虚拟现实及物联网技术在水利上的应用.doc

虚拟现实及物联网技术在水务中的应用简介

2023/10/24
1 虚拟现实
1.1 技术介绍
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR)也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是运用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观测三度空间内的事物。
虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。与传统的计算机人――机界面（如键盘、鼠标器、图形 用户界面以及流行的Windows等）相比，虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的奔腾。传统的人――机界面将用户和计算机视为两个独立的实体，而将界面视为信息互换的媒介，由用户把规定或指令输入计算机，计算机对信息或受控对象作出动作反馈。虚拟现实则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视化，形成一个逼真的环境，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各种信息，并由此控制计算机。
虚拟现实用以下3种基本技术进行了概括：
1、三维计算机图形学技术；
2、采用多种功能传感器的交互式接口技术；
3、高清楚度显示技术。
仿真的目的就是通过对系统仿真模型的运营过程进行观测和记录，来掌握系统模型的基本特性，找出仿真系统的最佳设计参数，实现对真实系统设计的改善或优化。传统的数字仿真技术是很少考虑人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)，也就是说人的想法要适应计算机，人是旁观者。
随着多媒体技术、计算机可视化、传感技术的发展，计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为也许。把虚拟现实技术引入系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清楚的结识，而不必单纯被动的去观测仿真的结果，将使模型的建立和验证更加方便。通过三维数字模型和显示头盔进行该领域的视觉模拟；通过传感机制和触觉手套来进行该领域的触觉模拟；通过音响制作和音效卡进行声音模拟；通过机械控制和传动装置进行动感模拟。虚拟现实技术使设计人员从“空间+时间+感受或意念”即“五度空间”感受世界，人成为参与者。在水利工程规划、设计、施工等阶段如何应用虚拟仿真技术是需要研究的。
虚拟现实已经被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、虚拟工业仿真领域、应急解决预演、文物古迹还原、产品展示机展览展示、教育学、地址文化研究等各个领域。
近年来，由于娱乐行业和数据可视化的需求提高，近年来得到巨大的发展。通用计算机图形（CG）已经成为目前整个IT行业发展最迅速的领域之一。
1.2 水务（水利）应用
1.2.1 规划设计仿真
虚拟仿真系统为水利工程规划设计提供一个全新的研究平台，它具有安全、经济、可控、便于观测、便于参与、实用、无破坏性、可多次反复、整体性等特点，可以对各种决策的效果与作用进行分析比较，以作出科学合理的选择。
大型水利工程因其建设周期长、投资大、结构复杂，涉及问题多，因此在决策阶段或建设的前期就能预测工程项目存在的问题并及时加以纠正，减少工程投资的风险是人们所期待的。虚拟仿真技术将我们的视野从二维平面上升到三维主体空间，采用已获取的基础数据，针对工程项目建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境。
2023年长江勘测规划设计研究院向水利部申报的“水利工程虚拟仿真系统”是以水利工程的勘测设计、施工、运营管理为对象建立贯穿方案论证、CAD设计、工程进度控制、运营管理全过程的可实时显示的仿真系统，使项目参与各方都能在此环境下直观地、清楚地看到该项目过程的整体或局部、动态或静态、历史的或现实的以及将来的真实场景，提出自己的意见规定，并可进行各类信息查询。决策层可在最短的时间内获得最新最准确的信息，以便对未来事件作出快速的判断并采用相应对策。虚拟仿真技术是将数据管理、几何建模、物理属性建模、应用建模、模型实验、虚拟可视分析集成于一个环境，运用已有的信息建立高精度的水利工程三维模型，分析研究规划设计中关心问题，如：水利工程规划、方案比选、枢纽总体布置和设计协调等，在虚拟仿真环境中对所关心的问题进行观测、修改、决策、调度或重组等，使项目在决策或实行过程中更具有科学性、经济性和可靠性。
虚拟现实平台改变了设计验证过程。设计者可以选择要观测的模型、选择要改变的尺寸、输入新的尺寸、确认改变等等。具体地说，当设计者在虚拟环境中选择了要修改的产品尺寸并输入了新的尺寸后，系统将该设计模型连同新的尺寸传回到CAD系统中，并在CAD系统中对设计模型进行修改，再将修改后的设计模型重新传入到虚拟环境中由设计者对修改结果进行确认。虚拟环境中观测分析CAD模型比在CAD系统中更为真实。
虚拟仿真技术为设计服务，设计中当需要用图形去分析解决设计结果、计算结果或设计模型组装或多专业设计协调时，应用虚拟仿真平台交互特点和超强的图形解决与分析能力，结识工程设计中碰到的设计难点，为设计或优化设计提供依据。
工程设计从地形、地质、三维设计、计算分析到二维出图整个过程都体现出设计与制图的细致与精确。虚拟仿真作为设计的分析工具具有超强的图形解决与计算分析特点。要将仿真技术真正应用到水利工程的规划、设计中，除了应用、研究和开发虚拟仿真的分析功能外，还必须解决与三维CAD与仿真平台双向无损、快速的转换，这样在虚拟沉浸环境下当改变设计方案或修改局部参数时能快速修改原三维CAD文档，同时将修改在仿真平台显示。虚拟仿真使设计者沉浸其中，对所需解决的问题有清楚的结识，是设计过程中不可缺少的环节。
基于如何应用虚拟现实技术，提供逼真、具有可交互性的三维可视环境，更好地展示水利工程，以方便业主或设计者对工程设计方案进行选择、评估。所研究的内容重要为，构建虚拟工程，展示工程场景，让设计者直观地感受真实工程的使用境界，方便工程设计的选择、评估。
采用实时视景仿真软件。场景数据库组织好之后，运用软件对数据库进行控制，交互式可视化分析。在虚拟漫游时，设计者可以选择不同的对象，模拟飞机、或汽车、或步行等方式的漫游，以不同视角、不同方位、不同的速度，对工程对象的静止状态或运动状态形象、立体、直观、全面地体验，并分析设计的合理性。
1.2.2 水利工程视景仿真
形成实际建筑和地形的精确、逼真三维模型，以便从各个不同的视角观测分析整个工程。
一、三维地理信息系统
一方面将地形的三维等高线模型，生成地形模型，贴上地图/航拍正投影像等纹理。在生成地形模型上，以“顶视图”的角度，以精确的“尺寸”和“位置”按比例为1：1建立虚拟场景平面布置图。可以将整个区域按道路桥梁、水利枢纽、围堰、江河、码头、混凝土系统、施工营地、沙石开采加工区、弃渣区、水厂与电厂等分割成多个区块。区块划分后，就可以把整个建模任务分割开来，整个大的建模任务可以划分为区块建模和环境建模。环境建模重要是树草植物等的加入，道路桥梁可以放到环境建模中再细化。
二、水利工程三维模型
三维几何模型的建立是整个工程虚拟场景建立的基础，模型的建立重要分三维地形的建模和建筑物三维建模，如坝区地形、挡水建筑物、通航建筑物、地下厂房模型、施工场地、公路、植物的建模工作。建立的模型合适与否将直接影响虚拟场景的可视化效果和系统的运营速度。
三、水利电子沙盘
将地理信息系统与水利工程建模结合就构成了水利电子沙盘。
1.2.3 水利灾害仿真
随着城市化发展进程加快，城市及周边区域的洪水风险日趋严峻，洪涝灾害演变规律更为复杂，新形势下的城市防洪减灾已成为影响我国可连续发展的重大研究课题。由于现代城市特点多样，考虑线或面的模式建立洪水仿真模型，难以满足现代城市洪涝的演进机制和规律，需要综合反映城市特点，以点（局部积水区）、线（河道）、面（湖泊、公园等）、网（地下排水管网）等相结合的形式，建立城市洪涝仿真模型，提高城市洪涝模型的精度，其意义是较大的。
在国外已经建立了规范性的城市洪水计算模型，并形成产品化在许多国家推广应用。而我们国家在城市仿真模型开发方面并不落后于世界水平，甚至在功能方面优越于现有的产品化模型，只是我们的城市洪水仿真模型重要掌握在开发软件个人手中，没有形成规范化和产品化的系统，难以推广应用。我们的目的是根据现代城市特点完善城市洪涝仿真模型，并致力于规范化，进一步向城市仿真模型系统的产品化推动。
一、溃坝湮没分析
溃坝湮没分析系统重要为水库管理和风险评估分析而开发，是集数据库管理、多维数值仿真模拟、灾害经济分析评估、和灾害防止决策支持为一体的集成系统。该系统重要用于建设相关GIS数据库（如库坝参数、周边社会经济空间分布数据库）；决口扩展过程描述，模拟大坝或防洪堤决堤后洪水的演进过程，分析洪水破坏能力、洪水淹没深度、洪水波到达时间等；制定空间分布灾害破坏等级图，评估灾害经济损失，为灾后分析、制定防洪预案、应急草案、和风险管理提供必要的科学依据。
系统由GIS数据库管理模块、多维（二维或三维）洪水波数值模型、洪水分析模块、经济分析模块等组成,配备二维和三维动画演示模块，提供高质量的数据可视化输出。
湮没分析也同样可以应用到城市内涝减灾工作中。
二、灾情演进分析
发生水旱灾害时，决策层均面临着未来灾情预测及各种预案也许后果的比较问题。灾情演进分析可认为决策者提供可视化的辅助工作平台，依照时间直观展示也许的灾害进展情况。
三、山洪灾害仿真
1.2.4 水利数据可视化
分析数据可视化属于科学计算可视化范畴。数据可视化是关于数据之视觉表现形式的研究；其中，这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概要形式抽提出来的信息，涉及相应信息单位的各种属性和变量。
数据可视化技术的基本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素表达，大量的数据集构成数据图像，同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表达，可以从不同的维度观测数据，从而对数据进行更进一步的观测和分析。
水务数据可视化可以分为两类：
一、业务数据可视化
基于三维的业务应用系统相对于普通常见的二维业务应用品有独特的优势，特别是在用户体验方面，比如立体图表、动态立体切换等。
二、理论计算分析数据可视化
应用动态三维建模技术可以将一些复杂理论问题的计算机计算结果可视化，从而大大提高用户对数据的理解度，从而更便捷的分析数据。
挡水建筑物表孔泄洪的动态模拟：流体的动态模拟属于动态环境模拟技术，采用粒子系统实现在不同水位和不同闸门启动角度时对泄洪的动态模拟。在泄洪模拟的实现中，将大坝的各个泄洪口设立成粒子的生成位置，根据水位和闸门启动角度，对生成的粒子赋予一定的属性，如喷射速度，喷射角度，扩散角度，生命周期，初始颜色，终了颜色等。
1.3 小结
虚拟仿真技术在水务（水利）行业中具有广阔的应用前景。为宏观决策和项目管理提供快速、系统、准确的信息与技术支持，可大大提高各项工作的及时反映能力和决策水平。
2 物联网
2.1 技术介绍
物联网技术是通过各种信息传感设备，如传感器、射频辨认（RFID）技术、（GPS）全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置不技术，实时采集任何需要监控、连接、互劢的物体戒过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，不互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便辨认、管理和控制。
随着物联网技术的兴起和发展，充足运用新兴的IT技术构建智慧水务技术体系，可以实现“智慧化”管理。以坚实的科学基础和技术手段保障防洪安全、供水安全、生态安全、能源安全、航运安全和工程安全。鉴于水系统的复杂性，智能系统作为解决现实水问题的方法之一，仍然无法满足新时期可连续发展的需要，从而催生了“智慧水务”的概念。
国家“十二五”规划明确提出，物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、智慧水务、金融与服务业、国防军事等十大领域重点部署。
我国水利信息化还基本处在基础设施完善和业务应用初步建设的阶段，为加快水利行业信息化的进程，需要更广泛、有效地运用高新科技，结合水利行业的业务特点，尤是物联网相关技术。
在水利信息化综合体系中，应用系统以水资源管理、农村水利信息管理等水利部提出的八大重点工程为核心，服务于各种水利业务管理；信息化基础设施不仅涉及水利应用系统赖以存在的网络硬件平台，还涉及水利基础信息采集点、水利通信骨干网络的建设。
物联网相关的传感器、网络技术等并不是全新的技术，而水利行业因具有安全规定高、空间跨度大、野外作业多等特点，很久以前就已经开始广泛使用各种自动化或半自动化的信息采集监测设备，对雨量、水位、水量、水质等信息进行实时采集，通过无线网络、有线网络进行传输汇集，从而应用于防汛抗旱、水资源管理等多项业务管理中。
目前在国内物联网在水务领域开展的重要方向是充足运用传感技术、GIS技术、网络技术有机结合，有机结合传统人工监测、在线监测以及无线传感网的监测等方法，使用专门的软硬件使水环境监测智能化、网络化、实时化。
2.2 水务（水利）应用
智慧水务是物联网在水务领域应用的综合体现。所谓“智慧水务”，就是在常规的水解决/管理技术之上，结合物联网、信息、控制等技术，对自来水、污水、中水，饮用水等各种水解决设施的运营数据、水质及时监测——即“水环境信息”进行一元化管理，从而有效提高水务管理的智能化和及时性。

智慧水务物联网层次图
总体来讲，物联网技术与智慧水务的结合就是将无线传感网络与现有的计算机通信网络覆盖传输以及运营管理能力相结合，通过构建智能调度综合指挥中心的集中控制与调度，并将其应用到影响“六大安全”的各种因素在线实时监控和治理中，实现监测网络的无缝覆盖；实现全天候的实时动态监测，将能极大地避免数据丢包及通信中断等情况的发生，为“六大安全”在线实时监控及预警提供准确、实时、稳定的数据；实现监测、预警、智能计算、反馈过程的自动化管理，做到信息实时获取、有效预警、自动智能反馈任务分派，以及信息解决的自动化，提高流域调度的监测和管理的自动化水平，促进管理效率的提高。
从保障“六大安全”实际需求出发，以物联网技术为支撑，构建基于物联网技术的流域智能调度体系。智能感知也许影响安全的各种因素，智能数据解决技术对感知的数据进行提炼和挖掘，然后将其传输到智能仿真平台进行模拟分析，以感知数据和仿真结果为基础，拟定应对各种情景下的智能诊断与预警方案，针对已发生或即将发生的安全事件进行智能调度与处置，根据调度与处置方案，进行联合工程措施和非工程措施的智能控制来应对各种情景下的安全事件。
综合智能感知、智能仿真、智能诊断、智能预警、智能调度、智能处置及智能控制等关键技术，形成为一体的智能综合指挥平台，并运用智能运维技术保障信息通信网络和信息系统的安全高效地运营。将智能综合指挥系统平台应用于水量的统一调度，实现各种安全数据实时、同化、存储、发布、预测预警、指挥信息的自动分发、报表生成，无线网及传感器探头、远程控制及展示等功能，为水工程的高效安全运营提供支撑。
从目前实际应用情况看，物联网的感应网络将会在水利信息化的热点问题-旱涝预警、水生态监控、水利设施监控、水资源调度等方面得到广泛的应用。物联网的传输网络，特别是无线网络将会使水利信息化的难点问题-监测自动化限度低、传输网络覆盖可以等得到很好的解决。

基于物联网的水资源管理系统框架参考
物联网在城市水务中的典型应用涉及：
一、水资源监测管理工程
服务于水资源监管部门，构建水资源管理机构的信息网络、水资源数据采集传输和管理中心，为水资源管理业务开展和水资源信息发布提供数据来源。

二、大型泵站综合自动化改造工程
服务于大型泵站管理处等业务管理部门，对大型泵站的设备运营状态（温度、电流电压、压力、振动、微机保护等）、各出水口水流量及视频的监测，以及通信专网系统和应用软件系统建设，进行泵站全自动远程控制、告警、信息采集，实现遥控、遥信、遥测、遥视功能 ，大大提高工作效率。

三、城市排水应急管理
服务于城市水务管理部门，对城市中立交桥下等积水点实现视频监测，采集降雨量、水库、河道、易积水点的水位、流量信息，通过TD-SCDMA等无线网络方式实时传输至局中心防汛管理部门，实现积水事件预警、应急物资管理和多部门应急协同。

四、城市供水调度监控
系统的重要目的是解决自来水公司对供水各环节监测点的数据采集和监控。该系统由监控中心和各个水源监测点组成，各个水源监测点的数据采集终端（RTU或PLC）可监视和采集水位、压力、流量、浊度、余氯、泵频等各种数据，供控制中心及有关部门分析和决策取用，提高工作效率，保证供水质量，满足日益增产的用水量的需求。
城市供水调度监控系统可以对远程现场的运营设备进行监视和控制，以实现管道压力、水流量的数据传送及阀门开关的自动控制，减少了故障率和提高了对系统的反映时间。便于及时迅速的了解及控制远端管道及阀门，低故障率和检修的时间，减少停水次数。各水源监测点的数据采集终端可自动采集管道压力、水流量的实时数据与开关状态等数据，信息传输到自来水公司的监控中心，监控中心通过对传输回的数据进行分析，可找到出故障的地点，从而当一个远端出现故障时，能在最短的时间内解决问题，恢复供水，提高了整体的服务水平，从而实现了城市供水的信息化、现代化。
在城市供水调度监控系统中，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆、铺设电缆难度大、不切合实际，向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，并且有些监控点线路难以到达，况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之监控系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运营费用高，不便于大规模使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运营维护简朴、性价比高等优点。在监控系统中，无线通信方式重要涉及：GSM短消息、GPRS、CDMA系统等。
2.3 小结
物联网在水务领域的应用正在全面展开，有别于传统的电子监测，智慧化是未来智慧水务的发展方向。水务物联网应用当前面临的最重要问题之一是标准化问题，一方面是物联网基础技术的标准化体系，另一方面是水务物联网应用的标准化体系。
3 总结
综合运用物联网技术和三维仿真技术可以在更高层次上提高水务（水利）信息化的水平，解决当前水务（水利）工作中的一些特殊问题。其中，三维仿真技术可以在决策和业务应用层面发挥重要作用，物联网技术则在水雨情监测、灾情监测等方面起到关键性作用。两者结合将构建面向全新时代的水利信息化架构体系。
建设智慧水务必须信息化标准先行，保证信息数据规范、完整、统一，信息化系统一定应建立在规范体系之上。