基于BIM的水閘數字孿生平臺設計與應用研究

陳 翠，安 覓，董家賢，馬鈞霆

(1.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012；3.云南省水文水資源局普洱分局，云南 普洱 665000；4.南京麥堤微林信息科技有限公司，江蘇 南京 210012)

一些發達地區和水文水利重點監測區域已經基本實現了信息化和數字化。然而，分析其數字化程度，基礎地理信息、水閘、監測設備等專題空間數據大多采用平面二維電子地圖。基于平面二維電子地圖的信息化管理系統，一方面水閘全景的可視化程度較低，日常管理的導視性較差，對流域管理的空間輔助決策不夠；另一方面水閘及其監測設備等以點、線、面的幾何形態標注，其設備安裝位置、形態、類型、工作原理等不能夠仿真展示，直接影響管理人員對水閘的智慧化管理水平。

數字孿生技術為現實物理世界與虛擬信息空間的交互融合搭建了橋梁[2]。近年來，數字孿生技術得到了廣泛關注，已被列為十大戰略科技發展趨勢之一。BIM技術以三維數字技術為基礎，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達[3]。以數字孿生為理念，以BIM技術為載體，依托傳感器、RTU、PLC等設備，融合水閘的實時運行數據，將各種零碎、分散、割裂的信息數據關聯起來，創造一個基于BIM的水閘數字孿生平臺，可實現水閘全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化，實現水閘物理空間與信息空間的實時交互、迭代優化，改善水閘現在的管理狀態，為水閘智慧化管理、統計分析和數據挖掘等創造條件。

1 水閘運維管理信息分析

分析水閘日常運行、維護、監控、管理的業務，水閘運維管理的對象主要包含水閘工程本身、運維管理人員、設備、操作流程、水體等[4- 6]。根據管理對象的數據狀態，可將水閘運維管理數據化分為靜態數據和動態數據。

1.1 靜態數據

靜態數據是指基本保持穩定的數據，在一段時間內不會隨著水閘運行而變化，這類數據主要有：

(1)水閘工程本身，包括水閘設計時期和建設時期的圖紙、成果報告、時間節點、閘門設計參數(包括位置、等級、高程、尺寸、設計水位等)、設計單位、建設單位、管理單位等。

(2)人員，主要指人員的名字、所屬單位或部門、職責、權限等。

(3)設備的靜態數據主要包括，設備名稱、類型、功能、安裝時間、生產單位、所屬管理人員等。

1.2 動態數據

動態數據指會隨著時間發生變化的各類數據。在水閘管理中主要指維修養護數據和由傳感器監測得到的是動態變化的數據：

(1)水閘維修養護數據，主要包括閘室、上下游連接段的建筑物維修養護和水閘所包含的設備，如啟閉機、水位計、流速儀、閘門等的維修保養數據。

(2)閘門啟閉數據，主要包括操作人員、開啟時間、關閉時間、閘門開度、持續時間和啟閉原因等。

(3)閘門啟閉狀態

(4)閘門上下游水位、流速、流量、雨量實時監測數據[4]。

2 平臺設計

2.1 總體架構設計

平臺總體技術架構劃分為現場感知層、數據存儲與管理層、數據匯聚層、業務應用層以及綜合展示層，如圖1所示。

圖1 平臺總體架構圖

現場感知層：平臺數據庫感知層主要職責是對接現場的各類智能設備和傳感器信號，并將采集到的數據通過數據接收程序實現上載入庫和下行通信。針對連續運行傳感器，則建立起實時通信機制，按照設定好的頻率對傳感器工況和相關參數進行采樣和入庫。

數據存儲與管理層：平臺在本層的模塊主要是實現數據的導入、標準化、數據更新、審核驗證、數據查詢、數據安全與備份等方面的功能。

數據匯聚層：分為業務數據匯聚、監測數據匯聚兩大部分。業務數據匯聚主要包括多源數據的集成管理、分布式數據處理及數據同步等功能。監測數據匯聚則主要是對水閘不同專題監測數據進行集成、傳輸和交互管理，包括多協議兼容功能、數據同步功能和分布式處理功能等。

業務應用層：支持的功能包括設備管理、模型管理、監控管理、維護管理、統計分析、模擬仿真、用戶與權限管理和閘門啟閉管理等，滿足水閘日常運維、管理的需求。

綜合展示層：是指與用戶進行交互操作的界面，水閘數字孿生平臺基于開源的WebGL技術開發B/S模式的網頁平臺，在平臺中可對水閘的所有數據進行查詢和瀏覽。

2.2 平臺數據管理

將來源于的不同類型的信息數據加以匯總及標準化處理，消除信息孤島，之后根據數據類別(動態、靜態)導入實時數據庫或屬性數據庫或文件系統中。數據入庫前進行數據庫結構、元數據以及數據字典的設計。初始數據入庫需按要求經多次數據檢查和處理，確保入庫數據的質量。

對水閘工程建筑、水閘周圍環境和水閘相關的設施設備建立BIM模型，并存入模型庫。對水閘工程建筑和設備設施建模時應細化到各個構件，并對構件進行統一編碼和入庫，將BIM模型的各個構件與實時數據庫、屬性數據庫中的數據進行掛接，使水閘BIM模型成為水閘運維、管理信息的主要載體、連接紐帶和核心驅動。

2.3 平臺功能模塊設計

建設水閘數字孿生平臺主要目的是為了實現由實到虛的鏡像再現和以虛控實的智能操控[3]，從而提高水閘運維、管理工作的可視化水平和智慧化水平。平臺功能主要分為4個功能模塊。

2.3.1數據管理與查詢。

(1)水閘相關數據管理與查詢

水閘相關的數據種類眾多，有基本的屬性數據、動態監測數據和圖紙報告文件數據等，經過標準化處理后，這些數據都關聯在BIM模型上。數據管理與查詢模塊，可根據選擇的BIM模型等參數，查詢屬性數據、運行維護記錄、設計圖紙、維護人等信息，并支持數據更新、刪除、新增和下載。平臺會對提交的數據增、刪、改請求進行嚴格的檢查，確保入庫數據符合要求。

(2)監測數據管理與查詢

監測數據主要有水位、流速、流量、閘門啟閉等數據，根據選擇的設備、輸入的時間和選擇的時段(5、10、15、30、60min等)，查詢監測對象的過程數據。

2.3.2數據統計分析

數據統計分析模塊的功能，主要是指對水閘上、下游水位流量數據，根據日、月、年進行查詢和最值計算、同(環)比分析等。

2.3.3模擬仿真

模擬仿真功能模塊，可以對水閘的所有BIM模型進行全方位、全角度的查看。水閘數字孿生平臺模擬仿真不僅指的是水閘建筑、設備設施的模擬仿真，也包括由傳感器得到的監測數據動態變化的模擬仿真。在平臺三維場景中對水位變化加以可視化表達，使水面隨著實際監測數據升降，以充分反映水位要素隨著時間的變化過程，實現由實到虛的鏡像表達。平臺還提供歷史數據可視化重演的功能，根據輸入的起始時間和結束時間，通過水面升降重演水閘上、下游水位變化過程。

2.3.4遠程控制閘門啟閉

管理人員在水閘數字孿生平臺中選擇閘門，并設置參數，平臺將輸入參數傳遞給水閘的監控主機，由監控主機根據接收到的數據發送指令給PLC，從而控制閘門的啟閉，實現以虛控實遠程控制閘門啟閉的目的[7]。結合模擬仿真模塊中水面可根據實時監測數據動態變化的功能，實現了水閘運維管理數字孿生的目標。

2.4 平臺開發工具

平臺總體采用B/S架構，數據庫采用SQL Server 2012，采用前后臺分離的方式進行開發。后端采用Spring Boot2.1.0框架，獲取前端傳遞的數據并進行業務邏輯處理和接口封裝。前端采用HTML5+CSS3設計網頁界面，使用javascript和JQuery對用戶操作進行預處理和響應，并引用Three.js 3D引擎庫，Three.js是JavaScript編寫的WebGL第三方庫，可以創建各種三維場景，并支持在三維場景中進行編輯、漫游查看和查詢定位等操作，利用此三維引擎實現水閘的三維展示和實時監測的數據的模擬仿真。

3 應用案例

平臺以江蘇省內一水閘為試點，建立了“基于BIM的水閘數字孿生平臺”。該水閘始建于20世紀60年代，水閘類型為引(進)水閘，閘孔數量為1個。經過續建配套和自動化改造，目前有1個閘門，1個卷揚機、2個監控攝像頭、2個水位計和1個雨量筒。對該水閘的相關數據進行匯總和標準化處理，建設水閘數字孿生平臺數據庫。根據水閘設計圖紙和現場實測數據，構建水閘BIM模型。

平臺的整個頁面都作為BIM場景的容器，左、右兩側懸浮信息框面板，面板中顯示的內容隨著選擇功能改變，下部懸浮BIM場景操作工具。初始進入平臺時，左側面板顯示水閘基本信息和水閘包含的所有設備，右側面板顯示水閘的監測設備來報率統計、月監測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)、年監測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)的統計分析情況。點擊BIM模型中的監測設備還可以查詢設備的最新來報和歷史來報等信息。如圖2所示為點擊水閘附近雨量筒設備模型所展示的界面。水閘在不同水位下的場景如圖3所示。

圖2 雨量監測設備基本信息與監測數據展示

圖3 水閘在不同水位下的場景展示

4 結論

基于數字孿生理念，計算機技術，BIM技術，傳感器、RTU、PLC等設備，搭建了水閘數字孿生平臺，將水閘相關數據、資料以及實時監測數據標準化處理后掛接到BIM模型上，以實鏡虛，以虛控實，實現了水閘全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化，形成可感知、可控制、可交互、可觀察的綜合性管理平臺，為水利資源管理工作精細化、智能化發展提供助力。