CN113866066A - 一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法及系统，其中，一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法包括，利用采集模块采集洞室运行数据获取洞室水位、流量、水压数据；根据洞室水位、流量、水压数据，并利用反演模块对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；结合渗透系数值和洞室结构，通过渗水分析模块获得渗水分布情况；通过输出显示模块对渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况；本发明能够准确计算水电厂地下厂房洞室渗水量，同时结合三维可视化技术实现了水电站地下厂房洞室渗水情况的实时监控，补齐了水电站防汛风险管控短板。

Description

一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法及系统

技术领域

本发明涉及地下厂房洞室渗水监控的技术领域，尤其涉及一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法及系统。

背景技术

水电站地下厂房排水系统由于其特殊性，较一般民用建筑物更为复杂，要考虑利用地下防渗帷幕阻断山体岩溶水和河床水反渗，同时在厂房四周设置截排水沟以及排水孔幕截排周边来水，以保证厂房机组设备的安全运行以及汛期的安全度汛。

目前电站中采用的渗水监测系统主要存在以下问题：(1)数据采集装置与数据处理系统独立运行，往往需要人工同步数据，操作繁琐费时且易出错；(2)数据采集装置安装位置缺少直观的展示，不利于运维管理人员发现、定位渗水问题；(3)缺少自动化、智能化的数据处理工具，不能为预防、解决渗水问题提供指导。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，利用采集模块采集洞室运行数据获取洞室水位、流量、水压数据；根据所述洞室水位、流量、水压数据，并利用反演模块对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；结合渗透系数值和洞室结构，通过渗水分析模块获得渗水分布情况；通过输出显示模块对所述渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的一种优选方案，其中：所述采集模块包括量水堰、渗压计和流量传感器。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的一种优选方案，其中：所述反演包括，根据洞室分布建立有限元模型，并根据洞室水位预测有限元模型的截取边界；将流量、水压数据输入至有限元模型中，通过有限元模型试算获得洞室各分区的渗透率；结合所述截取边界、流量数据和渗透率，获得所述渗透系数值。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的一种优选方案，其中：还包括，根据下式计算所述渗透系数值：

其中，α为所述渗透系数值，q为所述流量数据，s为所述截取边界，K为渗透率，η为水力梯度。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的一种优选方案，其中：所述渗水分析模块包括，结合渗透系数值和洞室结构，通过下式求解洞室各区域的渗水量w，获得渗水分布情况：

其中，r为洞室半径。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的一种优选方案，其中：所述输出显示模块包括场景创建单元和渲染单元；基于所述洞室结构，通过所述场景创建单元进行场景创建；通过所述渲染单元对渗水分布情况进行图像渲染。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统的一种优选方案，其中：包括，采集模块，用于采集洞室运行数据获取洞室水位、流量数据；反演模块，与所述采集模块连接，根据所述洞室水位、流量数据，用于对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；渗水分析模块，与所述反演模块连接，结合渗透系数值和洞室结构，用于获得渗水分布情况；输出显示模块，与所述渗水分析模块连接，用于对所述渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统的一种优选方案，其中：包括，所述采集模块包括量水堰、渗压计和流量传感器。

作为本发明所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统的一种优选方案，其中：包括，所述输出显示模块包括场景创建单元和渲染单元；所述场景创建单元，基于所述洞室结构，用于进行场景创建；所述渲染单元，与所述场景创建单元连接，用于对渗水分布情况进行图像渲染。

本发明的有益效果：本发明能够准确计算水电厂地下厂房洞室渗水量，同时结合三维可视化技术实现了水电站地下厂房洞室渗水情况的实时监控，补齐了水电站防汛风险管控短板。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法的量水堰运行情况示意图；

图2为本发明第二个实施例所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，包括：

S1：利用采集模块100采集洞室运行数据获取洞室水位、流量、水压数据。

采集模块100包括量水堰101、渗压计102和流量传感器103；通过量水堰101获得洞室水位数据，利用渗压计102测量水压数据，利用流量传感器103采集流量数据。

S2：根据洞室水位、流量、水压数据，并利用反演模块200对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值。

反演的具体步骤如下：

(1)根据洞室分布建立有限元模型，并根据洞室水位预测有限元模型的截取边界；

(2)将流量、水压数据输入至有限元模型中，通过有限元模型试算获得洞室各分区的渗透率；

(3)结合截取边界、流量数据和渗透率，获得渗透系数值。

根据下式计算渗透系数值：

其中，α为渗透系数值，q为流量数据，s为截取边界，K为渗透率，η为水力梯度。

S3：结合渗透系数值和洞室结构，通过渗水分析模块300获得渗水分布情况。

结合渗透系数值和洞室结构，通过下式求解洞室各区域的渗水量w，获得渗水分布情况：

其中，r为洞室半径。

S4：通过输出显示模块400对渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况。

输出显示模块400包括场景创建单元401和渲染单元402；基于洞室结构，通过场景创建单元401进行场景创建；通过渲染单元402对渗水分布情况进行图像渲染。

具体的，渲染渗水分布情况的完整工作流程为：

a)准备数据：提供顶点坐标、索引(控制三角形绘制顺序)、UV坐标(水平方向的第U个像素或图片宽度，垂直方向的第V个像素或图片高度取值范围0～1，)、法线(决定光照效果)以及各种矩阵。

b)生成顶点着色器：根据需要，由Javascript定义一段顶点着色器程序的字符串，生成并且编译成一段着色器程序传递给GPU，GPU根据顶点数量，逐个执行顶点着色器程序，生成顶点最终的坐标，完成坐标转换。

c)生成片元着色器：洞室的颜色，质地，光照效果和阴影。

d)光栅化：通过片元着色器，确定了每个片元的颜色，以及根据深度缓存区判断片元是否被挡，被挡的片元不需要渲染；最终将片元信息存储到颜色缓存区，完成整个渲染。

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的渗水监测系统和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

为验证本方法相对传统的渗水监测系统能够更准确地计算渗水量，本实施例中将采用传统的渗水监测系统和本方法分别对某地下厂房洞室任意五处的渗水量进行实时计算对比，结果如下表所示。

表1：两种方法获得的洞室渗水量。

由上表可见，通过本方法获得的渗水量更为准确。

实施例2

参照图2，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统，包括，

采集模块100，用于采集洞室运行数据获取洞室水位、流量数据；采集模块100包括量水堰101、渗压计102和流量传感器103；其中，量水堰101用于采集洞室水位数据，渗压计102用于测量水压数据，流量传感器103用于采集流量数据。

反演模块200，与采集模块100连接，根据洞室水位、流量数据，用于对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；

渗水分析模块300，与反演模块200连接，结合渗透系数值和洞室结构，用于获得渗水分布情况；

输出显示模块400，与渗水分析模块300连接，用于对渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况；输出显示模块400包括场景创建单元401和渲染单元402；场景创建单元401，基于洞室结构，用于进行场景创建；渲染单元402，与场景创建单元401连接，用于对渗水分布情况进行图像渲染。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：包括，

利用采集模块(100)采集洞室运行数据获取洞室水位、流量、水压数据；

根据所述洞室水位、流量、水压数据，并利用反演模块(200)对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；

结合渗透系数值和洞室结构，通过渗水分析模块(300)获得渗水分布情况；

通过输出显示模块(400)对所述渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况。

2.如权利要求1所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：所述采集模块(100)包括量水堰(101)、渗压计(102)和流量传感器(103)。

3.如权利要求2所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：所述反演包括，

根据洞室分布建立有限元模型，并根据洞室水位预测有限元模型的截取边界；

将流量、水压数据输入至有限元模型中，通过有限元模型试算获得洞室各分区的渗透率；

结合所述截取边界、流量数据和渗透率，获得所述渗透系数值。

4.如权利要求3所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：还包括，

根据下式计算所述渗透系数值：

其中，α为所述渗透系数值，q为所述流量数据，s为所述截取边界，K为渗透率，η为水力梯度。

5.如权利要求4所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：所述渗水分析模块(300)包括，

结合渗透系数值和洞室结构，通过下式求解洞室各区域的渗水量w，获得渗水分布情况：

其中，r为洞室半径。

6.如权利要求4或5所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控方法，其特征在于：所述输出显示模块(400)包括场景创建单元(401)和渲染单元(402)；

基于所述洞室结构，通过所述场景创建单元(401)进行场景创建；

通过所述渲染单元(402)对渗水分布情况进行图像渲染。

7.一种三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统，其特征在于：包括，

采集模块(100)，用于采集洞室运行数据获取洞室水位、流量数据；

反演模块(200)，与所述采集模块(100)连接，根据所述洞室水位、流量数据，用于对洞室渗流场进行反演，获得渗透系数值；

渗水分析模块(300)，与所述反演模块(200)连接，结合渗透系数值和洞室结构，用于获得渗水分布情况；

输出显示模块(400)，与所述渗水分析模块(300)连接，用于对所述渗水分布情况进行三维图形可视化渲染，以监控洞室渗水情况。

8.如权利要求7所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统，其特征在于：所述采集模块(100)包括量水堰(101)、渗压计(102)和流量传感器(103)。

9.如权利要求6或7所述的三维可视化水电站地下厂房洞室渗水监控系统，其特征在于：所述输出显示模块(400)包括场景创建单元(401)和渲染单元(402)；

所述场景创建单元(401)，基于所述洞室结构，用于进行场景创建；

所述渲染单元(402)，与所述场景创建单元(401)连接，用于对渗水分布情况进行图像渲染。

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