“模型驱动 数据驱动”的水电站智能仿真系统研究与应用.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 12 9-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023“模型驱动+数据驱动”的水电站智能仿真系统研究与应用刘哲1,宋璇”，贺晓强1，黄勇，桑杰才让1，焦信俊1，胡金林，张子健1，周鹏（1.青海黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁8 10 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 10 0 6 5)【摘要针对水电站运维培训复杂、抽象、专业度高等特点，结合现有基础知识和运维经验，研究基于“模型驱动+数据驱动”的水电站智能仿真系统。将三维数字化模型和仿真技术相融合，使用3dsMAX建模、ORGE引擎搭建三维数字化静态模型，统一KKS码映射模型与数据，使模型、原理图、逻辑关系、实际设备一一对应，利用Unity3D开发数据驱动模型、模型反映数据的三维动态可视化模型，构建全时空、全方位、多维度、沉浸式的水电站实时状态虚拟场景，实现水电站运维过程的精确仿真和预演预报。选取公伯峡水电站进行应用论证，运用该系统进行运维人员仿真培训，证明电站运维人员的基础知识、操作能力和判断能力有效提升，为公伯峡水电站安全运行、经济增效提供有力支撑。【关键词智能仿真；模型驱动；数据驱动；公伯峡水电站；数字化中图分类号TP391.9文献标识码A站智能仿真系统，构建全时空、全方位、多维度、沉浸式的0前言水电站实时状态虚拟场景，实现水电站运维过程的精确仿真“十四五”是实现碳达峰的关键期、推进碳中和的起步和预演预报。期，我国要实现碳达峰、碳中和的重大战略目标，必须大力1智能仿真系统总体设计发展绿色能源-2 1。其中，水电建设的大发展，对水电站运维人员的技能水平提出了更高要求3。随着计算机技术的发展，计算机三维仿真培训系统已成为水电站员工培训的重要手段之一4。水电站的建设受环境限制较大，各水电站设备、设施差别较大，不像火电、核电等可以按照统一模型进行建设5，因此水电站的培训有较强针对性，需要定制建设。韦妮恒针对大唐云南集控中心管控的发电厂站，通过二维系统仿真发电场站的各种运行工况，学员完成对仿真系统的监视、操作及故障事故处理等培训学习，其监视和控制过程尽可能与现场实际情况一致。陈新等以云南鲁地拉水电站为例，用3dsMAX建模，Unity3D2017开发水电站运维仿真培训系统，实现了水电站三维场景漫游、机组各部件模拟拆装、典型操作模拟等功能。随着大数据、智能算法、虚拟现实技术和计算机仿真技术的发展，使水电站人员的培训朝着数字化、智能化发展，但目前水电站仿真培训缺少模型与数据相关联的交互性。本文研究运用三维数字化动态模型与虚拟状态的智能仿真技术，结合水电站在操作、检修、安全等方面形成的知识、经验、规程、规范，设计一套基于“模型驱动+数据驱动”的水电为使公伯峡水电站运维人员在电站三维数字化模型虚拟场景环境中对设备进行检修拆装作业，达到学习设备结构组成和拆装工艺，指导实物拆装的目的。通过还原典型事故及处理流程，让用户在虚拟环境中学习认知事故处理。通过直观生动的检修仿真提高对检修培训材料的理解和降低吸收难度，提高培训效率和效果，设计开发一套基于“模型驱动+数据驱动”的水电站智能仿真系统。1.1系统技术路线针对公伯峡水电站采用CATIA、R e v it等BIM建模软件构建静态和动态模型，包括建筑模型、设备模型、水流模型、机械模型、电气模型等，采用Maya、3d s m a x 等三维建模软件对模型进行纹理等后期处理。采用ORGE引擎，基于HDRP的染技术优化展示效果，构建虚拟电站仿真系统的模型基础。通过模型导入及管理，利用所有模型统一KKS编码、参数化控制及场景管理，实现数据驱动模型的动态虚拟仿真系统，物理电站与虚拟电站二三维完全对应，技术路线见图1。收稿日期 2 0 2 2-11-13【作者简介刘哲（19 9 5-），男，青海西宁人，助理工程师，主要从事水电站运行维护和安全生产工作。129第10 期2023年10 月模型构建建筑模型静态模型设备模型模型编码资料文件录人水流模型机械液压动态模型一电气装置参数化控制管路模型控制柜图1智能仿真系统技术路线1.2系统架构考虑到系统的使用方式及运行情况,设计采用C/S架构。系统从下而上共5层，依次为：网络层、数据层、服务层、应用层和终端层，系统架构见图2。终端层电脑PC端智能仿真系统应用层系统接口静态模型三维模型服务层地表模建筑设施内部及单台机组高精设备原理 底层逻辑型创建设备模型创建度模型创建设备关联设备图纸模型管理数据集成数据层用户管理服务器网络层内网有线局域网4G图2智能仿真系统架构图(1)网络层目前公伯峡水电站已有网络包括内网、有线局域网和无线局域网，本系统只是对电站进行仿真操作，无实际控制，因此内外网均可使用。(2)数据层数据层是电站采集到的数据，包括大量模型数据、静态场景数据、动态场景数据、用户数据、各用户权限数据等多种数据。(3)服务层服务层将模型数据进行统一建模，研究设备之间的关联和底层逻辑，并将静态、动态数据挂接至模型，为系统的虚拟仿真提供全方位、多维度、沉浸式的基础。(4)应用层应用层根据系统分为两类：一类是系统基础建设，包括系统接口、场景展示、静态模型和动态模型；一类是智能仿真应用，包括基础培训、系统仿真、检修培训。(5）终端层终端层是面向最终用户使用的设备，本系统仅采用电脑进行智能仿真培训。1.3关键技术将二维监控系统的逻辑仿真和三维虚拟电站的环境仿真相结合，开发不受时空限制，直观便捷学习的仿真系统。二维监控系统仿真采用Simulation设计,MicrosoftVisualC+6.0开发，根据仿真监控系统底层逻辑，三维虚拟仿真通过3dsMAX建模，ORGE引擎开发，基于ORGE自身煊染技术来展示效果，并采用模块化流程开发。:130陕西水利Shaanxi WaterResources基于“模型驱动+数据驱动”的仿真系统内核是数据与模型导人及管理数据接人静态导人数据接口二仿真培训维“模型驱动+数据驱动”场景展示基础培训动态模型系统仿真检修培训设备原理场景管理数据管理权艰管理菜单管理存储基础软件5G物联网无线局域网No.10October,2023功能应用模型的关联，将加密的模型文件DAT解析进行可视化展示，+场景管理获取三维数字化模型的几何信息与二维仿真信息，利用统一三KKS编码一一映射，通过网络通信联动，实现智能仿真系统维的二三维交互，利用数据驱动模型，动态模拟仿真全时空、全方位、多维度、沉浸式的虚拟水电站。加密文件DAT解析配置OBJ文件加载文件加载文件加载文件加载文件加载可视化展示三维交互维教员平台二维学员平台设置运行故障模拟运行答案设置出现故障排查故障数据驱动模型驱动图3“模型驱动+数据驱动”智能仿真系统流程图系统流程见图3，先对模型的DAT加密文件解析，配置数据调用灾备计算资源PIC文件加载，系统初始化，再加载OBJ、PI C、NET、S CENE文件。首先对模型的DAT加密文件解析，进行初始化，加载二进制程序文件NET文件，根据程序集内容加载PIC文件，PIC文件存储数字图像，获取文件中存放的类型信息，形成初始化加载界面，再次对SCENE文件加载，SCENE文件中存放模型的关键位置信息、互动信息等，通过SCENE文件对OBJ文件加载，用于Orge三维引擎对模型染，最后在PC端进行可视化界面展示。利用二维教员平台和二维学员平台对三维仿真平台进行“数据驱动+模型驱动”2智能仿真系统功能智能仿真系统主要分为三部分：基础培训、系统仿真和检修培训。基础培训为理论基础，本文不再赘述。2.1系统仿真按照监控系统上/下位机的实际功能，实现对各对象的监视与控制逻辑。模拟真实设备运行状态，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；还原典型事故及处理流程，用户在虚拟环境中学习认知事故处理。在仿真系统中实现水轮发电机组的启/停机虚拟仿真操作，达到启/停机过程中技术供水阀门、液压锁锭、转轮、发电机、导叶、发电机出口开关、风闸等的动态联动运行及过水部件的水流动态展示，仿真物理电站机组启/停流程所有控制逻辑。2.2检修培训通过语音、文字、动画及二三维互动等为培训人员在虚拟电站设备三维精细化模型上提供结构、尺寸、装配工艺等三维可视化信息，展现水轮发电机关键结构认知和主要设备的检修装配工艺流程学习，完成与物理电站一致的虚拟仿真NET三维仿真平台模拟电站运行设备故障模拟排查工具挑选故障设备维修SCENE第10 期2023年10 月电站的装配、检修流程学习，有效降低理解难度、提升培训效率。3智能仿真系统应用3.1系统仿真应用根据仿真监控系统底层逻辑，分别设计二维教员仿真平台和二维学员仿真平台，将二维数据与三维模型相结合，实现系统仿真应用。系统仿真范围见表1。表1系统仿真范围仿真类别仿真明细引水系统闸门、引水管道、主阀等设备及其相关设备。水轮机水头、流量、出力、效率、转速、转轮动力矩等。压力、振动、摆度、水位、流量；各导轴承油位、运行监视参数油温、瓦温等。系统频率、水头、机组转速、负荷的调整，一次调频，调速系统油压装置等。油压装置系统油压、油位的自动和手动控制，油压油位的各限值。发电机及其冷却系统等辅助系统，接地开关、各断发电机路器、隔离开关、互感器、避雷器等。励磁变压器及其断路器、互感器、整流装置、微机励磁系统励磁调节器、启励装置、灭磁开关等。油调速压油系统的工作过程、运维操作和监视参数。机组油系统（对厂内油库、供油管道，不进行仿真，即认为其是可用的）。技术供水系统机组技术供水系统、闸门、阀门、水泵、滤过器等。排水系统仿真机组顶盖排水系统、水泵、阀门等。机组压油罐补气系统、管路、各种阀门、仪表、电高压气系统源开关状态、熔断器。机组风闸制动系统、空气围带系统、管路、各种阀低压气系统门、仪表、电源开关状态、熔断器。二维教员仿真平台见图4，通过对机组启停机过程进行调速器、电路、油水气管路故障设置，正确故障流程答案设置，对学员操作评分。陕西水利Shaanxi Water Resources0900090900800图5二维学员仿真平台界面图现场开导叶情况图6 水轮机导叶状态三维虚拟仿真界面图3.2检修培训应用检修培训界面见图7 图9。包括水轮发电机关键结构认知和检修拆装操作流程，培训中通过讲解、考题、报错等功能实现二三维联动直观、逼真地虚拟仿真检修培训。婴2 泰海黄周水电公司公相铁股字化电站O正常刻量1/4层1/2 时#水轮发电前技术暖图7 水轮发电机爆炸认知界面图青海黄网水电公司公铂模股字化电站上上机#子子主TL力No.10October,2023公伯快水电站1机开机流程图主用冷单水花水器珠室主阳冷华水纯水器电机放牌杂品主阳沙年水纯水驱润门故牌各用冷茸水晚水器1墙室各用冷单水地水器1电机热屏各用沙年水纯水器1周门数单各用沙单水纯水器2 油各用冷华水纯水器2 电机妆师正正正正正常正正正正格正正正图8 机组检修讲解界面图SPIC青南黄网水电公司公铂数字化电站公伯联水的支择型式图4二维教员仿真平台界面图A支柱婚杆式二维学员仿真平台见图5，通过对二维平台故障定位，包括电器接线图、机组LCU、机组光字牌、系统图等模块。在三维虚拟仿真电站进行实地故障点查找，如图6 所示，对当前故障分析，并选择对应工器具如绝缘手套、护目镜、安全头盔、操作扳手、验电棒等工具，对当前故障进行解决，实现对物理水电站的真实完整模拟。图9 机组培训过程考题界面图:131第10 期2023年10 月4结语本文深人研究了“模型驱动+数据驱动”的水电站智能仿真系统，以公伯峡水电站为例，利用Simulation二维仿真、MicrosoftVisualC+6.0开发、3dsMAX三维数字化模型建设、Unity3D三维仿真系统开发，将三维模型数据与二维监控系统信息一一映射，利用数据与模型关联的二三维交互，最终实现了“模型驱动+数据驱动”的水电站智能仿真系统。该系统实现了三维数字模型与数据的统筹管理和关联、融合，形成一个电站、一个模型、一套数据，构建了全时空、全方位、多维度、沉浸式的水电站实时状态虚拟仿真场景，降低培训成本，提升互动性、安全性、有效性和可重复性，为公伯峡水电站安全、经济运行提供有力支撑。陕西水利ShaanxiWater Resources1王宇，余晨，侯东林，等.2 0 2 0 中国环境战略与政策学术年会专家观点摘要J.环境与可持续发展，2 0 2 1,46（0 1）：143-16 0.2李高.凝聚全社会力量推进碳达峰目标实现J.环境与可持续发展,2 0 2 1,46 (0 2):6-10.3张卫君，张显兵，王翔，等.0 TS2000培训仿真系统虚拟现实平台研究.水电站机电技术,2 0 14,37（0 3）：7 5-7 6.4吕毅松，白剑飞，李亦凡，等.水电厂仿真培训系统故障模拟与报警功能的实现J.水电站机电技术，2 0 2 1,44（0 1）：2 8-30.5欧泽波.水电站三维精确建模及可视化仿真培训系统的开发与应用J.中国电力教育，2 0 18（0 6）54-56.6韦妮恒.大唐云南水风光发电仿真培训系统建设及应用J.红水河,2 0 2 1,40(1):56-6 1.7陈新，王林，曾厉。基于虚拟现实的水电站运维仿真培训系统研发与应用J.电工技术,2 0 2 1（10）:9 7-9 9.No.10October,2023参考文献（上接第12 8 页）10mm，处于稳定状态。实际工程中，可采取增加一级边坡处的钢管桩密度的方法来约束坡脚位移。FLAC3D5.002012 lasca ConsultingCroup.Inc.PinerDisplacement13-6127F-03.5000E-032.2500E-032.0000E-031.7500E-031.5000E-031.2500E-031.0000E-037.5000E-045.0000E-042.5000E-045.6951E06图7 微型钢管桩位移云图图8 为锚索的位移应力云图，可以看出，锚索自由段位移均大于锁固段位移，这符合坡面处位移大于坡体位移的规律。而三级边坡的锚索位移 二级边坡 一级边坡，这亦符合边坡坡面位移规律，整体锚索位移偏小，最大位移值为18 mm，小于工程安全要求30 mm，说明本文采用的锚索结构支护时具有较好的稳定性。2012Itasca ConsulingGroup,linc.FLAC3D5.00CinerDisplacement1368.6000E-06000图8 锚索位移云图:1324结论以某水库库岸岩削坡为研究对象，通过数值模拟的研究方法，从岩削坡位移以及支护结构稳定性的角度，研究微型钢管桩结合锚墩式主动防护网的支护方案的可行性。研究结果如下：（1）岩削坡在人工开挖后，三级边坡坡脚产生47 mm的最大位移，二级边坡坡脚产生38 mm位移，一级边坡坡脚位移较小，仅为12 mm。岩削坡坡体出现贯通面，整体位移较大，已超出工程允许范围，固有较大失稳风险，需采取相应加固措施。（2）采取微型钢管桩结合锚墩式主动防护网的支护方案能够有效约束边坡位移，边坡坡脚位移较大，三级边坡坡脚位移 二级边坡 一级边坡，最大位移为5.7 mm，坡体不再出现贯通面，边坡整体处于稳定状态。(3微型钢管桩、防护网、锚索位移均在工程安全范围内，结构处于稳定状态。实际工程中，应注意三级边坡坡脚处的锚墩式主动防护网和一级边坡钢管桩发生位移破坏，可适当增加该区域相应支护结构强度，维持结构的稳定性。1叶唐进，谢强，王鹰：国道G318藏东段碎屑斜坡分类与稳定性评判.工程地质学报，2 0 19,2 7（0 4）:9 14-9 2 2.2王成华，徐骏，何思明，等.粒状碎屑溜砂坡树根桩固砂防护技术J.中国水土保持科学，2 0 0 7（0 1）：9 3-9 6.3韦方强，何易平，胡凯衡，等：溜砂坡遥感解译标志与方法以川藏公路然乌一中坝段为例J.自然灾害学报,2 0 0 2(04):124-128.4邢军，王建斌.青藏高速公路某隧道出口溜砂坡形成机理分析J.中国地质灾害与防治学报，2 0 19,30（0 2）：1-8.参考文献