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(dòng)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(fā)達(dá)地區(qū)和水文水利重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了信息化和數(shù)字化。然而，分析其數(shù)字化程度，基礎(chǔ)地理信息、水閘、監(jiān)測設(shè)備等專題空間數(shù)據(jù)大多采用平面二維電子地圖?；谄矫娑S電子地圖的信息化管理系統(tǒng)，一方面水閘全景的可視化程度較低，日常管理的導(dǎo)視性較差，對(duì)流域管理的空間輔助決策不夠；另一方面水閘及其監(jiān)測設(shè)備等以點(diǎn)、線、面的幾何形態(tài)標(biāo)注，其設(shè)備安裝位置、形態(tài)、類型、工作原理等不能夠仿真展示，直接影響管理人員對(duì)水閘的智慧化管理水平。

數(shù)字孿生技術(shù)為現(xiàn)實(shí)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(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，已被列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。BIM技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)[3]。以數(shù)字孿生為理念，以BIM技術(shù)為載體，依托傳感器、RTU、PLC等設(shè)備，融合水閘的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將各種零碎、分散、割裂的信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，創(chuàng)造一個(gè)基于BIM的水閘數(shù)字孿生平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)水閘全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化，實(shí)現(xiàn)水閘物理空間與信息空間的實(shí)時(shí)交互、迭代優(yōu)化，改善水閘現(xiàn)在的管理狀態(tài)，為水閘智慧化管理、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘等創(chuàng)造條件。

1 水閘運(yùn)維管理信息分析

分析水閘日常運(yùn)行、維護(hù)、監(jiān)控、管理的業(yè)務(wù)，水閘運(yùn)維管理的對(duì)象主要包含水閘工程本身、運(yùn)維管理人員、設(shè)備、操作流程、水體等[4- 6]。根據(jù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)狀態(tài)，可將水閘運(yùn)維管理數(shù)據(jù)化分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

1.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)

靜態(tài)數(shù)據(jù)是指基本保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)隨著水閘運(yùn)行而變化，這類數(shù)據(jù)主要有：

(1)水閘工程本身，包括水閘設(shè)計(jì)時(shí)期和建設(shè)時(shí)期的圖紙、成果報(bào)告、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、閘門設(shè)計(jì)參數(shù)(包括位置、等級(jí)、高程、尺寸、設(shè)計(jì)水位等)、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)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(zé)、權(quán)限等。

(3)設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括，設(shè)備名稱、類型、功能、安裝時(shí)間、生產(chǎn)單位、所屬管理人員等。

1.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)指會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化的各類數(shù)據(jù)。在水閘管理中主要指維修養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)和由傳感器監(jiān)測得到的是動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)：

(1)水閘維修養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，主要包括閘室、上下游連接段的建筑物維修養(yǎng)護(hù)和水閘所包含的設(shè)備，如啟閉機(jī)、水位計(jì)、流速儀、閘門等的維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)。

(2)閘門啟閉數(shù)據(jù)，主要包括操作人員、開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、閘門開度、持續(xù)時(shí)間和啟閉原因等。

(3)閘門啟閉狀態(tài)

(4)閘門上下游水位、流速、流量、雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)劃分為現(xiàn)場感知層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理層、數(shù)據(jù)匯聚層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及綜合展示層，如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)圖

現(xiàn)場感知層：平臺(tái)數(shù)據(jù)庫感知層主要職責(zé)是對(duì)接現(xiàn)場的各類智能設(shè)備和傳感器信號(hào)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收程序?qū)崿F(xiàn)上載入庫和下行通信。針對(duì)連續(xù)運(yùn)行傳感器，則建立起實(shí)時(shí)通信機(jī)制，按照設(shè)定好的頻率對(duì)傳感器工況和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采樣和入庫。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理層：平臺(tái)在本層的模塊主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)更新、審核驗(yàn)證、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)安全與備份等方面的功能。

數(shù)據(jù)匯聚層：分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚兩大部分。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚主要包括多源數(shù)據(jù)的集成管理、分布式數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)同步等功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚則主要是對(duì)水閘不同專題監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、傳輸和交互管理，包括多協(xié)議兼容功能、數(shù)據(jù)同步功能和分布式處理功能等。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：支持的功能包括設(shè)備管理、模型管理、監(jiān)控管理、維護(hù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、模擬仿真、用戶與權(quán)限管理和閘門啟閉管理等，滿足水閘日常運(yùn)維、管理的需求。

綜合展示層：是指與用戶進(jìn)行交互操作的界面，水閘數(shù)字孿生平臺(tái)基于開源的WebGL技術(shù)開發(fā)B/S模式的網(wǎng)頁平臺(tái)，在平臺(tái)中可對(duì)水閘的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和瀏覽。

2.2 平臺(tái)數(shù)據(jù)管理

將來源于的不同類型的信息數(shù)據(jù)加以匯總及標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除信息孤島，之后根據(jù)數(shù)據(jù)類別(動(dòng)態(tài)、靜態(tài))導(dǎo)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫或?qū)傩詳?shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)入庫前進(jìn)行數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)字典的設(shè)計(jì)。初始數(shù)據(jù)入庫需按要求經(jīng)多次數(shù)據(jù)檢查和處理，確保入庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

對(duì)水閘工程建筑、水閘周圍環(huán)境和水閘相關(guān)的設(shè)施設(shè)備建立BIM模型，并存入模型庫。對(duì)水閘工程建筑和設(shè)備設(shè)施建模時(shí)應(yīng)細(xì)化到各個(gè)構(gòu)件，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一編碼和入庫，將BIM模型的各個(gè)構(gòu)件與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行掛接，使水閘BIM模型成為水閘運(yùn)維、管理信息的主要載體、連接紐帶和核心驅(qū)動(dòng)。

2.3 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

建設(shè)水閘數(shù)字孿生平臺(tái)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)由實(shí)到虛的鏡像再現(xiàn)和以虛控實(shí)的智能操控[3]，從而提高水閘運(yùn)維、管理工作的可視化水平和智慧化水平。平臺(tái)功能主要分為4個(gè)功能模塊。

2.3.1數(shù)據(jù)管理與查詢。

(1)水閘相關(guān)數(shù)據(jù)管理與查詢

水閘相關(guān)的數(shù)據(jù)種類眾多，有基本的屬性數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖紙報(bào)告文件數(shù)據(jù)等，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，這些數(shù)據(jù)都關(guān)聯(lián)在BIM模型上。數(shù)據(jù)管理與查詢模塊，可根據(jù)選擇的BIM模型等參數(shù)，查詢屬性數(shù)據(jù)、運(yùn)行維護(hù)記錄、設(shè)計(jì)圖紙、維護(hù)人等信息，并支持?jǐn)?shù)據(jù)更新、刪除、新增和下載。平臺(tái)會(huì)對(duì)提交的數(shù)據(jù)增、刪、改請(qǐng)求進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，確保入庫數(shù)據(jù)符合要求。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與查詢

監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有水位、流速、流量、閘門啟閉等數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的設(shè)備、輸入的時(shí)間和選擇的時(shí)段(5、10、15、30、60min等)，查詢監(jiān)測對(duì)象的過程數(shù)據(jù)。

2.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊的功能，主要是指對(duì)水閘上、下游水位流量數(shù)據(jù)，根據(jù)日、月、年進(jìn)行查詢和最值計(jì)算、同(環(huán))比分析等。

2.3.3模擬仿真

模擬仿真功能模塊，可以對(duì)水閘的所有BIM模型進(jìn)行全方位、全角度的查看。水閘數(shù)字孿生平臺(tái)模擬仿真不僅指的是水閘建筑、設(shè)備設(shè)施的模擬仿真，也包括由傳感器得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的模擬仿真。在平臺(tái)三維場景中對(duì)水位變化加以可視化表達(dá)，使水面隨著實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)升降，以充分反映水位要素隨著時(shí)間的變化過程，實(shí)現(xiàn)由實(shí)到虛的鏡像表達(dá)。平臺(tái)還提供歷史數(shù)據(jù)可視化重演的功能，根據(jù)輸入的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，通過水面升降重演水閘上、下游水位變化過程。

2.3.4遠(yuǎn)程控制閘門啟閉

管理人員在水閘數(shù)字孿生平臺(tái)中選擇閘門，并設(shè)置參數(shù)，平臺(tái)將輸入?yún)?shù)傳遞給水閘的監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送指令給PLC，從而控制閘門的啟閉，實(shí)現(xiàn)以虛控實(shí)遠(yuǎn)程控制閘門啟閉的目的[7]。結(jié)合模擬仿真模塊中水面可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的功能，實(shí)現(xiàn)了水閘運(yùn)維管理數(shù)字孿生的目標(biāo)。

2.4 平臺(tái)開發(fā)工具

平臺(tái)總體采用B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012，采用前后臺(tái)分離的方式進(jìn)行開發(fā)。后端采用Spring Boot2.1.0框架，獲取前端傳遞的數(shù)據(jù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理和接口封裝。前端采用HTML5+CSS3設(shè)計(jì)網(wǎng)頁界面，使用javascript和JQuery對(duì)用戶操作進(jìn)行預(yù)處理和響應(yīng)，并引用Three.js 3D引擎庫，Three.js是JavaScript編寫的WebGL第三方庫，可以創(chuàng)建各種三維場景，并支持在三維場景中進(jìn)行編輯、漫游查看和查詢定位等操作，利用此三維引擎實(shí)現(xiàn)水閘的三維展示和實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)的模擬仿真。

3 應(yīng)用案例

平臺(tái)以江蘇省內(nèi)一水閘為試點(diǎn)，建立了“基于BIM的水閘數(shù)字孿生平臺(tái)”。該水閘始建于20世紀(jì)60年代，水閘類型為引(進(jìn))水閘，閘孔數(shù)量為1個(gè)。經(jīng)過續(xù)建配套和自動(dòng)化改造，目前有1個(gè)閘門，1個(gè)卷揚(yáng)機(jī)、2個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭、2個(gè)水位計(jì)和1個(gè)雨量筒。對(duì)該水閘的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和標(biāo)準(zhǔn)化處理，建設(shè)水閘數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建水閘BIM模型。

平臺(tái)的整個(gè)頁面都作為BIM場景的容器，左、右兩側(cè)懸浮信息框面板，面板中顯示的內(nèi)容隨著選擇功能改變，下部懸浮BIM場景操作工具。初始進(jìn)入平臺(tái)時(shí)，左側(cè)面板顯示水閘基本信息和水閘包含的所有設(shè)備，右側(cè)面板顯示水閘的監(jiān)測設(shè)備來報(bào)率統(tǒng)計(jì)、月監(jiān)測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)、年監(jiān)測要素(水位、流量、雨量、閘門啟閉)的統(tǒng)計(jì)分析情況。點(diǎn)擊BIM模型中的監(jiān)測設(shè)備還可以查詢?cè)O(shè)備的最新來報(bào)和歷史來報(bào)等信息。如圖2所示為點(diǎn)擊水閘附近雨量筒設(shè)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(jiān)測設(shè)備基本信息與監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

圖3 水閘在不同水位下的場景展示

4 結(jié)論

基于數(shù)字孿生理念，計(jì)算機(jī)技術(shù)，BIM技術(shù)，傳感器、RTU、PLC等設(shè)備，搭建了水閘數(shù)字孿生平臺(tái)，將水閘相關(guān)數(shù)據(jù)、資料以及實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后掛接到BIM模型上，以實(shí)鏡虛，以虛控實(shí)，實(shí)現(xiàn)了水閘全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)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(tái)，為水利資源管理工作精細(xì)化、智能化發(fā)展提供助力。