從大禹治水到三峽大壩的建造，人類為控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，修建了許多的水利工程。對水資源進行了廣泛的開發(fā)利用，諸如農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和生活用水、水力發(fā)電、航運、港口運輸、淡水養(yǎng)殖、旅游等。

將圖撲軟件與 GIS、粒子仿真、虛擬現(xiàn)實、邊緣計算等技術(shù)相結(jié)合，數(shù)字孿生閩江流域水利工程，實現(xiàn)壩、堤、溢洪道、水閘、渠道、渡漕、筏道、魚道、水電站、水質(zhì)、環(huán)境、水位、降雨等的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對水力資源的可持續(xù)利用。

水電站

人們通常利用水電站水庫系統(tǒng)調(diào)節(jié)和改變水力資源在時間和空間上的分布，并結(jié)合水力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電能產(chǎn)生裝置等實現(xiàn)水力勢能到電能的轉(zhuǎn)換。

水電站建筑物包括：壩、水閘等擋水建筑物；溢洪道、溢流壩、泄水孔等排泄多余水量的泄水建筑物；為發(fā)電取水的進水口；由進水口至水輪機的水電站引水建筑物；為平穩(wěn)引水建筑物的流量和壓力變化而設(shè)置的平水建筑物（調(diào)壓室、前池）以及水電站廠房、尾水道、水電站升壓開關(guān)站等。

通過圖撲軟件將水電站廠房、生態(tài)魚道、泄洪閘門等進行數(shù)字孿生，在云上打通虛擬和現(xiàn)實。集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)中傳感器采集的不同方面數(shù)據(jù)（例如生物信息、氣象信息、水位水頭信息、閘門啟閉耗時、泄洪閘門開度等），然后通過接口的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接。虛擬模型可用于運行模擬和研究性能，可以將研究結(jié)果用于水電站運行效率的提升。

生態(tài)魚道

水電項目會影響上游和下游的水生生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)當建造人工繁殖放流（如增殖站）、過魚設(shè)施（工程補償措施，如魚道等）、自然保護區(qū)或其它補救措施維護生態(tài)平衡。通過 Hightopo 構(gòu)建的可視化魚道模塊，清晰地展示出魚道外觀、結(jié)構(gòu)、過魚種類、洄游路線，讓人了解魚道的構(gòu)造和運行原理。

魚道由進口、槽身、出口和誘魚補水系統(tǒng)組成，進口多布置在水流平穩(wěn)且有一定水深的岸邊或電站、溢流壩出口附近。槽身橫斷面為矩形，用隔板將水槽上、下游的水位差分成若干個小的梯級，板上設(shè)有過魚孔。通過圖撲智慧水利水電的生態(tài)信息數(shù)據(jù)面板，查看魚道水位、流速、過魚量、水溫等數(shù)據(jù)，實時關(guān)注魚道生態(tài)。

泄洪閘門

水電站水庫能發(fā)揮滯洪和蓄洪作用。在水庫溢洪道設(shè)置閘門，通過改變閘門開啟度來調(diào)節(jié)下泄流量的大小。由于有閘門控制，防洪限制水位可以高出溢洪道堰頂，并在泄洪過程中隨時調(diào)節(jié)閘門開啟度來控制下泄流量，達到滯洪目的。蓄在水庫的一部分洪水可在枯水期有計劃地用于興利需要。

通過圖撲智慧水利水電工程案例可直觀地查看大壩主體數(shù)個泄洪閘門實時的啟閉狀態(tài)，輔以氣象信息、水位信息數(shù)據(jù)顯示，幫助集控中心的人員在汛期及時作出決策。

水力發(fā)電工藝流程

水力發(fā)電的基本原理是利用水位落差 ，配合水輪發(fā)電機產(chǎn)生電力。將水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機械能，再以機械能推動發(fā)電機，從而得到電力。

水力發(fā)電系統(tǒng)主要由壓力引水管、水輪機、發(fā)電機和尾水管等組成。河川的水經(jīng)由攔水設(shè)施攫取后，經(jīng)過壓力隧道、壓力鋼管等水路設(shè)施送至電廠。利用圖撲軟件的三維組態(tài)還原電力生產(chǎn)過程，監(jiān)控機組運行狀態(tài)，提高發(fā)電效率。

Ⅰ水力勢能到機械能的轉(zhuǎn)變

江水水位在壩前升高形成落差，積蓄了水力勢能。當機組準備發(fā)電時，對機組尾水管、引水壓力鋼管和蝸殼進行充水平壓，提起機組下游尾水管閘門和上游閘門。

開機后，調(diào)速系統(tǒng)操作導(dǎo)水機構(gòu)開啟活動導(dǎo)葉，蝸殼內(nèi)的高壓水流經(jīng)其內(nèi)側(cè)均勻排列的固定和活動導(dǎo)葉形成一定環(huán)面后，均勻可控地進入水輪機轉(zhuǎn)輪，連續(xù)的帶壓水流從轉(zhuǎn)輪葉片外緣整周徑向流入，從轉(zhuǎn)輪出口軸向流出，水力反作用于轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩并帶動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，水力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。在圖撲可視化系統(tǒng)內(nèi)接入了單個機組的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)。

利用圖撲軟件自研引擎強大的渲染能力，還原該過程的每個步驟，可用于新員工的培訓和安全講解。

Ⅱ機械能到電能的轉(zhuǎn)變

水輪機轉(zhuǎn)輪帶動機組大軸旋轉(zhuǎn)，并將扭矩傳遞給與其同軸的發(fā)電機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通過勵磁形成的磁場，在定子繞組中作同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機定子在交變磁場的作用下，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，由此完成了從機械能到電能的轉(zhuǎn)換。

水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。將傳感器數(shù)據(jù)上傳圖撲可視化系統(tǒng)可判斷工藝流程的合理性，發(fā)現(xiàn)阻礙電能轉(zhuǎn)變的因素時及時修正，提高電能輸出率。

Ⅲ初級電能到合格電能

通過接線端子引出，將導(dǎo)線連成閉合回路，回路中產(chǎn)生電流與電壓，經(jīng)過發(fā)電機出口母線，電流進入升壓變壓器，在這里電壓被升至 500kV，然后進入六氟化硫氣體絕緣開關(guān)站（GIS），連接輸電線路進入電網(wǎng)，從而完成水輪發(fā)電機組的電力生產(chǎn)到輸送的最后一個環(huán)節(jié)。

圖撲軟件三維組態(tài)還原了水力資源從勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，一方面可以給學員提供仿真教學示例，另一方面可以向外界普及水力發(fā)電知識。融合數(shù)字建模、數(shù)字孿生、仿真模擬等技術(shù)，輕松構(gòu)建低代碼、零代碼物聯(lián)網(wǎng) IoT 平臺，輔助水利水電工程實現(xiàn)智慧化管理。

相較于 InTouch/IFix/WinCC 這些傳統(tǒng)組態(tài)軟件，圖撲基于 Web 的平臺更適合 C/S 向 B/S 轉(zhuǎn)型的大趨勢，多元素豐富的可視化組件和支持快捷的數(shù)據(jù)綁定方式，可用于快速創(chuàng)建和部署。

不僅是 3D 上的效果展現(xiàn)，圖撲軟件還支持繪制二維組態(tài)。圖撲軟件 HT 可視化技術(shù)采用 B/S 架構(gòu)，通過對傳統(tǒng)二維的發(fā)電工藝組態(tài)圖進行重構(gòu)設(shè)計，對接測點數(shù)據(jù)實現(xiàn) Web 化跨平臺多端訪問，無論是 PC、PAD 或是智能手機打開瀏覽器，即可隨時訪問監(jiān)控場景。

圖撲支持將大屏組態(tài)集成至 B/S 端，與其他主流前端框架如 Angular、React 和 Vue 等無縫融合，打破了以往用戶在控制室內(nèi)控制場景的局限性。

二維組態(tài)基于 SCADA 系統(tǒng)，將圖紙進一步美化升級。以平面圖的形式展示了壩頂高程、大壩門機、主變壓器、大壩庫區(qū)、引水鋼管、500kV 出線架、主廠房行車、發(fā)電機、水輪機在水力發(fā)電的過程中運行的先后順序，并模擬水力勢能—機械能—電能的轉(zhuǎn)變，再通過 500kV 線路輸送到 500kV 變電站的過程。

水庫中水能轉(zhuǎn)化為電能的多少與壓力引水管管口處作用力大小密切相關(guān)。水庫水量、水庫水位、壓力引水管傾斜角度等影響引水管管口作用力的因素直接影響著水能到電能的轉(zhuǎn)換效率。

以藍色的深淺代表水流的速度，以動態(tài)的點狀線路模擬輸電過程，整個過程清晰明了，一張圖掌握水力發(fā)電站運行態(tài)勢。高效協(xié)調(diào)水庫和水機電系統(tǒng)之間以及水機電系統(tǒng)各部分之間的運行問題，提高發(fā)電效率。

圖撲軟件 Low-Code 實現(xiàn)發(fā)電工藝中的“設(shè)施互聯(lián)、系統(tǒng)互通、數(shù)據(jù)互享、業(yè)態(tài)互融”，完成 MIS/SCADA 等核心信息系統(tǒng)深度集成。

水輪機仿真拆解

水輪機是水電站的核心部件，深埋于水電站的內(nèi)部。水輪發(fā)電機組由壓力鋼管、蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、機組大軸、發(fā)電機定子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子等主要部分構(gòu)成。

平面圖、塑料靜態(tài)模型或者到水電站實地參觀都無法使人直觀、簡單、全面、系統(tǒng)的了解水輪機內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)組成以及工作原理。

“水輪機仿真拆解”通過三維仿真動畫全方位表現(xiàn)，不僅給人以身臨其境的感受，還能不受時間、地域的限制，系統(tǒng)、全面的了解水輪機各部件組成及動作原理。

水輪機三維仿真動畫的制作需要準備許多素材，比如所有零件的零件圖、三維圖、動畫背景等。通過圖撲軟件的專業(yè)建模與渲染引擎技術(shù)制作機組仿真場景，模型精度高。1:1 還原機組設(shè)備主要部件的拆解與組裝原理，可對工作人員進行產(chǎn)品組裝、拆分、維修培訓。

圖撲軟件數(shù)字孿生水輪機拆解過程，實現(xiàn)了在數(shù)字世界對物理實體狀態(tài)和運行的全面精準呈現(xiàn)。場景中設(shè)備零件，浮現(xiàn)相應(yīng)的屬性信息，準確掌握設(shè)備內(nèi)部業(yè)務(wù)流程、行為邏輯、狀態(tài)變化等。

相較于傳統(tǒng)方式，設(shè)備的三維展示具有更靈活的表現(xiàn)形式和更直觀的效果，生動的演示動畫能讓觀看者更快了解設(shè)備的工作原理，避免因語言誤差而造成誤解。

主接線圖

水電站發(fā)出的電力需由空架輸電線路輸送到用戶集中區(qū)的變電所。由于機端負荷較大，出線回路數(shù)多，因而發(fā)電機電壓級接線一般采用有母線的接線方式。根據(jù)容量可為單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段。當機組容量較大時，可在母線分段處和出線上加裝電抗器，以限制短路電流。利用圖撲軟件大屏組態(tài)、UI 組態(tài)展示主接線圖，實現(xiàn)對線路運行狀況的監(jiān)控。用紅色字表示設(shè)備正在運轉(zhuǎn)，綠色字表示已停機。對接電廠的隔離開關(guān)、斷路器、發(fā)電機等設(shè)備數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時狀態(tài)展示。

圖撲還滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代化的、高性能的、跨平臺（桌面 Mouse /移動 Touch /虛擬現(xiàn)實 VR）的圖形展示效果及交互體驗。支持結(jié)合 VR/AR 進行展示，讓用戶能夠沉浸在虛擬環(huán)境中進行體驗，尤其對工廠、車間、生產(chǎn)線等大型場景更具有優(yōu)勢。

機組運行參數(shù)

圖撲軟件采用不同類型的圖表形式統(tǒng)計了全廠有功功率、無功功率、日發(fā)電計劃完成率、月發(fā)電計劃完成率、日累計發(fā)電量、月累計發(fā)電量、年累計發(fā)電量等數(shù)據(jù)。利用黃色、綠色、紫色區(qū)分預(yù)警、正常、故障三種機組狀態(tài)，及時識別機組是否良好運行。使用全廠有功、全廠無功雙曲線的形式，展示了近 12 小時內(nèi)單個機組的功率波動情況，讓電廠實現(xiàn)精細化管理。

智慧巡檢

進入主廠房后，支持以第一人稱視角自由漫游（W A S D 方向鍵結(jié)合鼠標操作），可查看發(fā)電機詳細運行參數(shù)、攝像頭監(jiān)控畫面等信息。

支持繪制并保存常用巡檢路線，每次進入后按照固定路線自動漫游，滿足個性化的巡檢需求。通過巡檢模擬人或者巡檢車巡檢的過程，經(jīng)過設(shè)備時可以停留查看設(shè)備信息。

圖撲軟件能無縫結(jié)合 HTML5 各項多媒體功能，支持集成各類視頻資源形成統(tǒng)一的視頻流，可在 3D 場景內(nèi)關(guān)聯(lián)壩頂、發(fā)電機層、配電室攝像頭的視頻信號源。通過場景交互來調(diào)取相應(yīng)監(jiān)控視頻，滿足運維人員的實時態(tài)勢感知、歷史數(shù)據(jù)回溯比對等需求。

圖撲軟件也支持虛實融合，把視頻畫面精確融合顯示在三維模型對應(yīng)的空間真實地理坐標位置，這種融合不會隨著三維模型的傾斜、旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生錯位，充分發(fā)揮出三維場景的直觀特點。通過視頻融合可實現(xiàn)關(guān)鍵路徑自動視頻巡檢，重點區(qū)域關(guān)注目標快速鎖定等高級功能，為日常管理和突發(fā)事件的處理提供直觀準確的協(xié)助。

智慧安防

大型水電站都具有裝機容量大的特點，影響著區(qū)域供電。一旦站內(nèi)的水庫、大壩（含副壩）、發(fā)電廠房、引水渠等發(fā)生故障，將造成大面積停電，嚴重影響社會的和諧穩(wěn)定。圖撲水電站的智慧安防系統(tǒng)關(guān)聯(lián)站內(nèi)監(jiān)控信號源，顯示現(xiàn)場監(jiān)控畫面，對區(qū)域闖入、煙火、故障等進行監(jiān)測，保障站內(nèi)設(shè)施設(shè)備的良好運行。3D 場景內(nèi)圖標可點擊查看相應(yīng)監(jiān)控畫面、人員名稱、報警時間、報警詳情。。

2D 界面標注了攝像頭分布情況、視頻統(tǒng)計、行為分析報警、站內(nèi)人員分布、人員報警等信息。通過圖撲可視化系統(tǒng)，可將視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口管理系統(tǒng)、智能一卡通系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、作業(yè)過程管理系統(tǒng)、周界水域偵測系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)等進行融合管理。

全景漫游

將 GIS 創(chuàng)新融入圖撲軟件中，為可視化賦予更強大的地理智慧。支持接入多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，標注各個水電站位置信息，即時還原高精度真實現(xiàn)場。

采集江河流域范圍內(nèi)的 DOM（數(shù)字正射影像）和 DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，以真實的城市河道現(xiàn)狀信息和周邊景物信息為依據(jù)，對河道、河底的三維空間數(shù)據(jù)進行三維幾何建模；然后疊加精細建模的水電站模型，并進行渲染優(yōu)化；最后采用顯示列表、紋理優(yōu)先級、細節(jié)層級模型（LOD）等圖撲軟件渲染技術(shù)，實現(xiàn)三維河流實時逼真的虛擬場景顯示，并提供豐富的人機交互手段。

通過圖撲軟件建立整條流域的虛擬漫游，遠景和近景背景區(qū)別設(shè)置，添加了水霧、大氣、云層等環(huán)境效果，讓場景更真實、靈動。漫游將客觀真實存在的場景通過瀏覽器以虛擬漫游形式達到異地瀏覽的目的，用戶足不出戶即可游歷景物景點和建筑物內(nèi)部場景。

流場監(jiān)測

運用圖撲研發(fā)的力場粒子效果，仿真模擬出江流流動，結(jié)合不同流速區(qū)間對應(yīng)的不同粒子顏色，對流場進行渲染，實時展示流速數(shù)據(jù)。

仿真分析技術(shù)的應(yīng)用范圍涵蓋社會的諸多方面，結(jié)合圖撲軟件 Web 可視化引擎為工程仿真、氣象預(yù)報、生命科學、科研教育、電力系統(tǒng)、交通運輸、工業(yè)制造等不同領(lǐng)域的發(fā)展起到了推動作用，為不同的行業(yè)發(fā)展注入了新的動力。

岸線仿真

圖撲軟件能根據(jù)歷史水位數(shù)據(jù)模擬出江流周邊岸線變化情況，有助于判斷水位臨界值，提前調(diào)節(jié)水位，防止發(fā)生洪澇災(zāi)害或者提前通知周邊居民轉(zhuǎn)移。

水質(zhì)反演

基于已采集的江流、水庫水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)，使用圖撲軟件研發(fā)的云圖渲染技術(shù)，取出某段立體水域，將水質(zhì)數(shù)據(jù)的高低，用立體云圖展示，并支持操作時間軸，反演全年的水質(zhì)變化情況。根據(jù)推演數(shù)據(jù)判斷水中化學殘留物的含量、水中鹽分、下游河水含鹽量、水中血吸蟲數(shù)量、微生物及細菌的數(shù)量、水生植物及藻類數(shù)量等。當出現(xiàn)嚴重水質(zhì)問題時，及時采取補救措施。

水力發(fā)電與航運、養(yǎng)殖、灌溉、防洪和旅游組成水資源綜合利用體系，讓水力資源得到最大利用。未來，水電站的自動化、遠動化等也將進一步完善推廣；發(fā)展遠距離、 超高壓、 超導(dǎo)材料等輸電技術(shù)，將有利于加速中國西部豐富的水力資源開發(fā)。

審核編輯黃昊宇