基于數字孿生技術的三維可視化水利安全監測系統

徐瑞 葉芳毅

摘要：為從當前水利行業自動化監測業務收集到的海量監測數據中提煉出更多關鍵信息，進一步服務于安全監測智慧化，基于數字孿生技術的概念，利用現有三維GIS可視化技術手段，結合時空數據模式，構建了一套三維可視化水利安全監測系統。結果表明：該系統能夠直觀展示數字三維地理空間中的地形、地貌、安全監測相關模型信息和擴展的分析、查詢數據結果，并能夠使用這些數據進行一定的三維數據仿真可視化效果表達。該系統增加了數據展示分析手段，提高了分析監測數據效率。

關鍵詞： 安全監測; 數字孿生; 三維可視化; 智慧水利

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.016

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0087 - 05

0 引 言

水利工程安全監測是保障水利工程正常運行的重要前提，利用安全監測儀器對大壩進行各項監測指標的觀測是安全監測中的重要組成部分[1]。當前大型水利工程都正在進行或者已經完成了水利信息化改造，構建了各自的安全監測自動化體系。這些自動化監測系統為研究水利工程安全穩定狀態和大壩預警預測提供了重要的數據支撐，也為構建安全監測數字孿生體系提供了可能[2-4]。

數字孿生技術的應用可能會對未來經濟社會發展產生更加深遠的影響[5]。本文從數字孿生技術的概念出發，利用現有三維GIS可視化技術手段，并結合時空數據模式研究了如何在水利行業安全監測業務領域中，構建一套基于數字孿生的三維可視化安全監測系統。

1 關鍵技術研究

1.1 數字孿生技術

1.1.1 數字孿生概念

數字孿生技術的提出者是密歇根大學的Dr. Michael Grieves，最初提出時的定義是通過數字化手段，在虛擬空間中構建出一個與現實實體相一致的虛擬實體的技術。即把構成一個現實物體的所有信息都錄入到數字設備中，在數字空間中利用這些存儲的信息完全模擬出這個物體各方面的特性。 自2012年美國宇航局首次將這項概念應用于航天領域以來，數字孿生概念已經被學術界從智慧設計、智慧城市、全生命周期管理、智能制造等許多角度進行描述和分析。這些分析和應用的共同點在于都采用數字化技術手段創建出物理實體的數字孿生模型，通過虛擬現實技術、大數據融合分析等數據分析方法，為物理實體在相關領域中添加或者擴展新的屬性和成果。

1.1.2 模型可視化數字孿生

數字孿生概念最初應用在機械等設備設計、生產、維護的全生命周期過程中。當前，在水利安全監測領域，數字孿生主要體現在模型可視化數字孿生應用。可視化包括GIS，3D可視化、BIM等內容。其中GIS+BIM已經在水利行業中得到了相當廣泛的應用。其中，GIS相當于地球的數字孿生概念，通過構建基于地球的地理空間坐標系，將各種數字模型都安置在數字三維地理空間當中，并基于數字模型進行各式各樣的信息集成和分析，以此擴展模型實體的屬性和成果。

圖1為在三維地理空間中構建的街道、建筑物、植被數據模型，通過各種數字模型融合，共同構建出了一個完整統一的數字孿生模型空間。最初，數字孿生技術應用強調添加物體的物理仿真特性。在模型可視化數字孿生中，更多強調數字模型的地理空間信息和數據時空變化。

1.2 三維可視化技術

目前，在三維地理空間中，應用較多的可視化模型主要分為4類：地形影像模型、三維實體模型、傾斜影像模型和BIM模型[6]。其中，按照模型分類，又可以將上述4種模型歸為兩類：地形影像模型和傾斜影像模型。通過影像，將現實環境映射到數字三維地理空間當中，這兩類數據通常采用地理坐標系;三維實體模型和BIM模型負責將現實空間中業務場景物體（如安全監測儀器）轉換為數字孿生數字模型，并通過一定的坐標轉換算法，安置在數字三維地理空間當中，這兩類數據通常采用獨立坐標系。

地形影像模型和傾斜影像模型作為基礎地形場景數據，利用坐標轉換，根據安全監測儀器布置圖，在地形場景中安置多種多樣的安全監測儀器模型和水工建筑物BIM模型。在此基礎上，就可以結合物聯網技術，在數字三維地理空間中對安全監測儀器設備和相關水工建筑物進行模型可視化數字孿生分析和展示。

1.2.1 BIM模型屬性查詢

BIM模型與傳統三維模型最大的區別在于BIM模型通過參數化構建生成，相較于傳統模型通過自定義繪制的面片進行組合，BIM模型的不同點為BIM模型的幾何部分在任何視圖中都具有一致性，在一個較大型的BIM模型中，屬性信息字段結構可能多達數十甚至上百種。

目前，在實際應用中，BIM模型的幾何和屬性信息通常是分別存儲展示的。模型幾何體通過三維引擎展示，屬性信息采用接口的形式單獨獲取。又因為BIM屬性信息的異構體過多，傳統的結構化數據庫難以滿足模型屬性信息的存儲需求，不利于屬性信息的后期更新維護。因此，就需要采用非結構化數據庫進行存儲信息。

本文使用的MongoDB數據庫是一個面向集合、模式自由的非結構化文檔型數據庫。如圖2所示，在MongoDB中，數據被分為若干個集合，每個集合都有一個唯一的名字，可以包含無限個文檔，每個集合中都可以存儲任意結構的數據文檔。在查詢BIM模型屬性時，通過Restful接口形式，根據集合id和文檔對應的key值獲取對應文檔中的BIM模型數據，這些數據是JSON格式進行存儲的文檔，通過解析JSON數據格式，就能獲取到查詢的模型屬性信息。

1.2.2 監測模型時空數據展示

目前，很多安全監測儀器已經更新替換為自動化儀器，每天通過網絡能夠收到大量的監測數據，如何將這些時序數據配合地理三維空間中的儀器模型和三維空間下其他環境時序數據進行統一融合展示，是安全監測下的模型可視化數字孿生問題的關鍵，也是后續擴展分析應用的基礎[7]。

在以往的三維可視化模型展示時，數字三維空間中只有空間坐標作為度量尺度，僅僅能夠表現出模型的空間位置。時間維度是通過另外單獨的數據庫存儲和配套接口獲取，并按照時間順序，在一組離散的時間間隔上單次展示狀態，通過狀態幀改變來模擬時序數據的變化。這種方法在展示單獨時間序列數據的時候能夠較好地進行展示，但是在數字孿生概念下，數字孿生體往往不限于由單一類型數據信息構成，而是由多種自身數據信息乃至于另外的來自于環境的環境信息共同作用形成的，如圖3所示。將所有數據都統一到場景時間軸中，三維場景本身具備時間維度。例如在安全監測外觀變形監測中，引張線的形變需要結合垂線、伸縮儀等類型儀器，靜力水準儀需要關聯精密水準成果共同展開分析[8]。因此，需要在三維地理空間中 ，引入時間維度概念，將所有的時序數據統一到共同時間軸上進行展示，才能夠在同一時間尺度下，擴展監測儀器數據模型的能力和作用。這種在三維空間中實現統一連續時間軸的方式相比于傳統的GIS，BIM等技術提升了時間維度的數據融合度，為實現數字孿生體提供了時間維度的方法。

2 系統設計

2.1 系統技術路線

技術路線的選擇上，采用 SOA（面向服務的體系結構）體系架構的設計思想，實現監測可視化、環境信息、監測管理等功能模塊信息的實時調用查詢。在技術體系中應用支撐平臺采用了ArkWeb三維平臺、Three.js，MongoDB，.net Core等核心技術，在保證技術先進性的同時兼顧了技術的實用性。同時，采用組件式開發技術，使彼此獨立的業務組織在一起形成完整的業務系統，如圖4所示。

網站將采用最流行的響應式 Web 設計理念，將當前 Web 設計中熱門的響應式設計技術與 HTML5 和 CSS3 結合起來，實現一處編寫各個終端可用，保證用戶使用不同終端瀏覽時大部分內容與 Web 一致，同時頁面能自動改變布局，以適應移動端的屏幕大小，保證在不同分辨率大小的屏幕上均有良好的用戶體驗。

2.2 系統架構

系統通過不同層級統一架構，組件式服務系統架構主要分為4個層級。主要由資源層、數據層、平臺服務層（應用支撐層）、業務應用層共同構成。系統的總體構成和各部分內容如圖5所示。

2.2.1 業務應用層

系統業務應用主要分為3類：模型可視化、監測業務和系統管理。其中模型可視化包含了BIM應用（BIM模型展示、BIM屬性查詢）、監測可視化（主要包括數字三維地理空間構建，基礎地理數據加載，監測儀器及水工建筑物模型瀏覽等）、監測數據仿真等功能;監測業務主要是在三維可視化場景構建的基礎上，基于模型數字孿生體的信息對監測業務數據進行查詢、管理和分析;系統管理中包含了業務功能應用所需的各種基礎服務，如用戶、權限等。

2.2.2 平臺服務層

平臺服務層是整個系統最核心的部分，起到承上啟下的作用。平臺服務采用模塊化編程思想，將后臺服務按照功能劃分為一個個子模塊，例如BIM服務、監測業務服務、BIM屬性服務等。同時由于安全監測業務是一個綜合課題，常常需要接入外部系統服務，因此還可能涉及到與自動化采集系統的數據交互、強震監控系統的事件發布等數據共享交換服務。

2.2.3 數據層

數據層主要有監測業務數據庫、系統管理數據庫，這兩個數據庫數據結構基本由關系型數據構成，因此選用SQL Server關系型數據庫構建;三維模型以及BIM模型等模型可視化數據通常都由一個個文件構成，因此，使用Nginx將其發布為一個靜態資源數據服務。通過資源文件調用并配合平臺服務層相對應的數據服務對讀取的文件資源進行解析繪制;MongoDB為非關系型數據庫，負責存儲BIM屬性信息，并通過數據服務對數據庫進行查詢。

2.2.4 資源層

系統資源主要分為數據資源和設備資源兩種。設備資源主要包括服務器、網絡通訊等;數據資源包括基礎資源（數字地形圖、遙感影像數據和數字高程數據等）、監測數據（考證信息、監測成果數據、環境水文數據等）和模型數據（BIM模型和監測儀器三維模型等）。

2.3 網絡架構

水利行業數據的安全性是所有系統實施的前提和基礎，本文設計的系統接入了壩區的自動化監測采集系統、水文氣象系統等。本系統部署在業務專網之中。具體的網絡架構如圖6所示。

該系統和安全監測自動化數據采集系統都部署在監測業務專網中，其余閘門監控系統、水文氣象系統等附加系統部署在另外的管理信息網中，兩個網絡間通過單向網閘進行數據傳輸隔離，通過單向網閘確保相互之間的數據通信是單向且可控的。整體網絡都位于跟外部網絡物理隔離的系統內網中，進一步增強系統的網絡安全性。

3 功能實現

基于上述的系統設計和關鍵技術，獲取重點區域的遙感影像和數字構成，構建數字三維地理空間，建設以安全監測儀器模型、水工建筑物和相應BIM模型為基礎的三維模型數據庫，結合數字孿生三維可視化、網絡通訊、數據庫等技術，構建了基于數字孿生技術的三維可視化水利安全監測系統。系統能夠直觀展示數字三維地理空間中的地形、地貌、安全監測相關模型信息和擴展的分析、查詢數據結果，并能使用這些數據進行一定的三維數據仿真可視化效果表達。圖7～8就是結合BIM建模成果，對數據進行可視化表達，并可結合MongoDB存儲，查詢獲取BIM節點屬性。圖9是將所有測點成果數據時間統一到地理空間時間軸上后，利用編寫的時間軸控件進行時序成果數據變形仿真。

4 結 語

隨著計算機技術的發展，數字孿生已經在各行各業取得了進步和突破，本文就數字孿生技術發展進行了簡要介紹，從數字孿生模型可視化出發，結合安全監測領域實際需求，實現了GIS+BIM數據融合，異構BIM屬性信息查詢、安全監測時序數據可視化等功能，為數字孿生技術在安全監測領域的應用提供了一些思路。該系統幫助工程運行管理單位對大壩整體的監測儀器布置有了更加直觀的認識，通過在同一連續時間維度帶入多種類監測成果并進行可視化，增加了數據展示分析手段，提高了分析監測數據的效率。下階段的工作應當集中在進一步對數字孿生體上附加的信息進行綜合分析和預測，以及在現在時間維度雙向映射的基礎上進行空間維度模型的調整方面，以實現數字世界和物理顯示的雙向映射，幫助管理者對大壩安全形態做出更加準確及時的預警預測。

參考文獻：

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[2] 張興旺， 王璐. 數字孿生技術及其在圖書館中的應用研究[J]. 圖書情報工作，2020，64（17）：64-73.

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[4] 唐懷坤，史一飛. 基于數字孿生理念的智慧城市頂層設計重構[J]. 智能建筑與智慧城市， 2020（10）：15-16.

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[6] 胡夏愷，楊聃，朱悅林. 基于BIM+WebGIS的輸電系統結構安全監測可視化平臺構建[J]. 中國農村水利水電，2020（12）：185-188，192.

[7] 柴啟蕾. 基于可視化技術的水壩安全監測系統設計[D]. 長沙：湖南大學，2017.

[8] 李林，梁學文，劉昌軍. 基于三維可視化技術的大壩安全監測預警技術[J]. 中國科技成果，2018，19（24）：35-41.

（編輯：江 文）

Three-dimensional visual water conservancy safety monitoring system based on digital twin technology

XU Rui1，2，3， YE Fangyi1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan ?430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan ?430010， China）

Abstract： In order to extract more key information from the massive monitoring data collected by the current automatic monitoring business of the water conservancy industry， and to further serve the intelligent safety monitoring， based on the concept of digital twin technology and utilizing current 3D GIS visualization technology combining temporal-spatial data mode， a 3D visualization water conservancy safety monitoring system was constructed. The results showed that the system could visually display model information of topography， landform， safety monitoring and data results of expanded analysis and query in digital 3D geographic space. Also， 3D data simulation visualization effect expression could come true by using these data. In summary， the system adds data display and analysis methods and improves the analyzing efficiency of monitoring data.

Key words： safety monitoring; digital twin ; three-dimensional visual; smart water conservancy