李品鈺，霍 亮,2,3，宋繼哲，趙鵬輝

(1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京102616；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102616;3.北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 102616)

1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)概況

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、人們安全意識的提高以及觀念的轉(zhuǎn)變，對大壩安全監(jiān)測內(nèi)涵的認(rèn)識也在進(jìn)一步加深[1]。大壩的安全監(jiān)測是為了了解大壩的性能和安全狀態(tài)的有效方法。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測將成為監(jiān)測大壩安全的更合適的方法，自動(dòng)化監(jiān)測是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的基本保證。因此，大壩安全自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得到了迅速發(fā)展[1]。

針對現(xiàn)有大壩安全管理監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示不夠充分，大壩可視化不全面，監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢效率較低等問題，本文設(shè)計(jì)了大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)平臺，利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩三維模型結(jié)合WEBGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)大壩三維可視化，并將大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化實(shí)現(xiàn)場景瀏覽與操作、數(shù)據(jù)查詢與分析和大壩安全信息與預(yù)警。

2 大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析，本文基于Cesium平臺框架，采用WebGL技術(shù)設(shè)計(jì)了大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)。通過大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)，對大壩傳感器采集的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的參數(shù)值進(jìn)行處理分析，從而確定監(jiān)控指標(biāo)等信息以便進(jìn)行成因分析和輔助決策。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)采用人機(jī)交互的處理方式，并針對現(xiàn)有大壩安全管理監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示不夠充分，大壩可視化不全面，監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢效率較低等問題，本系統(tǒng)主要按照以下原則設(shè)計(jì)：

(1)易操作性：系統(tǒng)具有良好的用戶界面，操作簡單，能夠滿足不同用戶的需求；

(2)實(shí)用性：系統(tǒng)滿足對大壩安全監(jiān)測中的可視化管理和對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值以及不安全因素的查詢，輔助檢測人員對大壩安全隱患的成因分析以及決策的要求；

(3)可靠性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的邏輯性、可靠性和安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)有適量冗余及其它保護(hù)措施；

(4)可維護(hù)性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，按照分層設(shè)計(jì)，軟件構(gòu)件化實(shí)現(xiàn)。對于采用的軟件構(gòu)件化開發(fā)方式要滿足：一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層，業(yè)務(wù)與實(shí)現(xiàn)分離，邏輯與數(shù)據(jù)分離；二是以接口為核心，使用開放標(biāo)準(zhǔn)；三是構(gòu)件語意描述要形式化；四是提煉封裝構(gòu)件要規(guī)范化。

2.2 總體框架結(jié)構(gòu)

大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層四層，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，三維可視化部分由Cesium平臺實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)軟件由Javascript編碼實(shí)現(xiàn)，由網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)總體框架

3 大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)依據(jù)布置在水利樞紐中各個(gè)部位的大量監(jiān)測儀器設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過對獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料的整理、計(jì)算、分析來監(jiān)控大壩的安全性態(tài)，保障其安全運(yùn)行，并為工程設(shè)計(jì)、工程運(yùn)行、科學(xué)研究提供重要的參考資料[3]。

系統(tǒng)由以下四個(gè)模塊構(gòu)成:(1)場景視圖模塊：對大壩模型、監(jiān)測設(shè)備以及大壩周圍地形進(jìn)行三維可視化展示；(2)數(shù)據(jù)管理模塊：對大壩安全監(jiān)測中的數(shù)據(jù)以及文件進(jìn)行管理；(3)數(shù)據(jù)分析模塊：對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析同時(shí)進(jìn)行安全預(yù)警；(4)系統(tǒng)維護(hù)：系統(tǒng)接口以及數(shù)據(jù)庫等功能的配置。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和項(xiàng)目資料等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用調(diào)度從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，包含以下五個(gè)部分。

(1)BIM模型管理：可以動(dòng)態(tài)的加載相關(guān)三維BIM模型數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)交互可視化，支持通用BIM格式的輸出。

(2)監(jiān)測點(diǎn)位管理：建立相關(guān)的監(jiān)測點(diǎn)三維模型庫，可以實(shí)現(xiàn)在BIM模型上動(dòng)態(tài)的添加和刪除監(jiān)測點(diǎn)位。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理：前端界面可以實(shí)現(xiàn)后臺監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的增刪查改等基本操作。

(4)儀器屬性管理：可添加監(jiān)測儀器的屬性數(shù)據(jù)，主要包括：儀器名稱、儀器編號、生產(chǎn)廠商、安裝時(shí)間、埋設(shè)位置等信息。

(5)項(xiàng)目資料管理：實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)以及施工項(xiàng)目相關(guān)資料的管理。主要包括：項(xiàng)目概況、合同書、檢定表、考證表、巡視表等相關(guān)資料的管理。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析模塊主要是對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析同時(shí)進(jìn)行安全預(yù)警，對實(shí)時(shí)讀取的大壩安全監(jiān)測信息進(jìn)行查詢整編，支持報(bào)警閾值的設(shè)置以及數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出功能。

(1)監(jiān)測信息查詢：系統(tǒng)支持監(jiān)測點(diǎn)位查詢、監(jiān)測斷面查詢、監(jiān)測時(shí)段查詢等多種方式聯(lián)合查詢。對不同監(jiān)測點(diǎn)位的查詢，可實(shí)現(xiàn)在三維模型中的快速定位功能，通過三維模型(BIM)上監(jiān)測點(diǎn)位的拾取，可以實(shí)現(xiàn)對后臺安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的調(diào)度，以文本和趨勢線方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)整編：系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)出大壩所有監(jiān)測儀器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征值(當(dāng)前最大最小、歷史最大最小值、變化率等)，同時(shí)支持統(tǒng)計(jì)分析特定監(jiān)測儀器、特定監(jiān)測時(shí)段、特定監(jiān)測斷面的特征值(當(dāng)前最大最小、歷史最大最小值、變化率等)，可以與不同時(shí)段歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，并以趨勢線和報(bào)表形式呈現(xiàn)。

(3)監(jiān)測預(yù)警設(shè)置：監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)警功能采用分級管理、超出設(shè)定閾值的監(jiān)測點(diǎn)位可通過高亮顯示不同顏色來提示預(yù)警信息。管理員有權(quán)限設(shè)置相應(yīng)等級的安全閾值，當(dāng)監(jiān)測站的監(jiān)測值超過某一級別的報(bào)警閥值時(shí)，自動(dòng)向用戶發(fā)出報(bào)警提示。

(4)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出：系統(tǒng)可以將監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)以報(bào)表形式呈現(xiàn)，支持輸出打印(Excel、Word形式)?？梢愿鶕?jù)時(shí)間段(年、月、周)將所有監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和過程線呈現(xiàn)和輸出。

3.1.3 場景視圖

采用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩模型并進(jìn)行三維可視化,結(jié)合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用。能更直觀的展示大壩真實(shí)的外部與內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息以及周圍地形信息，同時(shí)支持快速查詢?yōu)g覽大壩的整體以及部件化的三維模型(BIM)和安全監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)大壩模型的整體、局部、內(nèi)部、斷面等多視角展示[1]。

(1)視圖方式：針對大壩整體模型和部件化模型實(shí)現(xiàn)多視角(前視圖、后視圖、頂視圖、底視圖、左視圖、右視圖、側(cè)視圖等)查看和瀏覽。

(2)場景漫游：系統(tǒng)支持多種方式(飛行、行走等)實(shí)現(xiàn)三維場景的漫游瀏覽。

(3)部件化展示：系統(tǒng)支持三維模型(BIM)部位分解和各部件的交互操作?？赏ㄟ^放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、拾取等操作查看和透視監(jiān)測點(diǎn)位信息。

(4)二三維聯(lián)動(dòng)：系統(tǒng)支持3D模型(BIM)和2D圖紙(PDF)的二三維一體化聯(lián)動(dòng)，如圖8所示。拾取3D模型上的監(jiān)測點(diǎn)位可以跳轉(zhuǎn)到所對應(yīng)的2D圖紙，點(diǎn)擊不同2D圖紙可以快速關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的3D模型。

3.1.4 系統(tǒng)維護(hù)

系統(tǒng)維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接口以及數(shù)據(jù)庫等功能的配置，主要包含以下四個(gè)部分。

(1)系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置：用戶及權(quán)限管理主要用于完成對用戶基本信息、密碼和權(quán)限的管理與維護(hù)。系統(tǒng)管理員可以添加(注冊)、修改和刪除整個(gè)軟件系統(tǒng)的用戶信息和權(quán)限。

(2)系統(tǒng)工具設(shè)置：可以設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)功能的參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的鏈接、輸出格式等。

(3)數(shù)據(jù)庫配置：數(shù)據(jù)庫配置是用戶可以動(dòng)態(tài)設(shè)置鏈接、斷開、備份相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

(4)開發(fā)服務(wù)接口：系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，預(yù)留二次開發(fā)和數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、元數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)維護(hù)四個(gè)模塊，對水利樞紐各部位的大量不同的全天候監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效管理，并支持?jǐn)?shù)據(jù)不同方式存儲、查找及輸出，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的整理分析，實(shí)時(shí)反應(yīng)測值與荷載、時(shí)間的變化規(guī)律[1]。此外，將BIM模型數(shù)據(jù)接入大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)并分析，不僅直觀表達(dá)了不同監(jiān)測數(shù)值在空間分布上的關(guān)系，而且能更加及時(shí)了解大壩運(yùn)行的安全狀況，對大壩的日常運(yùn)行調(diào)度起到積極而重要的作用[1]。最后元數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)維護(hù)可以對大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行起到良好的管理、保障及監(jiān)督作用。大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)框架示意圖如圖3所示。

圖3 大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)框架示意圖

(1)大壩模型三維可視化功能：大壩三維安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是將大壩三維模型(BIM)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的集成應(yīng)用[1]。通過樹狀目錄可以快速查詢?yōu)g覽大壩的整體以及部件化的三維模型(BIM)和安全監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)大壩(及相關(guān))模型整體、局部、內(nèi)部、斷面等多視角可視化展示[1]，如圖4所示。

圖4 大壩模型三維可視化

(2)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢可視化功能：實(shí)現(xiàn)三維模型(BIM)的交互操作，可以通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、拾取等操作查看和瀏覽監(jiān)測點(diǎn)位。在3D模型展示主界面上布置有測點(diǎn)增加、斷面展示、測站與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、模型部位分解、內(nèi)部透視等快捷操作控件，實(shí)現(xiàn)對后臺安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的調(diào)度，以文本和趨勢線方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化，如圖5所示。

圖5 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢可視化

(3)二三維聯(lián)動(dòng)功能：支持三維模型(BIM)和2D圖紙的二三維一體化聯(lián)動(dòng)。點(diǎn)擊不同模型或部件查看對應(yīng)(關(guān)聯(lián))的圖紙資料，實(shí)現(xiàn)各部門協(xié)同整合和維護(hù)項(xiàng)目相關(guān)資料，項(xiàng)目成員隨時(shí)隨地的查看項(xiàng)目資料，如圖6所示。

圖6 二三維聯(lián)動(dòng)

(4)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)警功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)警功能采用分級管理、超出設(shè)定閾值的監(jiān)測點(diǎn)位可通過高亮顯示不同顏色來提示預(yù)警信息。管理員有權(quán)限設(shè)置相應(yīng)等級的安全閾值，如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有大壩安全管理監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示不夠充分，大壩可視化不全面，監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢效率較低等問題，本文設(shè)計(jì)了大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)平臺，通過采用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩模型并進(jìn)行三維可視化；對大壩傳感器采集的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的參數(shù)值進(jìn)行處理分析，從而確定監(jiān)控指標(biāo)等信息以便進(jìn)行成因分析和輔助決策。實(shí)驗(yàn)證明，大壩三維監(jiān)測報(bào)警信息系統(tǒng)提高了大壩安全監(jiān)測的管理效率。

圖7 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)警