研究报告｜三维可视化技术在智慧水务中的应用
导读：随着大数据、物联监测等技术的发展，水务运营管理越来越智能化，但由于水务运营管理工作本身复杂，目前仍然还存在一些问题，比如无法做到对整个供排水管网运行状况的实时掌控；无法对人难以到达或有危险的地方进行例行检查，保证水质安全。
当前，三维可视化技术愈发成熟，本文旨在研究三维可视化技术在智慧水务的应用，通过对选定区域内地面建筑和地下供排水管网及其附属设施进行三维可视化，构建“一张图”数据基座，同时结合物联监测、水力模型和云计算等技术，搭建一套完整的三维可视化供排水系统，以解决目前水务运营管理存在的不足，提升水务管理的效率，实现更加智能化和精细化的管理。
1 三维可视化供排水系统总体设计思路
深圳福田中心区北片区范围：皇岗路以西、新洲路以东，红荔路以南、深南大道以北，是深圳特区建设中最重要的开发用地，市民中心、文化中心、电视中心、少年宫坐落其中，是集行政、金融、商务、文化、信息、会展、旅游于一体的现代化国际性城市中心。为使研究更具有代表性与示范性，将福田中心区北片区作为本文研究区域。
利用三维可视化技术，将该区域地面建筑和供排水管网，以及泵站、窨井、水篦子、消火栓、阀门等附属设施三维可视化，并将管网的GIS数据和消火栓业务数据在相应位置上三维展示，搭建一套完整的三维可视化、数字化供排水系统。如图1所示，该系统可增强整个供排水流程的现实感、立体感，使管理一目了然，实时掌握整个供排水运行情况，大大提高供排水管网运行的安全性。同时，可对人难以到达或有危险的地方进行三维显示，帮助巡检人员进行定位以检查设备运行状态，保证水质安全。
三维可视化供排水系统的研究与应用，可提升福田中心区北片区供排水管网系统运行和管理的智能化、专业化和精细化水平。在信息技术的加持下，大量的水务数据经收集、归纳、分析及应用，对城市管网的规划、水务运营管理及智慧城市的构建具有重要的指导意义。
图1 三维可视化供排水系统效果图
1.1总体技术方案
如图2所示，本文研究的总体技术路线包括以下几点。
图2 总体技术路线图
（1）三维地表建筑建模
利用卫星影像数据对相应地面建筑、地形、树木绿化、道路等内容进行三维重建，形成简单模型，可见区域内单独建筑物。
（2）地下虚拟管网构建
基于已有地下管网GIS数据以及管网标高数据自动生成地下基础管网三维模型，并依据规范用不同颜色标识以区分雨水、污水和自来水管（建模时需对GIS中不合理数据进行推算、修正，如标高数据）。
（3）位置信息接入
根据已有相关数据信息，在地下管网上接入泵站、窨井、水篦子、消火栓、阀门的位置信息，在对应位置自动生成相应的模型，并与管网相连。
（4）业务数据展示
利用水力模型的模拟结果，显示供排水管网的整体水力运行状态，同时将区域内智能消火栓采集到的水压数据实时对应地接入到三维可视化系统，将水压信息以数字的形式进行显示，形成一套完整的三维可视化、数字化供排水流程。
（5）异常报警
根据虚拟管道所显示数据的异常情况实时发出报警信号，并以三维可视化形式展示。比如消火栓异常（如被撞倒、水压不足、用水）等情况发生时进行实时报警。
1.2关键技术解决途径
1.2.1三维场景构建
（1）三维场景数据库构建
三维场景数据库的生成流程如图3所示。
图3 三维场景数据库的生成流程图
（2）层次细节化
LOD算法主要考虑3个部分。
生成模型的不同层级。一个简单的模型通常用更少的三角形去近似原物体的形状。简单的模型可以用更低复杂度的着色器、更小的纹理、更少的通道等来进行绘制。
根据某些准则选择某个模型层级进行绘制，例如根据到物体的距离，它的包围盒的近似像素大小，或者估计没有被遮挡的像素数目。
从模型的一个层级到另一个层级的切换。一个主要目标是避免跳变，一个可见的、突然的切换，从一个 LOD 层级到另一个层级。
（3）延迟着色
延迟着色的几何缓冲区设计为参与绘制的各个模块提供了一个一致的数据输出格式，相当于为执行光照计算的模块和其他各模块之间提供了一致的数据交换接口，有助于将各个模块组织到统一的绘制流程之下。
在延迟着色模式下，除了直接进行光照计算的模块之外，其他模块均不需要添加任何光照计算相关的代码。这有助于系统的功能分离，使得光照算法和其他算法可以彼此相对独立地进行开发，可以有效降低系统的开发和维护成本。
系统采用带有大气散射的光照模型作为主要的光照模型，该光照模型的计算量和纹理访问量都较大，使用延迟着色模式可以有效降低光照计算的任务量，有助于实现较高的绘制性能。
1.2.2供排水管网GIS数据校验
基于已有的供排水管网GIS数据及其附属设施的位置信息，在三维可视化系统中进行三维显示，如果显示的供排水管网出现错位、供排水管道混接、附属设备位置不合理等现象，说明提供的数据有误差，需采取现场测量等方法对供排水管网进行重新核对，更新已有数据，达到校验功能。
1.2.3水压等业务数据采集
与供排水系统智能化相关的水压业务主要有供水管网水压、二供泵房水压、消火栓水压等。
供水管网监测系统是一套以在线监测设备为核心，运用物联网、无线通讯等技术，对供水管道的压力、流量、水质信息进行实时监测的系统。接入研究区域内供水管网监测系统，可将供水管网水压信息、流量等信息实时同步到三维可视化系统，为三维可视化、数据化供排水管网系统建设提供业务数据支持，保障供水压力平衡和流量稳定，及时发现和预测管网问题。
二次供水系统是对设备、管网及水质进行监测的管理系统，该系统可同时对不同类型的二次供水设备进行监测和管理。该系统采集泵房各个系统的传感器、视频安防、水质监测、能耗监测、流量监测、管网末梢压力监测、环境监测等信息，并上传至远程监管数据中心，实现对泵房内各个系统进行实时控制与管理。本文接入研究区域内二次供水系统，可将供水管网水压、水质等信息实时同步到三维可视化系统，实现管网进水压力、管网出水压力、管网流量监控及异常报警。
消火栓智能化监控系统由智能监测模块、微功耗传输模块、监控信息管理平台3部分组成。充分集成传感器、地理信息系统定位、网络和无线通信技术，实现消火栓状态数据信息（用水、消火栓被盗、水压异常）的实时监控，在研究区域安装智能消火栓，可将水压信息、用水计量等数据信息及地理位置信息实时同步到三维可视化系统，为三维可视化、数据化供排水管网系统建设提供业务数据支持，并能实现消火栓异常报警。
2 三维可视化供排水系统的设计
2.1系统架构
利用卫星影像数据进行三维重建，利用GIS数据以及管网标高生成地下基础管网三维模型。在地下管网上接入泵站、窨井、水篦子、消火栓、阀门的位置信息，在对应位置自动生成相应的模型，并与管网相连。利用水力模型的模拟结果，显示供排水管网的整体水力运行状态，同时系统将区域内智能消火栓采集到的水压数据实时对应地接入到三维可视化系统，将水压信息以数字的形式进行显示，并根据虚拟管道所显示数据的异常情况实时地出报警信号，并以三维可视化形式展示，形成一套完整的三维可视化、数字化供排水系统。
三维可视化供排水系统属于综合性系统平台，其总体架构划分为4个层次的内容，由下到上依次为基础设施层、数据层、平台层、应用层，具体总体结构如图4所示。
图4 总体架构示意图
其一，基础设施层：是整个平台的载体，提供运行的软、硬件环境支撑与保障，包括网络设备、计算资源、网络资源等内容。
其二，数据层：是整个平台的数据支撑层，包括供排水管线数据、地面三维模型、智能消火栓数据、水力模型模拟数据等。
其三，平台层：为三维可视化供排水系统，提供了地上地下模型三维可视化展示、水力模型模拟展示、异常报警等功能。
其四，应用层：基于数据层的数据及平台层提供的展示分析功能，可应用于管线的日常运营、监测预警工作中，并辅助领导进行决策及应急指挥。
2.2系统关键技术
2.2.1三维空间数据可视化技术
考虑到空间数据在线服务传输数据流量高的问题，对于三维管线、建筑物数据采用行业标准的3D Tiles规范进行LOD，LOD技术是一种有效的图形生成加速方法，当物体覆盖屏幕较小区域时，可以使用该物体描述较粗的模型，并给出了一个用于可见面判定算法的几何层次模型，以便对复杂场景进行快速绘制。同时，在前端B/S应用构建中采用AJAX技术大幅降低页面刷新次数，提高数据访问效率，优化用户使用体验。
2.2.2Web Service技术
Web Service技术能使得运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。依据Web Service规范实施的应用，无论它们所使用的语言、平台或内部协议是什么，都可以相互交换数据。采用Web Service技术实现SOA。使用SOAP、WSDL、UDDI等标准协议，实现服务功能封装、统一数据接口，服务管理与调用，并通过标准XML/SOAP协议实现服务间的相互调用和消息传递，服务间的访问要满足松耦合要求，基于XML的消息传递要满足异构系统通讯要求。
2.3三维可视化供排水系统设计
2.3.1供排水管网三维GIS系统
将研究区域内地面建筑、地形、树木绿化、道路等内容进行三维重建，形成简单模型，可见区域内单独建筑物（图5）。基于GIS数据生成地下基础管网三维模型，并依规范用不同颜色标识以区分雨水、污水和自来水管（图6）。在管网上接入窨井、水篦子、消火栓、阀门等附属位置信息，在对应位置生成相应的模型，利用统一平台实现数据管理和展示（图7）。
图5 地面三维模型图
图6 地下管线三维模型图
图7 管线附属物模型图
2.3.2供排水综合应用系统
基于高分辨率影像、地面三维模型、城市供排水管网数据、物联监测、水力模型等信息，建设供排水业务综合应用管理系统。系统提供供排水综合业务数据的可视化管理、查询和更新，有效管理水务运营管理过程资料，并且实现管网维护、抢修和保养，使水务运营和管理效率得到提高（图8）。
图8 数据融合图
同时，接入利用水力模型的模拟数据，以三维热力图渲染方式，展示供排水管网的整体水力运行状态（图9）。根据水流区域范围和网格大小生成每个网格位置，并且使用热力图的高度和颜色深度属性表示水流的大小，按照时间维度演化水力模型模拟数据，为综合决策提供支撑。
图9 水力模型展示图
2.3.3监测可视化系统
管网的GIS数据和消火栓业务数据在相应位置上三维展示，针对压力、水表等物联网传感器设备，将区域内智能消火栓采集到的水压数据实时接入三维可视化供排水系统，将水压信息以数字的形式进行显示，并具备异常报警的功能（图10）。
图10 消火栓业务数据展示
其一，水压数据展示。将区域内智能消火栓采集到的水压数据实时接入三维可视化供排水系统，并在地图上以模型加信息的效果呈现。
其二，智能消火栓详情信息展示。列表滚动展示智能消火栓信息包括设备编号、所属街道、状态信息。
其三，报警信息展示。列表滚动智能消火栓近期预警信息，并统计1 d内的报警信息。
2.3.4供水管网巡检养护
系统通过工单任务模块，实现任务派发、工单信息的标准化，利用系统实现巡检透明化、巡检调度自动化。和任务完成情况结合，实现考核标准化，为工作人员提供良好依据。针对不同任务统计分析和图标展示，了解片区任务进展情况，从而优化人员组织结构。
3 系统的部署、应用
3.1系统的部署
三维可视化供排水系统已开发完成，且经多次测试通过后，部署在云服务器上。用户通过常用的浏览器即可登入，快捷方便，可满足各种不同的应用场景。
3.2系统的应用
三维可视化供排水系统对区域内整个供排水过程进行了三维可视化建模，水务人员可以通过三维可视化供排水系统更好地掌握整个供排水管网的整体运行情况，同时提高了供排水管网运行的安全性，优化调度，节能降耗。基于三维可视化系统，巡检人员可以通过三维可视化供排水系统对人难以到达或有危险的地方进行三维显示，进行定位以检查设备运行状态，如管道内，供氧不足或有害气体的地方，巡检过程犹如身临其境、生动形象，且保障了巡检人员的安全。
4 结束语
在信息化程度不断加大的过程中，三维可视化技术在智慧水务中，可实现智慧水务管理资源设施、运营信息、水务要素的三维可视化一张图管理，有效实现水务资源设施的日常运维查询和数据维护管理，大大提升管理的效率和数据共享能力，促进智慧水务平台系统建设。但是，我国智慧水务还处于初级阶段，有很多不足需要改善。在未来要大力发展三维可视化仿真技术、智能感知技术等，和国家新发展理念结合，促进水务行业朝着智慧化方向发展。
