南水北調(diào)中線工程水利控制實時數(shù)字三維視景仿真

1、南水北調(diào)中線工程水利控制實時數(shù)字三維視景仿真             摘要描述了開展南水北調(diào)中線工程水力控制計算機實時數(shù)字三維視景仿真的意義和目的，提出了調(diào)水工程水力控制仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其內(nèi)涵，介紹了研究采用的計算機數(shù)字三維仿真平臺，以及仿真系統(tǒng)的功能。 關(guān)鍵詞南水北調(diào) 水力控制 實時 數(shù)字三維 仿真 1 意義和目的 南水北調(diào)中線工程規(guī)模宏大，調(diào)水量流量大，輸水距離長達1 200多km。全系統(tǒng)的明渠、隧洞和倒虹吸斷面尺寸是按照穩(wěn)態(tài)運行工況設(shè)計的，是否能夠滿足動態(tài)運行調(diào)節(jié)水

2、力控制的要求是必須弄清楚的重大關(guān)鍵技術(shù)問題。另一方面，合理的選擇總干渠的運行控制模式，調(diào)蓄水庫、閘門、分水閘及北京段泵站變速泵的協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)規(guī)律及其性能指標，對于全系統(tǒng)的明渠、隧洞、倒虹吸斷面尺寸以及全系統(tǒng)水力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計有很大影響。上述問題不僅影響工程的總體規(guī)劃設(shè)計和投資, 而且關(guān)系到工程建成后能否保證水量分配到位，因此研究解決這些問題具有重大的實際工程意義。調(diào)水工程的水力控制是一門新的邊緣性科學(xué)，主要研究在調(diào)水工程中的水力控制問題。該學(xué)科涉及到明渠和管道水力瞬變理論，冬季冰期輸水理論，水力機械理論，自動控制理論，變速電機調(diào)節(jié)理論，大系統(tǒng)的運行最優(yōu)化理論，水力檢測信號處理理論，以及現(xiàn)代計算

3、機數(shù)字三維視景仿真等高新科技。修建調(diào)水工程的實質(zhì)是通過對水力的控制改變水流的自然流動方向，實現(xiàn)對水資源的重新分配。修建水庫、渠道、管涵、泵站，建立計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的目的，都是為了更好地實施對水流的水力控制，所以建設(shè)、管理調(diào)水工程的工作主線是水力控制。對工程的水力控制，可以采用水工結(jié)構(gòu)措施，如增高水庫大壩，加大水庫、渠道尺寸；采用不同的輸水方式，如采用水泵加壓輸水；也可以采用先進的運行自動控制措施。問題是采用不同的措施，工程的投資、運行效益、可靠性差別很大。調(diào)水工程的水力控制主要研究兩類命題·正命題，在已知水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)配置的條件下，研究水力控制

4、系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性及其最優(yōu)控制策略和方法；·反命題，在已知調(diào)水工程水力控制要求的條件下，研究水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)配置。調(diào)水工程的設(shè)計思路有兩種。一是根據(jù)規(guī)范，按照常規(guī)的設(shè)計思路：先水工，然后機電，最后自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)程序?，F(xiàn)有的一些調(diào)水工程實踐已經(jīng)證明，按照這一方法經(jīng)常發(fā)生水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不配套的問題，最后不得不對原工程設(shè)計，甚至已建工程進行改造。另一是將設(shè)計過程轉(zhuǎn)換為水力控制研究的反命題，即根據(jù)目前或者近期可以達到的理想調(diào)水工程水力控制系統(tǒng)要求，有目的地對調(diào)水工程的水工設(shè)施、機電設(shè)備、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行最優(yōu)配置，以達到預(yù)期目的。應(yīng)用水力控制理論規(guī)劃

5、設(shè)計調(diào)水工程的關(guān)鍵：首先是科研必須貫穿全過程，包括前期的總體規(guī)劃，中期的技術(shù)設(shè)計，以及后期的實時運行調(diào)度研究；其次是建立工程的整體水力控制模型，全面的、系統(tǒng)的建立水壩、水庫、泵站機組、渠道、管涵、調(diào)壓設(shè)施、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的有機聯(lián)系，進行多方案的綜合效益比較，以達到安全、可靠、經(jīng)濟的綜合目的。由于水工、機電、自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是按照水力控制最優(yōu)運行的要求配置的，所以工程投資效益可以得到最大程度的發(fā)揮。從目前國內(nèi)情況看，國內(nèi)長距離輸水工程設(shè)計思想正處于一個轉(zhuǎn)折點。以前只重視輸水工程的建設(shè)，而對工程完成后的運行調(diào)節(jié)考慮不足，致使工程投入運行后存在控制困難，功能嚴重欠缺的現(xiàn)象。此外，在以前的輸水工程自

6、動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程中，由于缺乏對全系統(tǒng)水力控制的研究，對監(jiān)測監(jiān)控項目、監(jiān)測位置、數(shù)量及儀表儀器性能指標的設(shè)計常常是科學(xué)依據(jù)不足，不能有效的發(fā)揮安裝設(shè)備的作用。目前這一現(xiàn)象已經(jīng)引起人們的注意，如在萬家寨引黃入晉輸水工程設(shè)計中，為了避免工程建成后系統(tǒng)無法正常運行，采取了在設(shè)計階段就對全系統(tǒng)的聯(lián)合運行進行計算機仿真模擬，研究對系統(tǒng)的水力控制，達到驗證和指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計、運行的目的。調(diào)水工程運行的水力控制計算機仿真可分為兩個階段：工程設(shè)計階段的離線計算機仿真和建成后的在線計算機實時仿真。前者主要為設(shè)計服務(wù)，后者主要為實時水力控制及運行管理人員的培訓(xùn)服務(wù)。一般說來，后者軟件比前者復(fù)雜得多，需要考慮的

7、因素更多、更細致，它可以完成前者的任務(wù)。我國在引黃入晉的設(shè)計階段首次開展了為工程設(shè)計、機電設(shè)備和自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的國際招標服務(wù)的水力控制計算機仿真系統(tǒng)研究，但尚未開展系統(tǒng)建成后的在線計算機實時計算機仿真系統(tǒng)的研究。目前國外對于調(diào)水工程的運行在線計算機仿真非常關(guān)注，正在開發(fā)與控制管理系統(tǒng)配套的水力控制在線計算機仿真軟件，但價格昂貴，以丹麥為我國開發(fā)的引黃入晉輸水工程運行仿真軟件為例，價格高達數(shù)百萬美元。但我國目前在這方面還是空白。由于我國在21世紀將修建大量的調(diào)水工程,如果我國不從現(xiàn)在開始獨立自主的開展攻關(guān)研究,繼續(xù)購買的代價將十分昂貴，并且會大大阻礙我國調(diào)水工程水力控制學(xué)科的發(fā)展。綜上所

8、述，開發(fā)南水北調(diào)中線工程水力控制的計算機數(shù)字三維實時仿真系統(tǒng)，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有巨大的政治經(jīng)濟意義。目前隨著國外先進的計算機數(shù)字三維設(shè)備和軟件建模工具在我國的應(yīng)用，我們已經(jīng)基本具備了自主的開展這方面研究的能力。2 水力控制數(shù)字三維實時仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及內(nèi)涵 南水北調(diào)中線工程水力控制計算機數(shù)字三維實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由瀏覽界面、基于ARC/INFO地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)庫、全系統(tǒng)水力控制動態(tài)過程仿真模塊、優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運模塊、系統(tǒng)模型特性辨識模塊、運行故障診斷系統(tǒng)模塊、數(shù)字三維視景仿真模塊等組成，其中全系統(tǒng)水力控制動態(tài)過程仿真模塊是核心。瀏覽界面：不同分辨率尺度下的

9、可視化的瀏覽界面，是與用戶交流的接口，包括各種操作幫助、說明的圖表、文件和信息。通過瀏覽界面、鍵盤、打印機、培訓(xùn)終端、語音報警裝置和大屏幕投影等設(shè)備進行人機聯(lián)系，實現(xiàn)對參數(shù)設(shè)定、程序修改、技術(shù)開發(fā)及技術(shù)培訓(xùn)。基于ARC/INFO地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)庫：建立一個基于ARC/INFO9.0地理信息技術(shù)（GIS），面向工程管理和決策層的可視化動態(tài)信息管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)管理與空間地理信息融為一體。多層次、多方位直觀地顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、圖形和多媒體等信息，提供各種管理工作元素在空間的分布狀況和實時運行狀況，分析其內(nèi)在聯(lián)系，提高各業(yè)務(wù)部門的快速響應(yīng)能力和協(xié)同處理能力，提高管理的科學(xué)化、規(guī)范化水平。數(shù)據(jù)庫

10、子系統(tǒng)包括：空間數(shù)據(jù)庫、運行檢測數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫存儲工程中水庫、泵站、總干渠等空間數(shù)據(jù)及其屬性；運行檢測數(shù)據(jù)庫存儲各檢測點的實時檢測數(shù)據(jù)，如流量、水位、降雨量、機組轉(zhuǎn)速、閘門開度等；應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫存儲各應(yīng)用軟件的專用原始數(shù)據(jù)，以及從空間數(shù)據(jù)庫和運行檢測數(shù)據(jù)庫得到的數(shù)據(jù)。全系統(tǒng)水力控制動態(tài)過程仿真模塊包括：渠道或無壓隧洞或涵管的非恒定流計算模塊；管道水擊計算模塊；北京段變速泵的自動控制的動態(tài)仿真模塊；管道閥門調(diào)節(jié)模塊；明渠閘門調(diào)節(jié)模塊等。全系統(tǒng)水力控制動態(tài)過程仿真將全面、系統(tǒng)地考慮南水北調(diào)中線工程仿真對象的分布性及事件發(fā)生的并發(fā)性，既有連續(xù)水力控制問題的動態(tài)仿真，又有各仿真對象

11、出現(xiàn)故障時的離散事件仿真。同時，考慮實用性，還要求仿真系統(tǒng)具有較高的實時性。通過仿真模擬進行明渠調(diào)節(jié)閘門的優(yōu)化配置及控制規(guī)律的最優(yōu)化研究。優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運模塊：以工程為系統(tǒng)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標是降低輸水能耗，減少棄水和閘門起閉機頻繁操作，延長相關(guān)水利設(shè)施、設(shè)備使用壽命，提高水資源利用率，減少系統(tǒng)運營成本，提高水利工程管理效率，提高經(jīng)濟效益和社會效益。采用動態(tài)規(guī)劃方法確定明渠各調(diào)節(jié)閘門開度、泵站機組運行臺數(shù)和變速機組的轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)模型特性辨識模塊：系統(tǒng)模型特性數(shù)據(jù)，如管道、明渠水頭損失系數(shù)、閘閥特性、機組效率等，是水力控制動態(tài)仿真、優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運行決策的基礎(chǔ)。根據(jù)水力檢測系統(tǒng)實測的水位、水壓

12、、流量等參數(shù)，采用最小二乘法對系統(tǒng)模型特性數(shù)據(jù)進行在線和離線辨識。         運行故障診斷模塊：開發(fā)智能專家系統(tǒng)和實時檢測數(shù)據(jù)的辨識和濾波軟件，利用全系統(tǒng)水力控制動態(tài)過程仿真結(jié)果和檢測系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)（如水壓/水位、流量、閘門/閥門開度、機組轉(zhuǎn)速等）的比較，對全系統(tǒng)的運行安全進行監(jiān)測監(jiān)控，并對故障進行實時診斷、報警。數(shù)字三維視景仿真模塊：利用計算機三維數(shù)字視景仿真技術(shù)對規(guī)劃設(shè)計的景觀(如輸水線路、組成元件形狀、甚至地理環(huán)境條件、水流的運動等)和水力控制動態(tài)仿真結(jié)果進行三維建造，營造一個直觀形象的立體虛擬水力系

13、統(tǒng)，其特點是·真實的工程景觀及周圍環(huán)境的再現(xiàn)，如圖2所示；·場景的流暢交互，允許系統(tǒng)的操縱者可以在虛擬的調(diào)水工程水力系統(tǒng)中漫游，對水力系統(tǒng)的景觀和任意元件進行任意角度的觀察；·交互建模的實現(xiàn)，可以方便地更新場景中的元件和景觀，包括流道、泵站、控制閘閥以及水流的運動景觀。目的是給工程建設(shè)決策者或運行人員提供一個全面、快速、直觀、形象的了解規(guī)劃設(shè)計和運行全貌的窗口，以提高決策的科學(xué)性，減少決策失誤。 3 南水北調(diào)中線工程水力控制計算機數(shù)字三維仿真平臺南水北調(diào)中線工程水力控制計算機數(shù)字三維仿真基于Windows平臺，采用面向?qū)ο蟮姆椒?、三維可視化、虛擬現(xiàn)實等先進技術(shù)：

14、·采用先進的實時3D地型數(shù)據(jù)庫生成工具系統(tǒng)軟件Terrex，基于高程數(shù)據(jù)、文化特征數(shù)據(jù)、實時影象紋理、3D模型、地理特征影象如衛(wèi)星照片等及其他紋理生成工程及周圍環(huán)境的“電子沙盤”，如圖3所示； ·采用先進的實時三維視景數(shù)據(jù)庫建摸和優(yōu)化工具MultiGen CreatorPro,在三維的虛擬空間上進行泵站、電站、水閘、水壩、水利工程、水文測站等實體的建模； ·采用先進的實時MultiGenParadigm公司軟件環(huán)境Vega，模擬水流、控制閘閥、機組的運動，同時實現(xiàn)虛擬景觀的大區(qū)域?qū)崟r巡視漫游，大范圍空中飛行、沿地表行駛觀察與定視點觀察，便于對感興趣區(qū)域進行分析。&

15、#183;采用ARC/INFO9.0地理信息技術(shù)（GIS），建立面向工程管理和決策層的可視化動態(tài)信息管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)管理與空間地理信息融為一體。 此外，將通過先進的三維圖形處理技術(shù)，使產(chǎn)品在常規(guī)配置PC機環(huán)境下也可以實時處理復(fù)雜的三維場景。 4 水力控制數(shù)字三維實時仿真系統(tǒng)的功能 綜上所述，開發(fā)南水北調(diào)中線工程水力控制的計算機數(shù)字三維實時仿真系統(tǒng)，可以對正在規(guī)劃設(shè)計的調(diào)水工程，達到下述目的（1）可以追蹤輸水工程的各個發(fā)展階段，從工程的總體規(guī)劃，設(shè)計，施工，到投產(chǎn)運行，對各個不同發(fā)展階段的不同方案進行仿真，定量分析，提高決策的科學(xué)性；（2）可以達到規(guī)劃設(shè)計方案的最優(yōu)化，而不僅僅是工程各個環(huán)節(jié)設(shè)計

16、的最優(yōu)化，在保證設(shè)計可靠性的條件下，減少工程投資；（3）可以保證工程投產(chǎn)后的運行經(jīng)濟性，全面的、系統(tǒng)的考慮影響全系統(tǒng)運行效率的各種因素的相互影響和作用；（4）可以對修建過程中全系統(tǒng)的機電設(shè)備、自動檢測系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計和工程的國際招標提供科學(xué)依據(jù)；（5）可以利用開發(fā)的水力控制計算機軟件對運行管理人員進行在線和離線的情景模擬培訓(xùn)；（6）可以避免不同學(xué)科，如管道水擊，明渠非恒定流，閘門、閥門和水力機械的自動控制，水工建筑物的優(yōu)化設(shè)計等專業(yè)的重復(fù)研究，節(jié)省研究經(jīng)費；（7）該仿真系統(tǒng)也是今后“數(shù)字南水北調(diào)工程”的核心組成部分。參考文獻1楊開林. 應(yīng)當重視調(diào)水工程運行的計算機仿真研究J水利規(guī)劃設(shè)計，2002，(3).楊開林關(guān)于“數(shù)字南水北調(diào)工程”的設(shè)想J中國水利，2003，(3A).3D Temporal Simulation of Hydraulic Control of the Middle Route Water Transfers Pr