基于BIM+3D GIS的大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈玉豪，萬 艷

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

根據(jù)2018年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)，全國已建成各類水庫98822座，其中大型水庫736座，中型水庫3954座[1]。隨著水利水電行業(yè)信息化、數(shù)字化、智慧化的發(fā)展，在已建和在建的水庫大壩中，高壩大庫的大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)較為完善。但大壩安全監(jiān)測中仍然存在可視化程度低、缺乏先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理程度低、自動(dòng)化改造后人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測結(jié)合程度差等問題[2～3]。而建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是以三維模型為載體，匯集工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的全生命周期過程中的工程數(shù)據(jù)信息，提供三維可視化展示和信息協(xié)同共享[4]；三維地理信息系統(tǒng)（Three-dimensional Geographic Information System，簡稱3D GIS）通過疊加融合傾斜攝影數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，提供更多的地形、建筑、設(shè)施等信息[5]。因此可以運(yùn)用BIM、3D GIS等信息化、數(shù)字化技術(shù)開發(fā)能夠直觀、綜合、有效管理水庫大壩全生命周期安全監(jiān)測信息的大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。

1 大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

感知層:利用水電站現(xiàn)場的安全監(jiān)測儀器設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集大壩的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、變形、滲流、環(huán)境量等數(shù)據(jù)，并傳至數(shù)據(jù)層的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)層:進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)、3D GIS數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理。其中BIM模型和3D GIS地圖采用文件型數(shù)據(jù)庫存儲，庫中的傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)進(jìn)行切片存儲；監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，主要涵蓋大壩基本信息、測點(diǎn)基本信息、儀器基本信息、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)等。

服務(wù)層:通過GIS服務(wù)器、BIM服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)層中的BIM模型和GIS地圖的切片數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測數(shù)等發(fā)布為三維服務(wù)、地理數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等，提供接口供業(yè)務(wù)層調(diào)用。

業(yè)務(wù)層:實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，利用前端開發(fā)技術(shù)并基于WebGL，實(shí)現(xiàn)水電站大壩的測點(diǎn)管理、儀器管理、圖層管理、三維視圖、場景聯(lián)動(dòng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、評判指標(biāo)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

應(yīng)用層:將業(yè)務(wù)功能通過網(wǎng)頁端進(jìn)行展現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)的目的是進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和三維場景數(shù)據(jù)管理，從而了解大壩的運(yùn)行性態(tài)和安全狀況。主要需求是對大壩各部位、各類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、分析和管理；對大壩、溢洪道等建筑物、儀器設(shè)備、測點(diǎn)位置進(jìn)行三維展示和管理；并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行三維場景的聯(lián)動(dòng)。依據(jù)功能需求，本系統(tǒng)功能主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、評判指標(biāo)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、測點(diǎn)管理、儀器管理、圖層管理和三維視圖和場景聯(lián)動(dòng)等。

2 三維場景構(gòu)建和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)接入

利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩、溢洪道、高邊坡、監(jiān)測儀器等的三維模型并賦予模型對應(yīng)的屬性，形成三維信息模型；利用3D GIS技術(shù)構(gòu)建傾斜攝影、三維地形、專題圖等GIS應(yīng)用場景。通過GIS平臺，融合BIM模型和3D GIS場景，制作三維場景，發(fā)布三維服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)等。同時(shí)接入安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)整合、分析、評判，并提供監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)用接口。

2.1 三維場景構(gòu)建

本系統(tǒng)中需要建立的BIM模型主要包括大壩、溢洪道、高邊坡、放空洞、監(jiān)測儀器等。根據(jù)設(shè)計(jì)圖、施工圖、鉆孔圖等設(shè)計(jì)資料建立BIM模型，通過.dgnlib文件構(gòu)建安全監(jiān)測儀器庫，在構(gòu)建測點(diǎn)時(shí)，復(fù)用儀器模型模板，設(shè)置唯一ID值，完成對測點(diǎn)監(jiān)測儀器的綁定。最后通過模型參考、合并，完成整個(gè)BIM應(yīng)用模型的構(gòu)建，見圖2。

圖2 引張線監(jiān)測儀器

本系統(tǒng)中主要通過三維地形和傾斜攝影模型構(gòu)建3D GIS場景，通過標(biāo)簽和單值專題圖實(shí)現(xiàn)對大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間分析。在構(gòu)建3D GIS場景時(shí)，通過對地形圖和傾斜攝影模型開挖、壓平處理，使得3D GIS場景符合當(dāng)下的水電站BIM模型提供周邊宏觀的地理環(huán)境要素，并提供空間查詢和空間分析功能。

三維場景建立主要進(jìn)行BIM與3D GIS融合。通過利用數(shù)據(jù)導(dǎo)出插件，將BIM模型頂點(diǎn)信息和屬性數(shù)據(jù)按照圖層分類導(dǎo)入GIS平臺，用其管理BIM模型的三維屬性信息。通過構(gòu)建的三維場景，將分散在不同位置的大壩、溢洪道、高邊坡等BIM模型圖層與三維地形、傾斜攝影、專題圖等GIS圖層關(guān)聯(lián)在一起，將BIM模型填充到預(yù)留位置，實(shí)現(xiàn)BIM與3D GIS的融合，完成三維場景的建立，見圖3。

圖3 BIM模型融合傾斜攝影

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入

大壩、高邊坡等部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和存儲主要是通過安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。通過數(shù)據(jù)接入程序?qū)F(xiàn)場的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與本系統(tǒng)的關(guān)系型監(jiān)測數(shù)據(jù)庫相連，并進(jìn)行測點(diǎn)關(guān)系匹配，包括測點(diǎn)對應(yīng)、測點(diǎn)監(jiān)測分量對應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸頻率設(shè)置等，以預(yù)定的頻率進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入。在數(shù)據(jù)接入程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，本系統(tǒng)后臺服務(wù)器將依據(jù)測點(diǎn)的計(jì)算公式、數(shù)據(jù)評判準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析、評判，完成數(shù)據(jù)入庫時(shí)的計(jì)算、校驗(yàn)、審核和存儲。

3 大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)器啟用微軟公司的IIS8.0，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL，界面設(shè)計(jì)采用HTML5配合CSS3樣式表，前臺控制采用JQuery框架，前后臺交互使用Ajax方式，后臺業(yè)務(wù)邏輯采用Java語言實(shí)現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)服務(wù)層實(shí)施

本系統(tǒng)服務(wù)層建設(shè)實(shí)施是通過編寫API接口向業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。主要分為提供三維場景的數(shù)據(jù)服務(wù)和提供安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

三維場景的數(shù)據(jù)服務(wù)主要包括三維服務(wù)、模型數(shù)據(jù)服務(wù)和地圖服務(wù)。通過GIS平臺的iServer服務(wù)器將構(gòu)建好的三維場景發(fā)布為REST格式的地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、三維服務(wù)。實(shí)現(xiàn)地圖的訪問、查詢，圖層控制、瀏覽，地圖空間、屬性查詢以及模型數(shù)據(jù)、地理環(huán)境要素的獲取和編輯功能。

安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)服務(wù)主要是提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的增、刪、改、查服務(wù)。在完成廠站數(shù)據(jù)庫的接入后，構(gòu)建本系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并完成大壩基本信息、測點(diǎn)基本信息、儀器基本信息的錄入。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，使用Java語言基于SSM框架，開發(fā)Restful風(fēng)格的后端接口服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)根據(jù)pointID、codeName、writeTime、dataTime等關(guān)鍵字段的單個(gè)查詢、分頁查詢和模糊查詢等數(shù)據(jù)查詢接口。

3.2 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)主要通過測點(diǎn)管理、儀器管理、圖層管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、評判指標(biāo)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)對大壩安全監(jiān)測情況的空間位置展示和管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢和分析，為評價(jià)大壩運(yùn)行性態(tài)提供輔助決策和技術(shù)支持。

（1）測點(diǎn)管理

圖4 測點(diǎn)管理

測點(diǎn)管理主要對測點(diǎn)的基本信息、埋設(shè)信息、計(jì)算參數(shù)進(jìn)行查詢、維護(hù)和三維展示。通過調(diào)用服務(wù)層的API接口，獲取數(shù)據(jù)服務(wù)和三維服務(wù)，在web界面上展示了按照測量目的分類的導(dǎo)航列表，包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量、控制網(wǎng)、自定義六個(gè)分類。通過點(diǎn)擊對應(yīng)子類條目，展示測點(diǎn)名稱、狀態(tài)、頻次、埋設(shè)部位、日期、高程、樁號、計(jì)算基準(zhǔn)值等測點(diǎn)信息，并能直接修改測點(diǎn)信息和添加此類型的測點(diǎn)；同時(shí)在三維場景中對點(diǎn)選的分類或者單個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行高亮顯示，見圖4。

（2）儀器管理

儀器管理主要對監(jiān)測儀器基本信息、計(jì)算公式進(jìn)行查詢、維護(hù)和三維展示。通過調(diào)用服務(wù)層的API接口，獲取數(shù)據(jù)服務(wù)和三維服務(wù)，在web界面上展示了按照儀器類型分類的導(dǎo)航列表，包括差阻式、振弦式、光纖式、標(biāo)準(zhǔn)量式、水情式、電容式等九個(gè)分類。通過點(diǎn)擊對應(yīng)子類條目，展示監(jiān)測儀器的名稱、監(jiān)測分量、單位、值域、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算公式等監(jiān)測儀器信息，并能直接修改監(jiān)測儀器信息和添加監(jiān)測儀器；同時(shí)在三維場景中對點(diǎn)選的監(jiān)測儀器進(jìn)行大樣展示。

（3）圖層管理

圖層管理主要對三維場景中的圖層進(jìn)行控制。通過調(diào)用iServer發(fā)布的三維服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)等，獲取對應(yīng)的服務(wù)圖層，實(shí)現(xiàn)對圖層的顯示、透明度、選中等功能。在web界面上展示了圖層列表，包括地圖切換、地形圖、傾斜攝影、大壩壩體、面板、溢洪道、高邊坡、監(jiān)測儀器、放空洞九個(gè)圖層分類。通過點(diǎn)擊對應(yīng)的圖層顯示、透明度控制按鈕，實(shí)現(xiàn)了對各個(gè)圖層的控制功能。能夠快速瀏覽整個(gè)水利樞紐的整體布置、詳細(xì)查看各種水工建筑物的內(nèi)部、局部信息，以及安全監(jiān)測測點(diǎn)設(shè)置、儀器埋設(shè)位置信息。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢

監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢主要對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和輸出。通過調(diào)用服務(wù)層的API接口，獲取數(shù)據(jù)服務(wù)和三維服務(wù)，在web界面上沿用測點(diǎn)管理的導(dǎo)航列表，通過點(diǎn)擊對應(yīng)子類條目，默認(rèn)展示按時(shí)間排序、正常狀態(tài)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)，包括測點(diǎn)名稱、時(shí)間、原始量、中間量和結(jié)果量，也可修改查詢條件后查詢，并在查詢數(shù)據(jù)的同時(shí)顯示測值過程線和參考環(huán)境量曲線。同時(shí)通過切換查詢標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)查詢功能，通過設(shè)置查詢?nèi)掌?，可以快速查詢出異常?shù)據(jù)的測點(diǎn)名稱、異常分量、儀器類型和時(shí)間等信息，也可對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行備注和隱藏。并能在三維場景中對點(diǎn)選的測點(diǎn)進(jìn)行高亮顯示。另外提供了查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為表格。

（5）評判指標(biāo)設(shè)置

評判指標(biāo)設(shè)置主要對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常狀態(tài)值指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。在web界面上沿用測點(diǎn)管理的導(dǎo)航列表，點(diǎn)擊對應(yīng)子類條目，通過調(diào)用服務(wù)層的API接口，獲取并展示已設(shè)置的評判指標(biāo)，包括測點(diǎn)名稱、評判分量、異常值上限、異常值下線、嚴(yán)重異常值上線、嚴(yán)重異常值下線等信息，同時(shí)可以修改表中異常值指標(biāo)。完成指標(biāo)設(shè)置后，評判監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常，并根據(jù)評判結(jié)果對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，異常數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢界面進(jìn)行查看和處理。

4 結(jié)論

BIM+3D GIS的融合滿足了水利樞紐工程對地理環(huán)境要素和三維信息模型在宏觀和微觀領(lǐng)域空間展示和空間分析的需求，針對大壩安全監(jiān)測中對監(jiān)測結(jié)果的空間展示和數(shù)據(jù)分析需求，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于BIM+3D GIS的大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)能夠?qū)Υ髩巍⒁绾榈?、高邊坡、監(jiān)測儀器等的信息模型三維空間展示，將模型信息與儀器設(shè)備屬性關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水電站數(shù)字化集成。

2）系統(tǒng)能夠通過數(shù)字化模型，展示變形、滲流、滲壓、溫度、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測項(xiàng)目的空間位置和成果，提高了監(jiān)測結(jié)果可視化程度。

然而，由于缺少地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，數(shù)字水電站缺少地質(zhì)模型，監(jiān)測儀器的增加、更換也不便利，系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善。