基于BIM的水利樞紐施工多維信息可視化管理系統設計分析

李 可

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

多維信息是組成多維信息空間的信息數據，在計算機技術和虛擬現實技術的支持下，水利樞紐施工信息逐漸向可視化的方向發展，水利工程規模不斷增大，施工數據不斷增多[1]，如何管理可視化信息成為了當下的研究熱點，為此在BIM技術的支持下，針對水利樞紐，設計一種施工多維信息可視化管理系統，將各項水利樞紐施工數據以一種直觀的方式進行展示，追蹤不同施工階段的多維信息的數值，保證水利樞紐工程的安全[2]。國外研究人員利用BIM技術中的項目管理知識庫，匯總了多個維度的水利樞紐數據[3]，研究得到了多種信息轉換模式，并構建了多種信息數據的可視化轉換方法，制定了多種信息可視化交互標準。國內在研究BIM技術方面起步較晚，可視化管理系統研究，已經進入高速發展階段，集成處理了信息可視化的核心軟件[4]，并實現了對水利樞紐施工過程的管理。綜合國內外的研究成果可知，設計一種可視化管理系統是很有必要的。

1 多維信息可視化管理系統硬件設計

1.1 設計可視化控制單元

可視化控制單元以STM32芯片作為主控芯片[5]，芯片引腳外部集成電平轉換模塊以及GSM電路模塊后，得到控制單元結構，如圖1所示。

圖1 可視化控制單元結構

在圖1中，將USART串口與芯片相連，在主控芯片外設置2個SPI通信接口，控制通信接口1用于芯片調試。藍牙模塊以TI CC2540/41芯片作為處理核心，使用藍牙芯片上的引出腳1連接硬件電源，控制引腳2接地，設定引腳端口3為復位端，連接一個數值為10K的電阻，控制藍牙模塊的正常復位[6- 7]。將端口21作為芯片串口的發送引腳，連接控制芯片的RX4引腳后，實現硬件數據的傳輸。控制單片機的引腳連接無線傳輸模塊和串口模塊后，控制GSM模塊與功能按鍵模塊并聯。

采用TD1507TR穩壓芯片作為可視化控制單元的電源，固定電源的電流值為2.0A，連接一個100uF的電容作為電源電路的濾波電容，控制單元的電源電路結構如圖2所示。

圖2 控制單元電源電路結構

在圖2中，電源電路中電容C15與電容C19并聯，保證電源模塊的穩定。可視化控制單元設計完畢后，設計串行通信板卡電路。

1.2 串行通信板卡的電路設計

可視化系統需要液晶觸摸屏作為觸控面板[8]，在可視化控制單元的控制下，在STM32芯片和觸控屏間設定一個中間層，在該中間層內設定一個串行通信板卡，板卡結構如圖3所示。

圖3 串行通信板卡結構

在圖3中，控制板卡串口0連接一個5V的TLL電平微控制器[9]，在液晶顯示屏的RS- 232接口處連接板卡的串口1，串行通信板卡的電路結構如圖4所示。

圖4 串行通信板卡電路結構

控制上述板卡電路結構流經的電源電壓為3.3V，轉換芯片串口連接顯示屏的九針接口后，實現硬件電路的電平轉換。

2 多維信息可視化管理系統軟件設計

2.1 轉化水利樞紐施工多維信息

在硬件結構的支持下，采集水利樞紐施工多維數據后，對應整合處理為3個維度的數據集合，數據集合可表示為：

(1)

式中，X，Y，Z—水利樞紐施工信息的維度。

水利樞紐工程不斷發展，施工多維數據產生了一定的變化，設定上述采集得到的多維數據的更新規則[10- 11]，以X維度的數據作為處理對象，水利樞紐施工數據的更新規則可表示為：

(2)

式中，N—水利樞紐數據的鄰域；i—水利樞紐數據鄰域的更新參數。

同理可得Y，Z維度上的水利樞紐施工數據。更新處理施工多維數據后，平滑處理多維數據，計算公式可表示為：

(3)

式中，P3d(x，y，z)—多維度數據的濾波數值。

同步該濾波數值后，根據多維數據的時間狀態，離散控制計算得到的平滑數值，可表示為：

(4)

式中，xk+1—(k+1)時刻多維施工數據狀態參數；Fk+1—多維數據的變換矩陣；Bk+1—控制輸入的施工數據。

采用卡爾曼濾波迭代處理離散過程，計算信息數據中的增益，可表示為：

(5)

式中，Hk+1—(k+1)時刻多維數據施工狀態量；H′—狀態量的測量值；R—濾波偏差。

以計算得到的增益作為多維數據的轉換量[12]，實際轉換時，以該轉換值作為多維數據的標準變化區間，實現不同維度間的相互轉換。轉換多維信息數據后，使用BIM技術，實現管理功能。

2.2 采用BIM技術實現管理功能

在實現管理功能時，首先采用BIM技術的.NET平臺作為管理功能的編程平臺，使用其內部自帶的CLR與FCL組件[13]，為管理過程提供運行環境，并提供一個框架結構，構建得到.NET框架結構，如圖5所示。

圖5 軟件框架結構

在圖5中，將轉換后的水利樞紐施工多維信息數據庫集成在軟件框架結構中的Winform窗體中，對應不同的施工多維數據，設定不同的數據結構，采用BIM技術中的數據庫結構儲存轉換后的數據，利用BIM模型模擬搭建水利樞紐施工過程，并采用JAVA編程可視化轉換該施工過程[14- 15]。使用數據庫中的E-R圖結構劃分施工數據的屬性，對應不同的屬性，設定不同的管理程序，實現多維信息可視化的管理。基于上述實驗準備，最終完成基于BIM的水利樞紐施工多維信息可視化管理系統的設計。

3 系統測試

3.1 測試準備

采用5臺PC機搭建一個Hadoop分布式結構，以該結構作為驗證可視化系統性能的測試環境，準備計算機的軟硬件環境，參數見表1。

表1 實驗所需PC機參數

采用表1參數的PC機搭建測試環境后，隨機選定遼西北地區的一處水域環境作為實驗對象，選定的水利環境如圖6所示。

圖6 選定的水利實驗水域

在圖6中，設定10個水利樞紐施工信息的采集點，采集樞紐施工的信息后，解析處理施工信息為各項數據，見表2。

采用表2的施工信息數據作為測試數據，分別使用文獻[6]、文獻[9]中的可視化管理系統以及文中設計的可視化管理系統進行測試，對比3種可視化管理系統的性能。

表2 解析后的施工信息數據

3.2 測試結果及分析

在上述實驗環境下，設定解析后的施工信息數據并發數值為10、20、30、50、60、80、100，對3種可視化管理系統的吞吐量指標作對比，結果見表3。

表3 3種可視化管理系統吞吐量結果 單位：Mbps

根據表3的吞吐量實驗結果可知，設置不同數值的并發量后，文獻[6]中的可視化管理系統產生的吞吐量在30～50 Mbps之間，吞吐量數值最小，文獻[9]中的可視化管理系統產生的吞吐量在80～90 Mbps之間，系統對數據的吞吐量數值較小。而文中設計的可視化管理系統的吞吐量數值在150～200 Mbps之間，與2種文獻中的可視化管理系統相比，該種可視化管理系統產生的吞吐量數值最大。

保持上述實驗環境不變，將表2解析后的施工信息數據導入至3種可視化管理系統中，重復累積導入100萬條后，統計3種可視化管理系統的響應時間，計算得到3種可視化管理系統讀取數據的效率，實驗結果如圖7所示。

圖7 3種可視化管理系統讀取數據的速度

由圖7可知，在3種可視化管理系統控制下，讀取100萬條施工信息數據時，文獻[6]中的可視化管理系統讀取數據的速度在約900條/s，實際讀取施工數據的速度最慢，文獻[9]中的可視化管理系統讀取數據的速度約1250條/s，實際讀取數據所需的時間較快，而文中設計的可視化管理系統讀取數據的速度約1667條/s，與2種文獻中的可視化系統相比，該可視化管理系統實際讀取數據的速度最快。

在上述實驗環境下，調用3種可視化管理系統內的開發工具，以解析后的施工信息數據作為可視化頁面的渲染對象，在相同的操作系統控制下，統計3種可視化管理系統可視化渲染時間，最終在設定采集點處形成的可視化渲染時間結果，見表4。

表4 可視化管理系統的渲染時間 單位:ms

由表4可知，使用測試準備階段采集得到的施工數據作為處理對象后，在同一操作系統的處理下，3種可視化管理系統表現出了不同時長的頁面渲染時間，根據表4所示的時間數值，文獻[6]中的可視化管理系統所需的平均頁面渲染時間約為113.5ms，渲染頁面所需的時間最長，文獻[9]中的管理系統所需的平均渲染時間約為69.1ms，渲染可視化頁面所需的時間較短，而文中設計的可視化管理系統的平均渲染時間約為39.2ms，與2種文獻中的可視化管理系統相比，該可視化管理系統所需的渲染時間最短，縮短了水利工程施工多維數據可視化所需的時間。

4 結束語

水利樞紐工程不斷地發展，可視化管理施工過程成為了當下的研究重點，在BIM技術的支持下，設計一種水利樞紐施工多維信息可視化管理系統，能夠改善文獻中可視化管理系統中存在的不足，為今后管理水利施工可視化過程提供了研究方向。