三维可视化大坝安全监控系统研发及应用

朱亭 张贵金 刘琦 周小录 刘茗溪 李毅

摘要：先进可靠的三维可视化大坝安全监控系统能准确检查大坝结构，展示仪器埋设位置，提高实时监测信息及大坝安全管理的效率。通过对大坝监测数据的深入分析，并依据规范拟定应力、渗流量等监控指标对三维数值模型进行正反分析，可确定大坝变形预警值。以湖南托口水电站为例，采用BIM技术构建了大坝实体、地形场景以及监测信息的三维可视化模型，并开发出集成了三维可视化模型展示、数据查询、数据展示及安全预警四大模块的大坝安全监控系统。该系统能全方位展示大坝结构、监测数据分析结果、监控指标等信息，并直观展示实时信息，实现了大坝安全监控预警，提高了大坝安全管理效率。相关经验可供类似水利水电工程的安全监控系统开发借鉴。

关 键 词：BIM技术; 安全预警; 大坝安全监控系统; 三维可视化

近年来部分水利工程由于大坝结构、监测仪器埋设位置复杂，以及监测信息直观性和实时性较差，大坝安全管理效率较低。因此，实现坝体及水工建筑、监测仪器及监测信息的三维可视化，提高大坝安全管理效率及实现其预警功能，已成为大坝管理的发展趋势[1]。目前，在可视化的基础上对大坝安全监控系统的相关研究成果已有不少：金有杰等提出通过数据集成管理，实现监测信息三维可视化，提高了监测信息的直观性[2];杨阳等开发了基于监测信息的大坝安全监控系统[3];马瑞等提出了基于三维可视化和物联网技术的水库大坝安全管理，可提升智能状态下的水库大坝设备安全管理效率[4];柴启蕾等设计了基于Qt和OpenGL的大坝安全监测可视化系统，可提升大坝三维模型内外部交互的直观性[5];He B等对将三维GIS技术应用在小浪底水电站安全监测方面展开了研究[6];傅蜀燕等开发了三维BIM +WebGIS 可视化区域数字水库安全管理系统平台[7];赵志勇等基于BIM技术+GIS技术，开发了区域数字水库安全管理系统[8]。然而，关于利用BIM技术构建大坝、地形场景、监测仪器三维可视化模型，并且集成安全监控预警的系统研究鲜有报道。

为了精确反映大坝结构、监测仪器布置的三维可视化，提高监测信息的实时程度和大坝安全管理的效率，笔者团队基于BIM技术构建了大坝可视化实体，并在其中嵌入监测信息，开发出集成三维可视化模型展示、数据查询、数据展示及安全预警等模块的大坝安全监控系统，以提高大坝安全管理效率。

1 系统框架设计

BIM三维模型信息量大，可优化传统大坝安全监控管理模式，提升可视化效果。因此，可利用BIM平台的优点构建BIM模型，实现坝体、监测仪器三维可视化，实现大坝安全自动预警功能。本文开发的三维可视化大坝安全监控系统由用户层、应用层、支撑层、数据层、基础环境层构成，系统框架设计如图1所示。

系统基于大坝场景、实体建模数据，采用有限元数值模拟对坝体位移计算参数进行反演，确定大坝安全预警值;利用BIM技术构建大坝地形场景、实体、监测仪器三维模型;通过集成监测数据与三维可视化模型，完成系统的开发研究。

该系统主要由4个基本功能模块构成：① 三维可视化展示模块。该模块主要是对大坝地形场景、大坝实体场景以及监测仪器信息三维可视化模型进行展示。② 数据查询模块。该模块主要包括大坝及库区地形地貌信息、大坝及水工建筑结构信息、监测仪器信息以及监测数据的查询。③ 数据展示模块。该模块主要是对各类信息、数据以文档格式或图表格式进行展示，提高其可视化程度及准确性。④ 安全监控预警模块。该模块主要是设定预警指标，对有状况的监测部位进行自动预警。

第7期   朱 亭，等：三维可视化大坝安全监控系统研发及应用    人 民 长 江2019年 2 系统构建

2.1 基础数据

2.1.1 大坝地形场景数据

（1） 数字高程数据。可从现有地形图上直接获取或者现场实测得到，利用数字高程数据可得到粗略的大坝地形场景三维模型。

（2） 图片影像数据。图片影像数据是通过摄像得到的大坝地形场景实际图片影像并基于图片影像数据，对初步建立的大坝地形场景进行对比、校正、调色，进一步提高大坝地形场景三维模型的还原度。

2.1.2 大坝实体建模数据

三维大坝实体建模的主要依據是大坝设计图纸，在缺少图纸或图纸无法详细表达的情况下，基于点云数据来获取大坝及大坝周边详细地理环境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精确度。

2.1.3 安全监测数据

大坝安全监测主要分为渗流、内部、环境量以及变形监测。监测仪器主要包括位移计、渗压计、应力计等。监测数据分为：① 不具有方向性的标量信息;② 包括上下游、左右岸以及坝体垂直方向的矢量信息。

2.1.4 监控分析数据

监控指标主要包括变形、应力、渗流量等，其中可以依据水工建筑物手册确定大坝安全系数，拟定应力预警值;再结合典型大坝渗流分析结果拟定渗流量的监控预警值。

通过收集各水工建筑物的设计、施工资料以及坝区岸坡、地质地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元软件构建大坝三维数值模型。

首先，对监测资料进行全面深入分析;再基于大坝、坝基以及坝坡的三维数值模型，计算其变形特性，并与监测结果进行对比分析，确定出坝体合理的变形力学参数，将研究成果与监测数据进行对比分析，确定坝体不同部位的变形预警指标。

2.2 模型构建

（1） 大坝地形场景。库区地形建模主要包括库区水域、边坡、道路、坝基等，将大坝地形图导入到Civil3D中，形成原始地形表面，结合大坝实际的图片影像进行对比修改，适当处理等高线的数据误差后，构建还原程度高、真实感强的大坝地形场景三维模型。

（2） 实体三维建模。利用Revit软件构建大坝实体三维模型，即基于大坝设计图纸，利用Revit平台建立大坝实体三维BIM模型;再将处理过的点云数据引入模型当中，填补缺失，更加精准地搭建大坝实体三维模型，实现对大坝模型精细化展示，直观、真实地展示大坝位置、构成、附属设备。对大坝地形场景与实体进行建模之后，还需要将它们进行对接整合，以构建整个水库大坝的三维可视化模型。一般利用同一原点的方法，首先将地形三维模型导入大坝实体三维BIM模型项目当中，再三维视图中统一两个模型的原点，并且通过移动、复制、镜像等操作构建整个大坝三维可视化模型[8-10]。

（3） 监测仪器信息三维可视化。监测仪器信息三维可视化可以监测测点埋设位置并展示监测信息。由于监测仪器类别多，监测数据较繁杂，以CAD设计图纸为例，其坐标信息和实际三维坐标信息往往有所偏差，因此需要测量出准确的三维空间坐标信息。一般选取在坝顶面上，坝轴线与坝段中心线的交点为空间直角坐标系原点，分别以右坝、上游、坝顶高程以上设定为x、y、z轴，建立直角坐标系。依据此坐标系在CAD图纸上的空间关系对监测点进行测量，按照正确的图纸比例对获取的所有坐标信息进行换算，获得与实际埋设位置对应的三维坐标信息。在Revit软件中，对不同类型的监测仪器构建一个对应的族库，按监测仪器类别对相应的族进行分类编号。根据实际工程监测仪器相同的参数信息对每个三维可视化BIM监测仪器模型进行调整修改，以便能更直观准确地展示监测仪器的相关信息，以监测点的三维空间坐标信息为数据基础，将监测仪器的族放置到大坝实体三维模型当中，能够三维可视化展示大坝监测仪器信息[11-12]。

2.3 系统实现

系统采用B/S架构，在Web中进行浏览、分享以及协作，利用云+端技术实现三维可视化模型的解析、格式转换、轻量化等预处理操作。由于系统良好的可扩展性，可良好扩展支持第三方特性访问，将可视化三维BIM模型以及其他数据添加至系统当中。

数据库采用SQL Server 2008 关系型数据库，总共包括5种数据类型：三维BIM模型、测点信息、监测数据、数值模拟结果、预警值。每种数据的录入与存储都有其规定的格式，以确保数据的唯一性、关联性、有效性，提高数据储存空间以及显示效率[13]。各类数据存储方式及内容如表1所示。

三维可视化系统能够利用已有的监测数据库，将各水坝传感设备数据链接映射至新的可视化平台，并对数据进行模型挂接。

2.4 系统集成

（1） 测点信息集成。安全监测系统维护并管理各项传感仪器和观测设施的埋设信息，包括测点编号、监测类型、传感器类型、埋设位置等。为实现在BIM模型中测点展示和数据查询目标，该平台开放接口htp：p/WebAP/ monitoring/point list实现测点信息集成。测点信息同步成功后，根据统一的坐标定位，可在BIM模型中准确显示仪器和设施的布置情况。

（2） 监测数据集成。监测数据指安全监测系统计算出的成果测值，反映出大坝当前的真实状态。为实现监测数据查询功能，该平台开发了htp：//WebAPVmonitoringdata，以实现数据的实时同步。对于具备自动化采集条件的测点，在采集周期结束后即调用该接口，可实现监测数据的实时上传;对于暂时无法做到自动化采集的测点，进行人工观测并记录，并适时录入安全监测系统，录入完成后调用该接口实现上传。上传数据后，通过点监测点点位表，同步在三维BIM模型中展示监测点的位置，以及该监测点的相关实时监测数据信息。

3 工程案例

以湖南省托口水利枢纽工程为例，枢纽建筑物主要由东游祠主坝、王麻溪副坝、引水系统、电站厂房、通航建筑物和河湾地块防渗工程等组成。

通过收集各水工建筑物的设计、施工资料以及坝区岸坡、水文信息等，对大坝地形图进行修正，并对托口实际项目进行拍摄，利用无人机对主副坝库区进行倾斜摄影，形成大坝地形场景、实体建模数据;根据水工建筑物设计手册，确定大坝的安全系数，依据典型坝段渗流分析成果计算出大坝渗流的预警值，如表2所示。

根据水工建筑物设计手册，可确定大坝的安全系数为1.10，计算得出大坝变形和应力的预警值，如表3所示。

基于大坝地形场景数据，利用Civi13D软件构建托口地形场景模型;基于大坝典型剖面图以及上下游立视图，采用Revit构建坝段族块，不同的坝段采用对应的典型剖面进行构建，再根据实际坝段的材料分區以及属性，对坝段族进行细部材料设置;形成基本的大坝框架后，对模型进行坝顶细部构造绘制，再进行廊道绘制，最终形成整个托口三维BIM模型。在Revit中利用其自有的渲染插件Fuzor，对三维BIM模型进行渲染和漫游，如图2所示。再将监测物理量的特征过程线图、过程线图、分布图、相关图以及对应点的空间坐标信息导入系统。

3.1 三维可视化展示

利用BIM技术对大坝地形场景、大坝实体及大坝安全监测仪器进行三维可视化建模、结合大坝安全监控的三维坐标数据，基于Revit平台插件进行渲染展示;引入高清航片或卫星影像、数字高程模型还原库区的真实地形地貌;等比例虚拟仿真建筑物及附属设备设施、水工建筑物安全监测设施。转换、存储模型的过程中，确保不会破坏模型原始信息，直观、真实地展示大坝地形场景、大坝实体结构以及监测仪器的埋设位置，如图3所示。

在平台中可以实现对BIM模型的基本操作与查看，比如可按标高、专业、图元树、系统类型查看，实现模型的平移、旋转、剖切、测量标注等功能。为方便内部浏览模型，需要实现对BIM模型的整体漫游功能，根据项目需求简单地运用行走、巡视、旋转、缩放等功能，模拟实际项目的任何一个模块，实时查看大坝结构、监测仪器位置。

3.2 数据查询

3.2.1 三维可视化模型

该系统可无损集成三维BIM模型和属性信息，实现从里到外、从地上到地下的三维浏览漫游及信息展示，具体步骤如下所述。

（1） 基于键盘自由操控的模型漫游方式，可以实时直观地浏览楔型内部情况，并随时转换视角并记录当前模型问题或者模型对应的真实情况。

（2） 渲染漫游。基于Revit平台，利用其自有的渲染插件Fuzor对模型进行渲染，再通过设定查看路径，按照路径播放所录制视频，多角度展示三维可视化模型，实现预设路径的漫游。

（3） 对BIM构件进行单选、多选、隐藏与恢复、构件半透及恢复等多种操作方式，便于更直观地展示隐蔽性工程的BIM模型，并查看相关属性信息。

3.2.2 大坝监测信息

Web系统可以在BIM模型中添加链接，以此驱动系统内部运转，调动数据库中的数据查询，为三维可视化BIM模型中详细监测点提供更加直观、详细的监测数据信息。

将三维可视化BIM模型与大坝安全监测数据和水工建筑物运行资料数据进行连接，其主要功能是利用实时数据，通过三维可视化模型中的数值以及模型的变化更加形象地展现大坝结构、监测仪器埋设位置以及坝区周边地形地貌。利用BIM技术建立的三维可视化监控系统比其他三维可视化监视系统更能真实性地展现大坝及监测仪器，通过将已取得的真实数据运用到该监控系统中，获得实时数据，判断真实情况。

在工程BIM三维模型中布设位移计、渗压计、应力计等类型的仪器，通过鼠标同时点击，实时获取当前的监测数据。也可以通过双击测点对象查看数据的过程线，进行特征值提取，在三维可视化BIM模型内部直观展示所点击的监测点位置，同时可以点击相关属性，调取数据库中的相关数据，以窗口的形式实时展示在模型旁边，实现实时数据与三维可视化模型一体化，如图4所示。

3.3 数据展示

数据图形展示包括过程线分析、分布图分析、等值线分析、相关分析、特征值统计等常用方法，定性分析工程变形、渗流量、接缝、温度等观测项目。通过分析各点位收集的数据，在三维模型中呈现各状态曲线图，经数值与模型位置相关联，改变以往只能结合二维示意图和多种类表格查看的情况。

按照安全监测点统一编码值，实现监测点与监测数据量值绑定，以便将监测数据在设备对应的三维模型上可视化展示出来。根据安全数据分析与评估系统的数据成果，直观展示安全监测实时数据、历史数据、发展趋势曲线图等，如图5所示。

3.4 安全预警

通过在系统中设定各类监控指标的预警值，根据监测类别不同的要求及部位来设定相对应的预警级别。对超过预警值限定范围的监测点及变化异常的监测点，要求在模型中能高亮显示，以便能直观迅速地定位异常监测点的位置，并及时报警，如图6所示。

所有的报警点按照安全监测点统一编码值，实现监测点与监测数据量值绑定，使监测数据在设备对应的三维模型上可视化展示出来，以迅速直观地查看不同报警级别的点位位置，快速选取重点观测参数，模型会进行对应的高亮显示。在不同的应用时期，可以随时更换对应的安全监控预警值，实现准确、实时性高的大坝预警功能。对发生异常的监测点部位进行报警的同时，对大坝监测资料以及实时收集的此监测点监测数据进行综合性分析，形成报警点综合性分析报表，同时历史报警记录可以设定时间段导出。

4 结 语

本文以湖南省托口水電站为工程背景，基于BIM技术，从系统框架设计、系统构建等方面详细阐述了三维可视化大坝安全监控系统的研发及应用情况。该系统将大坝监控的实时监测数据与大坝实体、地形场景以及大坝监测信息三维可视化模型相结合，更加全面直观地展示了大坝结构及安全监测信息，有利于大坝的安全管理。

参考文献：

[1] 王士军，董福昌，崔信民，等.水库大坝安全信息三维可视化系统开发[J].水电自动化与大坝监测，2008（2）：50-51，84.

[2] 金有杰，王海妹，雷雨，等.大坝安全实测信息三维可视化方法研究与应用[J].水利信息化，2017（1）：10-15.

[3] 杨阳，许后磊，方春晖，等.基于监测信息的坝体三维可视化及系统集成[J].水电能源科学，2011，29（1）：122-124.

[4] 马瑞.基于三维可视化和物联网技术的水库大坝安全管理研究[A].中国水利学会2016学术年会论文集（上册）[C]∥中国水利学会，北京，2016.

[5] 柴启蕾. 基于可视化技术的水坝安全监测系统设计[D].长沙：湖南大学，2017.

[6] He B，Yang Z，Man H，et al.The application of 3D GIS technology in Xiaolangdi hydraulic project safety monitoring[C]∥International conference on model transformation，New York，2011.

[7] 傅蜀燕，赵志勇，杨硕文，等.基于三维BIM+WebGIS技术的区域数字水库构建[J].长江科学院院报，2018，35（4）：134-136，142.

[8] 赵志勇，杨硕文. HydroBIM-区域数字水库安全管理系统[C]∥第二届全国岩土工程BIM技术研讨会论文集.北京，2017.

[9] 陈立楠，安阳，张娟.应用Civil 3D创建三维数字化地形[J].市政技术，2015，33（4）：145-147.

[10] 孙少楠，张慧君.BIM技术在水利工程中的应用研究[J].工程管理学报，2016，30（2）：103-108.

[11] 姜刚，杨志强，黄嫚.小浪底水利枢纽工程三维可视化系统的设计与实现[J].水力发电，2011，37（9）：89-91.

[12] 沈振中，陈允平，王成，等.大坝安全实时监控和预警系统的研制和开发[J].水利水电科技进展，2010，30（3）：68-72.

[13] 陆珺. BIM技术结合WEB系统在基坑监测中的应用[D].武汉：武汉科技大学，2016.

（编辑：胡旭东）