基于BIM的港珠澳大桥三维监控系统设计与实现

上海宝信软件股份有限公司 李周雨

基于BIM的港珠澳大桥三维监控系统设计与实现

上海宝信软件股份有限公司 李周雨

为了直观、真实、实时的了解到港珠澳大桥机电设备运行状态以及交通状况，建立一套三维监控系统非常必要，本文将BIM技术应用到岛桥隧监控领域，并与传统的二维监控技术进行了深度融合，实现了三维场景中的设备实时状态监视、设备控制、设备动作仿真模拟。为操作人员提供了逼真的在现场景，帮助其更加直观获知到现场设备的状态，提升了监控效率。

BIM；港珠澳大桥；二维监控；三维监控

1.引言

港珠澳大桥是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。主体工程长约29.6km，采用岛桥隧组合方案，其中,隧道段约6.7km，桥梁段约22.9km。

由于隧道存在空间狭长、密封性强、设备设施多、限速限高、安全要求高等特点，一旦发生交通事故、火灾，隧道内环境将发生急剧恶化，将直接影响到人员的健康安全，因此建立一套实时综合监控系统，用于提升桥梁隧道的管理、提高行车服务诱导，显得必不可少。

而当前的隧道监控系统基本采用二维监控系统，无法直观、身临其境的了解到现场的情况，存在交互性以及表现力均欠佳，对操作人员要求较高，使用起来不灵活等问题。本方案在传统的二维监控基础上引入了BIM技术，实现了基于BIM的三维监控系统。

本文将阐述如何将现场各类设备接入系统，如何将BIM技术与传统二维监控技术融合，最终实现三维场景中对各类设备的监控。

2.系统结构设计

港珠澳大桥监控项目中，涉及的业务设备种类多、数据分类广、应用功能集成度高、系统联动复杂。因此设计一个合理的系统结构显得尤为重要。

2.1 功能结构设计

本方案采用三层结构设计，依次为数据处理层、应用服务层、以及应用表示层，如图1所示。

图1 功能结构设计图

数据处理层为数据预处理层提供数据服务，包括数据处理服务与驱动服务。数据处理服务根据系统中所做的配置，进行数据的存储、分发、计算、以及报警的预处理，较高频率采集的过程数据存入实时数据库中，预处理层中处理完的数据和报警可直接存入历史数据库中。驱动服务以实现与设备层的通信，接受设备层发送来的运行监视参数。

应用服务层：负责在该层完成与数据处理相关层以及服务相关的处理，为应用表示层提供与监控业务相关的服务，实现数据的重新组织与管理，并且通过该层的设置，实现客户应用层的隔离，使得整个系统呈现松耦合的结构。包括数据转储服务、趋势报表服务、统一授权服务、系统联动服务、多媒体监控服务、故障与报警服务、系统日志服务、提供实时数据和历史数据的存储和查询服务，以及基于BIM的应用服务。

应用表示层包括两个层面的应用，一是二维监控开发，实现传统综合监控系统的开发。二是三维监控开发，实现基于BIM模型的监控应用的开发、配置，并运行于三维运行平台之上，实现三维画面的显示。

2.2 数据流设计

图2 数据流设计图

设备实时运行参数信息，通过数据采集模块、数据处理、计算、转发存储模块，形成过程数据，供二维、三维实时监视使用，同时将过程数据存入数据库。

BIM模型驱动引擎模块，实现BIM模型的读取、识别、显示、查询、操作、控制，读取应用服务模块的实时运行数据并叠加展示，接受客户在界面上进行操作的指令，发送给应用服务模块，实现设备操控。

3.系统实现

3.1 各子系统设备接入

各子系统设备接入采用设备数据表接口进行数据和控制的交互。设备数据表是一块共享内存区，并包含基于共享内存的队列。将所有类型设备的输入输出的参数和接口，均在驱动和配置服务中统一为数据块的方式进行维护，数据块大致归类为数值形式和字符串，对应到客户端则称之为Tag点方式，并对Tag点进行了标准化的属性设置。通过这种方式，将所有的设备的输入输出，均统一称为了节点类型。所有的处理逻辑，都放到程序内部的函数进行处理，最终结果或控制指令，都会拆分放入对应的TagID对应的TagValue数值内。

通过统一的设备接入开发框架和统一的接口能够提高代码复用率，便于上层的调用。上层在调用时只需要往通道中写入命令，该通道就会将命令传入相对应的接口函数中调用，实现上层对终端设备的控制。

3.2 BIM模型接入

图3 BIM模型接入图

根据港珠澳大桥CAD图纸、设备编码等数据信息，采用Autodesk Revit建模软件创建模型，包括：桥梁、隧道、人工岛BIM模型及交通工程各子系统（通风、给排水、监控、照明等）BIM模型。其中桥梁、隧道、人工岛和房建部分建模深度达到LOD200，交通工程各子系统建模深度达到LOD400以上，部分设备深度达到LOD500。

通过Navisworks工具对BIM基础的Revit模型数据进行点、线、面、材质及光线等转换或替代，从而使得模型达到轻量化目的。这项技术优势在于轻量化模型保留原有BIM模型图形、文字、三维、包括时间等信息

基于Navisworks建立的轻量化模型，然后导出Fbx文件到3d max软件中，可以对模型进行编辑、贴图、烘焙、渲染，导出ive、osg数据文件供三维仿真设计开发使用。

三维仿真系统以ActiveX控件的形式嵌入到二维系统的组态画面中， ActiveX提供一些属性及方法，二维系统通过这些属性或方法将信息传递给三维。ActiveX控件还提供一些事件，三维展示需要与二维系统交互时，就触发事件。

4.系统功能

4.1 虚拟漫游

通过键盘鼠标操作可在三维画面中进行虚拟漫游操作，按下鼠标操作，实现视角的旋转、前进、后退、上、下、左、右平移。同时，可以通过键盘的键位来控制视角前、后、左、右、上、下的移动、旋转。

4.2 设备定位

系统设有目录树，并按照机电设备系统、类型、位置进行分层设置，点击该目录树中的设备，可以快速定位至三维场景相应位置的设备处。

4.3 设备监视

在三维视图中以文字标牌的形式实时显示设备的信号值，在三维视图中以红色闪烁形式展示故障设备并报警。

4.4 设备控制

点击三维视图中设备的文字标牌，调出二维控制画面，实现设备的控制操作。

图4

4.5 设备动作仿真模拟

三维视图中的设备动作可与现场设备同步，如风机可实现正转、反转，转动方向同步现场；信号灯显示当前绿色通行和红色封闭的状态；情报板显示当前情报板显示的文字和动态效果（走马灯等）；照明灯具显示当前开关的状态。

5.结论

通过将BIM技术引入到岛桥隧的综合监控领域，具有一定的创新性。本文结合港珠澳大桥项目的应用实例，通过与二维监控技术的融合，提升了传统监控系统的高度，充分发挥了三维场景的直观性，整个三维监控真实感较强，信息丰富完整。使决策者可以快速直观的实现机电设备监控的三维动态管理。

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