陳 翠，安 覓，董家賢，馬鈞霆

(1.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012；3.云南省水文水資源局普洱分局，云南 普洱 665000；4.南京麥堤微林信息科技有限公司，江蘇 南京 210012)

一些發(fā)達地區(qū)和水文水利重點監(jiān)測區(qū)域已經(jīng)基本實現(xiàn)了信息化和數(shù)字化。然而，分析其數(shù)字化程度，基礎(chǔ)地理信息、水閘、監(jiān)測設(shè)備等專題空間數(shù)據(jù)大多采用平面二維電子地圖?；谄矫娑S電子地圖的信息化管理系統(tǒng)，一方面水閘全景的可視化程度較低，日常管理的導(dǎo)視性較差，對流域管理的空間輔助決策不夠；另一方面水閘及其監(jiān)測設(shè)備等以點、線、面的幾何形態(tài)標注，其設(shè)備安裝位置、形態(tài)、類型、工作原理等不能夠仿真展示，直接影響管理人員對水閘的智慧化管理水平。

數(shù)字孿生技術(shù)為現(xiàn)實物理世界與虛擬信息空間的交互融合搭建了橋梁[2]。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，已被列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。BIM技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，是對工程項目設(shè)施實體與功能特性的數(shù)字化表達[3]。以數(shù)字孿生為理念，以BIM技術(shù)為載體，依托傳感器、RTU、PLC等設(shè)備，融合水閘的實時運行數(shù)據(jù)，將各種零碎、分散、割裂的信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，創(chuàng)造一個基于BIM的水閘數(shù)字孿生平臺，可實現(xiàn)水閘全要素數(shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化，實現(xiàn)水閘物理空間與信息空間的實時交互、迭代優(yōu)化，改善水閘現(xiàn)在的管理狀態(tài)，為水閘智慧化管理、統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘等創(chuàng)造條件。

1 水閘運維管理信息分析

分析水閘日常運行、維護、監(jiān)控、管理的業(yè)務(wù)，水閘運維管理的對象主要包含水閘工程本身、運維管理人員、設(shè)備、操作流程、水體等[4- 6]。根據(jù)管理對象的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可將水閘運維管理數(shù)據(jù)化分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。

1.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)

靜態(tài)數(shù)據(jù)是指基本保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，在一段時間內(nèi)不會隨著水閘運行而變化，這類數(shù)據(jù)主要有：

(1)水閘工程本身，包括水閘設(shè)計時期和建設(shè)時期的圖紙、成果報告、時間節(jié)點、閘門設(shè)計參數(shù)(包括位置、等級、高程、尺寸、設(shè)計水位等)、設(shè)計單位、建設(shè)單位、管理單位等。

(2)人員，主要指人員的名字、所屬單位或部門、職責(zé)、權(quán)限等。

(3)設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括，設(shè)備名稱、類型、功能、安裝時間、生產(chǎn)單位、所屬管理人員等。

1.2 動態(tài)數(shù)據(jù)

動態(tài)數(shù)據(jù)指會隨著時間發(fā)生變化的各類數(shù)據(jù)。在水閘管理中主要指維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)和由傳感器監(jiān)測得到的是動態(tài)變化的數(shù)據(jù)：

(1)水閘維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)，主要包括閘室、上下游連接段的建筑物維修養(yǎng)護和水閘所包含的設(shè)備，如啟閉機、水位計、流速儀、閘門等的維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)。

(2)閘門啟閉數(shù)據(jù)，主要包括操作人員、開啟時間、關(guān)閉時間、閘門開度、持續(xù)時間和啟閉原因等。

(3)閘門啟閉狀態(tài)

(4)閘門上下游水位、流速、流量、雨量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。

2 平臺設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

平臺總體技術(shù)架構(gòu)劃分為現(xiàn)場感知層、數(shù)據(jù)存儲與管理層、數(shù)據(jù)匯聚層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及綜合展示層，如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)圖

現(xiàn)場感知層：平臺數(shù)據(jù)庫感知層主要職責(zé)是對接現(xiàn)場的各類智能設(shè)備和傳感器信號，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收程序?qū)崿F(xiàn)上載入庫和下行通信。針對連續(xù)運行傳感器，則建立起實時通信機制，按照設(shè)定好的頻率對傳感器工況和相關(guān)參數(shù)進行采樣和入庫。

數(shù)據(jù)存儲與管理層：平臺在本層的模塊主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、標準化、數(shù)據(jù)更新、審核驗證、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)安全與備份等方面的功能。

數(shù)據(jù)匯聚層：分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚兩大部分。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚主要包括多源數(shù)據(jù)的集成管理、分布式數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)同步等功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚則主要是對水閘不同專題監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集成、傳輸和交互管理，包括多協(xié)議兼容功能、數(shù)據(jù)同步功能和分布式處理功能等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：支持的功能包括設(shè)備管理、模型管理、監(jiān)控管理、維護管理、統(tǒng)計分析、模擬仿真、用戶與權(quán)限管理和閘門啟閉管理等，滿足水閘日常運維、管理的需求。

綜合展示層：是指與用戶進行交互操作的界面，水閘數(shù)字孿生平臺基于開源的WebGL技術(shù)開發(fā)B/S模式的網(wǎng)頁平臺，在平臺中可對水閘的所有數(shù)據(jù)進行查詢和瀏覽。

2.2 平臺數(shù)據(jù)管理

將來源于的不同類型的信息數(shù)據(jù)加以匯總及標準化處理，消除信息孤島，之后根據(jù)數(shù)據(jù)類別(動態(tài)、靜態(tài))導(dǎo)入實時數(shù)據(jù)庫或?qū)傩詳?shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)入庫前進行數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)字典的設(shè)計。初始數(shù)據(jù)入庫需按要求經(jīng)多次數(shù)據(jù)檢查和處理，確保入庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

對水閘工程建筑、水閘周圍環(huán)境和水閘相關(guān)的設(shè)施設(shè)備建立BIM模型，并存入模型庫。對水閘工程建筑和設(shè)備設(shè)施建模時應(yīng)細化到各個構(gòu)件，并對構(gòu)件進行統(tǒng)一編碼和入庫，將BIM模型的各個構(gòu)件與實時數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行掛接，使水閘BIM模型成為水閘運維、管理信息的主要載體、連接紐帶和核心驅(qū)動。

2.3 平臺功能模塊設(shè)計

建設(shè)水閘數(shù)字孿生平臺主要目的是為了實現(xiàn)由實到虛的鏡像再現(xiàn)和以虛控實的智能操控[3]，從而提高水閘運維、管理工作的可視化水平和智慧化水平。平臺功能主要分為4個功能模塊。

2.3.1數(shù)據(jù)管理與查詢。

(1)水閘相關(guān)數(shù)據(jù)管理與查詢

水閘相關(guān)的數(shù)據(jù)種類眾多，有基本的屬性數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖紙報告文件數(shù)據(jù)等，經(jīng)過標準化處理后，這些數(shù)據(jù)都關(guān)聯(lián)在BIM模型上。數(shù)據(jù)管理與查詢模塊，可根據(jù)選擇的BIM模型等參數(shù)，查詢屬性數(shù)據(jù)、運行維護記錄、設(shè)計圖紙、維護人等信息，并支持數(shù)據(jù)更新、刪除、新增和下載。平臺會對提交的數(shù)據(jù)增、刪、改請求進行嚴格的檢查，確保入庫數(shù)據(jù)符合要求。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與查詢

監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有水位、流速、流量、閘門啟閉等數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的設(shè)備、輸入的時間和選擇的時段(5、10、15、30、60min等)，查詢監(jiān)測對象的過程數(shù)據(jù)。

2.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊的功能，主要是指對水閘上、下游水位流量數(shù)據(jù)，根據(jù)日、月、年進行查詢和最值計算、同(環(huán))比分析等。

2.3.3模擬仿真

模擬仿真功能模塊，可以對水閘的所有BIM模型進行全方位、全角度的查看。水閘數(shù)字孿生平臺模擬仿真不僅指的是水閘建筑、設(shè)備設(shè)施的模擬仿真，也包括由傳感器得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化的模擬仿真。在平臺三維場景中對水位變化加以可視化表達，使水面隨著實際監(jiān)測數(shù)據(jù)升降，以充分反映水位要素隨著時間的變化過程，實現(xiàn)由實到虛的鏡像表達。平臺還提供歷史數(shù)據(jù)可視化重演的功能，根據(jù)輸入的起始時間和結(jié)束時間，通過水面升降重演水閘上、下游水位變化過程。

2.3.4遠程控制閘門啟閉

管理人員在水閘數(shù)字孿生平臺中選擇閘門，并設(shè)置參數(shù)，平臺將輸入?yún)?shù)傳遞給水閘的監(jiān)控主機，由監(jiān)控主機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送指令給PLC，從而控制閘門的啟閉，實現(xiàn)以虛控實遠程控制閘門啟閉的目的[7]。結(jié)合模擬仿真模塊中水面可根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化的功能，實現(xiàn)了水閘運維管理數(shù)字孿生的目標。

2.4 平臺開發(fā)工具

平臺總體采用B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012，采用前后臺分離的方式進行開發(fā)。后端采用Spring Boot2.1.0框架，獲取前端傳遞的數(shù)據(jù)并進行業(yè)務(wù)邏輯處理和接口封裝。前端采用HTML5+CSS3設(shè)計網(wǎng)頁界面，使用javascript和JQuery對用戶操作進行預(yù)處理和響應(yīng)，并引用Three.js 3D引擎庫，Three.js是JavaScript編寫的WebGL第三方庫，可以創(chuàng)建各種三維場景，并支持在三維場景中進行編輯、漫游查看和查詢定位等操作，利用此三維引擎實現(xiàn)水閘的三維展示和實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)的模擬仿真。

3 應(yīng)用案例

平臺以江蘇省內(nèi)一水閘為試點，建立了“基于BIM的水閘數(shù)字孿生平臺”。該水閘始建于20世紀60年代，水閘類型為引(進)水閘，閘孔數(shù)量為1個。經(jīng)過續(xù)建配套和自動化改造，目前有1個閘門，1個卷揚機、2個監(jiān)控攝像頭、2個水位計和1個雨量筒。對該水閘的相關(guān)數(shù)據(jù)進行匯總和標準化處理，建設(shè)水閘數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)庫。根據(jù)水閘設(shè)計圖紙和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建水閘BIM模型。

平臺的整個頁面都作為BIM場景的容器，左、右兩側(cè)懸浮信息框面板，面板中顯示的內(nèi)容隨著選擇功能改變，下部懸浮BIM場景操作工具。初始進入平臺時，左側(cè)面板顯示水閘基本信息和水閘包含的所有設(shè)備，右側(cè)面板顯示水閘的監(jiān)測設(shè)備來報率統(tǒng)計、月監(jiān)測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)、年監(jiān)測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)的統(tǒng)計分析情況。點擊BIM模型中的監(jiān)測設(shè)備還可以查詢設(shè)備的最新來報和歷史來報等信息。如圖2所示為點擊水閘附近雨量筒設(shè)備模型所展示的界面。水閘在不同水位下的場景如圖3所示。

圖2 雨量監(jiān)測設(shè)備基本信息與監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

圖3 水閘在不同水位下的場景展示

4 結(jié)論

基于數(shù)字孿生理念，計算機技術(shù)，BIM技術(shù)，傳感器、RTU、PLC等設(shè)備，搭建了水閘數(shù)字孿生平臺，將水閘相關(guān)數(shù)據(jù)、資料以及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)標準化處理后掛接到BIM模型上，以實鏡虛，以虛控實，實現(xiàn)了水閘全要素數(shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化，形成可感知、可控制、可交互、可觀察的綜合性管理平臺，為水利資源管理工作精細化、智能化發(fā)展提供助力。