基于BIM+WebGIS的輸電系統結構安全監測可視化平臺構建

胡夏愷，楊 聃，朱悅林，陳俊濤, 蘇 凱，王 霄

(1.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；2.浙江靜遠電力實業有限公司，浙江 麗水 323000)

0 引 言

變電站和輸電鐵塔是輸電系統中的重要組成部分，前者承擔電力分流以及電壓變換的作用，后者對導、地線起著關鍵的支撐作用。由于各種原因, 不少變電站在建成投產之后，地基會呈現出不同程度的沉降，易造成設備損壞、接地扁鐵斷裂、電纜拉斷、保護誤動等安全隱患，對變電站的安全穩定運行造成極大危害。而輸電鐵塔具有結構高聳、剛度柔和跨度大等特點，受線路覆冰、地震、風舞等環境荷載影響時，受力顯著増加而有可能發生變形損壞，嚴重時甚至倒塔斷線。這些因素嚴重威脅著電力系統的安全穩定運行。對變電站和輸電鐵塔進行結構安全監測，可及時發現險情，做出提前預警和防護。

以浙江靜遠電力實業有限公司的負責監測的47個變電站為例，發現變電站和輸電鐵塔安全監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，其中的輸電鐵塔數以萬計，連接走向復雜，需要更加直觀高效、清晰明了的可視化表達方式。②由于變電站較多，同時各變電站和鐵塔的監測設備數量多、監測種類復雜，隨著采集時間的增加，會逐步積累形成海量異構安全監測數據，其存儲、處理及挖掘利用也正成為安全監控工作迫切需要解決的問題；③監測管理既對區域宏觀管理有要求，也對單體精細化管理有一定要求。目前傳統的監測數據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)技術的快速發展，促進了建筑、電力等多個行業的變革。將BIM技術應用于變電站基礎沉降監測和輸電鐵塔的結構安全監測，不僅可以提高監測的可視化程度(如設備布置可視化、監測信息可視化、場景漫游、實時監控、空間量測、分析報警、歷史數據查詢等)，幫助操作人員更加直觀的把握整個監測流程，促進監測工作的精細化管理。同時參考“互聯網+”思維，再將BIM與WebGIS融合，使微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息實現交換和相互操作，將GIS從宏觀領域引入到微觀領域，拓展了三維GIS的應用領域。在BIM與WebGIS整合方面，國內外已有一些成功案例[1-6]。如雅礱江流域水電開發有限公司基于SuperMap GIS構建數據中心和融合三維GIS和BIM的流域水電數字化管理平臺《雅礱江流域三維可視化信息集成展示與會商平臺》，實現水電工程項目全業務、全過程信息的三維可視化集成管理、動態仿真與分析決策；中設設計集團股份有限公司開發了基于 BIM+GIS 的智慧管廊監測管控運維一體化平臺，實現了環境監測管理、安防監控管理、資產與運維管理、大數據統計分析等功能[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、趙志勇等構建了基于三維 BIM + WebGIS 技術的區域數字水庫[4]。

因此本文以浙江省多個變電站和輸電鐵塔結構安全監測為依托，基于B/S架構，集成Cesium開源WebGIS引擎，加載輕量化處理后的BIM模型，構建融合BIM、WebGIS和監測信息的輸電系統結構安全監測平臺，實現結構布置可視化與數據可視化，力爭實現從監測信息到監控服務的跨越。

1 安全監測可視化解決方案

1.1 功能需求分析

綜合變電站沉降監測工作、輸電鐵塔結構安全監測工作和安全管理的實際情況，平臺的總體功能為各類數據的讀寫與可視化表達。將平臺開發所需數據進行分類，在此基礎上開展輸電系統結構安全監測的可視化與調控平臺開發實踐。數據主要分為4類。

(1)屬性數據。即各變電站的坐標和方位角，永久水準點和測點的坐標，輸電鐵塔結構類型、位置、連接走向等資料。

(2)監測數據。對于變電站，監測原始數據主要是沉降數據，包括由萊卡水準儀得到的原始LS10數據、平差數據、整編數據的輸入和管理；對于輸電鐵塔，監測原始數據主要是塔基偏移量、塔身傾斜度、塔臂應力。

(3)三維模型數據。采用BIM軟件建立能包含變電站和輸電鐵塔的“設備+基礎(結構)+測點”的BIM模型。根據HTML5 WebGL客戶端的顯示能力及顯示需求，從完整BIM模型中導出多細節層次(LOD)的輕量化模型；根據分層、分塊、分區域顯示功能要求，導出局部模型或組合模型。

(4)預警指標。包括各監測項目的監控模型與分類分級監控值、對應分類分級預警的安全管理調控機制等

1.2 系統架構設計

基于BIM和WebGIS的變電站基礎沉降監測可視化與安全調控平臺采用B/S模式，基于MySQL數據庫存儲平臺所需的各類數據，采用網頁客戶端實現交互操作。平臺劃分為五層架構(如圖1所示)。

(1)數據實體層：設計合理的多維動態數組、多級鏈表等數據結構，基于ORMapping技術，按需求將數據庫里的數據映射到內存中，提高訪問速度及系統響應速度。

(2)數據訪問層：基于JDBC接口對數據進行CRUD操作(即數據的增、刪、改、查)，并進行事務處理及異常捕獲。

(3)業務邏輯層：平臺功能核心層?；贑odeBehind技術，把用戶界面與數據的徹底分離，提高平臺的擴展性。與數據訪問層相對應，把概要設計分出的角色類添加方法、屬性、事件、索引、接口等，實現安全監測分析與安全評價、分級預警、安全調控等功能。

(4)用戶界面層：即網頁，用戶進行交互操作的界面，實現數據的可視化。包括：①廣域范圍內變電站和輸電鐵塔的可視化。采用WebGIS技術展示之間的位置分布、連接走向；②監測模型可視化：顯示各監測設備的空間位置，通過交互操作定位監測設備，查找監測設備的相關屬性及對應各種監測物理量，以便快速查找監測情況和監測數據。采用HTML5 WebGL技術，展示變電站設備組成與監測布置，實現測點的交互選擇、屬性顯示、視點跟蹤和動態漫游，通過交互式菜單實現平臺的各項功能。根據電腦客戶端的功能需求，調用多細節層次的模型，制作不同的界面與菜單；③監測數據可視化：采用Ajax技術，動態繪制累計變形(應力)-時間過程曲線，變形(應力)增量-時間曲線等大量圖表，自動分類處理和統計沉降、傾角、加速度等監測數據，采用動態柱狀圖、折線圖和餅圖的方式，直觀反映監測數據的變化過程。

(5)系統服務層：提供公共的服務性功能，供各個操作層使用。如代理、公共變量、全局參數等。

1.3 開發工具選擇

采用前后端分離的開發方式。前端基于開源WebGIS引擎Cesium[7]，采用Angular開發平臺[8]，VSCode進行編碼，網頁采用HTML5+CSS3編寫，腳本語言采用Javascripts+Typescripts，網頁控件采用primeng組件[9]。后端采用Spring Boot框架[10]進行開發，集成webService接口開發、數據庫讀寫、監測數據計算處理功能。網絡服務采用Ngnix進行靜態網頁服務、反向代理和緩存)、Tomcat提供動態網頁服務、動態數據服務和地形服務、MBtilesServer提供地圖影像服務。

2 系統實現

2.1 地形和影像的離線加載

為保證地圖服務的可靠性和穩定性，采用離線地圖的方式。從中國科學院計算機網絡信息中心的地理空間數據云網站下載浙江省30 m精度地形數據進行切片，利用CesiumTerrainProvider函數加載；影像使用下載的谷歌無偏移影像，采用MBTiles格式存儲，利用createTileMapServiceImageryProvider函數加載?？紤]到高精度的影像數據過于龐大，因此全球影像采用1～9級，浙江省影像采用10～17級，變電站區域采用18～20級，既保證了關鍵部位的顯示效果，也減少了網絡數據傳輸量。

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，對模型進行輕量化處理(處理流程見圖3)，通過第三方工具轉換為3dtiles格式，同時將BIM模型各部件的屬性信息存貯于SQLite數據庫格式的單文件中，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模型的局部坐標轉換為WGS84坐標，即模型原點與數據庫中變電站的經度、緯度和高程對應，模型正北方向與變電站的方位角對應。通過Cesium的多個函數計算得到變換矩陣，將BIM模型準確放置到地圖上。輸電鐵塔相對簡單，將模型轉換為glb格式，在Cesium中直接以Entity(實體)加載到地圖中。

圖3 BIM模型輕量化流程

2.3 測點與高壓鐵塔屬性信息和監測數據讀取

向后端發送請求，通過SpringBoot開發的WebService訪問數據庫并以Json格式返回到前端，進行解析，獲得測點與高壓鐵塔的屬性信息和監測數據。

2.4 監測數據可視化

采用基于JavaScript實現的開源可視化庫Echarts，對監測數據進行可視化展示。將從后臺返回的監測數據源解析為key-value格式數據源，設置encode屬性完成數據到圖形的映射，即可在網頁上顯示高質量的動態折線圖、柱狀圖、散點圖、餅圖等。

3 工程應用

將該平臺應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”、“高壓鐵塔”、“安全預警”、“地圖設置”等5個主要菜單項。

圖4 系統登錄界面

圖5 初始界面和主菜單

“定位”功能可將地圖跳轉至變電站的所在位置，并自動加載相應的BIM模型(圖6)，實現了BIM與WebGIS的融合；“配準”可對變電站在地圖上的位置進行精細微調。

圖6 將BIM模型集成到WebGIS中

在測點菜單下，可在模型上直接展示測點的位置與分布情況(圖7)。“顯示圖表”可按監測線路展示監測的柱狀圖、折線圖或堆疊圖(圖8)；“LS10數據上傳”可將萊卡水準儀測量得到的excel表上傳到系統，并自動進行計算，生成計算數據表和監測報告，通過“文件下載”可下載到本地計算機。

圖7 測點布置可視化

圖8 變電站監測數據可視化

在高壓鐵塔菜單下，可按地區顯示已錄入的鐵塔數據，并以動態折線圖的方式實時顯示監測數據的變化(圖9)，實現了輸電鐵塔的布置可視化、連接走向可視化及監測數據可視化。

圖9 輸電鐵塔布置可視化及監測實時數據可視化

4 結 論

本文將輸電系統結構安全監測與BIM、WebGIS相結合，實現了設備布置可視化、輸電鐵塔分布及走向可視化、監測數據可視化等成果，取得了良好的效果，得出以下主要結論。

(1)采用B/S模式，用戶通過網頁客戶端的，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，也保證了地圖服務的穩定性和高效性。

(2)利用BIM能夠有效地實現監測信息的集成以及相關功能的開發，能夠有效提高監測信息的可視化以及監測系統的交互性，實現監測信息的及時共享。

(3)監測信息、BIM、GIS集合于一體，不僅可以展示宏觀領域內變電站、輸電鐵塔的連接走向及相互關系，也可以精細展示微觀領域內各變電站的監測信息，全方位實現監測信息集成與三維可視化，將是當前監測系統發展的一個重要方向。

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