三維可視化大壩安全監控系統研發及應用

朱亭 張貴金 劉琦 周小錄 劉茗溪 李毅

摘要：先進可靠的三維可視化大壩安全監控系統能準確檢查大壩結構，展示儀器埋設位置，提高實時監測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監測數據的深入分析，并依據規范擬定應力、滲流量等監控指標對三維數值模型進行正反分析，可確定大壩變形預警值。以湖南托口水電站為例，采用BIM技術構建了大壩實體、地形場景以及監測信息的三維可視化模型，并開發出集成了三維可視化模型展示、數據查詢、數據展示及安全預警四大模塊的大壩安全監控系統。該系統能全方位展示大壩結構、監測數據分析結果、監控指標等信息，并直觀展示實時信息，實現了大壩安全監控預警，提高了大壩安全管理效率。相關經驗可供類似水利水電工程的安全監控系統開發借鑒。

關 鍵 詞：BIM技術; 安全預警; 大壩安全監控系統; 三維可視化

近年來部分水利工程由于大壩結構、監測儀器埋設位置復雜，以及監測信息直觀性和實時性較差，大壩安全管理效率較低。因此，實現壩體及水工建筑、監測儀器及監測信息的三維可視化，提高大壩安全管理效率及實現其預警功能，已成為大壩管理的發展趨勢[1]。目前，在可視化的基礎上對大壩安全監控系統的相關研究成果已有不少：金有杰等提出通過數據集成管理，實現監測信息三維可視化，提高了監測信息的直觀性[2];楊陽等開發了基于監測信息的大壩安全監控系統[3];馬瑞等提出了基于三維可視化和物聯網技術的水庫大壩安全管理，可提升智能狀態下的水庫大壩設備安全管理效率[4];柴啟蕾等設計了基于Qt和OpenGL的大壩安全監測可視化系統，可提升大壩三維模型內外部交互的直觀性[5];He B等對將三維GIS技術應用在小浪底水電站安全監測方面展開了研究[6];傅蜀燕等開發了三維BIM +WebGIS 可視化區域數字水庫安全管理系統平臺[7];趙志勇等基于BIM技術+GIS技術，開發了區域數字水庫安全管理系統[8]。然而，關于利用BIM技術構建大壩、地形場景、監測儀器三維可視化模型，并且集成安全監控預警的系統研究鮮有報道。

為了精確反映大壩結構、監測儀器布置的三維可視化，提高監測信息的實時程度和大壩安全管理的效率，筆者團隊基于BIM技術構建了大壩可視化實體，并在其中嵌入監測信息，開發出集成三維可視化模型展示、數據查詢、數據展示及安全預警等模塊的大壩安全監控系統，以提高大壩安全管理效率。

1 系統框架設計

BIM三維模型信息量大，可優化傳統大壩安全監控管理模式，提升可視化效果。因此，可利用BIM平臺的優點構建BIM模型，實現壩體、監測儀器三維可視化，實現大壩安全自動預警功能。本文開發的三維可視化大壩安全監控系統由用戶層、應用層、支撐層、數據層、基礎環境層構成，系統框架設計如圖1所示。

系統基于大壩場景、實體建模數據，采用有限元數值模擬對壩體位移計算參數進行反演，確定大壩安全預警值;利用BIM技術構建大壩地形場景、實體、監測儀器三維模型;通過集成監測數據與三維可視化模型，完成系統的開發研究。

該系統主要由4個基本功能模塊構成：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測儀器信息三維可視化模型進行展示。② 數據查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫區地形地貌信息、大壩及水工建筑結構信息、監測儀器信息以及監測數據的查詢。③ 數據展示模塊。該模塊主要是對各類信息、數據以文檔格式或圖表格式進行展示，提高其可視化程度及準確性。④ 安全監控預警模塊。該模塊主要是設定預警指標，對有狀況的監測部位進行自動預警。

第7期? ?朱 亭，等：三維可視化大壩安全監控系統研發及應用? ? 人 民 長 江2019年 2 系統構建

2.1 基礎數據

2.1.1 大壩地形場景數據

（1） 數字高程數據。可從現有地形圖上直接獲取或者現場實測得到，利用數字高程數據可得到粗略的大壩地形場景三維模型。

（2） 圖片影像數據。圖片影像數據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據，對初步建立的大壩地形場景進行對比、校正、調色，進一步提高大壩地形場景三維模型的還原度。

2.1.2 大壩實體建模數據

三維大壩實體建模的主要依據是大壩設計圖紙，在缺少圖紙或圖紙無法詳細表達的情況下，基于點云數據來獲取大壩及大壩周邊詳細地理環境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精確度。

2.1.3 安全監測數據

大壩安全監測主要分為滲流、內部、環境量以及變形監測。監測儀器主要包括位移計、滲壓計、應力計等。監測數據分為：① 不具有方向性的標量信息;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 監控分析數據

監控指標主要包括變形、應力、滲流量等，其中可以依據水工建筑物手冊確定大壩安全系數，擬定應力預警值;再結合典型大壩滲流分析結果擬定滲流量的監控預警值。

通過收集各水工建筑物的設計、施工資料以及壩區岸坡、地質地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元軟件構建大壩三維數值模型。

首先，對監測資料進行全面深入分析;再基于大壩、壩基以及壩坡的三維數值模型，計算其變形特性，并與監測結果進行對比分析，確定出壩體合理的變形力學參數，將研究成果與監測數據進行對比分析，確定壩體不同部位的變形預警指標。

2.2 模型構建

（1） 大壩地形場景。庫區地形建模主要包括庫區水域、邊坡、道路、壩基等，將大壩地形圖導入到Civil3D中，形成原始地形表面，結合大壩實際的圖片影像進行對比修改，適當處理等高線的數據誤差后，構建還原程度高、真實感強的大壩地形場景三維模型。

（2） 實體三維建模。利用Revit軟件構建大壩實體三維模型，即基于大壩設計圖紙，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據引入模型當中，填補缺失，更加精準地搭建大壩實體三維模型，實現對大壩模型精細化展示，直觀、真實地展示大壩位置、構成、附屬設備。對大壩地形場景與實體進行建模之后，還需要將它們進行對接整合，以構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入大壩實體三維BIM模型項目當中，再三維視圖中統一兩個模型的原點，并且通過移動、復制、鏡像等操作構建整個大壩三維可視化模型[8-10]。

（3） 監測儀器信息三維可視化。監測儀器信息三維可視化可以監測測點埋設位置并展示監測信息。由于監測儀器類別多，監測數據較繁雜，以CAD設計圖紙為例，其坐標信息和實際三維坐標信息往往有所偏差，因此需要測量出準確的三維空間坐標信息。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系原點，分別以右壩、上游、壩頂高程以上設定為x、y、z軸，建立直角坐標系。依據此坐標系在CAD圖紙上的空間關系對監測點進行測量，按照正確的圖紙比例對獲取的所有坐標信息進行換算，獲得與實際埋設位置對應的三維坐標信息。在Revit軟件中，對不同類型的監測儀器構建一個對應的族庫，按監測儀器類別對相應的族進行分類編號。根據實際工程監測儀器相同的參數信息對每個三維可視化BIM監測儀器模型進行調整修改，以便能更直觀準確地展示監測儀器的相關信息，以監測點的三維空間坐標信息為數據基礎，將監測儀器的族放置到大壩實體三維模型當中，能夠三維可視化展示大壩監測儀器信息[11-12]。

2.3 系統實現

系統采用B/S架構，在Web中進行瀏覽、分享以及協作，利用云+端技術實現三維可視化模型的解析、格式轉換、輕量化等預處理操作。由于系統良好的可擴展性，可良好擴展支持第三方特性訪問，將可視化三維BIM模型以及其他數據添加至系統當中。

數據庫采用SQL Server 2008 關系型數據庫，總共包括5種數據類型：三維BIM模型、測點信息、監測數據、數值模擬結果、預警值。每種數據的錄入與存儲都有其規定的格式，以確保數據的唯一性、關聯性、有效性，提高數據儲存空間以及顯示效率[13]。各類數據存儲方式及內容如表1所示。

三維可視化系統能夠利用已有的監測數據庫，將各水壩傳感設備數據鏈接映射至新的可視化平臺，并對數據進行模型掛接。

2.4 系統集成

（1） 測點信息集成。安全監測系統維護并管理各項傳感儀器和觀測設施的埋設信息，包括測點編號、監測類型、傳感器類型、埋設位置等。為實現在BIM模型中測點展示和數據查詢目標，該平臺開放接口htp：p/WebAP/ monitoring/point list實現測點信息集成。測點信息同步成功后，根據統一的坐標定位，可在BIM模型中準確顯示儀器和設施的布置情況。

（2） 監測數據集成。監測數據指安全監測系統計算出的成果測值，反映出大壩當前的真實狀態。為實現監測數據查詢功能，該平臺開發了htp：//WebAPVmonitoringdata，以實現數據的實時同步。對于具備自動化采集條件的測點，在采集周期結束后即調用該接口，可實現監測數據的實時上傳;對于暫時無法做到自動化采集的測點，進行人工觀測并記錄，并適時錄入安全監測系統，錄入完成后調用該接口實現上傳。上傳數據后，通過點監測點點位表，同步在三維BIM模型中展示監測點的位置，以及該監測點的相關實時監測數據信息。

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、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計、施工資料以及壩區岸坡、水文信息等，對大壩地形圖進行修正，并對托口實際項目進行拍攝，利用無人機對主副壩庫區進行傾斜攝影，形成大壩地形場景、實體建模數據;根據水工建筑物設計手冊，確定大壩的安全系數，依據典型壩段滲流分析成果計算出大壩滲流的預警值，如表2所示。

根據水工建筑物設計手冊，可確定大壩的安全系數為1.10，計算得出大壩變形和應力的預警值，如表3所示。

基于大壩地形場景數據，利用Civi13D軟件構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構建壩段族塊，不同的壩段采用對應的典型剖面進行構建，再根據實際壩段的材料分區以及屬性，對壩段族進行細部材料設置;形成基本的大壩框架后，對模型進行壩頂細部構造繪制，再進行廊道繪制，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模型進行渲染和漫游，如圖2所示。再將監測物理量的特征過程線圖、過程線圖、分布圖、相關圖以及對應點的空間坐標信息導入系統。

3.1 三維可視化展示

利用BIM技術對大壩地形場景、大壩實體及大壩安全監測儀器進行三維可視化建模、結合大壩安全監控的三維坐標數據，基于Revit平臺插件進行渲染展示;引入高清航片或衛星影像、數字高程模型還原庫區的真實地形地貌;等比例虛擬仿真建筑物及附屬設備設施、水工建筑物安全監測設施。轉換、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、大壩實體結構以及監測儀器的埋設位置，如圖3所示。

在平臺中可以實現對BIM模型的基本操作與查看，比如可按標高、專業、圖元樹、系統類型查看，實現模型的平移、旋轉、剖切、測量標注等功能。為方便內部瀏覽模型，需要實現對BIM模型的整體漫游功能，根據項目需求簡單地運用行走、巡視、旋轉、縮放等功能，模擬實際項目的任何一個模塊，實時查看大壩結構、監測儀器位置。

3.2 數據查詢

3.2.1 三維可視化模型

該系統可無損集成三維BIM模型和屬性信息，實現從里到外、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部情況，并隨時轉換視角并記錄當前模型問題或者模型對應的真實情況。

（2） 渲染漫游。基于Revit平臺，利用其自有的渲染插件Fuzor對模型進行渲染，再通過設定查看路徑，按照路徑播放所錄制視頻，多角度展示三維可視化模型，實現預設路徑的漫游。

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

3.2.2 大壩監測信息

Web系統可以在BIM模型中添加鏈接，以此驅動系統內部運轉，調動數據庫中的數據查詢，為三維可視化BIM模型中詳細監測點提供更加直觀、詳細的監測數據信息。

將三維可視化BIM模型與大壩安全監測數據和水工建筑物運行資料數據進行連接，其主要功能是利用實時數據，通過三維可視化模型中的數值以及模型的變化更加形象地展現大壩結構、監測儀器埋設位置以及壩區周邊地形地貌。利用BIM技術建立的三維可視化監控系統比其他三維可視化監視系統更能真實性地展現大壩及監測儀器，通過將已取得的真實數據運用到該監控系統中，獲得實時數據，判斷真實情況。

在工程BIM三維模型中布設位移計、滲壓計、應力計等類型的儀器，通過鼠標同時點擊，實時獲取當前的監測數據。也可以通過雙擊測點對象查看數據的過程線，進行特征值提取，在三維可視化BIM模型內部直觀展示所點擊的監測點位置，同時可以點擊相關屬性，調取數據庫中的相關數據，以窗口的形式實時展示在模型旁邊，實現實時數據與三維可視化模型一體化，如圖4所示。

3.3 數據展示

數據圖形展示包括過程線分析、分布圖分析、等值線分析、相關分析、特征值統計等常用方法，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據，在三維模型中呈現各狀態曲線圖，經數值與模型位置相關聯，改變以往只能結合二維示意圖和多種類表格查看的情況。

按照安全監測點統一編碼值，實現監測點與監測數據量值綁定，以便將監測數據在設備對應的三維模型上可視化展示出來。根據安全數據分析與評估系統的數據成果，直觀展示安全監測實時數據、歷史數據、發展趨勢曲線圖等，如圖5所示。

3.4 安全預警

通過在系統中設定各類監控指標的預警值，根據監測類別不同的要求及部位來設定相對應的預警級別。對超過預警值限定范圍的監測點及變化異常的監測點，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測點統一編碼值，實現監測點與監測數據量值綁定，使監測數據在設備對應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，模型會進行對應的高亮顯示。在不同的應用時期，可以隨時更換對應的安全監控預警值，實現準確、實時性高的大壩預警功能。對發生異常的監測點部位進行報警的同時，對大壩監測資料以及實時收集的此監測點監測數據進行綜合性分析，形成報警點綜合性分析報表，同時歷史報警記錄可以設定時間段導出。

4 結 語

本文以湖南省托口水電站為工程背景，基于BIM技術，從系統框架設計、系統構建等方面詳細闡述了三維可視化大壩安全監控系統的研發及應用情況。該系統將大壩監控的實時監測數據與大壩實體、地形場景以及大壩監測信息三維可視化模型相結合，更加全面直觀地展示了大壩結構及安全監測信息，有利于大壩的安全管理。

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（編輯：胡旭東）