水利工程集成管理框架研究

曾微波 王衛(wèi)平 王本林 殷曉飛

摘要：為合理開發(fā)、高效利用水資源，提高區(qū)域水利工程集群的調(diào)度效率，在單個閘站調(diào)度管理的基礎(chǔ)上，將區(qū)域空間上分散的閘站納入統(tǒng)一調(diào)度管理范圍，提出了“以圖管站，圖站聯(lián)動”的水利工程集成管理模式。利用Web GIS技術(shù)整合公共地理框架數(shù)據(jù)體系“天地圖”及區(qū)域水利工程、河網(wǎng)、斷面等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用Unity3D建立閘站三維仿真場景，設(shè)計了區(qū)域河網(wǎng)水利工程集成管理框架，為實現(xiàn)閘站集群統(tǒng)一調(diào)度提供了直觀決策參考，有效提高了閘站集群的調(diào)度效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：Web GIS;Unity3D;水利工程;調(diào)度決策

中圖分類號：TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著可視化技術(shù)、仿真技術(shù)的發(fā)展，對水利工程調(diào)度過程進(jìn)行仿真，為水利工程的調(diào)度管理開辟了新道路[1-2]，提高了水利工程運行與調(diào)度的信息化水平。同時，通過仿真試驗對比分析多種調(diào)度方案的運行效果，為水利工程的規(guī)劃設(shè)計及管理人員提供了科學(xué)的決策支持[3-4]。水利工程的仿真調(diào)度極大提升了水利工程閘站調(diào)度管理的信息化水平，但這僅限于單個水利工程站點的調(diào)度管理，從全局角度對空間位置分散但隸屬同一管理范圍的水利工程集群進(jìn)行集成管理與統(tǒng)一調(diào)度所開展的研究和實施的應(yīng)用相對較少。為此，根據(jù)蘇南地區(qū)河網(wǎng)密布，水利工程量大、面廣的實際情況，分析了利用Web GIS結(jié)合Unity3D開展水利工程集成管理框架研究與應(yīng)用的可行性。通過獲取水利工程實時工況信息，與Unity3D場景對象進(jìn)行同步，真實反映水利工程調(diào)度過程，并基于Web GIS統(tǒng)籌管理各水利工程閘站，為實現(xiàn)區(qū)域水利工程集群的集成管理與統(tǒng)一調(diào)度提供技術(shù)支持。

1 水利工程集成管理框架

本文論述的水利工程集成管理框架主要包括兩個方面的內(nèi)容：一是以閘站三維仿真為基礎(chǔ)的單個閘站調(diào)度模擬，二是以Web GIS為基礎(chǔ)的閘站集群集成管理與統(tǒng)一調(diào)度。

1.1 基于Unity3D的閘站三維仿真

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的專業(yè)游戲引擎[5-6]，由完整的圖形渲染系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、編輯器系統(tǒng)、圖形用戶接口、著色系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成。Unity3D支持3DS Max、Maya、SketchUp等三維建模軟件的模型導(dǎo)入，可以方便地構(gòu)建三維虛擬場景。集成的MonoDevel叩腳本編輯環(huán)境，允許開發(fā)人員編寫C#和Java Script兩種腳本訪問和控制游戲場景對象。良好的跨平臺特性可以將程序和場景打包，并發(fā)布到不同的操作系統(tǒng)平臺。綜合考慮水利工程仿真調(diào)度需求以及Unity3D平臺的諸多特性，采用Unity3D構(gòu)建閘站三維模型實現(xiàn)閘站仿真及閘站調(diào)度的過程模擬。

導(dǎo)入由3DS Max構(gòu)建的閘站場景精細(xì)三維模型，并為閘站場景中各主要設(shè)備模型的運行動作編寫控制腳本。通過設(shè)計閘站主控程序與閘站三維仿真場景的實時數(shù)據(jù)通信接口，為仿真場景提供實時工況和實時水情信息訪問通道?；谶@樣的思路，閘站主控程序在進(jìn)行閘門啟閉、水泵啟停等調(diào)度操作時，可通過實時數(shù)據(jù)訪問接口為閘站場景的過程模擬提供實時工況數(shù)據(jù);閘站仿真場景通過數(shù)據(jù)訪問接口獲取閘站主要設(shè)備的實時工況及水情數(shù)據(jù)，并通過腳本控制場景對象，展現(xiàn)閘站調(diào)度過程和閘站內(nèi)外河水位變化。

1.2 基于Web GIS的閘站集成管理

三維仿真解決了單個閘站調(diào)度過程的仿真模擬，在集成管理框架中引入Web GIS則為實現(xiàn)“以圖管站”提供了有效的技術(shù)手段。

（1）水利基礎(chǔ)地理與專題數(shù)據(jù)服務(wù)。通過WebGIS可將特定地理空間范圍或水利片區(qū)內(nèi)分散的水利工程集成在一張基礎(chǔ)底圖上進(jìn)行統(tǒng)一管理。實際應(yīng)用中，基礎(chǔ)底圖可采取影像地圖服務(wù)+專題地圖服務(wù)的組合。影像地圖服務(wù)可采用國家測繪地理信息局建設(shè)的國家地理信息公共服務(wù)平臺“天地圖”[7]。“天地圖”運行于互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)，以門戶網(wǎng)站和服務(wù)接口兩種形式向公眾、企業(yè)、專業(yè)部門、政府部門提供24h不間斷的地理信息服務(wù)。同時，“天地圖，給開發(fā)者提供了免費且功能強大的Java ScriptAPI，開發(fā)者可利用“天地圖”API調(diào)用基礎(chǔ)地理信息服務(wù)，包括“天地圖”服務(wù)提供的影像圖、地形圖等[8]。將“天地圖”提供的影像圖作為基礎(chǔ)，參照國家基礎(chǔ)地理信息建設(shè)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合多站集成管理與統(tǒng)一調(diào)度的需要，建立了除基礎(chǔ)地理信息之外的其他專題信息，內(nèi)容主要包括河道、河段、河道中心線、斷面、節(jié)點、流向、監(jiān)測站點、泵站、水閘等。這些信息以專題地圖服務(wù)的形式與“天地圖”影像地圖服務(wù)疊加，為集成管理框架提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)。

（2）閘站工況多尺度SVG符號表達(dá)。SVG即可升級矢量圖形，是由World Wide Web Consortium（W3C）組織制定的一種開放標(biāo)準(zhǔn)的文本式矢量圖形規(guī)范。SVG是一種使用XML來描述二維圖像的語言，也是一種全新的矢量圖形規(guī)范[9]。SVG提供超鏈接功能并定義了豐富的事件。通過腳本編程，訪問SVG DOM的元素和屬性即可響應(yīng)特定的事件，使SVG具有動態(tài)交互的性能。相比于傳統(tǒng)的地圖符號，基于SVG的地圖符號具有可讀性強、符號清晰、加載速度快、網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗小等特點[10-12]。

不同比例尺的閘站運行狀態(tài)信息可通過XML文件進(jìn)行配置。通過定義不同尺度下閘站工況的XML格式，結(jié)合實時工況和水情訪問接口獲取的閘站工況，在Web GIS地圖上利用動態(tài)圖層對閘站基本信息和實時工況進(jìn)行SVG符號化表達(dá)，從而實現(xiàn)在一張底圖上縱覽管轄范圍內(nèi)所有閘站的實時運行狀況。閘站工況多尺度SVG符號表達(dá)效果見圖1～圖3。

在1：15000的小比例尺下，閘站的運行簡況只顯示閘站內(nèi)外河水位及附屬閘控設(shè)備運行情況;比例尺放大到1：10000，閘站運行工況信息則包含了閘站內(nèi)外河水位、主控設(shè)備運行狀態(tài)及主控設(shè)備的電流、電壓、功率及閘門開度等信息;當(dāng)比例尺放大到1：5000時，閘站運行工況除顯示上述信息外，還加載視頻探頭、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和設(shè)備報警狀態(tài)等信息。

基于SVG符號的多尺度閘站工況表達(dá)可取代傳統(tǒng)水利工程網(wǎng)絡(luò)地圖中靜態(tài)符號的表達(dá)方式，使符號與所表征的地理對象建立實時屬性關(guān)聯(lián)，為特定區(qū)域閘站集群的統(tǒng)一管理提供了一種新的途徑。

1.3 系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)安全及實時調(diào)度的需要，集成管理框架基于客戶機/服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并按照單站控制與集成管理相結(jié)合的模式構(gòu)建單站控制系統(tǒng)和集成管理系統(tǒng)。單站控制系統(tǒng)集成閘站三維仿真和閘站調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)閘站調(diào)度操作及調(diào)度過程模擬，并通過實時工況與水情數(shù)據(jù)接口更新實時工況。集成管理系統(tǒng)一方面通過系統(tǒng)內(nèi)置的ArcGIS MapControl組件加載區(qū)域影像地圖服務(wù)，并疊加SVG符號實現(xiàn)區(qū)域閘站集群的統(tǒng)一管理;另一方面以區(qū)域河網(wǎng)劃分的河段數(shù)據(jù)及實時工況、水情信息為基礎(chǔ)，通過河段水質(zhì)的符號渲染及水量過程線模擬區(qū)域河網(wǎng)的水質(zhì)、水量變化過程，從而為區(qū)域河網(wǎng)水資源調(diào)度決策提供參考。

實際部署時，將集成管理系統(tǒng)和單站控制系統(tǒng)分別部署在調(diào)度管理中心及所屬各閘站。集成管理系統(tǒng)可通過SVG符號綁定各單站控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度監(jiān)控，各閘站通過單站控制系統(tǒng)進(jìn)行閘站日常調(diào)度，系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水利工程專題數(shù)據(jù)疊加“天地圖”影像為閘站集成管理框架提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)，單站調(diào)度控制系統(tǒng)通過實時工況與水情數(shù)據(jù)接口更新實時工況。實時工況與水情數(shù)據(jù)接口為單個閘站的調(diào)度過程模擬與地圖中SVG閘站符號渲染提供工況信息，同時為區(qū)域河網(wǎng)的水量和水質(zhì)過程模擬提供實時數(shù)據(jù)。

2 水利工程閘站仿真

2.1 閘站三維仿真

（1）閘站建模。閘站建?？梢岳肬nity3D的建模功能實現(xiàn)，也可以導(dǎo)入由Maya、SketchUp、3DS Max等三維模型制作軟件制作的模型。本文以閘站工程開工建設(shè)的CAD圖件為基礎(chǔ)，利用3DS Max進(jìn)行閘站和附屬設(shè)備精細(xì)建模，并將現(xiàn)場拍攝的閘站實體外墻、附屬設(shè)施外立面等照片作為場景對象的紋理貼圖。建模完成后，將模型整體導(dǎo)出成FBX格式文件，連同紋理貼圖一并導(dǎo)入Unity3D場景中，導(dǎo)入后的閘站三維場景見圖5。

（2）仿真模擬。閘站的仿真包括場景控制、閘站設(shè)備運行模擬、內(nèi)外河水位模擬?？紤]閘站的不同類型、規(guī)模及閘站內(nèi)外河過水的不同特點，設(shè)計了幾種場景控制腳本，包括場景平移、場景旋轉(zhuǎn)和視域控制。除場景控制外，閘站主要設(shè)備需要通過編寫相應(yīng)的腳本進(jìn)行動作控制以模擬閘門的升降、旋轉(zhuǎn)，水泵的啟停等。內(nèi)外河水面采用Unity3D自帶的水面插件制作，閘門開閘放水采用Unity3D粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

（3）場景發(fā)布。Unity3D支持多種平臺的場景發(fā)布，包括Mac OS、BlackBerry、Windows、Android及瀏覽器發(fā)布等。考慮到與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)的集成部署，將閘站場景以瀏覽器模式進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布后的場景包含一個場景訪問的html頁面和打包的場景文件。

2.2 Web GIS與Unity3D一體化

Web GIS地圖以動態(tài)圖層的方式將所有閘站的實時狀態(tài)通過SVG符號進(jìn)行渲染，每個SVG符號可通過閘站代碼與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)，單個閘站的調(diào)度控制系統(tǒng)通過內(nèi)置.Net Framework瀏覽器組件和Unity3D的WebPlayer插件加載閘站三維場景進(jìn)行閘站調(diào)度控制與過程模擬。Web GIS地圖顯示了管理范圍內(nèi)所有水利工程運行的工況摘要和當(dāng)前河網(wǎng)實時水情信息。單擊Web GIS地圖中的SVG閘站符號，可加載對應(yīng)閘站的詳細(xì)工況和調(diào)度信息，如主要設(shè)備電流、電壓、功率，以及水位過程數(shù)據(jù)、水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)、內(nèi)外河水位監(jiān)測數(shù)據(jù)和閘站預(yù)警信息等;雙擊閘站SVG符號，可進(jìn)入集成了仿真場景的閘站調(diào)度控制系統(tǒng)。

3 閘站調(diào)度過程模擬與輔助決策

閘站工況格式可基于XML進(jìn)行自定義。閘站模型導(dǎo)入后，在Unity3D自帶的腳本編輯環(huán)境MonoDevelop中，利用C#腳本對場景中的對象進(jìn)行腳本編程，以實現(xiàn)閘站設(shè)備的狀態(tài)反饋。閘站設(shè)備的調(diào)度過程模擬主要包括閘門啟閉、水泵啟停以及內(nèi)外河實時水位變化等。閘站三維場景通過實時工況與水情數(shù)據(jù)接口讀取由閘站控制程序更新的工況信息，利用Unity3D協(xié)程技術(shù)，對實時工況數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并調(diào)用場景中編寫好的閘站對象控制腳本同步場景對象的空間坐標(biāo)和歐拉角及其他狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)閘站設(shè)備的調(diào)度過程模擬。

Web GIS與Unity3D一體化集成主要目的是實現(xiàn)區(qū)域水利工程集群的集成管理與統(tǒng)一調(diào)度，并利用Web GIS反饋調(diào)度結(jié)果以輔助調(diào)度決策。一方面，區(qū)域內(nèi)單站調(diào)度以三維場景為基礎(chǔ)，調(diào)度過程在場景中進(jìn)行仿真模擬，方便調(diào)度執(zhí)行者全方位實時觀察調(diào)度執(zhí)行情況;另一方面，利用Web GIS地圖，為水利工程調(diào)度提供實時水情信息，從而獲得閘站調(diào)度在特定區(qū)域范圍的調(diào)度效果，如區(qū)域河網(wǎng)的實時水質(zhì)、實時水位等，為輔助閘站調(diào)度決策提供參考。

區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)水量變化過程是進(jìn)行水利工程調(diào)度決策的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)水量變化過程一般采用過程線表達(dá)，為更直觀、清晰地展示水利工程調(diào)度效果，將高分辨率遙感影像切片地圖服務(wù)作為底圖，利用Web GIS符號模擬水利工程調(diào)度對區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生的影響。

（1）水質(zhì)過程動態(tài)模擬。對于一維河網(wǎng)，首先，假定同一斷面水質(zhì)監(jiān)測因子濃度值相同，結(jié)合河段與斷面的空間關(guān)系，用斷面數(shù)據(jù)對河段進(jìn)行打斷處理，兩個概化斷面之間形成一段模擬河段作為水質(zhì)渲染單元;然后，依據(jù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)制定區(qū)域河網(wǎng)各主要水質(zhì)監(jiān)測因子的濃度所對應(yīng)的顏色標(biāo)準(zhǔn);再次，根據(jù)河流流向，自動匹配各河段起止斷面顏色，并確定起止斷面水質(zhì)監(jiān)測因子濃度對應(yīng)的顏色值;最后，采用線性內(nèi)插算法對斷面間的河段填充顏色進(jìn)行插值處理，實現(xiàn)相鄰斷面間水質(zhì)的連續(xù)變化。水質(zhì)模擬實現(xiàn)過程中，依據(jù)斷面編號提取某個時間點相鄰斷面各自的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過重寫SimpleFillSymbol類，自動配置開始斷面、結(jié)束斷面的顏色值，對相鄰斷面構(gòu)成的河段進(jìn)行漸變渲染，從而實現(xiàn)某個時點河段的水質(zhì)表達(dá)。

按照上述思路，Web GIS客戶端通過請求同一時點所有監(jiān)測斷面的水質(zhì)遙測數(shù)據(jù)，并利用不同時點的水質(zhì)數(shù)據(jù)刷新河網(wǎng)所有河段的填充符號，從而實現(xiàn)區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)過程的動態(tài)模擬。水質(zhì)過程連續(xù)變化的渲染效果見圖6～圖8，其中水質(zhì)監(jiān)測因子濃度上限和下限對應(yīng)的RGB值，采用過渡色帶的方式表征。

（2）閘站調(diào)度輔助決策。區(qū)域河網(wǎng)閘站集群的調(diào)度輔助決策主要依據(jù)區(qū)域河網(wǎng)實時水情及各閘站實時工況。集成管理框架通過對河網(wǎng)閘站集群的統(tǒng)一管理及區(qū)域河網(wǎng)水資源的動態(tài)模擬為閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供直觀的決策參考。通過集成管理框架，可獲得區(qū)域河網(wǎng)閘站調(diào)度的實時反饋，這種反饋主要體現(xiàn)在兩個方面：一是閘站三維場景中水泵、閘門等主要設(shè)備的工況和內(nèi)外河水位的變化過程仿真模擬;二是河網(wǎng)水質(zhì)變化過程的Web GIS符號動態(tài)渲染。集成管理框架還可將區(qū)域河網(wǎng)各遙測站點的流量及水位變化過程信息通過實時水情與工況數(shù)據(jù)接口進(jìn)行展示，為區(qū)域河網(wǎng)閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供決策依據(jù)，達(dá)到“圖站聯(lián)動”的調(diào)度效果。

4 結(jié)語

利用Unity3D三維仿真技術(shù)與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用，解決了以往單純依靠水利工程自動控制系統(tǒng)或現(xiàn)地操作進(jìn)行調(diào)度帶來的不便，同時為閘站調(diào)度的過程控制提供了直觀依據(jù)?；赪eb GIS技術(shù)將區(qū)域地理空間上分散的閘站進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度，通過閘站調(diào)度的過程模擬、水量變化過程的實時展現(xiàn)、河網(wǎng)水質(zhì)的動態(tài)模擬全方位展現(xiàn)閘站調(diào)度對區(qū)域河網(wǎng)水資源產(chǎn)生的影響，為閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度提供決策參考。

通過融合Web GIS技術(shù)Unity3 D技術(shù)及閘站調(diào)度控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計并完成了水利工程集成管理框架，并成功應(yīng)用于蘇南某地區(qū)閘站集群的統(tǒng)一調(diào)度與管理實踐。由此可見，將Web GIS、Unity3D技術(shù)與閘站調(diào)度控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，實現(xiàn)區(qū)域水利工程集群集成管理與統(tǒng)一調(diào)度是切實可行的。

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