三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

　　摘要：先進(jìn)可靠的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢查大壩結(jié)構(gòu)，展示儀器埋設(shè)位置，提高實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息及大壩安全管理的效率。通過(guò)對(duì)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，并依據(jù)規(guī)范擬定應(yīng)力、滲流量等監(jiān)控指標(biāo)對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行正反分析，可確定大壩變形預(yù)警值。以湖南托口水電站為例，采用BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩實(shí)體、地形場(chǎng)景以及監(jiān)測(cè)信息的三維可視化模型，并開(kāi)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(yù)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(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果、監(jiān)控指標(biāo)等信息，并直觀展示實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)控預(yù)警，提高了大壩安全管理效率。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似水利水電工程的安全監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)借鑒。

　　關(guān) 鍵 詞：BIM技術(shù); 安全預(yù)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(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐》于2010年6月水利水電出版社出版，由中國(guó)水利學(xué)會(huì)主辦，收集了近期各地水利技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。

　　近年來(lái)部分水利工程由于大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)位置復(fù)雜，以及監(jiān)測(cè)信息直觀性和實(shí)時(shí)性較差，大壩安全管理效率較低。因此，實(shí)現(xiàn)壩體及水工建筑、監(jiān)測(cè)儀器及監(jiān)測(cè)信息的三維可視化，提高大壩安全管理效率及實(shí)現(xiàn)其預(yù)警功能，已成為大壩管理的發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前，在可視化的基礎(chǔ)上對(duì)大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究成果已有不少：金有杰等提出通過(guò)數(shù)據(jù)集成管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息三維可視化，提高了監(jiān)測(cè)信息的直觀性[2];楊陽(yáng)等開(kāi)發(fā)了基于監(jiān)測(cè)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(shù)的水庫(kù)大壩安全管理，可提升智能狀態(tài)下的水庫(kù)大壩設(shè)備安全管理效率[4];柴啟蕾等設(shè)計(jì)了基于Qt和OpenGL的大壩安全監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)。

　　可提升大壩三維模型內(nèi)外部交互的直觀性[5];He B等對(duì)將三維GIS技術(shù)應(yīng)用在小浪底水電站安全監(jiān)測(cè)方面展開(kāi)了研究[6];傅蜀燕等開(kāi)發(fā)了三維BIM +WebGIS 可視化區(qū)域數(shù)字水庫(kù)安全管理系統(tǒng)平臺(tái)[7];趙志勇等基于BIM技術(shù)+GIS技術(shù)，開(kāi)發(fā)了區(qū)域數(shù)字水庫(kù)安全管理系統(tǒng)[8]。然而，關(guān)于利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩、地形場(chǎng)景、監(jiān)測(cè)儀器三維可視化模型，并且集成安全監(jiān)控預(yù)警的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。

　　為了精確反映大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)儀器布置的三維可視化，提高監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)程度和大壩安全管理的效率，筆者團(tuán)隊(duì)基于BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩可視化實(shí)體，并在其中嵌入監(jiān)測(cè)信息，開(kāi)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(yù)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(shè)計(jì)

　　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(tái)的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建BIM模型，實(shí)現(xiàn)壩體、監(jiān)測(cè)儀器三維可視化，實(shí)現(xiàn)大壩安全自動(dòng)預(yù)警功能。本文開(kāi)發(fā)的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)由用戶層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)環(huán)境層構(gòu)成，系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　系統(tǒng)基于大壩場(chǎng)景、實(shí)體建模數(shù)據(jù)，采用有限元數(shù)值模擬對(duì)壩體位移計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演，確定大壩安全預(yù)警值;利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩地形場(chǎng)景、實(shí)體、監(jiān)測(cè)儀器三維模型;通過(guò)集成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與三維可視化模型，完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究。

　　該系統(tǒng)主要由4個(gè)基本功能模塊構(gòu)成：① 三維可視化展示模塊。該模塊主要是對(duì)大壩地形場(chǎng)景、大壩實(shí)體場(chǎng)景以及監(jiān)測(cè)儀器信息三維可視化模型進(jìn)行展示。② 數(shù)據(jù)查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫(kù)區(qū)地形地貌信息、大壩及水工建筑結(jié)構(gòu)信息、監(jiān)測(cè)儀器信息以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢。③ 數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊主要是對(duì)各類信息、數(shù)據(jù)以文檔格式或圖表格式進(jìn)行展示，提高其可視化程度及準(zhǔn)確性。④ 安全監(jiān)控預(yù)警模塊。該模塊主要是設(shè)定預(yù)警指標(biāo)，對(duì)有狀況的監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行自動(dòng)預(yù)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(yīng)用 人 民 長(zhǎng) 江2019年 2 系統(tǒng)構(gòu)建

　　2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　2.1.1 大壩地形場(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)得到，利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)可得到粗略的大壩地形場(chǎng)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(guò)攝像得到的大壩地形場(chǎng)景實(shí)際圖片影像并基于圖片影像數(shù)據(jù)，對(duì)初步建立的大壩地形場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比、校正、調(diào)色，進(jìn)一步提高大壩地形場(chǎng)景三維模型的還原度。

　　2.1.2 大壩實(shí)體建模數(shù)據(jù)

　　三維大壩實(shí)體建模的主要依據(jù)是大壩設(shè)計(jì)圖紙，在缺少圖紙或圖紙無(wú)法詳細(xì)表達(dá)的情況下，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)獲取大壩及大壩周邊詳細(xì)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(cè)數(shù)據(jù)

　　大壩安全監(jiān)測(cè)主要分為滲流、內(nèi)部、環(huán)境量以及變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器主要包括位移計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)力計(jì)等。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為：① 不具有方向性的標(biāo)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(biāo)主要包括變形、應(yīng)力、滲流量等，其中可以依據(jù)水工建筑物手冊(cè)確定大壩安全系數(shù)，擬定應(yīng)力預(yù)警值;再結(jié)合典型大壩滲流分析結(jié)果擬定滲流量的監(jiān)控預(yù)警值。

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

　　首先，對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)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(jì)算其變形特性，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定出壩體合理的變形力學(xué)參數(shù)，將研究成果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定壩體不同部位的變形預(yù)警指標(biāo)。

　　2.2 模型構(gòu)建

　　(1) 大壩地形場(chǎng)景。庫(kù)區(qū)地形建模主要包括庫(kù)區(qū)水域、邊坡、道路、壩基等，將大壩地形圖導(dǎo)入到Civil3D中，形成原始地形表面，結(jié)合大壩實(shí)際的圖片影像進(jìn)行對(duì)比修改，適當(dāng)處理等高線的數(shù)據(jù)誤差后，構(gòu)建還原程度高、真實(shí)感強(qiáng)的大壩地形場(chǎng)景三維模型。

　　(2) 實(shí)體三維建模。利用Revit軟件構(gòu)建大壩實(shí)體三維模型，即基于大壩設(shè)計(jì)圖紙，利用Revit平臺(tái)建立大壩實(shí)體三維BIM模型;再將處理過(guò)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)引入模型當(dāng)中，填補(bǔ)缺失，更加精準(zhǔn)地搭建大壩實(shí)體三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩模型精細(xì)化展示，直觀、真實(shí)地展示大壩位置、構(gòu)成、附屬設(shè)備。對(duì)大壩地形場(chǎng)景與實(shí)體進(jìn)行建模之后，還需要將它們進(jìn)行對(duì)接整合，以構(gòu)建整個(gè)水庫(kù)大壩的三維可視化模型。一般利用同一原點(diǎn)的方法，首先將地形三維模型導(dǎo)入大壩實(shí)體三維BIM模型項(xiàng)目當(dāng)中，再三維視圖中統(tǒng)一兩個(gè)模型的原點(diǎn)，并且通過(guò)移動(dòng)、復(fù)制、鏡像等操作構(gòu)建整個(gè)大壩三維可視化模型[8-10]。