摘要：為滿足旭龍水電站智慧工程建設(shè)需求，進(jìn)一步提升旭龍水電站安全監(jiān)測業(yè)務(wù)管理水平和效率，基于旭龍水電站工程安全監(jiān)測三維正向設(shè)計(jì)成果，利用信息化技術(shù)手段，探索基于BIM模型的工程安全監(jiān)測三維信息化集成技術(shù)與基于三維場景下的工程安全性態(tài)演變趨勢模擬、預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)一套旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)。研究成果可為旭龍水電站安全監(jiān)測智慧化管理提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測； 三維可視化系統(tǒng)； 智慧工程； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.016

文章編號：1006-0081（2024）11-0100-06

0 引 言

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)等技術(shù)的發(fā)展為水利水電工程安全監(jiān)測智能化管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，一批水利水電安全監(jiān)測和信息化領(lǐng)域?qū)W者專家在安全監(jiān)測業(yè)務(wù)可視化表達(dá)方面做了諸多研究。楊陽等［1-2］利用MATLAB可視化技術(shù)研究了大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化方法，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)化和多維時(shí)空表達(dá)，并基于已有的大壩安全監(jiān)測分析系統(tǒng)，結(jié)合可視化技術(shù)，構(gòu)建了新的三維可視化分析系統(tǒng)；鄭敏等［3］利用三維激光掃描和虛擬仿真等技術(shù)，以三峽大壩泄洪壩段為對象開發(fā)了大壩安全監(jiān)測可視化系統(tǒng)。

隨著BIM技術(shù)和三維可視化技術(shù)的發(fā)展，安全監(jiān)測信息可視化表達(dá)研究工作得到了進(jìn)一步的發(fā)展，為安全監(jiān)測智能化提供了更有力的技術(shù)保障。馬瑞等［4］從大壩安全信息三維可視化角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了大壩安全管理平臺；周志浩等［5］利用成熟的可視化軟件，開展了基于BIM技術(shù)的變形監(jiān)測可視化研究工作；徐瑞等［6］基于數(shù)字孿生技術(shù)的概念，結(jié)合GIS可視化技術(shù)手段，構(gòu)建了一套三維可視化水利安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在該系統(tǒng)上安全監(jiān)測信息展示和分析；李勇鵬［7］應(yīng)用虛擬顯示技術(shù)和交互式仿真技術(shù)，建立了水電工程安全監(jiān)測信息三維可視化展示平臺；雷蘇琪等［8］采用了貼近攝影測量方法對萬安大壩進(jìn)行了三維建模，建設(shè)了萬安大壩可視化平臺，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測資料的展示和管理；安覓等［9］采用了無人機(jī)傾斜攝影對水庫大壩進(jìn)行了三維建模，構(gòu)建了三維實(shí)景，并融合GNSS數(shù)據(jù)，搭建了水庫大壩三維可視化安全監(jiān)測平臺。

旭龍水電站為“西電東送”骨干電源點(diǎn)之一，同時(shí)也是目前中國在建裝機(jī)容量最大的水電站，旭龍水電站建設(shè)方對智慧工程建設(shè)提出了更高的要求，安全監(jiān)測作為工程建設(shè)過程中非常重要的安全保障手段，安全監(jiān)測智能化必不可少，三維可視化作為實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測智能化的重要技術(shù)路徑，可為旭龍水電站安全監(jiān)測智能化提供更大的發(fā)展空間，豐富旭龍水電站安全監(jiān)測業(yè)務(wù)的展示效果，為安全監(jiān)測業(yè)務(wù)管理提供更加直觀有效的技術(shù)支撐。本文在旭龍水電站安全監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)上［10］，開展了旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 系統(tǒng)技術(shù)路線

本文結(jié)合水利高質(zhì)量發(fā)展和數(shù)字孿生水利等行業(yè)發(fā)展趨勢，立足安全監(jiān)測具體業(yè)務(wù)，分析現(xiàn)有監(jiān)測成果表達(dá)不充分和監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用困難等問題，以工程安全監(jiān)測BIM模型信息化集成和GIS+BIM的三維空間場景下安全監(jiān)測智慧應(yīng)用為核心，研發(fā)了旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化技術(shù)，并在大數(shù)據(jù)智慧感知體系下，采用微服務(wù)和前后端分離開發(fā)模式，以WebGL驅(qū)動的3D GIS引擎作為主要開發(fā)技術(shù)，并以Spring Boot、Spring Cloud Alibaba為主要集成框架，集成開發(fā)一套旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)，在旭龍水電站工程建設(shè)現(xiàn)場部署應(yīng)用。整體系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 工程安全監(jiān)測BIM模型信息化集成技術(shù)

在水利工程建設(shè)管理領(lǐng)域，GIS+BIM應(yīng)用體系正在快速發(fā)展，但受限于BIM數(shù)據(jù)格式兼容性問題和批量模型渲染性能瓶頸，工程安全監(jiān)測BIM數(shù)據(jù)在B/S信息系統(tǒng)應(yīng)用中不能滿足便捷性、準(zhǔn)確性和高效性需求。為此，基于達(dá)索3D Experience平臺建立的BIM設(shè)計(jì)成果，探索了分別針對旭龍水電站工程建筑物和安全監(jiān)測儀器BIM數(shù)據(jù)特點(diǎn)的格式化轉(zhuǎn)換方法，將原始BIM模型轉(zhuǎn)換為3DTiles+JSON

多信息源數(shù)據(jù)，進(jìn)一步存儲為切片文件和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表，采用3DGIS引擎加載渲染和調(diào)度交互，解決了3DGIS+BIM集成不兼容與信息丟失的關(guān)鍵難題，有效挖掘了工程安全監(jiān)測三維設(shè)計(jì)成果信息化應(yīng)用潛力。具體技術(shù)路線見圖2。

為適應(yīng)旭龍水電站工程安全監(jiān)測三維可視化高性能渲染和多元化應(yīng)用需求，提出了空間視圖與工程安全監(jiān)測部位視角多元配合的分層分部渲染方法，并研發(fā)了GIS+BIM安全監(jiān)測可視化渲染技術(shù)，見圖3。在3DGIS渲染引擎支撐下，結(jié)合3DTiles和結(jié)構(gòu)化屬性數(shù)據(jù)，分析三維場景視圖層級與空間位置，動態(tài)渲染主要監(jiān)測部位儀器埋設(shè)點(diǎn)位及模型數(shù)據(jù)，突破了工程內(nèi)外觀安全監(jiān)測成果三維可視化應(yīng)用瓶頸，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)BIM模型、安全監(jiān)測BIM信息宏觀展示與監(jiān)測成果微觀動態(tài)模擬仿真的高效集成。同時(shí)，結(jié)合三維渲染引擎空間模型剖切技術(shù)，研發(fā)了一種基于BIM模型的工程斷面可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分構(gòu)件分區(qū)域透明的安全監(jiān)測斷面交互式三維空間效果，并應(yīng)用于旭龍水電站大壩斷面監(jiān)測成果分析等多場景信息化集成中。

1.3 GIS+BIM三維空間場景的工程安全監(jiān)測智慧應(yīng)用

在上述技術(shù)研究基礎(chǔ)上，本文提出“監(jiān)測設(shè)計(jì)+可視化仿真+智慧應(yīng)用”三位一體的工程安全監(jiān)測信息化與智能化技術(shù)路線，其中監(jiān)測設(shè)計(jì)、可視化仿真、智慧應(yīng)用分別為工程安全監(jiān)測三維正向設(shè)計(jì)、三維可視化仿真技術(shù)和工程安全智能預(yù)警應(yīng)用。以該路線為指導(dǎo)，融合安全監(jiān)測BIM空間信息與考證信息，實(shí)現(xiàn)了旭龍水電站安全監(jiān)測三維場景數(shù)據(jù)展示，見圖4。同時(shí)以包含常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型和智能模型的預(yù)警模型為引擎，提升工程異常點(diǎn)快速定位和預(yù)報(bào)預(yù)警能力，并基于底層多源異構(gòu)監(jiān)測信息和監(jiān)測模型驅(qū)動三維可視化場景，模擬仿真工程異常性態(tài)演變規(guī)律，為制定應(yīng)急預(yù)案提供了有效支撐。

充分應(yīng)用上述技術(shù)，構(gòu)建融合監(jiān)測成果、預(yù)警信息的旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旭龍水電站安全性態(tài)可視化表達(dá)與實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)了旭龍水電站安全監(jiān)測業(yè)務(wù)統(tǒng)一化和數(shù)字化管理，見圖5。同時(shí)在融合三維可視化技術(shù)下，安全監(jiān)測業(yè)務(wù)場景展示模式得到了進(jìn)一步豐富，且更加直觀，大大提升了工程安全監(jiān)測業(yè)務(wù)的管理效率和專業(yè)性。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)軟件采用分布式面向服務(wù)的體系架構(gòu)，統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，將各類應(yīng)用功能劃分為不同服務(wù)模塊，搭建“數(shù)據(jù)中心”模塊，將其作為數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)，“其他業(yè)務(wù)”模塊通過“數(shù)據(jù)中心”模塊實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)操作，在此基礎(chǔ)之上建立信息互動、綜合聯(lián)動、智能決策的應(yīng)用系統(tǒng)?？傮w框架如圖6所示，將系統(tǒng)共分為資源層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及展示層。

（1） 資源層。資源層為從開發(fā)階段到運(yùn)行階段全過程的基礎(chǔ)支撐資源，有硬件資源、軟件及網(wǎng)絡(luò)資源和數(shù)據(jù)資源。依據(jù)該系統(tǒng)應(yīng)用需求，硬件資源主要包含了數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器、圖形計(jì)算服務(wù)器、存儲服務(wù)器和系統(tǒng)運(yùn)行部署服務(wù)器等，主要為系統(tǒng)提供計(jì)算資源與存儲資源；軟件及網(wǎng)絡(luò)資源主要包含了數(shù)據(jù)庫支撐服務(wù)、三維GIS引擎和網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，為系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)計(jì)算與交互、空間地理信息計(jì)算提供底層服務(wù)支撐；數(shù)據(jù)資源根據(jù)旭龍水電站安全監(jiān)測具體應(yīng)用場景，劃分有人工觀測數(shù)據(jù)、自動化采集數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)、巡視檢查數(shù)據(jù)、空間地理信息數(shù)據(jù)等。

（2） 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)，方便系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，在該系統(tǒng)中依據(jù)安全監(jiān)測具體場景，劃分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要有各監(jiān)測項(xiàng)目觀測數(shù)據(jù)以及效應(yīng)量數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)和工程及監(jiān)測儀器基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要有文檔資料、BIM模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型數(shù)據(jù)、巡視檢查記錄和預(yù)警預(yù)報(bào)信息等。

（3） 服務(wù)層。該層主要設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)服務(wù)、服務(wù)治理、緩存服務(wù)、日志分析、異步通信、鏈路跟蹤和系統(tǒng)各應(yīng)用通用服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)提供上層功能應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫的交互可能，統(tǒng)一完成應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層通信，為各具體安全監(jiān)測業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)操作服務(wù)；服務(wù)治理主要負(fù)責(zé)所有微服務(wù)的注冊、配置與發(fā)現(xiàn)；緩存服務(wù)用于緩存系統(tǒng)授權(quán)等信息；日志分析用于系統(tǒng)日志存儲管理與分析，提供解決業(yè)務(wù)模塊內(nèi)部問題的可能；異步通信實(shí)現(xiàn)服務(wù)之間異步通信；鏈路跟蹤主要用于服務(wù)調(diào)用鏈管理與分析；通用服務(wù)將各應(yīng)用都需要的功能模塊集中于該服務(wù)下，從而減少開發(fā)過程冗余工作，同時(shí)更好地管理系統(tǒng)各模塊功能。

（4） 應(yīng)用層。應(yīng)用層依據(jù)旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化應(yīng)用場景，涵蓋了監(jiān)測一張圖、樞紐結(jié)構(gòu)可視、監(jiān)測儀器可視、測點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢、測點(diǎn)位置管理、測點(diǎn)測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監(jiān)測預(yù)警模擬和系統(tǒng)管理等應(yīng)用。

（5） 展示層。該層主要供用戶在三維場景下，更加直觀地展示旭龍水電站安全監(jiān)測成果和工程安全監(jiān)測狀態(tài)，提升監(jiān)測工作效率，為旭龍水電站安全監(jiān)測管理工作提供更好的技術(shù)支撐。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有工程可視化、監(jiān)測成果可視化和預(yù)警可視化三大主要功能模塊，包含監(jiān)測一張圖、樞紐結(jié)構(gòu)可視、監(jiān)測儀器可視、測點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢、測點(diǎn)位置管理、測點(diǎn)測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監(jiān)測預(yù)警模擬和系統(tǒng)管理等功能。

工程可視化功能模塊包含有監(jiān)測一張圖、樞紐結(jié)構(gòu)可視、監(jiān)測儀器可視3個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)工程三維展示，完成工程重點(diǎn)區(qū)域傾斜攝影三維模型、主要建筑物三維模型、監(jiān)測儀器三維模型的融合展示。以BIM模型為主體，將GIS地理空間信息交互應(yīng)用，使用工程坐標(biāo)系作為統(tǒng)一坐標(biāo)系，集成所有三維模型數(shù)據(jù)，完成工程信息三維可視化。

監(jiān)測成果可視化功能模塊包含測點(diǎn)測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬等功能，該功能模塊結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和BIM模型，實(shí)現(xiàn)了測點(diǎn)形變模擬、測線形變模擬、壩頂水平位移分布分析和壩段溫度場分布分析等三維情景下工程安全性態(tài)可視化應(yīng)用。

預(yù)警可視化功能模塊基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測成果分析數(shù)據(jù)，在三維可視化場景下，實(shí)現(xiàn)快速定位異常數(shù)據(jù)測點(diǎn)。

3 典型功能應(yīng)用

（1） 監(jiān)測一張圖實(shí)現(xiàn)旭龍水電站GIS+BIM全場景三維融合展示，主要涵蓋旭龍水電站安全監(jiān)測整體概況及主要監(jiān)測部位矢量范圍，可通過點(diǎn)擊具體部位查看該監(jiān)測部位的設(shè)計(jì)監(jiān)測范圍和相應(yīng)的監(jiān)測概況，并能夠關(guān)聯(lián)展示該部位的監(jiān)測施工實(shí)景圖（圖7）。

（2） 監(jiān)測儀器可視功能實(shí)現(xiàn)對BIM模型結(jié)構(gòu)的全信息展示，通過讀取BIM模型轉(zhuǎn)換生成的結(jié)構(gòu)化信息還原儀器模型構(gòu)件設(shè)計(jì)屬性，用戶可基于模型結(jié)構(gòu)樹快速跳轉(zhuǎn)查看監(jiān)測儀器位置，也可實(shí)現(xiàn)對BIM的基本屬性管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器三維模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)交互（圖8）。

（3） 測點(diǎn)測線模擬功能實(shí)現(xiàn)同斷面或相鄰監(jiān)測斷面下測點(diǎn)監(jiān)測效應(yīng)量變化趨勢，可更直觀分析監(jiān)測部位相應(yīng)性態(tài)的演變趨勢（圖9）。

（4） 斷面分析模擬功能在斷面剖切基礎(chǔ)上，通過對斷面輪廓提取和測點(diǎn)定位渲染，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測點(diǎn)效應(yīng)量數(shù)據(jù)云圖展示，如大壩壩段的溫度場和應(yīng)力場分布分析（圖10）。

（5） 監(jiān)測預(yù)警模擬功能通過讀取發(fā)生數(shù)據(jù)異常的測點(diǎn)，以動態(tài)標(biāo)記展示測點(diǎn)狀態(tài)，發(fā)出實(shí)時(shí)告警特效。結(jié)合圖表與三維場景展示工程安全監(jiān)測站點(diǎn)的分布情況，根據(jù)最新監(jiān)測與評價(jià)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)置好的預(yù)警指標(biāo)、級別、閾值等信息，進(jìn)行工程安全預(yù)警信息的展示，通過顏色、閃爍等方式進(jìn)行預(yù)警發(fā)布（圖11）。

4 結(jié) 語

本文提出了旭龍水電站安全監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)方案，功能主要包含監(jiān)測一張圖、樞紐結(jié)構(gòu)可視、監(jiān)測儀器可視、測點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢、測點(diǎn)位置管理、測點(diǎn)測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監(jiān)測預(yù)警模擬和系統(tǒng)管理等，實(shí)現(xiàn)了基于3DE的BIM模型與GIS融合的旭龍水電站安全監(jiān)測一張圖三維可視化，并在三維場景下，結(jié)合監(jiān)測業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測成果可視化和預(yù)警可視化等功能，大大提升了安全監(jiān)測信息可視化程度，為旭龍水電站工程安全監(jiān)測智慧化提供了業(yè)務(wù)支撐。

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（編輯：李 晗）

Design and application of three-dimensional visualization system for safety monitoring of Xulong Hydropower Station

WU Shuangli1，JI Chuanbo2，3，LIU Guangbiao2，3，LI Shaolin2，3，SHEN Mingyi2，3

（1.CHN Energy Jinshajiang Xulong Hydropower Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 3.China Research Center on National Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to meet the needs of the smart engineering construction of Xulong Hydropower Station and further improve the level and efficiency of safety monitoring business management，based on the three-dimensional forward design results of Xulong Hydropower Station engineering safety monitoring，and using information technology means，we explored the integration technology of three-dimensional information technology for engineering safety monitoring based on BIM models and the simulation and early warning technology of engineering safety performance evolution trends based on three-dimensional scenes.We also designed and developed a three-dimensional visualization system for Xulong Hydropower Station safety monitoring，providing important support for the intelligent management of Xulong Hydropower Station safety monitoring.

Key words：

safety monitoring； three-dimensional visualization system； smart engineering； Xulong Hydropower Station