丹江口水库调度管理三维仿真系统开发与应用.pdf

第 42卷 第 1期 2 0 1 1年 1月 人 民 长 江 Yangtze R iver Vo. l 42, No . 1 Jan . ,2011 收稿日期 2010- 12- 10 作者简介 胡 军, 男, 副总经理, 高级工程师, 主要从事水利工程运行调度管理研究。 文章编号 1001- 4179 2011 01- 0087- 03 丹江口水库调度管理三维仿真系统开发与应用 胡 军 1 , 黄 少 华 2 1 . 长江水利委员会 汉江集团, 湖北 丹江口 442700; 2. 长江勘测规划设计研究院 工程数字仿真中心, 湖北 武汉 430010 摘要 根据丹江口水库大坝加高后对水库调度管理提出的新要求, 将三维地理信息系统和虚拟仿真技术与水 库优化调度模型相结合, 建立了丹江口水库大坝及水库库区三维虚拟仿真系统, 可进行高分辨率的三维可视 化浏览、 查询、 分析与模拟, 给水库调度管理提供了一个新的技术平台。较详细介绍了该系统的总体结构、 系 统功能以及应用步骤。 关 键 词 三维仿真; 水库调度; 调度模型; 虚拟现实; 丹江口水库 中图法分类号 TP697 . 11 文献标志码 A 1 概 述 丹江口水利枢纽于 1958年 9月开工, 1973年建 成初期规模, 坝顶高程 162m, 正常蓄水位 157m, 相应 库容 174 . 5亿 m 3, 死水位 139 m, 调节库容 98 . 0亿 102 . 2亿 m 3, 为年调节水库。考虑到丹江口水库初期 规模调节能力不足, 为满足汉江中下游防洪和南水北 调工程中线调水要求, 2006年 9月, 丹江口水库大坝 加高工程开始实施, 大坝高程从 162 m 加高到 176 . 6 m, 正常蓄水位为 170 m, 相应库容 290 . 5亿 m 3, 死水 位 150 m, 调节库容 163 . 6亿 190 . 5亿 m 3, 为多年调 节水库。丹江口水库的主要任务是防洪, 其次是供水、 发电与航运。 水库调度决策是一个极其复杂的过程, 其复杂性 主要表现在 天然入库流量的随机性, 水库利用功能的 多重性、 动态性, 决策过程中优化调度模型与参数选择 的不确定性, 调度决策的实时性, 数学模型建立、 求解 技术的局限性等。这些特征因素使水库调度决策问题 呈现出明显的半结构化或非结构化特征, 甚至难以用 数学模型来描述, 必须结合实践经验对各种调度方案 进行不断的修正。另外, 实施调度决策还要求具有很 高的时效性和直观性。 传统水库优化调度计算与决策模拟, 都是在二维 平面上进行, 或者是采用曲线、 表格展示调度结果和运 算过 程, 整 个 过 程不 直 观。三 维地 理 信 息 系统 3DGIS和虚拟仿真等三维可视化技术的出现和发 展, 为水库调度管理提供了全新的技术平台 [ 1- 3] 。 本文以 丹江 口水 库为 例, 将 三维 地理 信息 系统 3DGIS和虚拟仿真技术与水库优化调度模型相结 合, 研究三维仿真技术在丹江口水库调度管理中的应 用方法。 2 系统总体结构 系统总体目标是 采用 3DGIS和虚拟仿真技术、 多维和多种数据融合技术, 以丹江口水库库区数字高 程模型 DEM和高分辨率卫星遥感影像、 丹江口水利 枢纽三维仿真模型为基础, 建立丹江口水库大坝及水 库库区三维虚拟仿真环境, 进行高分辨率的三维可视 化浏览、 查询、 分析与模拟, 实现丹江口水库工程环境 虚拟再现, 同时系统与丹江口水库调度管理的实时数 据和方案成果数据相结合, 进行水库调度实时状况和 调度方案的三维仿真 [ 4]。系统总体结构见图 1 。 3 建立工程三维仿真模型 三维仿真模型是建立三维仿真系统的基础, 建立 丹江口大坝水工建筑物、 丹江口水库库区地形、 库区水 人 民 长 江2011年 体、 下游河道地形及河道水体等三维仿真模型, 形成丹 江口水库及汉江中下游整体真实的工程场景。 水工建筑物包括挡水建筑物、 泄水建筑物、 通航建 筑物、 电站厂房建筑物等, 根据水工建筑物 CAD图 纸 [ 6], 在 MultiGen Creator软件环境中, 按 11的比例 建立水工建筑物三维仿真模型, 然后贴上真实的建筑 物纹理, 真实反映水工建筑物景观。 图 1 丹江口水库调度管理三维仿真系统总体结构 根据丹江口水库库区和汉江中下游河道 15 000 地形图, 在 SiteBuild forArcGIS软件环境中, 生成丹江 口水库库区和汉江中下游河道 DEM, DEM 上叠加卫 星遥感影像, 形成真实的地表自然地理景观。 最后, 对 DEM 和水工建筑物三维仿真模型, 形成 丹江口水库库区及汉江中下游整体场景视景仿真模 型。 4 系统功能 4. 1 三维仿真场景交互漫游 系统三维场景漫游采用 Visual C 2005 , 调用 MultiGenVegaPri me函数库实现, 实现工程从整体到局 部的全方位交互式立体漫游。建立丹江口水库和汉江 中下游水利设施分布电子地图, 在三维仿真系统中嵌 入二维导航电子地图, 在二维电子地图中设置导航器, 实现三维场景漫游、 二维地图导航的功能。 4. 2 基本属性数据和实时监测信息查询 在三维仿真系统中, 观察者可以基于三维仿真模 型进行对象的基本属性信息、 工程图档和实时监测信 息的查询与显示, 如 可以查询泄洪闸门的工程基本参 数、 闸门的实时开度、 闸门的设计 CAD图档等, 达到 漫游到哪里, 就查询到哪里 , 边漫游边查询, 即见 即查 的效果。 4. 3 水库库容与淹没面积的实时计算 不同上游水位条件下的水库库容和淹没面积计 算, 对于工程移民规划、 淹没损失估算、 工程防洪设施 布置等都具有指导性的作用。该系统结合 VR系统与 GIS的三维地形分析方法, 实现水库上游各种水位情 况下, 水库库容和淹没面积的实时计算。VR系统建 立了整个水库工程及上游水库的三维虚拟场景, 包括 水工建筑物、 水库周遍的地形及地理景观、 水面、 库区 水下地形景观, 为用户提供了输入各种水库水位的对 话框界面。 以 GIS的三维地形分析函数库为后台, 基于上游 水库地形的 DEM, 实现库容和上游水库淹没面积计 算, 然后将计算结果返回到水库三维虚拟场景中。 4. 4 水库调度三维仿真 针对丹江口水库综合利用的优化调度问题, 采用 动态规划方法与马尔可夫过程原理, 利用 惩罚法 和 控制线法 , 解决了发电保证率和灌溉保证率的计算 问题, 建立了丹江口水库优化调度数学模型。模型的 基本要求如下 将防洪、 灌溉、 航运等作为边界约束条 件, 建立以发电效益最大为目标的数学模型, 通过迭代 收敛计算, 调整发电罚系数, 灌溉罚系数或控制线, 使 得在一定约束边界条件下的水库调度能够满足发电保 证率、 灌溉保证率的要求。 该系统中提供了多种可供选择的水库调度模型, 包括常规经验调度、 洪水预报预泄调度、 指令调度、 补 偿调度、 各种优化调度、 交互式调度等。这些模型已被 开发成标准化模块, 形成水库调度方案库, 根据预报 的水库上游来水情况, 以满足不同情况和不同用户的 需要进行选择, 确定大坝泄水流量及水库控制水位, 然 后参照丹江口大坝泄洪能力参数, 确定泄洪闸门的开 启孔数及高度。 根据丹江口水库大坝加高后的洪水调度成果表, 分别针对各种洪水设计频率的水库调度方案进行三维 动态仿真。仿真的对象包括 大坝坝前水位、 水库库区 淹没情况、 泄水流态与过程、 坝下水位、 坝下河道淹没 情况、 泄洪设备的运行情况, 以及深孔和表孔闸门的开 启孔数和相应的开启高度等, 见图 2 。 交互式调度把水库优化调度的结果作为初始方 案, 并作为交互生成的其它方案的比较基准, 其步骤如 下 第一步, 任意修改泄流量或预报入库洪水过程 根 据经验判断 ; 第二步, 重新进行调洪演算, 推求相应 的水库库容和水位, 以及开启泄洪闸门的孔数和泄洪 流量; 第三步, 显示保存交互生成的调度方案, 在三维 仿真系统中进行演示, 见图 3 。 重复上述的步骤, 可以 88 第 1期 胡 军, 等 丹江口水库调度管理三维仿真系统开发与应用 图 2 丹江口水库洪水调度三维仿真 图 3 丹江口水库交互式调度三维仿真 生成不同水库调度方案, 供决策者选择。 5 结 语 该系统以丹江口水库调度为例, 将三维仿真技术 应用于水库的调度管理, 通过建立水库调度管理过程 三维动态、 实时可视的虚拟仿真环境, 对水库运行调度 进行三维动态仿真, 工程运行管理与调度决策人员能 在最短的时间内获得最新最准确的决策信息, 以便做 出快速的判断并采取相应对策, 提高了工程运行调度 的效率和水平, 给水利工程的运行管理尤其是水库调 度提供了一个新的技术平台。 参考文献 [ 1] 韦有双, 杨湘龙, 王飞. 虚拟现实与系统仿真 [M ]. 北京 国防工业 出版社, 2004 . 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EngineeringD igital Simulation Centre, Changjiang Institute of Survey, Planning, D esign and Research, Wuhan 430010, China Abstract According to the new operation require ments after the completion ofda m heightening project ofDanjiangkou Reser voir , we co mbine the 3D G IS, si mulation technology with opti maloperationmodelof reservoir to establish a si mulation syste m for Danjiangkou Reservoir and its reservoir area .It has the functions such as 3D visualbro wsing ,inquiry ,analysis and si mulation , which provide a ne w technological platfor m for reservoir operation and management . W e introduce the general structure ,syste m functions and using procedures in detai. l Keywords 3D si mulation;reservoir operation;operationmode; l virtual reality ; Danjiangkou Reservoir 上接第 71页 Research on opti m ization of fishway entrance of sluice on NanxiRiver in Zhejiang Proxince S H I Bin , WANG Bin , XU Gang, TU Xinggang Zhejiang Institute ofH ydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China Abstract The ordinary fishway design and researchmostly put e mphasis on internal structure and flo w conditions , w ith poor recognition of the habits andm igration la ws of fish. So the i mportance of the layout of fishway entrance is neglected . Actually , whether the fish can quickly find and enter into the fishway is a key factor of design . Taking the case of fishway in NanxiR iver , we analyze the behaviours of the local fish, the characteristics of structure arrange ment and the flow conditions by physicalmode;l thus propose to put the fishway entrance togetherwith the tailrace of a hydropower station and vertify its feasibility . This arrange ment has great significance to the study of fishway . Keywords fishway entrance ;tailrace of hydropower station;fish habits ;flow conditions ; NanxiR iver water supply project 89