基于BIM技术的三维监控系统应用研究

张平

（北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

随着科学技术的发展以及工业化进程的加快，现代工业生产的工艺流程日益复杂，生产设备和系统的规模也不断扩大，对相应的监控系统提出了更高要求。目前，大多数监控系统所能够提供的监控界面基本都是采用二维图形界面，画面表现力弱，监控过程中监控人员需要在不同窗口之间进行切换，从而大大降低监控效率。而对于不熟悉现场的监控人员，由于画面的抽象性，更是难以通过监控界面了解现场设备的布局及工艺流程[1]。

传统的二维图像界面表现形式单一、枯燥，表现内容不够形象、生动，可读性差[2]。现场设备的运行情况、各类传感器的安装位置以及测量参数都不能够直观形象地呈现给运营管理人员，极大削弱了运营管理人员对日常运营的监控力度，给运营管理人员的日常管理工作带来不便。基于竣工模型，开发相应的BIM运维管理系统，可以满足运营阶段信息化、标准化、精细化的管理目标需要[3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）以三维数字技术为基础并集成建筑工程项目各种相关信息的工程基础数据模型，是对工程项目相关信息详尽的数字化表达[4]。模型中蕴含了完整的实际信息，包括材料、材质、规格、型号、尺寸、构造及其他各种相关信息[5]。

利用BIM技术建立基于BIM的三维监控系统，利用BIM可视化、信息高度集成的特点，进行三维可视化监控和模拟，并在港珠澳大桥交通工程综合监控系统中应用，提升日常监控管理的效率和科学把控。

2 BIM特点及其在监控系统中的优势

以港珠澳大桥交通工程为例，其包含二十几个子系统，监控设备上万个，信号点超10万个，监控信息量大、日常监控管理复杂，对监控人员的要求高。传统二维监控不利于对整个交通工程进行高效的监控管理。BIM特点及其在监控系统中的优势如下：

（1）信息的全面性，BIM模型中包含了大量的信息，如制造商、产品规格型号、安装位置、设备编码等各种信息，通过对BIM技术的应用可以对上述各种信息在同一个三维模型中统一管理，方便了信息的查询和管理。

（2）模型的可视化，BIM技术可视化是能够在构件之间互动和反馈的三维虚拟实体展示，可以显著提高不同专业设计人员之间沟通与交流的能力[6]。

（3）BIM模型不仅是数字信息的集成，更重要的是对这些数字信息的应用，并可以用于规划、设计、施工、运营的数字化方法[7]。

（4）随着BIM的广泛应用，设计和施工过程的大量工作和工艺过程被量化、数字化、参数化、信息化[8]，使基于BIM的运营监控成为可能。

（5）全生命周期覆盖，BIM技术应用可以持续在建设项目从设计、施工到运营维护的整个生命周期的应用。实现了信息的全面共享和传递，避免了信息滞后与信息孤岛现象。

3 基于BIM的三维监控系统设计方案

基于BIM的三维监控系统实施方案分为软件架构设计、数据流设计以及硬件架构设计。

3.1 系统软件架构设计

系统软件整体结构功能从下至上大致分为3层，即数据处理层、应用服务层以及应用表现层。

3.1.1 数据处理层

数据处理层由现场硬件设备构成（包含与监控系统进行通信的智能主机/集控箱等硬件设备和接口以及将底层传输转换为以太网络通信物理层协议的转换设备和相关连接线）。其中，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，实时数据库中的数据经处理也可转储到历史数据库中长期保存。

3.1.2 应用服务层

在应用服务层，实现数据的存储以及三维监控BIM定制的应用服务，实现数据的重新组织与管理，并且通过该层的设置，实现客户应用表现层的隔离，使得整个系统呈现松耦合的结构，具体包括的部分主要包括：

（1）数据库包括实时数据库和历史数据库，提供实时数据和历史数据的存储和查询服务。负责实现实时数据、趋势数据的存储，以及用于持久化存储和报表展示使用的历时数据。

（2）基于通用服务框架定制开发的BIM系统应用服务。

3.1.3 应用表现层

三维监控开发和运行平台实现基于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以及相关脚本的调用执行。

三维监控系统软件架构见图1。

图1 三维监控系统软件架构

3.2 数据流设计

数据流设计（见图2）中主要模块功能如下：

（1）业务逻辑处理/应用服务模块。业务逻辑处理涉及例如初始化页面参数、按钮动作、鼠标事件、变量转换计算、图元隐藏/显示、图片切换、弹出窗口、切换画面这些操作以及页面控制逻辑功能。应用服务模块涉及的各类应用系统，对于用户展示来说，该层是不可见的。对于系统而言，是将数据点和用户操作动作实现关联，将数据信号、控制信号以系统页面操作形式表达出来的核心工具。

（2）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，存入实时、历史数据库。

（3）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，读取监控应用软件的实时运行数据并叠加展示，接受客户在三维监控界面上进行操作的指令，发送给监控应用软件，实现设备操控。例如，客户在三维监控界面对某设备进行操作，就点击该设备，这时会弹出对话框，对话框中有操作设备的指令，点击某个指令，该指令通过三维监控系统与监控应用软件间的信息交互调用，并通过业务逻辑处理/应用服务模块将指令发送给监控应用软件，就可实现对该设备的控制操作。

3.3 系统硬件架构设计

基于BIM的三维监控系统包括后台服务器2台、工作站1或多台。其中，1台服务器安装实时数据库，另1台服务器安装标准版Oracle数据库软件，用来提供数据库存储及管理服务，主要用作设备基础信息数据库服务器，将监控系统中的设备、线缆的编号、类型、位置、设备描述等基础信息存入到数据库中，并按照所属系统分别存为不同的数据库表。

设备基础信息数据库建立之后，配置Oracle Net Configurtion Assistant连接数据库，建立ODBC数据源，监控系统客户端软件调用控件实时查询设备的三维路由信息，获取路由列表，点击已经三维建模的设备，调用三维显示模块控件，系统自动跳转至三维监控界面并精确定位到此设备。

工作站可以是1台或多台，安装监控系统软件及配置工具，操作人员按照相应的操作实现三维监控。

4 基于BIM的三维监控系统功能应用

4.1 具体功能

4.1.1 虚拟漫游

建立BIM模型，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。加载成功后，就可以在三维监控界面上通过键盘鼠标操作可在虚拟环境中进行虚拟漫游操作，按下鼠标左键，通过拖动鼠标，实现视角的旋转；通过滚动鼠标中键滑轮，实现视角的前进、后退；按下鼠标中键，通过拖动鼠标，实现视角的上、下、左、右平移。可以通过键盘的“W、S、A、D、Q、E”等键位来控制视角前、后、左、右、上、下的移动；通过键盘方向键“Left、Right、Up、Down”控制视角的旋转。

4.1.2 设备定位导航

图2 数据流设计

建立BIM模型，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。加载成功后，监控二维组态页面先调用定位操作接口（public void RH_OBSERVE_CENTER_NODE（string objname）），再通过业务逻辑处理/应用服务模块实现从监控二维显示页面到监控三维展示画面的定位、跳转显示。

4.1.3 设备交互

完成BIM建模，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。加载成功后，三维监控系统通过设备交互点击事件接口（public void RH_VIEW_SELECTEDSTATE（int state））的调用，在三维监控系统中鼠标点击各个三维虚拟设备时，触发监控平台二维组态页面中的VBS脚本事件，再通过业务逻辑处理/应用服务模块将所点击的设备名称以字串参数的形式传给三维展示系统显示。

4.1.4 设备TAG点信号三维监视

完成BIM建模，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。加载成功后，监控应用软件通过系统提供的RDA接口实现设备TAG点信号的周期性主动刷新读取，并通过业务逻辑处理/应用服务模块将所读取的数据，通过浮动在三维虚拟设备旁边文字标牌的形式，进行TAG点信号实时数据的显示。

4.1.5 监控设备动作仿真模拟

监控设备动作仿真模拟功能主要实现如被监控设备的转动模拟、切换模拟或者是屏幕文字切换模拟等。首先完成BIM建模，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。加载成功后，客户在三维监控界面对某设备进行操作。

4.1.6 BIM数据集成

完成BIM建模，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块；BIM数据以Excel表格或者Access数据文件的形式进行管理配置，并保存在操作工作站上，数据来源为BIM建模源文件导出。模型和数据加载成功后，通过交互点击三维模型，可调阅该模型关联的BIM数据，如设备的编码、名称、位置等信息。数据集成具体方案如下：

（1）将轻量化后的三维模型进行重新命名，使三维模型的名称与BIM数据中的设备编码一致；

（2）三维系统中鼠标点击某设备如风机获得三维模型的编码ID；

（3）通过三维模型编码ID查找Excel表格或者Access数据文件，查询对应设备ID的BIM数据；

（4）将查询到的BIM数据通过业务逻辑处理/应用服务模块在弹出窗口画面中显示。

4.1.7 三维路由功能

三维路由功能主要用于操作人员快速进行设备定位、故障报修、操作培训等用途，包含设备路由展示功能和设备三维定位功能。

设备路由展示功能：首先完成BIM建模，再通过三维模型加载接口（public void RH_FILE_OPEN（string fileName））把BIM模型加载到BIM模型驱动引擎模块。用户在二维监控系统界面，执行从二维监控系统到三维监控跳转指令，该指令通过三维监控系统与二维监控间的信息交互调用，并通过业务逻辑处理/应用服务模块将指令发送给三维监控系统，实现从二维监控到三维监控的跳转。在三维监控系统中选中某一设备，点击“显示路由”操作指令，就可显示出该设备的控制或状态信号从现场到管控中心，所经历的各个传输链路及节点的情况，包括监控设备本体、设备控制箱、通讯网关、网络交换机、服务器、工作站及线路连接情况。

4.2 试验测试

该三维监控系统在港珠澳大桥交通工程综合监控中成功应用，以通风、照明系统和电动排烟口设备为例说明。

4.2.1 通风系统

点击射流风机，这时会弹出对话框，对话框中有操作设备的指令，可实现风机的正转、反转和停止操作（见图3）。点击某个指令，该指令通过三维监控系统与监控应用软件间的信息交互调用，并通过业务逻辑处理/应用服务模块将指令发送给监控应用软件，就可实现对该设备的控制操作。除了控制操作，在三维监控界面上可以展示更多的数据信息。

图3 通风系统设备三维监控

4.2.2 照明系统

点击大桥上的某个路灯，这时会弹出对话框，对话框中有操作设备的指令，可实现路灯的开、关和亮度调节控制（见图4）。点击某个指令，该指令通过三维监控系统与监控应用软件间的信息交互调用，并通过业务逻辑处理/应用服务模块将指令发送给监控应用软件，就可实现对该设备的控制操作。

4.2.3 电动排烟

以电动排烟口为例（见图5），图中文字框中标识了从现场终端设备到控制中心所经过的路由以及该路由上的相关设备及线缆信息。红色线缆代表该终端设备的供电路由，蓝色线缆为该设备的控制路由。

设备三维定位功能：用户在上述三维监控设备路由展示界面上，可选择任一监控对象，点击已经三维建模的设备，系统自动跳转至三维监控界面并精确定位到此设备；对于未进行三维建模的设备，系统将显示该设备的上连、下连线缆、设备位置等属性。使得用户获得对设备的位置、形态等的直观认识。

图4 照明系统设备三维监控

图5 电动排烟口三维路由

4.3 系统特点

（1）三维模型实现了与实时监控的结合。通过轻量化三维模型，系统能够通过颜色、动画等多种效果，在三维模型内直观的展示机电设备和系统的运行状态，快速定位问题，并且能够直接进行操控。

（2）实现了设备、数据流向、供电关系的多维信息整合。通过直观的 展示，将设备空间位置、数据流向、供电关系实现了全面整合，有效提升监控管理信息量，增强管控效能。

（3）可以更为高效的定位设备问题，进行问题排查分析。直观显现空间管理和设备维护检修方面所需的信息流和最近供电关系，同时能够实现相关实时数据的展示，便于快速定位和查找。

（4）有很好的开放性和扩展性。该基于BIM的三维监控实现方法是基于软件接口编程和脚本实现，为常规的方式，可以很好地进行移植。除了可以在高速公路监控中应用，还可以在铁路、地铁等其他行业监控中应用。

5 结束语

提供一种基于BIM的三维监控系统，开创了一种全新的系统监控模式， 消除了传统二维图像界面表现形式单一、枯燥的弊端，表现的内容形象、生动，具有很强的可读性。系统操作员通过触手可及的三维模型，消除了系统操作员与系统设计者之间的技术障碍，更利于双方之间的沟通理解，同时也消除了操作员对新系统、新技术的认知盲区，有助于加深理解和加快掌握新技术。

现场设备的运行情况、各类传感器的安装位置以及测量参数都可以三维形式直观形象地呈现给运营管理人员，使得系统运行状态可在三维模型中进行展示，同时也可以三维展示实时控制和故障状态，方便运营人员管理并提高管理效率。