南水北调中线工程水利控制实时数字三维视景仿真

摘要：描述了开展南水北调中线工程水力控制机实时数字三维视景仿真的意义和目的，提出了调水工程水力控制仿真系统的体系结构及其内涵，介绍了研究采用的计算机数字三维仿真平台，以及仿真系统的功能。

关键词：南水北调 水力控制 实时 数字三维 仿真

　1 意义和目的

南水北调中线工程规模宏大，调水量流量大，输水距离长达1 200多km。全系统的明渠、隧洞和倒虹吸断面尺寸是按照稳态运行工况设计的，是否能够满足动态运行调节水力控制的要求是必须弄清楚的重大关键技术问题。另一方面，合理的选择总干渠的运行控制模式，调蓄水库、闸门、分水闸及北京段泵站变速泵的协联调节及其性能指标，对于全系统的明渠、隧洞、倒虹吸断面尺寸以及全系统水力监测监控系统的设计有很大影响。上述问题不仅影响工程的总体规划设计和投资, 而且关系到工程建成后能否保证水量分配到位，因此研究解决这些问题具有重大的实际工程意义。

调水工程的水力控制是一门新的边缘性，主要研究在调水工程中的水力控制问题。该学科涉及到明渠和管道水力瞬变理论，冬季冰期输水理论，水力机械理论，自动控制理论，变速电机调节理论，大系统的运行最优化理论，水力检测信号处理理论，以及计算机数字三维视景仿真等高新科技。

修建调水工程的实质是通过对水力的控制改变水流的流动方向，实现对水资源的重新分配。修建水库、渠道、管涵、泵站，建立计算机系统、自动监测监控系统、通信系统的目的，都是为了更好地实施对水流的水力控制，所以建设、管理调水工程的工作主线是水力控制。对工程的水力控制，可以采用水工结构措施，如增高水库大坝，加大水库、渠道尺寸；采用不同的输水方式，如采用水泵加压输水；也可以采用先进的运行自动控制措施。问题是采用不同的措施，工程的投资、运行效益、可靠性差别很大。

调水工程的水力控制主要研究两类命题：

·正命题，在已知水工、机电、自动监测监控系统配置的条件下，研究水力控制系统的动、静态特性及其最优控制策略和方法；

·反命题，在已知调水工程水力控制要求的条件下，研究水工、机电、自动监测监控系统的最优配置。

调水工程的设计思路有两种。一是根据规范，按照常规的设计思路：先水工，然后机电，最后自动监测监控系统的常规程序。现有的一些调水工程实践已经证明，按照这一方法经常发生水工、机电、自动监测监控系统不配套的问题，最后不得不对原工程设计，甚至已建工程进行改造。另一是将设计过程转换为水力控制研究的反命题，即根据目前或者近期可以达到的理想调水工程水力控制系统要求，有目的地对调水工程的水工设施、机电设备、自动监测监控系统进行最优配置，以达到预期目的。

应用水力控制理论规划设计调水工程的关键：首先是科研必须贯穿全过程，包括前期的总体规划，中期的技术设计，以及后期的实时运行调度研究；其次是建立工程的整体水力控制模型，全面的、系统的建立水坝、水库、泵站机组、渠道、管涵、调压设施、自动监测监控系统的有机联系，进行多方案的综合效益比较，以达到安全、可靠、的综合目的。由于水工、机电、自动监测监控系统是按照水力控制最优运行的要求配置的，所以工程投资效益可以得到最大程度的发挥。

从目前国内情况看，国内长距离输水工程设计思想正处于一个转折点。以前只重视输水工程的建设，而对工程完成后的运行调节考虑不足，致使工程投入运行后存在控制困难，功能严重欠缺的现象。此外，在以前的输水工程自动化监测监控系统的设计过程中，由于缺乏对全系统水力控制的研究，对监测监控项目、监测位置、数量及仪表仪器性能指标的设计常常是科学依据不足，不能有效的发挥安装设备的作用。目前这一现象已经引起人们的注意，如在万家寨引黄入晋输水工程设计中，为了避免工程建成后系统无法正常运行，采取了在设计阶段就对全系统的联合运行进行计算机仿真模拟，研究对系统的水力控制，达到验证和指导系统设计、运行的目的。

调水工程运行的水力控制计算机仿真可分为两个阶段：工程设计阶段的离线计算机仿真和建成后的在线计算机实时仿真。前者主要为设计服务，后者主要为实时水力控制及运行管理人员的培训服务。一般说来，后者软件比前者复杂得多，需要考虑的因素更多、更细致，它可以完成前者的任务。我国在引黄入晋的设计阶段首次开展了为工程设计、机电设备和自动化监测监控系统设备的国际招标服务的水力控制计算机仿真系统研究，但尚未开展系统建成后的在线计算机实时计算机仿真系统的研究。

目前国外对于调水工程的运行在线计算机仿真非常关注，正在开发与控制管理系统配套的水力控制在线计算机仿真软件，但价格昂贵，以丹麦为我国开发的引黄入晋输水工程运行仿真软件为例，价格高达数百万美元。但我国目前在这方面还是空白。由于我国在21世纪将修建大量的调水工程,如果我国不从现在开始独立自主的开展攻关研究,继续购买的代价将十分昂贵，并且会大大阻碍我国调水工程水力控制学科的。

综上所述，开发南水北调中线工程水力控制的计算机数字三维实时仿真系统，不仅具有重要的科学意义，而且具有巨大的经济意义。目前随着国外先进的计算机数字三维设备和软件建模工具在我国的应用，我们已经基本具备了自主的开展这方面研究的能力。

2 水力控制数字三维实时仿真系统体系结构及内涵

南水北调中线工程水力控制计算机数字三维实时仿真系统结构如图1所示，它由浏览界面、基于ARC/INFO地理信息系统（GIS）的数据库、全系统水力控制动态过程仿真模块、优化调度和经济运模块、系统模型特性辨识模块、运行故障诊断系统模块、数字三维视景仿真模块等组成，其中全系统水力控制动态过程仿真模块是核心。

浏览界面：不同分辨率尺度下的可视化的浏览界面，是与用户交流的接口，包括各种操作帮助、说明的图表、文件和信息。通过浏览界面、键盘、打印机、培训终端、语音报警装置和大屏幕投影等设备进行人机联系，实现对参数设定、程序修改、技术开发及技术培训。

基于ARC/INFO地理信息系统（GIS）的数据库：建立一个基于ARC/INFO9.0地理信息技术（GIS），面向工程管理和决策层的可视化动态信息管理系统，使数据管理与空间地理信息融为一体。多层次、多方位直观地显示相关数据、图形和多媒体等信息，提供各种管理工作元素在空间的分布状况和实时运行状况，分析其内在联系，提高各业务部门的快速响应能力和协同处理能力，提高管理的科学化、规范化水平。

数据库子系统包括：空间数据库、运行检测数据库、应用软件数据库。空间数据库存储工程中水库、泵站、总干渠等空间数据及其属性；运行检测数据库存储各检测点的实时检测数据，如流量、水位、降雨量、机组转速、闸门开度等；应用软件数据库存储各应用软件的专用原始数据，以及从空间数据库和运行检测数据库得到的数据。

全系统水力控制动态过程仿真模块包括：渠道或无压隧洞或涵管的非恒定流计算模块；管道水击计算模块；北京段变速泵的自动控制的动态仿真模块；管道阀门调节模块；明渠闸门调节模块等。

全系统水力控制动态过程仿真将全面、系统地考虑南水北调中线工程仿真对象的分布性及事件发生的并发性，既有连续水力控制问题的动态仿真，又有各仿真对象出现故障时的离散事件仿真。同时，考虑实用性，还要求仿真系统具有较高的实时性。通过仿真模拟进行明渠调节闸门的优化配置及控制规律的最优化研究。

优化调度和经济运模块：以工程为系统建立优化数学模型，目标是降低输水能耗，减少弃水和闸门起闭机频繁操作，延长相关水利设施、设备使用寿命，提高水资源利用率，减少系统运营成本，提高水利工程管理效率，提高经济效益和社会效益。采用动态规划方法确定明渠各调节闸门开度、泵站机组运行台数和变速机组的转速等。

系统模型特性辨识模块：系统模型特性数据，如管道、明渠水头损失系数、闸阀特性、机组效率等，是水力控制动态仿真、优化调度和经济运行决策的基础。根据水力检测系统实测的水位、水压、流量等参数，采用最小二乘法对系统模型特性数据进行在线和离线辨识。

运行故障诊断模块：开发智能专家系统和实时检测数据的辨识和滤波软件，利用全系统水力控制动态过程仿真结果和检测系统实时检测数据（如水压/水位、流量、闸门/阀门开度、机组转速等）的比较，对全系统的运行安全进行监测监控，并对故障进行实时诊断、报警。数字三维视景仿真模块：利用机三维数字视景仿真技术对规划设计的景观(如输水线路、组成元件形状、甚至地理环境条件、水流的运动等)和水力控制动态仿真结果进行三维建造，营造一个直观形象的立体虚拟水力系统，其特点是：

·真实的工程景观及周围环境的再现，如图2所示；

·场景的流畅交互，允许系统的操纵者可以在虚拟的调水工程水力系统中漫游，对水力系统的景观和任意元件进行任意角度的观察；

·交互建模的实现，可以方便地更新场景中的元件和景观，包括流道、泵站、控制闸阀以及水流的运动景观。

目的是给工程建设决策者或运行人员提供一个全面、快速、直观、形象的了解规划设计和运行全貌的窗口，以提高决策的性，减少决策失误。

3 南水北调中线工程水力控制计算机数字三维仿真平台

南水北调中线工程水力控制计算机数字三维仿真基于Windows平台，采用面向对象的方法、三维可视化、虚拟现实等先进技术：

·采用先进的实时3D地型数据库生成工具系统软件Terrex，基于高程数据、文化特征数据、实时影象纹理、3D模型、地理特征影象如卫星照片等及其他纹理生成工程及周围环境的“沙盘”，如图3所示；

·采用先进的实时三维视景数据库建摸和优化工具MultiGen CreatorPro,在三维的虚拟空间上进行泵站、电站、水闸、水坝、水利工程、水文测站等实体的建模；

·采用先进的实时MultiGen?Paradigm公司软件环境Vega，模拟水流、控制闸阀、机组的运动，同时实现虚拟景观的大区域实时巡视漫游，大范围空中飞行、沿地表行驶观察与定视点观察，便于对感兴趣区域进行分析。

·采用ARC/INFO9.0地理信息技术（GIS），建立面向工程管理和决策层的可视化动态信息管理系统，使数据管理与空间地理信息融为一体。

此外，将通过先进的三维图形处理技术，使产品在常规配置PC机环境下也可以实时处理复杂的三维场景。

4 水力控制数字三维实时仿真系统的功能

综上所述，开发南水北调中线工程水力控制的计算机数字三维实时仿真系统，可以对正在规划设计的调水工程，达到下述目的：

（1）可以追踪输水工程的各个阶段，从工程的总体规划，设计，施工，到投产运行，对各个不同发展阶段的不同方案进行仿真，定量分析，提高决策的科学性；

（2）可以达到规划设计方案的最优化，而不仅仅是工程各个环节设计的最优化，在保证设计可靠性的条件下，减少工程投资；

（3）可以保证工程投产后的运行性，全面的、系统的考虑影响全系统运行效率的各种因素的相互影响和作用；

（4）可以对修建过程中全系统的机电设备、自动检测系统和自动化系统设备的设计和工程的国际招标提供科学依据；

（5）可以利用开发的水力控制计算机软件对运行管理人员进行在线和离线的情景模拟培训；

（6）可以避免不同学科，如管道水击，明渠非恒定流，闸门、阀门和水力机械的自动控制，水工建筑物的优化设计等专业的重复研究，节省研究经费；

（7）该仿真系统也是今后“数字南水北调工程”的核心组成部分。

[1]杨开林. 应当重视调水工程运行的计算机仿真研究[J]?水利规划设计，2002，(3).

[2]杨开林?关于“数字南水北调工程”的设想[J]?水利，2003，(3A).

3D Temporal Simulation of Hydraulic Control of the Middle Route Water Transfers Project

Abstract: This article argues for the importance of developing the real?time digital 3D simulation of the hydraulic control in relation to the middle route water transfers project. Further analyzed and introduced is the frame of the simulation system, while the powerful tools of the real?time digital 3D simulation of hydraulic controls are also described. Finally the paper depicts the main functions of the simulation system.

Keywords: south to north water transfers project; hydraulic control; real?time digital 3D simulation