胡夏愷，楊 聃，朱悅林，陳俊濤, 蘇 凱，王 霄

(1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.浙江靜遠(yuǎn)電力實(shí)業(yè)有限公司，浙江 麗水 323000)

0 引 言

變電站和輸電鐵塔是輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，前者承擔(dān)電力分流以及電壓變換的作用，后者對導(dǎo)、地線起著關(guān)鍵的支撐作用。由于各種原因, 不少變電站在建成投產(chǎn)之后，地基會呈現(xiàn)出不同程度的沉降，易造成設(shè)備損壞、接地扁鐵斷裂、電纜拉斷、保護(hù)誤動等安全隱患，對變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大危害。而輸電鐵塔具有結(jié)構(gòu)高聳、剛度柔和跨度大等特點(diǎn)，受線路覆冰、地震、風(fēng)舞等環(huán)境荷載影響時，受力顯著増加而有可能發(fā)生變形損壞，嚴(yán)重時甚至倒塔斷線。這些因素嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對變電站和輸電鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)險情，做出提前預(yù)警和防護(hù)。

以浙江靜遠(yuǎn)電力實(shí)業(yè)有限公司的負(fù)責(zé)監(jiān)測的47個變電站為例，發(fā)現(xiàn)變電站和輸電鐵塔安全監(jiān)測工作存在著以下問題：①變電站分布于幾百公里的地域范圍，其中的輸電鐵塔數(shù)以萬計(jì)，連接走向復(fù)雜，需要更加直觀高效、清晰明了的可視化表達(dá)方式。②由于變電站較多，同時各變電站和鐵塔的監(jiān)測設(shè)備數(shù)量多、監(jiān)測種類復(fù)雜，隨著采集時間的增加，會逐步積累形成海量異構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，其存儲、處理及挖掘利用也正成為安全監(jiān)控工作迫切需要解決的問題；③監(jiān)測管理既對區(qū)域宏觀管理有要求，也對單體精細(xì)化管理有一定要求。目前傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方式已無法滿足電力信息化管理的要求。

近年來，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了建筑、電力等多個行業(yè)的變革。將BIM技術(shù)應(yīng)用于變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測和輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，不僅可以提高監(jiān)測的可視化程度(如設(shè)備布置可視化、監(jiān)測信息可視化、場景漫游、實(shí)時監(jiān)控、空間量測、分析報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等)，幫助操作人員更加直觀的把握整個監(jiān)測流程，促進(jìn)監(jiān)測工作的精細(xì)化管理。同時參考“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，再將BIM與WebGIS融合，使微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的GIS信息實(shí)現(xiàn)交換和相互操作，將GIS從宏觀領(lǐng)域引入到微觀領(lǐng)域，拓展了三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域。在BIM與WebGIS整合方面，國內(nèi)外已有一些成功案例[1-6]。如雅礱江流域水電開發(fā)有限公司基于SuperMap GIS構(gòu)建數(shù)據(jù)中心和融合三維GIS和BIM的流域水電數(shù)字化管理平臺《雅礱江流域三維可視化信息集成展示與會商平臺》，實(shí)現(xiàn)水電工程項(xiàng)目全業(yè)務(wù)、全過程信息的三維可視化集成管理、動態(tài)仿真與分析決策；中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司開發(fā)了基于 BIM+GIS 的智慧管廊監(jiān)測管控運(yùn)維一體化平臺，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測管理、安防監(jiān)控管理、資產(chǎn)與運(yùn)維管理、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能[5]。潘飛、張社榮研究了基于 3D WebGIS 的土木水利工程BIM集成和管理[3]；徐銳、羅天文等開發(fā)了基于WebGIS的水利水電工程三維地理信息平臺[1]；傅蜀燕、趙志勇等構(gòu)建了基于三維 BIM + WebGIS 技術(shù)的區(qū)域數(shù)字水庫[4]。

因此本文以浙江省多個變電站和輸電鐵塔結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測為依托，基于B/S架構(gòu)，集成Cesium開源WebGIS引擎，加載輕量化處理后的BIM模型，構(gòu)建融合BIM、WebGIS和監(jiān)測信息的輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置可視化與數(shù)據(jù)可視化，力爭實(shí)現(xiàn)從監(jiān)測信息到監(jiān)控服務(wù)的跨越。

1 安全監(jiān)測可視化解決方案

1.1 功能需求分析

綜合變電站沉降監(jiān)測工作、輸電鐵塔結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測工作和安全管理的實(shí)際情況，平臺的總體功能為各類數(shù)據(jù)的讀寫與可視化表達(dá)。將平臺開發(fā)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上開展輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的可視化與調(diào)控平臺開發(fā)實(shí)踐。數(shù)據(jù)主要分為4類。

(1)屬性數(shù)據(jù)。即各變電站的坐標(biāo)和方位角，永久水準(zhǔn)點(diǎn)和測點(diǎn)的坐標(biāo)，輸電鐵塔結(jié)構(gòu)類型、位置、連接走向等資料。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于變電站，監(jiān)測原始數(shù)據(jù)主要是沉降數(shù)據(jù)，包括由萊卡水準(zhǔn)儀得到的原始LS10數(shù)據(jù)、平差數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)的輸入和管理；對于輸電鐵塔，監(jiān)測原始數(shù)據(jù)主要是塔基偏移量、塔身傾斜度、塔臂應(yīng)力。

(3)三維模型數(shù)據(jù)。采用BIM軟件建立能包含變電站和輸電鐵塔的“設(shè)備+基礎(chǔ)(結(jié)構(gòu))+測點(diǎn)”的BIM模型。根據(jù)HTML5 WebGL客戶端的顯示能力及顯示需求，從完整BIM模型中導(dǎo)出多細(xì)節(jié)層次(LOD)的輕量化模型；根據(jù)分層、分塊、分區(qū)域顯示功能要求，導(dǎo)出局部模型或組合模型。

(4)預(yù)警指標(biāo)。包括各監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)控模型與分類分級監(jiān)控值、對應(yīng)分類分級預(yù)警的安全管理調(diào)控機(jī)制等

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BIM和WebGIS的變電站基礎(chǔ)沉降監(jiān)測可視化與安全調(diào)控平臺采用B/S模式，基于MySQL數(shù)據(jù)庫存儲平臺所需的各類數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)頁客戶端實(shí)現(xiàn)交互操作。平臺劃分為五層架構(gòu)(如圖1所示)。

(1)數(shù)據(jù)實(shí)體層：設(shè)計(jì)合理的多維動態(tài)數(shù)組、多級鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于ORMapping技術(shù)，按需求將數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)映射到內(nèi)存中，提高訪問速度及系統(tǒng)響應(yīng)速度。

(2)數(shù)據(jù)訪問層：基于JDBC接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRUD操作(即數(shù)據(jù)的增、刪、改、查)，并進(jìn)行事務(wù)處理及異常捕獲。

(3)業(yè)務(wù)邏輯層：平臺功能核心層?；贑odeBehind技術(shù)，把用戶界面與數(shù)據(jù)的徹底分離，提高平臺的擴(kuò)展性。與數(shù)據(jù)訪問層相對應(yīng)，把概要設(shè)計(jì)分出的角色類添加方法、屬性、事件、索引、接口等，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測分析與安全評價、分級預(yù)警、安全調(diào)控等功能。

(4)用戶界面層：即網(wǎng)頁，用戶進(jìn)行交互操作的界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。包括：①廣域范圍內(nèi)變電站和輸電鐵塔的可視化。采用WebGIS技術(shù)展示之間的位置分布、連接走向；②監(jiān)測模型可視化：顯示各監(jiān)測設(shè)備的空間位置，通過交互操作定位監(jiān)測設(shè)備，查找監(jiān)測設(shè)備的相關(guān)屬性及對應(yīng)各種監(jiān)測物理量，以便快速查找監(jiān)測情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用HTML5 WebGL技術(shù)，展示變電站設(shè)備組成與監(jiān)測布置，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)的交互選擇、屬性顯示、視點(diǎn)跟蹤和動態(tài)漫游，通過交互式菜單實(shí)現(xiàn)平臺的各項(xiàng)功能。根據(jù)電腦客戶端的功能需求，調(diào)用多細(xì)節(jié)層次的模型，制作不同的界面與菜單；③監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化：采用Ajax技術(shù)，動態(tài)繪制累計(jì)變形(應(yīng)力)-時間過程曲線，變形(應(yīng)力)增量-時間曲線等大量圖表，自動分類處理和統(tǒng)計(jì)沉降、傾角、加速度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用動態(tài)柱狀圖、折線圖和餅圖的方式，直觀反映監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化過程。

(5)系統(tǒng)服務(wù)層：提供公共的服務(wù)性功能，供各個操作層使用。如代理、公共變量、全局參數(shù)等。

1.3 開發(fā)工具選擇

采用前后端分離的開發(fā)方式。前端基于開源WebGIS引擎Cesium[7]，采用Angular開發(fā)平臺[8]，VSCode進(jìn)行編碼，網(wǎng)頁采用HTML5+CSS3編寫，腳本語言采用Javascripts+Typescripts，網(wǎng)頁控件采用primeng組件[9]。后端采用Spring Boot框架[10]進(jìn)行開發(fā)，集成webService接口開發(fā)、數(shù)據(jù)庫讀寫、監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)采用Ngnix進(jìn)行靜態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)、反向代理和緩存)、Tomcat提供動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)、動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)和地形服務(wù)、MBtilesServer提供地圖影像服務(wù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 地形和影像的離線加載

為保證地圖服務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性，采用離線地圖的方式。從中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載浙江省30 m精度地形數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，利用CesiumTerrainProvider函數(shù)加載；影像使用下載的谷歌無偏移影像，采用MBTiles格式存儲，利用createTileMapServiceImageryProvider函數(shù)加載?？紤]到高精度的影像數(shù)據(jù)過于龐大，因此全球影像采用1～9級，浙江省影像采用10～17級，變電站區(qū)域采用18～20級，既保證了關(guān)鍵部位的顯示效果，也減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量。

2.2 BIM模型的加載

通過Revit建立變電站的BIM模型(見圖2)，通過Revit二次開發(fā)，對模型進(jìn)行輕量化處理(處理流程見圖3)，通過第三方工具轉(zhuǎn)換為3dtiles格式，同時將BIM模型各部件的屬性信息存貯于SQLite數(shù)據(jù)庫格式的單文件中，便于用戶交互式選擇查詢。將BIM模型加載到地圖上時，要將BIM模型的局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)，即模型原點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫中變電站的經(jīng)度、緯度和高程對應(yīng)，模型正北方向與變電站的方位角對應(yīng)。通過Cesium的多個函數(shù)計(jì)算得到變換矩陣，將BIM模型準(zhǔn)確放置到地圖上。輸電鐵塔相對簡單，將模型轉(zhuǎn)換為glb格式，在Cesium中直接以Entity(實(shí)體)加載到地圖中。

圖3 BIM模型輕量化流程

2.3 測點(diǎn)與高壓鐵塔屬性信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取

向后端發(fā)送請求，通過SpringBoot開發(fā)的WebService訪問數(shù)據(jù)庫并以Json格式返回到前端，進(jìn)行解析，獲得測點(diǎn)與高壓鐵塔的屬性信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化

采用基于JavaScript實(shí)現(xiàn)的開源可視化庫Echarts，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。將從后臺返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)源解析為key-value格式數(shù)據(jù)源，設(shè)置encode屬性完成數(shù)據(jù)到圖形的映射，即可在網(wǎng)頁上顯示高質(zhì)量的動態(tài)折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、餅圖等。

3 工程應(yīng)用

將該平臺應(yīng)用于浙江省的多個變電站和輸電鐵塔。登錄界面如圖4，登錄后初始界面如圖5。平臺采用更接近于桌面軟件的單頁面形式，工具欄上有“變電站”、“測點(diǎn)”、“高壓鐵塔”、“安全預(yù)警”、“地圖設(shè)置”等5個主要菜單項(xiàng)。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

圖5 初始界面和主菜單

“定位”功能可將地圖跳轉(zhuǎn)至變電站的所在位置，并自動加載相應(yīng)的BIM模型(圖6)，實(shí)現(xiàn)了BIM與WebGIS的融合；“配準(zhǔn)”可對變電站在地圖上的位置進(jìn)行精細(xì)微調(diào)。

圖6 將BIM模型集成到WebGIS中

在測點(diǎn)菜單下，可在模型上直接展示測點(diǎn)的位置與分布情況(圖7)?！帮@示圖表”可按監(jiān)測線路展示監(jiān)測的柱狀圖、折線圖或堆疊圖(圖8)；“LS10數(shù)據(jù)上傳”可將萊卡水準(zhǔn)儀測量得到的excel表上傳到系統(tǒng)，并自動進(jìn)行計(jì)算，生成計(jì)算數(shù)據(jù)表和監(jiān)測報告，通過“文件下載”可下載到本地計(jì)算機(jī)。

圖7 測點(diǎn)布置可視化

圖8 變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化

在高壓鐵塔菜單下，可按地區(qū)顯示已錄入的鐵塔數(shù)據(jù)，并以動態(tài)折線圖的方式實(shí)時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化(圖9)，實(shí)現(xiàn)了輸電鐵塔的布置可視化、連接走向可視化及監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化。

圖9 輸電鐵塔布置可視化及監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)可視化

4 結(jié) 論

本文將輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與BIM、WebGIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備布置可視化、輸電鐵塔分布及走向可視化、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化等成果，取得了良好的效果，得出以下主要結(jié)論。

(1)采用B/S模式，用戶通過網(wǎng)頁客戶端的，可跨平臺，兼容性好，避免了C/S模式下的客戶端發(fā)布、下載及安裝等問題，使用方便快捷。而采用離線地形、影像，也保證了地圖服務(wù)的穩(wěn)定性和高效性。

(2)利用BIM能夠有效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的集成以及相關(guān)功能的開發(fā)，能夠有效提高監(jiān)測信息的可視化以及監(jiān)測系統(tǒng)的交互性，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的及時共享。

(3)監(jiān)測信息、BIM、GIS集合于一體，不僅可以展示宏觀領(lǐng)域內(nèi)變電站、輸電鐵塔的連接走向及相互關(guān)系，也可以精細(xì)展示微觀領(lǐng)域內(nèi)各變電站的監(jiān)測信息，全方位實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息集成與三維可視化，將是當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。

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