長河壩水電工程中大壩安全監測信息的動態管理

王 振，呂明明，劉 軍，馮玉峰，李元元

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.四川大唐國際甘孜水電開發有限公司，四川康定626001；3.長江空間信息技術工程有限公司重慶分公司，重慶401147)

1 背景和意義

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站，是一等大(1)型水電工程，主要由礫石土心墻堆石壩、引水發電系統、泄洪系統等組成。正常蓄水位下庫容為10.75億m3，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m，電站的總裝機容量2 600 MW。作為一座在強震區、深厚覆蓋層地基上建造的200 m以上的高土石壩，安全監測是掌握長河壩大壩運行狀態和安全狀況的重要手段和方法。因此，如何實現對安全監測龐大信息數據量的高效集成、可視化管理與分析，并建立有效的安全預警機制及應急預案措施，以輔助工程高質量施工、安全運行與管理決策，成了事關工程建設能否按期、安全、高質量實施的關鍵性技術問題。本文提出研制開發長河壩水電站安全監測數字化信息系統，實現對工程安全監測的信息整合和數據共享，并在工程整個生命周期里，對數據信息進行動態更新與維護。

圖1 海量數據管理模型

2 系統設計

2.1 海量數據管理模型

長河壩工程安全監測數據涉及種類多，包括沉降變形數據、滲流滲壓數據、應力應變數據、溫度信息數據等，以及由此衍生進行分析統計的數據信息，為此引入“分級存儲”概念。針對以上不同性質數據，分別建立相對獨立數據庫，并采取不同的策略進行存儲。

同時，安全監測數據是海量數據，數據類型復雜，實時性高，故存儲難度大，在數據進行存儲時采用相對完善的企業級版本的數據庫，并統一采用格式化文本的數據存儲方式，以保證數據安全、完整的存儲和有效的利用。在數據庫的實際存儲中，將所有相同意義的字段，把字段名稱，數據格式(包括數據類型，數據長度)統一處理，統一數據字段；數據庫中各個系統數據字段內容的含義可能不同，在數據處理之前使用統一的數據字典將數據內容進行統一規定；數據庫數據量隨著工程進展增大，采取對于系統無用的數據及時清理，并建立安全策略，保證有用數據的安全性。圖1為海量數據管理模型。

此外，對于海量數據的管理，需采用代數優化查詢優化方法，在不涉及存儲路徑條件下對查詢語句進行變換，從而能快速地從海量數據中提取所需數據進行分析、統計。

2.2 樞紐布置的三維可視化建模

三維可視化表達，就是要實現形體數據到三維圖形的變換。三維可視化過程分為3個子過程，見圖2。

圖2 三維可視化過程

(1)數據處理(Data Manipulation)，主要完成數據的過濾，使原始數據(如CAD數據)得到細化或增強，并轉化為適合后續可視化操作的表示形式，包括網格化、插值、梯度計算以及格式轉化等。

(2)可視化映射(Visualization Mapping)，將數據過濾導出的數據轉換為抽象可視化對象(Abstract Visualization Object， AVO)。AVO用來描述各種時空對象，其屬性包括幾何、時間、顏色、透明度、光照、反射系數及表面紋理等。

(3)三維顯示(3D Displaying)，AVO經三維變換，變換到屏幕坐標系中，再利用光照模型和面繪制算法進行隱藏面和隱藏線消除，計算光照強度并設置物體投影角度，生成形象逼真的三維圖形。

另一方面,本文測量系統還采用了WeBee公司的B-0004藍牙模塊實現無線通信功能[18],其原理圖如圖9所示。從圖可以看出,藍牙芯片只需要RXD和TXD兩個引腳與單片機相連即可以工作,占用的單片機資源很少,使用起來很方便。

工程樞紐布置不僅涉及施工場地、環境、建筑物布置等信息，還反映建筑物及地形填挖等空間的邏輯關系。因此，工程信息的三維可視化建模是在樞紐布置三維建模的基礎上實現的。利用3DSMax所特有的三維建模及逼真場景輸出功能為反映工程樞紐布置系統所揭示的地物及其相互之間的關系提供了條件。圖3為工程樞紐布置三維可視化建模過程。

圖3 樞紐布置三維可視化建模過程

2.3 網絡環境下的安全監測數據信息的可視化管理

2.3.1 網絡環境下的安全監測數據可視化集成模型

將3D模型與工程綜合信息的屬性數據建立一一對應的關系，采用ActiveX控件形式，在Web瀏覽器中調用3D模型，繪制三維圖形；同時從綜合信息的屬性數據庫中訪問3D模型對應的屬性信息。工程綜合信息網絡可視化集成模型見圖4。

圖4 工程綜合信息網絡可視化集成模型

2.3.2 三維可視化插件開發

將三維模型數據輸出到網頁，開發嵌入網頁的三維可視化插件，需解決以下問題：

(1)場景圖組織。針對三維數據的空間管理與邏輯操作，場景圖使用以下組織結構：① 空間結構，為符合人們對空間事物的理解，場景圖采用樹狀結構；②揀選機制，增加投影剔除、隱藏面消除功能，減少系統總體負擔；③動態顯示，實時計算物體與觀察者的距離，根據視距有選擇地顯示不同細節層次的物體；④動態加載，場景中進入到顯示距離的對象從硬盤中加載，而當其超出顯示距離時，則從內存中移出；⑤多種數據接口，方便地讀取不同格式的數據文件。

(2)圖形渲染。普通圖形渲染系統保存所有幾何體并執行繪圖，將所有保存于場景圖中的幾何體都以底層繪圖指令發送到硬件設備上，無法實現動態的幾何體更新、揀選，大大影響整個系統的實用性和高效性。為了實現實用、高效、快速的場景渲染，圖形顯示實行以下遍歷操作：①更新，使用回調函數修改場景圖形的位圖、狀態、幾何信息；②揀選，在場景圖渲染前，檢查場景中所有節點的包圍盒，判斷其是否在顯示范圍內，以決定該節點是否添加到渲染列表中；③繪制，調用OpenGL繪圖指令，實現最終渲染。

(3)網頁中三維場景顯示與交互。采用ActiveX控件與網絡語言相結合的方式，實現大數據量場景的網頁實時交互顯示，配合控件相關方法及屬性實現與WEB應用服務器的數據交換。在進行工程綜合信息的動態可視化時，網絡腳本語言定時通過事務邏輯類從數據庫中讀取動態數據傳輸給ActiveX控件，控件根據接收的數據重新組織場景圖，實現動態數據實時更新；在查詢狀態下，控件將鼠標點選對象的ID傳輸給網絡腳本語言，后者通過事務邏輯類訪問數據庫查詢對應ID的信息返回相關數據。在控件中定義鼠標與鍵盤事件完成場景的縮放、平移、旋轉、透視與真立體的顯示、對象的顯示與隱藏以及點選時的信息反饋，實現交互效果。

3 系統應用

采用以上的建模思路和數據結構，研制開發了支持瀏覽器訪問的“長河壩心墻堆石壩建設與監測信息管理系統”，其中安全監測數字化信息系統如圖5。安全監測數字化信息系統把大壩建設和運行過程中各種安全監測的動、靜態信息進行綜合集成和管理，并在大壩整個壽命周期內進行長期跟蹤與動態分析。系統實現如下功能：

(1)大壩變形、沉降、滲流等安全監測布置的三維可視化模型(實體或透明)，可根據監測點的性質分別顯示，并可按剖面顯示監測點布置。

(2)安全監測動態信息的可視化查詢與管理，在三維模型上直接點擊某個監測點，則可得到該點的相關信息。

(3)監測點觀測值的初步統計分析。

(4)將數據信息可視化(三維或二維顯示、報表等)。

(5)將現場監測數據，通過網絡傳送至系統中心數據庫，從而實現網絡內數據共享。

安全監測數字化信息系統在2013年1月1日～2015年12月28日時間段內定時采集了大壩變形、沉降、滲流等安全監測儀器所記錄的數據信息，并保存至總控中心數據庫。

圖5 安全監測數字化信息系統界面

4 結 語

本文介紹了長河壩水電站安全監測數字化信息系統及其應用，分析了系統的特點和構成，著重強調了系統的功能，系統記錄了2013年1月1日～2015年12月28日時間段內統計數據，實現了信息的綜合集成和有效管理，數據的自動、遠程、移動、便捷的管理與控制，為保證大壩自身結構的安全穩定奠定了基礎。