视化建模及煊染处理，见图4。图5高精度倾斜摄影模型图6 较低精度倾斜摄影模型基于Unity游戏引擎通过自主研发实现水流、机械、液压装置、控制柜、保护柜、电气装置等动态模型建模及染，见图7。图7 水轮机动态模型将BIM模型数据、倾斜摄影模型及动态模型在游戏引擎中集成，完成整体三维场景搭建，真实展现电站三维场景、机电设备结构、监测设备分布及人员、巡检机器人定位等，见图8 图1 0。图8 电站全景展示图9主厂房三维BIM模型图1 0 人员及巡检机器人定位3.2电站运行监测预警监测数据与BIM模型进行关联,BIM模型通过模型结构树对电站场景模型、设备模型等进行集中管理，利用模型结图4机组BIM模型:124（下转第1 2 7 页）第9期2023年9 月通信融合、业务融合、数据融合等技术，打破传统“信息孤岛”作战模式，建设高融合的管控、调度及指挥系统，跨越传统显控系统指挥大厅、会商区、监控区及不同的业务部门之间不能实现信息相互共享、互联互通的壁垒。(2)协同化通过建设视频会商系统及融合通信系统，让所有人员、地点所拥有各种不同类型终端通过视频会议及通信通信技术，简化沟通方式，提高沟通效率。不管针对组织部门或个人日常的工作，均可实现高效协同。(3)可视化中心城区排水系统区域运营监控中心，通过分布式显控/坐席以及调度指挥可视化平台的建设，将大屏显示控制、分布坐席管理、日常运维、大屏指挥等重要工作进行实时的可视化操作，解决传统显控系统在进行视频信号、指挥中心设备调度时，处于“盲操盲控”方式，实现对信号及现场设备进行有效的预览监控。7结论本文结合广东省中山市中心城区路面积水问题进行了相关的调研和研究，研究结论如下：（1）排水系统存在的主要问题为市政雨水管道未覆盖完全、城市雨水管道设计标准偏低、市政雨水排水设施不完善陕西水利Shaanxi Water Resources和部分雨水系统设施陈旧老化。（2）污水系统现状主要存在问题为污水管与截污管互相串接、截污设施与河涌连通导致河水倒灌、雨污分流不彻底、管网与城市发展进度不匹配和污水干管未完全拉通。（3）智慧排水平台工程是解决当前排水问题的关键，此工程的建立主要与两个方面相关，即感知神经元方案设计和感知神经元分级。（4)排水系统区域运营监控方案是解决中心城区积水问题的重要一环，须打造高融合、协同化、可视化的管控、调度及指挥中心。1赵孟哲.区域市政排水系统专项规划设计研究 J.北方建筑,2 0 2 2,7 (0 5):2 7-30.2宋培忠，吴雪.市政排水系统设计中应对暴雨积水的措施分析 J.工程技术研究,2 0 2 2,7（1 5）：1 7 9-1 8 1.3邱晓莹.市政雨水排水系统的优化设计 J.价值工程，2 0 2 2,41(20):74-76.4石会霞.市政道路排水管道施工质量问题预防分析 J.建材发展导向,2 0 2 2,2 0（1 2):1 7 8-1 8 0.5宫经成，曹瑞良，王立强，等.排水单元管理对水环境的影响及技术措施 J.施工技术（中英文）,2 0 2 2,51（0 5）：1 1 0-1 1 3.No.9September,2023参考文献（上接第1 2 4页）构树或拾取三维场景中的实体对象，能够查询并显示实体的属性信息，见图1 1。4结语系统运行后可对监测数据变化进行实时管理，通过对相关算法和规则的设置，实现触发式预警预报并发送实时预警信息，预警信息包含所监测设备的异常值及相关处理方式。同时，系统界面对异常设备通过异常色提醒展示，管理人员能够通过分层显示的三维标签引导查看监控参数，监测预警界面见图1 2。本文探索了融合BIM与虚拟引擎技术的水电站监测系统建设的方法，研究了BIM模型、倾斜摄影模型和动态模型建模、坐标转换、模型数据集成、融合BIM与虚拟引擎技术的水电站监测系统设计与开发等关键技术，搭建了融合BIM与虚拟引擎技术的水电站监测系统，并将该系统应用于公伯峡电站机电设备监测管理中，实现了电站设备运行监测预警仿真，有效提高电站设备运行管理效率。参考文献图1 1 监测数据查询管理3.3人员定位及巡检机器人定位管理系统集成人员及巡检机器人管理系统定位数据，通过坐标转换，实现定位信息三维场景中实时展示，见图1 3。图1 3人员及巡检机器人定位管理图1 2 监测预警管理1乔海山.公伯峡水电站水轮发电机组在线监测系统应用 J.水电自动化与大坝监测,2 0 0 7（0 5）：41-43.2黄勇，贾新会，刘晓东，等.基于“BIM+”技术的水电站智慧运维管控平台 J.西北水电，2 0 2 1（0 4）：8 7-91+96.3林培玲，黄龙杰，刘俊英，等.基于VR技术的智能变电站运行仿真培训系统 J.信息技术，2 0 2 2（0 1）：1 0 7-1 1 3.4】杨凯峰，布和，张瑞强，等.基于VR技术的电力施工现场精准控制系统设计 J.自动化技术与应用，2 0 2 2,41（0 1）：1 2 5-1 2 8+1 6 1.5汝会通，赵继升，付学志，等.虚拟现实VR技术在变电站智能培训中的应用 J.集成电路应用，2 0 2 1,38（1 2）：2 2 4-2 2 5.127