朱亭 張貴金 劉琦 周小錄 劉茗溪 李毅

摘要：先進(jìn)可靠的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢查大壩結(jié)構(gòu)，展示儀器埋設(shè)位置，提高實時監(jiān)測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析，并依據(jù)規(guī)范擬定應(yīng)力、滲流量等監(jiān)控指標(biāo)對三維數(shù)值模型進(jìn)行正反分析，可確定大壩變形預(yù)警值。以湖南托口水電站為例，采用BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩實體、地形場景以及監(jiān)測信息的三維可視化模型，并開發(fā)出集成了三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預(yù)警四大模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全方位展示大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果、監(jiān)控指標(biāo)等信息，并直觀展示實時信息，實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)控預(yù)警，提高了大壩安全管理效率。相關(guān)經(jīng)驗可供類似水利水電工程的安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)借鑒。

關(guān) 鍵 詞：BIM技術(shù); 安全預(yù)警; 大壩安全監(jiān)控系統(tǒng); 三維可視化

近年來部分水利工程由于大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器埋設(shè)位置復(fù)雜，以及監(jiān)測信息直觀性和實時性較差，大壩安全管理效率較低。因此，實現(xiàn)壩體及水工建筑、監(jiān)測儀器及監(jiān)測信息的三維可視化，提高大壩安全管理效率及實現(xiàn)其預(yù)警功能，已成為大壩管理的發(fā)展趨勢[1]。目前，在可視化的基礎(chǔ)上對大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究成果已有不少：金有杰等提出通過數(shù)據(jù)集成管理，實現(xiàn)監(jiān)測信息三維可視化，提高了監(jiān)測信息的直觀性[2];楊陽等開發(fā)了基于監(jiān)測信息的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)[3];馬瑞等提出了基于三維可視化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水庫大壩安全管理，可提升智能狀態(tài)下的水庫大壩設(shè)備安全管理效率[4];柴啟蕾等設(shè)計了基于Qt和OpenGL的大壩安全監(jiān)測可視化系統(tǒng)，可提升大壩三維模型內(nèi)外部交互的直觀性[5];He B等對將三維GIS技術(shù)應(yīng)用在小浪底水電站安全監(jiān)測方面展開了研究[6];傅蜀燕等開發(fā)了三維BIM +WebGIS 可視化區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺[7];趙志勇等基于BIM技術(shù)+GIS技術(shù)，開發(fā)了區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)[8]。然而，關(guān)于利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩、地形場景、監(jiān)測儀器三維可視化模型，并且集成安全監(jiān)控預(yù)警的系統(tǒng)研究鮮有報道。

為了精確反映大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器布置的三維可視化，提高監(jiān)測信息的實時程度和大壩安全管理的效率，筆者團(tuán)隊基于BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩可視化實體，并在其中嵌入監(jiān)測信息，開發(fā)出集成三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預(yù)警等模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，以提高大壩安全管理效率。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

BIM三維模型信息量大，可優(yōu)化傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)控管理模式，提升可視化效果。因此，可利用BIM平臺的優(yōu)點構(gòu)建BIM模型，實現(xiàn)壩體、監(jiān)測儀器三維可視化，實現(xiàn)大壩安全自動預(yù)警功能。本文開發(fā)的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)由用戶層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)環(huán)境層構(gòu)成，系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示。

系統(tǒng)基于大壩場景、實體建模數(shù)據(jù)，采用有限元數(shù)值模擬對壩體位移計算參數(shù)進(jìn)行反演，確定大壩安全預(yù)警值;利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩地形場景、實體、監(jiān)測儀器三維模型;通過集成監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維可視化模型，完成系統(tǒng)的開發(fā)研究。

該系統(tǒng)主要由4個基本功能模塊構(gòu)成：① 三維可視化展示模塊。該模塊主要是對大壩地形場景、大壩實體場景以及監(jiān)測儀器信息三維可視化模型進(jìn)行展示。② 數(shù)據(jù)查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫區(qū)地形地貌信息、大壩及水工建筑結(jié)構(gòu)信息、監(jiān)測儀器信息以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢。③ 數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊主要是對各類信息、數(shù)據(jù)以文檔格式或圖表格式進(jìn)行展示，提高其可視化程度及準(zhǔn)確性。④ 安全監(jiān)控預(yù)警模塊。該模塊主要是設(shè)定預(yù)警指標(biāo)，對有狀況的監(jiān)測部位進(jìn)行自動預(yù)警。

第7期? ?朱 亭，等：三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用? ? 人 民 長 江2019年 2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1.1 大壩地形場景數(shù)據(jù)

（1） 數(shù)字高程數(shù)據(jù)?？蓮默F(xiàn)有地形圖上直接獲取或者現(xiàn)場實測得到，利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)可得到粗略的大壩地形場景三維模型。

（2） 圖片影像數(shù)據(jù)。圖片影像數(shù)據(jù)是通過攝像得到的大壩地形場景實際圖片影像并基于圖片影像數(shù)據(jù)，對初步建立的大壩地形場景進(jìn)行對比、校正、調(diào)色，進(jìn)一步提高大壩地形場景三維模型的還原度。

2.1.2 大壩實體建模數(shù)據(jù)

三維大壩實體建模的主要依據(jù)是大壩設(shè)計圖紙，在缺少圖紙或圖紙無法詳細(xì)表達(dá)的情況下，基于點云數(shù)據(jù)來獲取大壩及大壩周邊詳細(xì)地理環(huán)境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精確度。

2.1.3 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

大壩安全監(jiān)測主要分為滲流、內(nèi)部、環(huán)境量以及變形監(jiān)測。監(jiān)測儀器主要包括位移計、滲壓計、應(yīng)力計等。監(jiān)測數(shù)據(jù)分為：① 不具有方向性的標(biāo)量信息;② 包括上下游、左右岸以及壩體垂直方向的矢量信息。

2.1.4 監(jiān)控分析數(shù)據(jù)

監(jiān)控指標(biāo)主要包括變形、應(yīng)力、滲流量等，其中可以依據(jù)水工建筑物手冊確定大壩安全系數(shù)，擬定應(yīng)力預(yù)警值;再結(jié)合典型大壩滲流分析結(jié)果擬定滲流量的監(jiān)控預(yù)警值。

通過收集各水工建筑物的設(shè)計、施工資料以及壩區(qū)岸坡、地質(zhì)地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元軟件構(gòu)建大壩三維數(shù)值模型。

首先，對監(jiān)測資料進(jìn)行全面深入分析;再基于大壩、壩基以及壩坡的三維數(shù)值模型，計算其變形特性，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定出壩體合理的變形力學(xué)參數(shù)，將研究成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定壩體不同部位的變形預(yù)警指標(biāo)。

2.2 模型構(gòu)建

（1） 大壩地形場景。庫區(qū)地形建模主要包括庫區(qū)水域、邊坡、道路、壩基等，將大壩地形圖導(dǎo)入到Civil3D中，形成原始地形表面，結(jié)合大壩實際的圖片影像進(jìn)行對比修改，適當(dāng)處理等高線的數(shù)據(jù)誤差后，構(gòu)建還原程度高、真實感強(qiáng)的大壩地形場景三維模型。

（2） 實體三維建模。利用Revit軟件構(gòu)建大壩實體三維模型，即基于大壩設(shè)計圖紙，利用Revit平臺建立大壩實體三維BIM模型;再將處理過的點云數(shù)據(jù)引入模型當(dāng)中，填補(bǔ)缺失，更加精準(zhǔn)地搭建大壩實體三維模型，實現(xiàn)對大壩模型精細(xì)化展示，直觀、真實地展示大壩位置、構(gòu)成、附屬設(shè)備。對大壩地形場景與實體進(jìn)行建模之后，還需要將它們進(jìn)行對接整合，以構(gòu)建整個水庫大壩的三維可視化模型。一般利用同一原點的方法，首先將地形三維模型導(dǎo)入大壩實體三維BIM模型項目當(dāng)中，再三維視圖中統(tǒng)一兩個模型的原點，并且通過移動、復(fù)制、鏡像等操作構(gòu)建整個大壩三維可視化模型[8-10]。

（3） 監(jiān)測儀器信息三維可視化。監(jiān)測儀器信息三維可視化可以監(jiān)測測點埋設(shè)位置并展示監(jiān)測信息。由于監(jiān)測儀器類別多，監(jiān)測數(shù)據(jù)較繁雜，以CAD設(shè)計圖紙為例，其坐標(biāo)信息和實際三維坐標(biāo)信息往往有所偏差，因此需要測量出準(zhǔn)確的三維空間坐標(biāo)信息。一般選取在壩頂面上，壩軸線與壩段中心線的交點為空間直角坐標(biāo)系原點，分別以右壩、上游、壩頂高程以上設(shè)定為x、y、z軸，建立直角坐標(biāo)系。依據(jù)此坐標(biāo)系在CAD圖紙上的空間關(guān)系對監(jiān)測點進(jìn)行測量，按照正確的圖紙比例對獲取的所有坐標(biāo)信息進(jìn)行換算，獲得與實際埋設(shè)位置對應(yīng)的三維坐標(biāo)信息。在Revit軟件中，對不同類型的監(jiān)測儀器構(gòu)建一個對應(yīng)的族庫，按監(jiān)測儀器類別對相應(yīng)的族進(jìn)行分類編號。根據(jù)實際工程監(jiān)測儀器相同的參數(shù)信息對每個三維可視化BIM監(jiān)測儀器模型進(jìn)行調(diào)整修改，以便能更直觀準(zhǔn)確地展示監(jiān)測儀器的相關(guān)信息，以監(jiān)測點的三維空間坐標(biāo)信息為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，將監(jiān)測儀器的族放置到大壩實體三維模型當(dāng)中，能夠三維可視化展示大壩監(jiān)測儀器信息[11-12]。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，在Web中進(jìn)行瀏覽、分享以及協(xié)作，利用云+端技術(shù)實現(xiàn)三維可視化模型的解析、格式轉(zhuǎn)換、輕量化等預(yù)處理操作。由于系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性，可良好擴(kuò)展支持第三方特性訪問，將可視化三維BIM模型以及其他數(shù)據(jù)添加至系統(tǒng)當(dāng)中。

數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，總共包括5種數(shù)據(jù)類型：三維BIM模型、測點信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果、預(yù)警值。每種數(shù)據(jù)的錄入與存儲都有其規(guī)定的格式，以確保數(shù)據(jù)的唯一性、關(guān)聯(lián)性、有效性，提高數(shù)據(jù)儲存空間以及顯示效率[13]。各類數(shù)據(jù)存儲方式及內(nèi)容如表1所示。

三維可視化系統(tǒng)能夠利用已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，將各水壩傳感設(shè)備數(shù)據(jù)鏈接映射至新的可視化平臺，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行模型掛接。

2.4 系統(tǒng)集成

（1） 測點信息集成。安全監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)并管理各項傳感儀器和觀測設(shè)施的埋設(shè)信息，包括測點編號、監(jiān)測類型、傳感器類型、埋設(shè)位置等。為實現(xiàn)在BIM模型中測點展示和數(shù)據(jù)查詢目標(biāo)，該平臺開放接口htp：p/WebAP/ monitoring/point list實現(xiàn)測點信息集成。測點信息同步成功后，根據(jù)統(tǒng)一的坐標(biāo)定位，可在BIM模型中準(zhǔn)確顯示儀器和設(shè)施的布置情況。

（2） 監(jiān)測數(shù)據(jù)集成。監(jiān)測數(shù)據(jù)指安全監(jiān)測系統(tǒng)計算出的成果測值，反映出大壩當(dāng)前的真實狀態(tài)。為實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢功能，該平臺開發(fā)了htp：//WebAPVmonitoringdata，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時同步。對于具備自動化采集條件的測點，在采集周期結(jié)束后即調(diào)用該接口，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時上傳;對于暫時無法做到自動化采集的測點，進(jìn)行人工觀測并記錄，并適時錄入安全監(jiān)測系統(tǒng)，錄入完成后調(diào)用該接口實現(xiàn)上傳。上傳數(shù)據(jù)后，通過點監(jiān)測點點位表，同步在三維BIM模型中展示監(jiān)測點的位置，以及該監(jiān)測點的相關(guān)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

3 工程案例

以湖南省托口水利樞紐工程為例，樞紐建筑物主要由東游祠主壩、王麻溪副壩、引水系統(tǒng)、電站廠房、通航建筑物和河灣地塊防滲工程等組成。

通過收集各水工建筑物的設(shè)計、施工資料以及壩區(qū)岸坡、水文信息等，對大壩地形圖進(jìn)行修正，并對托口實際項目進(jìn)行拍攝，利用無人機(jī)對主副壩庫區(qū)進(jìn)行傾斜攝影，形成大壩地形場景、實體建模數(shù)據(jù);根據(jù)水工建筑物設(shè)計手冊，確定大壩的安全系數(shù)，依據(jù)典型壩段滲流分析成果計算出大壩滲流的預(yù)警值，如表2所示。

根據(jù)水工建筑物設(shè)計手冊，可確定大壩的安全系數(shù)為1.10，計算得出大壩變形和應(yīng)力的預(yù)警值，如表3所示。

基于大壩地形場景數(shù)據(jù)，利用Civi13D軟件構(gòu)建托口地形場景模型;基于大壩典型剖面圖以及上下游立視圖，采用Revit構(gòu)建壩段族塊，不同的壩段采用對應(yīng)的典型剖面進(jìn)行構(gòu)建，再根據(jù)實際壩段的材料分區(qū)以及屬性，對壩段族進(jìn)行細(xì)部材料設(shè)置;形成基本的大壩框架后，對模型進(jìn)行壩頂細(xì)部構(gòu)造繪制，再進(jìn)行廊道繪制，最終形成整個托口三維BIM模型。在Revit中利用其自有的渲染插件Fuzor，對三維BIM模型進(jìn)行渲染和漫游，如圖2所示。再將監(jiān)測物理量的特征過程線圖、過程線圖、分布圖、相關(guān)圖以及對應(yīng)點的空間坐標(biāo)信息導(dǎo)入系統(tǒng)。

3.1 三維可視化展示

利用BIM技術(shù)對大壩地形場景、大壩實體及大壩安全監(jiān)測儀器進(jìn)行三維可視化建模、結(jié)合大壩安全監(jiān)控的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，基于Revit平臺插件進(jìn)行渲染展示;引入高清航片或衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型還原庫區(qū)的真實地形地貌;等比例虛擬仿真建筑物及附屬設(shè)備設(shè)施、水工建筑物安全監(jiān)測設(shè)施。轉(zhuǎn)換、存儲模型的過程中，確保不會破壞模型原始信息，直觀、真實地展示大壩地形場景、大壩實體結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測儀器的埋設(shè)位置，如圖3所示。

在平臺中可以實現(xiàn)對BIM模型的基本操作與查看，比如可按標(biāo)高、專業(yè)、圖元樹、系統(tǒng)類型查看，實現(xiàn)模型的平移、旋轉(zhuǎn)、剖切、測量標(biāo)注等功能。為方便內(nèi)部瀏覽模型，需要實現(xiàn)對BIM模型的整體漫游功能，根據(jù)項目需求簡單地運(yùn)用行走、巡視、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能，模擬實際項目的任何一個模塊，實時查看大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器位置。

3.2 數(shù)據(jù)查詢

3.2.1 三維可視化模型

該系統(tǒng)可無損集成三維BIM模型和屬性信息，實現(xiàn)從里到外、從地上到地下的三維瀏覽漫游及信息展示，具體步驟如下所述。

（1） 基于鍵盤自由操控的模型漫游方式，可以實時直觀地瀏覽楔型內(nèi)部情況，并隨時轉(zhuǎn)換視角并記錄當(dāng)前模型問題或者模型對應(yīng)的真實情況。

（2） 渲染漫游?；赗evit平臺，利用其自有的渲染插件Fuzor對模型進(jìn)行渲染，再通過設(shè)定查看路徑，按照路徑播放所錄制視頻，多角度展示三維可視化模型，實現(xiàn)預(yù)設(shè)路徑的漫游。

（3） 對BIM構(gòu)件進(jìn)行單選、多選、隱藏與恢復(fù)、構(gòu)件半透及恢復(fù)等多種操作方式，便于更直觀地展示隱蔽性工程的BIM模型，并查看相關(guān)屬性信息。

3.2.2 大壩監(jiān)測信息

Web系統(tǒng)可以在BIM模型中添加鏈接，以此驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)動數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)查詢，為三維可視化BIM模型中詳細(xì)監(jiān)測點提供更加直觀、詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

將三維可視化BIM模型與大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和水工建筑物運(yùn)行資料數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，其主要功能是利用實時數(shù)據(jù)，通過三維可視化模型中的數(shù)值以及模型的變化更加形象地展現(xiàn)大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器埋設(shè)位置以及壩區(qū)周邊地形地貌。利用BIM技術(shù)建立的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)比其他三維可視化監(jiān)視系統(tǒng)更能真實性地展現(xiàn)大壩及監(jiān)測儀器，通過將已取得的真實數(shù)據(jù)運(yùn)用到該監(jiān)控系統(tǒng)中，獲得實時數(shù)據(jù)，判斷真實情況。

在工程BIM三維模型中布設(shè)位移計、滲壓計、應(yīng)力計等類型的儀器，通過鼠標(biāo)同時點擊，實時獲取當(dāng)前的監(jiān)測數(shù)據(jù)。也可以通過雙擊測點對象查看數(shù)據(jù)的過程線，進(jìn)行特征值提取，在三維可視化BIM模型內(nèi)部直觀展示所點擊的監(jiān)測點位置，同時可以點擊相關(guān)屬性，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，以窗口的形式實時展示在模型旁邊，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)與三維可視化模型一體化，如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)展示

數(shù)據(jù)圖形展示包括過程線分析、分布圖分析、等值線分析、相關(guān)分析、特征值統(tǒng)計等常用方法，定性分析工程變形、滲流量、接縫、溫度等觀測項目。通過分析各點位收集的數(shù)據(jù)，在三維模型中呈現(xiàn)各狀態(tài)曲線圖，經(jīng)數(shù)值與模型位置相關(guān)聯(lián)，改變以往只能結(jié)合二維示意圖和多種類表格查看的情況。

按照安全監(jiān)測點統(tǒng)一編碼值，實現(xiàn)監(jiān)測點與監(jiān)測數(shù)據(jù)量值綁定，以便將監(jiān)測數(shù)據(jù)在設(shè)備對應(yīng)的三維模型上可視化展示出來。根據(jù)安全數(shù)據(jù)分析與評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)成果，直觀展示安全監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、發(fā)展趨勢曲線圖等，如圖5所示。

3.4 安全預(yù)警

通過在系統(tǒng)中設(shè)定各類監(jiān)控指標(biāo)的預(yù)警值，根據(jù)監(jiān)測類別不同的要求及部位來設(shè)定相對應(yīng)的預(yù)警級別。對超過預(yù)警值限定范圍的監(jiān)測點及變化異常的監(jiān)測點，要求在模型中能高亮顯示，以便能直觀迅速地定位異常監(jiān)測點的位置，并及時報警，如圖6所示。

所有的報警點按照安全監(jiān)測點統(tǒng)一編碼值，實現(xiàn)監(jiān)測點與監(jiān)測數(shù)據(jù)量值綁定，使監(jiān)測數(shù)據(jù)在設(shè)備對應(yīng)的三維模型上可視化展示出來，以迅速直觀地查看不同報警級別的點位位置，快速選取重點觀測參數(shù)，模型會進(jìn)行對應(yīng)的高亮顯示。在不同的應(yīng)用時期，可以隨時更換對應(yīng)的安全監(jiān)控預(yù)警值，實現(xiàn)準(zhǔn)確、實時性高的大壩預(yù)警功能。對發(fā)生異常的監(jiān)測點部位進(jìn)行報警的同時，對大壩監(jiān)測資料以及實時收集的此監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析，形成報警點綜合性分析報表，同時歷史報警記錄可以設(shè)定時間段導(dǎo)出。

4 結(jié) 語

本文以湖南省托口水電站為工程背景，基于BIM技術(shù)，從系統(tǒng)框架設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)建等方面詳細(xì)闡述了三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用情況。該系統(tǒng)將大壩監(jiān)控的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與大壩實體、地形場景以及大壩監(jiān)測信息三維可視化模型相結(jié)合，更加全面直觀地展示了大壩結(jié)構(gòu)及安全監(jiān)測信息，有利于大壩的安全管理。

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（編輯：胡旭東）