三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應用

　　摘要：先進可靠的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能準確檢查大壩結構，展示儀器埋設位置，提高實時監(jiān)測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析，并依據(jù)規(guī)范擬定應力、滲流量等監(jiān)控指標對三維數(shù)值模型進行正反分析，可確定大壩變形預警值。以湖南托口水電站為例，采用BIM技術構建了大壩實體、地形場景以及監(jiān)測信息的三維可視化模型，并開發(fā)出集成了三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預警四大模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全方位展示大壩結構、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果、監(jiān)控指標等信息，并直觀展示實時信息，實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)控預警，提高了大壩安全管理效率。相關經(jīng)驗可供類似水利水電工程的安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)借鑒。

　　關 鍵 詞：BIM技術; 安全預警; 大壩安全監(jiān)控系統(tǒng); 三維可視化

　　推薦閱讀：《地方水利技術的應用與實踐》于2010年6月水利水電出版社出版，由中國水利學會主辦，收集了近期各地水利技術應用和實踐中積累的經(jīng)驗和研究成果。

　　近年來部分水利工程由于大壩結構、監(jiān)測儀器埋設位置復雜，以及監(jiān)測信息直觀性和實時性較差，大壩安全管理效率較低。因此，實現(xiàn)壩體及水工建筑、監(jiān)測儀器及監(jiān)測信息的三維可視化，提高大壩安全管理效率及實現(xiàn)其預警功能，已成為大壩管理的發(fā)展趨勢[1]。目前，在可視化的基礎上對大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關研究成果已有不少：金有杰等提出通過數(shù)據(jù)集成管理，實現(xiàn)監(jiān)測信息三維可視化，提高了監(jiān)測信息的直觀性[2];楊陽等開發(fā)了基于監(jiān)測信息的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)[3];馬瑞等提出了基于三維可視化和物聯(lián)網(wǎng)技術的水庫大壩安全管理，可提升智能狀態(tài)下的水庫大壩設備安全管理效率[4];柴啟蕾等設計了基于Qt和OpenGL的大壩安全監(jiān)測可視化系統(tǒng)。

　　可提升大壩三維模型內外部交互的直觀性[5];He B等對將三維GIS技術應用在小浪底水電站安全監(jiān)測方面展開了研究[6];傅蜀燕等開發(fā)了三維BIM +WebGIS 可視化區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺[7];趙志勇等基于BIM技術+GIS技術，開發(fā)了區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)[8]。然而，關于利用BIM技術構建大壩、地形場景、監(jiān)測儀器三維可視化模型，并且集成安全監(jiān)控預警的系統(tǒng)研究鮮有報道。

　　為了精確反映大壩結構、監(jiān)測儀器布置的三維可視化，提高監(jiān)測信息的實時程度和大壩安全管理的效率，筆者團隊基于BIM技術構建了大壩可視化實體，并在其中嵌入監(jiān)測信息，開發(fā)出集成三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預警等模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，以提高大壩安全管理效率。

　　1 系統(tǒng)框架設計

　　BIM三維模型信息量大，可優(yōu)化傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)控管理模式，提升可視化效果。因此，可利用BIM平臺的優(yōu)點構建BIM模型，實現(xiàn)壩體、監(jiān)測儀器三維可視化，實現(xiàn)大壩安全自動預警功能。本文開發(fā)的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)由用戶層、應用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎環(huán)境層構成，系統(tǒng)框架設計如圖1所示。

　　系統(tǒng)基于大壩場景、實體建模數(shù)據(jù)，采用有限元數(shù)值模擬對壩體位移計算參數(shù)進行反演，確定大壩安全預警值;利用BIM技術構建大壩地形場景、實體、監(jiān)測儀器三維模型;通過集成監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維可視化模型，完成系統(tǒng)的開發(fā)研究。

　　該系統(tǒng)主要由4個基本功能模塊構成：① 三維可視化展示模塊。該模塊主要是對大壩地形場景、大壩實體場景以及監(jiān)測儀器信息三維可視化模型進行展示。② 數(shù)據(jù)查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫區(qū)地形地貌信息、大壩及水工建筑結構信息、監(jiān)測儀器信息以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢。③ 數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊主要是對各類信息、數(shù)據(jù)以文檔格式或圖表格式進行展示，提高其可視化程度及準確性。④ 安全監(jiān)控預警模塊。該模塊主要是設定預警指標，對有狀況的監(jiān)測部位進行自動預警。

　　第7期 朱 亭，等：三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應用 人 民 長 江2019年 2 系統(tǒng)構建

　　2.1 基礎數(shù)據(jù)

　　2.1.1 大壩地形場景數(shù)據(jù)

　　(1) 數(shù)字高程數(shù)據(jù)。可從現(xiàn)有地形圖上直接獲取或者現(xiàn)場實測得到，利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)可得到粗略的大壩地形場景三維模型。

　　(2) 圖片影像數(shù)據(jù)。圖片影像數(shù)據(jù)是通過攝像得到的大壩地形場景實際圖片影像并基于圖片影像數(shù)據(jù)，對初步建立的大壩地形場景進行對比、校正、調色，進一步提高大壩地形場景三維模型的還原度。

　　2.1.2 大壩實體建模數(shù)據(jù)

　　三維大壩實體建模的主要依據(jù)是大壩設計圖紙，在缺少圖紙或圖紙無法詳細表達的情況下，基于點云數(shù)據(jù)來獲取大壩及大壩周邊詳細地理環(huán)境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精確度。

　　2.1.3 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

　　大壩安全監(jiān)測主要分為滲流、內部、環(huán)境量以及變形監(jiān)測。監(jiān)測儀器主要包括位移計、滲壓計、應力計等。監(jiān)測數(shù)據(jù)分為：① 不具有方向性的標量信息;② 包括上下游、左右岸以及壩體垂直方向的矢量信息。

　　2.1.4 監(jiān)控分析數(shù)據(jù)

　　監(jiān)控指標主要包括變形、應力、滲流量等，其中可以依據(jù)水工建筑物手冊確定大壩安全系數(shù)，擬定應力預警值;再結合典型大壩滲流分析結果擬定滲流量的監(jiān)控預警值。

　　通過收集各水工建筑物的設計、施工資料以及壩區(qū)岸坡、地質地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元軟件構建大壩三維數(shù)值模型。

　　首先，對監(jiān)測資料進行全面深入分析;再基于大壩、壩基以及壩坡的三維數(shù)值模型，計算其變形特性，并與監(jiān)測結果進行對比分析，確定出壩體合理的變形力學參數(shù)，將研究成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，確定壩體不同部位的變形預警指標。

　　2.2 模型構建

　　(1) 大壩地形場景。庫區(qū)地形建模主要包括庫區(qū)水域、邊坡、道路、壩基等，將大壩地形圖導入到Civil3D中，形成原始地形表面，結合大壩實際的圖片影像進行對比修改，適當處理等高線的數(shù)據(jù)誤差后，構建還原程度高、真實感強的大壩地形場景三維模型。

　　(2) 實體三維建模。利用Revit軟件構建大壩實體三維模型，即基于大壩設計圖紙，利用Revit平臺建立大壩實體三維BIM模型;再將處理過的點云數(shù)據(jù)引入模型當中，填補缺失，更加精準地搭建大壩實體三維模型，實現(xiàn)對大壩模型精細化展示，直觀、真實地展示大壩位置、構成、附屬設備。對大壩地形場景與實體進行建模之后，還需要將它們進行對接整合，以構建整個水庫大壩的三維可視化模型。一般利用同一原點的方法，首先將地形三維模型導入大壩實體三維BIM模型項目當中，再三維視圖中統(tǒng)一兩個模型的原點，并且通過移動、復制、鏡像等操作構建整個大壩三維可視化模型[8-10]。