基于物联网与WebGL技术的移位远程智能监控平台

余芳强

1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建与持续利用工程技术研究中心 上海 201103

1 工程概况

上海玉佛禅寺大雄宝殿平移顶升项目意义重大、影响范围广，安全保障是施工管理第一要务。为此，总承包单位联合专业建筑物移位公司，攻克了面向网络化应用的BIM模型轻量化、监测数据驱动的施工过程模拟等难点问题，基于WebGL和物联网等技术自主开发了建筑移位远程智能监控平台。

WebGL（Web Graphics Library）是一种支持开发人员在浏览器中进行三维绘图的开放协议，被Mozilla Firefox、Apple Safari等主流的浏览器支持[1]。Autodesk Forge是由Autodesk公司在WebGL基础上开发的一组强大的Web服务API，可用于在网页端渲染Autodesk Revit、3DS Max等软件创建的BIM模型[2]。物联网技术是应用智能传感器、无线通信等信息技术，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种智能监测技术，其核心是智能传感器和低功耗无线传输技术[3]。

移位远程智能监控平台集成了BIM、平移顶升位移信息以及第三方安全监测等信息，可在互联网平台上应用三维可视化模型直观地展示施工工况以及安全信息，方便各级管理人员通过网页、手机端微信等方式监管施工过程，达到了保障平移顶升安全、有序进行的目的。

2 平台系统架构设计

调研表明，移位远程智能监控平台的功能需求包括以下6个方面：支持用户通过网页浏览器或手机端微信查看玉佛寺大雄宝殿BIM模型，提供高真实感的体验；将现场监控数据实时上传云端服务器，并与BIM模型融合和集成存储；基于实时监测数据驱动BIM模型，实现四维的施工工况模拟；根据实时监测数据进行多维度数据分析与智能预警；支持回溯和查看历史工况和监测数据；所有监测数据可以在网页端或微信端查看。

结合平台功能需求和现场实际情况，本研究设计了移位远程智能监控平台的系统架构（图1），包括基于物联网的现场数据采集端和后台管理端两部分。

1）现场信息采集端主要负责采集实时数据和通过无线通信网络将数据上传到云端数据库，包括平移顶升位移传感器、油缸压力传感器、第三方变形传感器以及4G通信模块等硬件模块。采集设备具有持续工作、远程实时传输、稳定性高、低功耗等特点。

2）平台后台管理端主要实现BIM与监测数据的集成、动态分析与模拟，施工管理等功能，包括模型数据库、监测数据库、WebGL服务器、应用服务器以及微信端、网页端等客户端模块。

3 平台关键技术研究

本课题首先解决了基于物联网的施工过程数据实时采集、面向网络化应用的BIM模型轻量化、基于WebGL的高真实感模型渲染以及监测数据驱动的4D模拟等难点问题。

图1 建筑移位智能监控平台系统架构

3.1 基于物联网的施工过程数据实时采集技术

为掌握平移顶升过程中大雄宝殿主体木结构的实时变形情况以及佛像等文物的倾斜情况，本项目采用最先进的智能传感器对主要结构和文物进行实时监测，传感器布置如下：

1）在平移顶升设备上布置行程传感器，监测平移顶升实际位移。

2）在托换承台上布置激光测距传感器，测量建筑平移、顶升的完成距离。

3）在平移、顶升千斤顶油泵部位布置压力传感器，监测千斤顶实时压力。

4）在托换梁上布置加速度传感器，监测建筑平移、顶升的实时速度。

5）在佛像佛台、部分木结构柱处布置倾斜传感器，监测相应构件的倾斜程度。

6）在佛像和支撑部件之间布置激光测距仪器，测量佛像倾斜距离。

多组传感器在云端进行数据集成，最重要的是数据格式、传输延迟、精度和频率等方面的协调统一[4]。因此，在实际使用传感器数据前需要将数据进行一定的优化。优化的内容包括：数据转换、插值计算、降噪滤波、统一频率、编程自动化。采用的数据格式包括绝对时间、实际检测值、数据通道ID等基础数据。

3.2 面向网络化应用的BIM模型轻量化技术

为快速建立玉佛寺大雄宝殿及内部佛像的精确三维模型，本研究采用三维激光扫描技术、倾斜摄影技术、BIM建模等多种方式建立三维模型。由于古建筑外形奇特，装饰物复杂，佛像精致，建立的三维模型体量大、构件多，面向网络化的应用存在传输量大、渲染时间长、体验差等问题，需要进行简化处理[5]。

本研究综合应用点云降噪、逆向建模、构件合并和复杂构件减面等方法处理碎片化点云模型，减少构件个数和面数。在此基础上，本研究还研发了使用组合物理贴图替代复杂曲面模型的技术，在保证模型视觉效果的同时减少了模型细节，从而减轻模型体量，可实现在个人电脑和移动端的网络平台中顺畅浏览三维模型的目标，满足施工管理需求。

3.3 基于WebGL的高真实感模型渲染技术

建筑移位智能监控平台采用Autodesk Forge进行BIM模型渲染，并基于WebGL自主研发了基于纹理贴图的高真实感模型渲染技术。为确保数据驱动模型更新、变化等功能的实现，在建模阶段需要赋予每个独立构件一个唯一的识别编码（ID编码），用以快速定位、查询相应构件。采用ID编码匹配模型中的构件与BIM数据库中相应的数据，支持模型与数据的交互。

3.4 监测数据驱动的四维施工模拟技术

在实时进度显示模式下，打开网页时向服务器请求最新平移位移值或顶升高度值，对大雄宝殿模型进行平移变换，平移的向量值即为实时获取的平移位移值或顶升高度值。每2 min自动刷新一次进度情况，修正相应模型位置。

在历史进度显示模式下，用户可手动滑动进度条，查看任意时刻的进度。在此模式下，客户端会从服务端数据库下载进度距离和时间的关系表，根据用户所点选的进度显示当时的进度情况，并根据所选时间显示监测数据。

4 平台功能简介

在以上关键技术研究的基础上，本研究采用Python语言开发后台服务端，采用HTML5和JavaScript撰写前端网页，采用阿里云服务器部署系统，采用阿里云上分布式MySQL数据库进行数据存储，完成了基于物联网和WebGL技术的移位远程智能监控平台，具体功能如下。

4.1 高真实感BIM模型查看

用户通过浏览器、微信等客户端可查看带纹理贴图和光照等具有真实感效果的三维模型，体验实际施工场景，支持通过视角变换、漫游等方式从不同角度查看大雄宝殿（图2），用户可以查看外部结构或内部佛像的测点位置和数据，更直观地了解工程情况。

图2 不同视角查看高真实感BIM模型

4.2 实时监测数据查看

可通过网页端或微信端选择查看各个测点的当前数据，通过曲线图展现数据变化趋势。通过绝对时间的同步，方便查看同一施工状态下，进度、油缸压力、各测点数据，方便综合分析施工现场的安全状况（图3）。

图3 平移位移进度与顶推油缸压力变化趋势

4.3 4D施工进度模拟

根据实时获取的施工进度信息，驱动模型坐标变换，展示四维的施工进度情况，与项目现场平移、顶升进度保持一致。用户可在平台随意选择某个历史时间点，结合模型查询历史数据和施工进度（图4）。利用存储在云端数据库的工程进度、监测数据，为事中监控和事后分析提供数据支撑。

图4 4D施工进度展现

4.4 综合分析与预警

平台会自动根据各个监测点的实测值与预先设置的预警值进行对比分析，实测值超出正常范围时将生成报警消息，根据预警等级推送给相关负责人。平台则在BIM模型中测点所处位置通过闪烁等方式进行预警。在测点数据查看页面，通过绿色、黄色和红色标出各测点的不同等级预警范围（图5），清晰展示预警情况。另外，当数据接收失败或数据出现异常情况时，平台会向系统管理员报警，提醒其进行系统检查。譬如当平移进度出现回退，或油缸压力出现负值时，会自动提醒管理员。

根据活动的监测数据，可进行有效工作时间分析、工效分析、油缸压力变化分析、平移加速度与变形关系分析等离线分析工作。其中，有效工作时间可根据油缸压力为正值的时间或者平移或顶升速度不为零的时间统计得出，根据有效工作时间和总工作时间对比可分析工作效率。将平移加速度时间曲线与佛像倾斜变形时间曲线重叠，分析后发现随着加速度变大，佛像倾斜角度变大，但总体在控制范围内。

图5 综合分析与预警

5 工程应用验证

本研究开发的移位远程智能监控平台在玉佛寺大雄宝殿平移、顶升施工全过程中进行了应用验证，取得了较好的效果。在平移顶升施工的22 d，使用该平台进行远程监控和管理的用户人数超过5 000人次，达到了对重点工序实施监管的目的，展现了承建单位的数字化、精益化建造水平，保障了施工安全。

6 结语

本文介绍了针对上海玉佛禅寺大雄宝殿平移、顶升过程开发的远程监控平台，通过关键技术研究、平台开发和应用实践，得出以下结论：

1）基于物联网技术可以实现对平移、顶升过程的施工进度、重要设备状态以及安全监测信息的实时监控、远程传输和数据集成。

2）基于WebGL技术，通过BIM模型轻量化处理，可以在网页端、微信端等方便地查看复杂古建筑的高真实感三维模型。

3）移位远程智能监控平台可实现基于实时监测数据驱动BIM模型，展现4D施工状态以及结构和佛像变形情况，方便管理人员直观形象地了解施工状况，保障施工安全。