基于BIM+WebGIS的输电系统结构安全监测可视化平台构建

胡夏恺，杨 聃，朱悦林，陈俊涛, 苏 凯，王 霄

(1.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；2.浙江静远电力实业有限公司，浙江 丽水 323000)

0 引 言

变电站和输电铁塔是输电系统中的重要组成部分，前者承担电力分流以及电压变换的作用，后者对导、地线起着关键的支撑作用。由于各种原因, 不少变电站在建成投产之后，地基会呈现出不同程度的沉降，易造成设备损坏、接地扁铁断裂、电缆拉断、保护误动等安全隐患，对变电站的安全稳定运行造成极大危害。而输电铁塔具有结构高耸、刚度柔和跨度大等特点，受线路覆冰、地震、风舞等环境荷载影响时，受力显著増加而有可能发生变形损坏，严重时甚至倒塔断线。这些因素严重威胁着电力系统的安全稳定运行。对变电站和输电铁塔进行结构安全监测，可及时发现险情，做出提前预警和防护。

以浙江静远电力实业有限公司的负责监测的47个变电站为例，发现变电站和输电铁塔安全监测工作存在着以下问题：①变电站分布于几百公里的地域范围，其中的输电铁塔数以万计，连接走向复杂，需要更加直观高效、清晰明了的可视化表达方式。②由于变电站较多，同时各变电站和铁塔的监测设备数量多、监测种类复杂，随着采集时间的增加，会逐步积累形成海量异构安全监测数据，其存储、处理及挖掘利用也正成为安全监控工作迫切需要解决的问题；③监测管理既对区域宏观管理有要求，也对单体精细化管理有一定要求。目前传统的监测数据处理方式已无法满足电力信息化管理的要求。

近年来，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术的快速发展，促进了建筑、电力等多个行业的变革。将BIM技术应用于变电站基础沉降监测和输电铁塔的结构安全监测，不仅可以提高监测的可视化程度(如设备布置可视化、监测信息可视化、场景漫游、实时监控、空间量测、分析报警、历史数据查询等)，帮助操作人员更加直观的把握整个监测流程，促进监测工作的精细化管理。同时参考“互联网+”思维，再将BIM与WebGIS融合，使微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息实现交换和相互操作，将GIS从宏观领域引入到微观领域，拓展了三维GIS的应用领域。在BIM与WebGIS整合方面，国内外已有一些成功案例[1-6]。如雅砻江流域水电开发有限公司基于SuperMap GIS构建数据中心和融合三维GIS和BIM的流域水电数字化管理平台《雅砻江流域三维可视化信息集成展示与会商平台》，实现水电工程项目全业务、全过程信息的三维可视化集成管理、动态仿真与分析决策；中设设计集团股份有限公司开发了基于 BIM+GIS 的智慧管廊监测管控运维一体化平台，实现了环境监测管理、安防监控管理、资产与运维管理、大数据统计分析等功能[5]。潘飞、张社荣研究了基于 3D WebGIS 的土木水利工程BIM集成和管理[3]；徐锐、罗天文等开发了基于WebGIS的水利水电工程三维地理信息平台[1]；傅蜀燕、赵志勇等构建了基于三维 BIM + WebGIS 技术的区域数字水库[4]。

因此本文以浙江省多个变电站和输电铁塔结构安全监测为依托，基于B/S架构，集成Cesium开源WebGIS引擎，加载轻量化处理后的BIM模型，构建融合BIM、WebGIS和监测信息的输电系统结构安全监测平台，实现结构布置可视化与数据可视化，力争实现从监测信息到监控服务的跨越。

1 安全监测可视化解决方案

1.1 功能需求分析

综合变电站沉降监测工作、输电铁塔结构安全监测工作和安全管理的实际情况，平台的总体功能为各类数据的读写与可视化表达。将平台开发所需数据进行分类，在此基础上开展输电系统结构安全监测的可视化与调控平台开发实践。数据主要分为4类。

(1)属性数据。即各变电站的坐标和方位角，永久水准点和测点的坐标，输电铁塔结构类型、位置、连接走向等资料。

(2)监测数据。对于变电站，监测原始数据主要是沉降数据，包括由莱卡水准仪得到的原始LS10数据、平差数据、整编数据的输入和管理；对于输电铁塔，监测原始数据主要是塔基偏移量、塔身倾斜度、塔臂应力。

(3)三维模型数据。采用BIM软件建立能包含变电站和输电铁塔的“设备+基础(结构)+测点”的BIM模型。根据HTML5 WebGL客户端的显示能力及显示需求，从完整BIM模型中导出多细节层次(LOD)的轻量化模型；根据分层、分块、分区域显示功能要求，导出局部模型或组合模型。

(4)预警指标。包括各监测项目的监控模型与分类分级监控值、对应分类分级预警的安全管理调控机制等

1.2 系统架构设计

基于BIM和WebGIS的变电站基础沉降监测可视化与安全调控平台采用B/S模式，基于MySQL数据库存储平台所需的各类数据，采用网页客户端实现交互操作。平台划分为五层架构(如图1所示)。

(1)数据实体层：设计合理的多维动态数组、多级链表等数据结构，基于ORMapping技术，按需求将数据库里的数据映射到内存中，提高访问速度及系统响应速度。

(2)数据访问层：基于JDBC接口对数据进行CRUD操作(即数据的增、删、改、查)，并进行事务处理及异常捕获。

(3)业务逻辑层：平台功能核心层。基于CodeBehind技术，把用户界面与数据的彻底分离，提高平台的扩展性。与数据访问层相对应，把概要设计分出的角色类添加方法、属性、事件、索引、接口等，实现安全监测分析与安全评价、分级预警、安全调控等功能。

(4)用户界面层：即网页，用户进行交互操作的界面，实现数据的可视化。包括：①广域范围内变电站和输电铁塔的可视化。采用WebGIS技术展示之间的位置分布、连接走向；②监测模型可视化：显示各监测设备的空间位置，通过交互操作定位监测设备，查找监测设备的相关属性及对应各种监测物理量，以便快速查找监测情况和监测数据。采用HTML5 WebGL技术，展示变电站设备组成与监测布置，实现测点的交互选择、属性显示、视点跟踪和动态漫游，通过交互式菜单实现平台的各项功能。根据电脑客户端的功能需求，调用多细节层次的模型，制作不同的界面与菜单；③监测数据可视化：采用Ajax技术，动态绘制累计变形(应力)-时间过程曲线，变形(应力)增量-时间曲线等大量图表，自动分类处理和统计沉降、倾角、加速度等监测数据，采用动态柱状图、折线图和饼图的方式，直观反映监测数据的变化过程。

(5)系统服务层：提供公共的服务性功能，供各个操作层使用。如代理、公共变量、全局参数等。

1.3 开发工具选择

采用前后端分离的开发方式。前端基于开源WebGIS引擎Cesium[7]，采用Angular开发平台[8]，VSCode进行编码，网页采用HTML5+CSS3编写，脚本语言采用Javascripts+Typescripts，网页控件采用primeng组件[9]。后端采用Spring Boot框架[10]进行开发，集成webService接口开发、数据库读写、监测数据计算处理功能。网络服务采用Ngnix进行静态网页服务、反向代理和缓存)、Tomcat提供动态网页服务、动态数据服务和地形服务、MBtilesServer提供地图影像服务。

2 系统实现

2.1 地形和影像的离线加载

为保证地图服务的可靠性和稳定性，采用离线地图的方式。从中国科学院计算机网络信息中心的地理空间数据云网站下载浙江省30 m精度地形数据进行切片，利用CesiumTerrainProvider函数加载；影像使用下载的谷歌无偏移影像，采用MBTiles格式存储，利用createTileMapServiceImageryProvider函数加载。考虑到高精度的影像数据过于庞大，因此全球影像采用1～9级，浙江省影像采用10～17级，变电站区域采用18～20级，既保证了关键部位的显示效果，也减少了网络数据传输量。

2.2 BIM模型的加载

通过Revit建立变电站的BIM模型(见图2)，通过Revit二次开发，对模型进行轻量化处理(处理流程见图3)，通过第三方工具转换为3dtiles格式，同时将BIM模型各部件的属性信息存贮于SQLite数据库格式的单文件中，便于用户交互式选择查询。将BIM模型加载到地图上时，要将BIM模型的局部坐标转换为WGS84坐标，即模型原点与数据库中变电站的经度、纬度和高程对应，模型正北方向与变电站的方位角对应。通过Cesium的多个函数计算得到变换矩阵，将BIM模型准确放置到地图上。输电铁塔相对简单，将模型转换为glb格式，在Cesium中直接以Entity(实体)加载到地图中。

图3 BIM模型轻量化流程

2.3 测点与高压铁塔属性信息和监测数据读取

向后端发送请求，通过SpringBoot开发的WebService访问数据库并以Json格式返回到前端，进行解析，获得测点与高压铁塔的属性信息和监测数据。

2.4 监测数据可视化

采用基于JavaScript实现的开源可视化库Echarts，对监测数据进行可视化展示。将从后台返回的监测数据源解析为key-value格式数据源，设置encode属性完成数据到图形的映射，即可在网页上显示高质量的动态折线图、柱状图、散点图、饼图等。

3 工程应用

将该平台应用于浙江省的多个变电站和输电铁塔。登录界面如图4，登录后初始界面如图5。平台采用更接近于桌面软件的单页面形式，工具栏上有“变电站”、“测点”、“高压铁塔”、“安全预警”、“地图设置”等5个主要菜单项。

图4 系统登录界面

图5 初始界面和主菜单

“定位”功能可将地图跳转至变电站的所在位置，并自动加载相应的BIM模型(图6)，实现了BIM与WebGIS的融合；“配准”可对变电站在地图上的位置进行精细微调。

图6 将BIM模型集成到WebGIS中

在测点菜单下，可在模型上直接展示测点的位置与分布情况(图7)。“显示图表”可按监测线路展示监测的柱状图、折线图或堆叠图(图8)；“LS10数据上传”可将莱卡水准仪测量得到的excel表上传到系统，并自动进行计算，生成计算数据表和监测报告，通过“文件下载”可下载到本地计算机。

图7 测点布置可视化

图8 变电站监测数据可视化

在高压铁塔菜单下，可按地区显示已录入的铁塔数据，并以动态折线图的方式实时显示监测数据的变化(图9)，实现了输电铁塔的布置可视化、连接走向可视化及监测数据可视化。

图9 输电铁塔布置可视化及监测实时数据可视化

4 结 论

本文将输电系统结构安全监测与BIM、WebGIS相结合，实现了设备布置可视化、输电铁塔分布及走向可视化、监测数据可视化等成果，取得了良好的效果，得出以下主要结论。

(1)采用B/S模式，用户通过网页客户端的，可跨平台，兼容性好，避免了C/S模式下的客户端发布、下载及安装等问题，使用方便快捷。而采用离线地形、影像，也保证了地图服务的稳定性和高效性。

(2)利用BIM能够有效地实现监测信息的集成以及相关功能的开发，能够有效提高监测信息的可视化以及监测系统的交互性，实现监测信息的及时共享。

(3)监测信息、BIM、GIS集合于一体，不仅可以展示宏观领域内变电站、输电铁塔的连接走向及相互关系，也可以精细展示微观领域内各变电站的监测信息，全方位实现监测信息集成与三维可视化，将是当前监测系统发展的一个重要方向。

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