测量技术大坝三维监测报警信息系统研究与实现*

李品钰，霍 亮,2,3，宋继哲，赵鹏辉

(1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京102616；2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 102616;3.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 102616)

1 大坝安全监测系统概况

随着社会经济和科学技术的发展、人们安全意识的提高以及观念的转变，对大坝安全监测内涵的认识也在进一步加深[1]。大坝的安全监测是为了了解大坝的性能和安全状态的有效方法。实时在线监测将成为监测大坝安全的更合适的方法，自动化监测是实时在线监测的基本保证。因此，大坝安全自动监测技术应运而生，并得到了迅速发展[1]。

针对现有大坝安全管理监测系统中的数据显示不够充分，大坝可视化不全面，监测数据查询效率较低等问题，本文设计了大坝三维监测报警信息系统平台，利用BIM技术构建大坝三维模型结合WEBGL技术实现大坝三维可视化，并将大坝安全监测数据进行可视化实现场景浏览与操作、数据查询与分析和大坝安全信息与预警。

2 大坝三维监测报警信息系统设计

为了大坝安全监测数据的管理与分析，本文基于Cesium平台框架，采用WebGL技术设计了大坝三维监测报警信息系统。通过大坝三维监测报警信息系统，对大坝传感器采集的数据以及相应的参数值进行处理分析，从而确定监控指标等信息以便进行成因分析和辅助决策。

2.1 系统设计原则

大坝三维监测报警信息系统采用人机交互的处理方式，并针对现有大坝安全管理监测系统中的数据显示不够充分，大坝可视化不全面，监测数据查询效率较低等问题，本系统主要按照以下原则设计：

(1)易操作性：系统具有良好的用户界面，操作简单，能够满足不同用户的需求；

(2)实用性：系统满足对大坝安全监测中的可视化管理和对监测数据异常值以及不安全因素的查询，辅助检测人员对大坝安全隐患的成因分析以及决策的要求；

(3)可靠性：系统设计保证系统的逻辑性、可靠性和安全性，系统设计中应有适量冗余及其它保护措施；

(4)可维护性：系统设计应标准化、规范化，按照分层设计，软件构件化实现。对于采用的软件构件化开发方式要满足：一是系统结构分层，业务与实现分离，逻辑与数据分离；二是以接口为核心，使用开放标准；三是构件语意描述要形式化；四是提炼封装构件要规范化。

2.2 总体框架结构

大坝三维监测报警信息系统包括基础层、数据层、服务层、应用层四层，系统采用B/S架构，三维可视化部分由Cesium平台实现，整个系统软件由Javascript编码实现，由网络通信技术与服务器的数据库进行数据交互。

大坝三维监测报警信息系统的总体结构如图1所示。

图1 大坝三维监测报警信息系统总体框架

3 大坝三维监测报警信息系统实现

3.1 系统功能设计

大坝三维监测报警信息系统依据布置在水利枢纽中各个部位的大量监测仪器设备所产生的数据，通过对获取的监测数据资料的整理、计算、分析来监控大坝的安全性态，保障其安全运行，并为工程设计、工程运行、科学研究提供重要的参考资料[3]。

系统由以下四个模块构成:(1)场景视图模块：对大坝模型、监测设备以及大坝周围地形进行三维可视化展示；(2)数据管理模块：对大坝安全监测中的数据以及文件进行管理；(3)数据分析模块：对安全监测数据进行分析同时进行安全预警；(4)系统维护：系统接口以及数据库等功能的配置。如图2所示。

图2 系统模块设计

3.1.1 数据管理

系统平台数据包括基础地理数据、三维模型数据、大坝安全监测数据和项目资料等数据，数据管理模块进行数据交互，应用调度从而实现数据的统一管理，包含以下五个部分。

(1)BIM模型管理：可以动态的加载相关三维BIM模型数据并实现交互可视化，支持通用BIM格式的输出。

(2)监测点位管理：建立相关的监测点三维模型库，可以实现在BIM模型上动态的添加和删除监测点位。

(3)监测数据管理：前端界面可以实现后台监测数据库中数据的增删查改等基本操作。

(4)仪器属性管理：可添加监测仪器的属性数据，主要包括：仪器名称、仪器编号、生产厂商、安装时间、埋设位置等信息。

(5)项目资料管理：实现对设计以及施工项目相关资料的管理。主要包括：项目概况、合同书、检定表、考证表、巡视表等相关资料的管理。

3.1.2 数据分析

数据分析模块主要是对安全监测数据进行分析同时进行安全预警，对实时读取的大坝安全监测信息进行查询整编，支持报警阈值的设置以及数据报表导出功能。

(1)监测信息查询：系统支持监测点位查询、监测断面查询、监测时段查询等多种方式联合查询。对不同监测点位的查询，可实现在三维模型中的快速定位功能，通过三维模型(BIM)上监测点位的拾取，可以实现对后台安全监测数据库的调度，以文本和趋势线方式实现监测数据的可视化。

(2)监测数据整编：系统可以统计出大坝所有监测仪器获取的监测数据的特征值(当前最大最小、历史最大最小值、变化率等)，同时支持统计分析特定监测仪器、特定监测时段、特定监测断面的特征值(当前最大最小、历史最大最小值、变化率等)，可以与不同时段历史监测数据的对比分析，并以趋势线和报表形式呈现。

(3)监测预警设置：监测数据的自动报警功能采用分级管理、超出设定阈值的监测点位可通过高亮显示不同颜色来提示预警信息。管理员有权限设置相应等级的安全阈值，当监测站的监测值超过某一级别的报警阀值时，自动向用户发出报警提示。

(4)监测数据输出：系统可以将监测仪器的监测数据以报表形式呈现，支持输出打印(Excel、Word形式)。可以根据时间段(年、月、周)将所有监测仪器的监测数据和过程线呈现和输出。

3.1.3 场景视图

采用BIM技术构建大坝模型并进行三维可视化,结合安全监测数据库实现集成应用。能更直观的展示大坝真实的外部与内部结构信息以及周围地形信息，同时支持快速查询浏览大坝的整体以及部件化的三维模型(BIM)和安全监测点点位，实现大坝模型的整体、局部、内部、断面等多视角展示[1]。

(1)视图方式：针对大坝整体模型和部件化模型实现多视角(前视图、后视图、顶视图、底视图、左视图、右视图、侧视图等)查看和浏览。

(2)场景漫游：系统支持多种方式(飞行、行走等)实现三维场景的漫游浏览。

(3)部件化展示：系统支持三维模型(BIM)部位分解和各部件的交互操作。可通过放大、缩小、旋转、漫游、拾取等操作查看和透视监测点位信息。

(4)二三维联动：系统支持3D模型(BIM)和2D图纸(PDF)的二三维一体化联动，如图8所示。拾取3D模型上的监测点位可以跳转到所对应的2D图纸，点击不同2D图纸可以快速关联到相应的3D模型。

3.1.4 系统维护

系统维护模块实现系统接口以及数据库等功能的配置，主要包含以下四个部分。

(1)系统权限设置：用户及权限管理主要用于完成对用户基本信息、密码和权限的管理与维护。系统管理员可以添加(注册)、修改和删除整个软件系统的用户信息和权限。

(2)系统工具设置：可以设置系统相关功能的参数、监测数据库的链接、输出格式等。

(3)数据库配置：数据库配置是用户可以动态设置链接、断开、备份相应的数据库。

(4)开发服务接口：系统应具有较强的可维护性和可扩展性，预留二次开发和数据服务接口。

3.2 系统实现

大坝三维监测报警信息系统通过数据管理、数据分析、元数据管理以及系统维护四个模块，对水利枢纽各部位的大量不同的全天候监测数据进行科学有效管理，并支持数据不同方式存储、查找及输出，然后对监测数据进行科学的整理分析，实时反应测值与荷载、时间的变化规律[1]。此外，将BIM模型数据接入大坝三维监测报警信息系统并分析，不仅直观表达了不同监测数值在空间分布上的关系，而且能更加及时了解大坝运行的安全状况，对大坝的日常运行调度起到积极而重要的作用[1]。最后元数据管理和系统维护可以对大坝三维监测报警信息系统的正常稳定运行起到良好的管理、保障及监督作用。大坝三维监测报警信息系统框架示意图如图3所示。

图3 大坝三维监测报警信息系统框架示意图

(1)大坝模型三维可视化功能：大坝三维安全监测系统主要是将大坝三维模型(BIM)数据可视化技术和安全监测数据库的集成应用[1]。通过树状目录可以快速查询浏览大坝的整体以及部件化的三维模型(BIM)和安全监测点点位，实现大坝(及相关)模型整体、局部、内部、断面等多视角可视化展示[1]，如图4所示。

图4 大坝模型三维可视化

(2)安全监测数据查询可视化功能：实现三维模型(BIM)的交互操作，可以通过放大、缩小、旋转、漫游、拾取等操作查看和浏览监测点位。在3D模型展示主界面上布置有测点增加、断面展示、测站与数据关联、模型部位分解、内部透视等快捷操作控件，实现对后台安全监测数据库的调度，以文本和趋势线方式实现监测数据的可视化，如图5所示。

图5 安全监测数据查询可视化

(3)二三维联动功能：支持三维模型(BIM)和2D图纸的二三维一体化联动。点击不同模型或部件查看对应(关联)的图纸资料，实现各部门协同整合和维护项目相关资料，项目成员随时随地的查看项目资料，如图6所示。

图6 二三维联动

(4)安全监测数据的自动报警功能：监测数据的自动报警功能采用分级管理、超出设定阈值的监测点位可通过高亮显示不同颜色来提示预警信息。管理员有权限设置相应等级的安全阈值，如图7所示。

4 结 语

本文针对现有大坝安全管理监测系统中的数据显示不够充分，大坝可视化不全面，监测数据查询效率较低等问题，本文设计了大坝三维监测报警信息系统平台，通过采用BIM技术构建大坝模型并进行三维可视化；对大坝传感器采集的数据以及相应的参数值进行处理分析，从而确定监控指标等信息以便进行成因分析和辅助决策。实验证明，大坝三维监测报警信息系统提高了大坝安全监测的管理效率。

图7 安全监测数据的自动报警