基于数字孪生技术的三维可视化水利安全监测系统

徐瑞 叶芳毅

摘要：为从当前水利行业自动化监测业务收集到的海量监测数据中提炼出更多关键信息，进一步服务于安全监测智慧化，基于数字孪生技术的概念，利用现有三维GIS可视化技术手段，结合时空数据模式，构建了一套三维可视化水利安全监测系统。结果表明：该系统能够直观展示数字三维地理空间中的地形、地貌、安全监测相关模型信息和扩展的分析、查询数据结果，并能够使用这些数据进行一定的三维数据仿真可视化效果表达。该系统增加了数据展示分析手段，提高了分析监测数据效率。

关键词： 安全监测; 数字孪生; 三维可视化; 智慧水利

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.016

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0087 - 05

0 引 言

水利工程安全监测是保障水利工程正常运行的重要前提，利用安全监测仪器对大坝进行各项监测指标的观测是安全监测中的重要组成部分[1]。当前大型水利工程都正在进行或者已经完成了水利信息化改造，构建了各自的安全监测自动化体系。这些自动化监测系统为研究水利工程安全稳定状态和大坝预警预测提供了重要的数据支撑，也为构建安全监测数字孪生体系提供了可能[2-4]。

数字孪生技术的应用可能会对未来经济社会发展产生更加深远的影响[5]。本文从数字孪生技术的概念出发，利用现有三维GIS可视化技术手段，并结合时空数据模式研究了如何在水利行业安全监测业务领域中，构建一套基于数字孪生的三维可视化安全监测系统。

1 关键技术研究

1.1 数字孪生技术

1.1.1 数字孪生概念

数字孪生技术的提出者是密歇根大学的Dr. Michael Grieves，最初提出时的定义是通过数字化手段，在虚拟空间中构建出一个与现实实体相一致的虚拟实体的技术。即把构成一个现实物体的所有信息都录入到数字设备中，在数字空间中利用这些存储的信息完全模擬出这个物体各方面的特性。 自2012年美国宇航局首次将这项概念应用于航天领域以来，数字孪生概念已经被学术界从智慧设计、智慧城市、全生命周期管理、智能制造等许多角度进行描述和分析。这些分析和应用的共同点在于都采用数字化技术手段创建出物理实体的数字孪生模型，通过虚拟现实技术、大数据融合分析等数据分析方法，为物理实体在相关领域中添加或者扩展新的属性和成果。

1.1.2 模型可视化数字孪生

数字孪生概念最初应用在机械等设备设计、生产、维护的全生命周期过程中。当前，在水利安全监测领域，数字孪生主要体现在模型可视化数字孪生应用。可视化包括GIS，3D可视化、BIM等内容。其中GIS+BIM已经在水利行业中得到了相当广泛的应用。其中，GIS相当于地球的数字孪生概念，通过构建基于地球的地理空间坐标系，将各种数字模型都安置在数字三维地理空间当中，并基于数字模型进行各式各样的信息集成和分析，以此扩展模型实体的属性和成果。

图1为在三维地理空间中构建的街道、建筑物、植被数据模型，通过各种数字模型融合，共同构建出了一个完整统一的数字孪生模型空间。最初，数字孪生技术应用强调添加物体的物理仿真特性。在模型可视化数字孪生中，更多强调数字模型的地理空间信息和数据时空变化。

1.2 三维可视化技术

目前，在三维地理空间中，应用较多的可视化模型主要分为4类：地形影像模型、三维实体模型、倾斜影像模型和BIM模型[6]。其中，按照模型分类，又可以将上述4种模型归为两类：地形影像模型和倾斜影像模型。通过影像，将现实环境映射到数字三维地理空间当中，这两类数据通常采用地理坐标系;三维实体模型和BIM模型负责将现实空间中业务场景物体（如安全监测仪器）转换为数字孪生数字模型，并通过一定的坐标转换算法，安置在数字三维地理空间当中，这两类数据通常采用独立坐标系。

地形影像模型和倾斜影像模型作为基础地形场景数据，利用坐标转换，根据安全监测仪器布置图，在地形场景中安置多种多样的安全监测仪器模型和水工建筑物BIM模型。在此基础上，就可以结合物联网技术，在数字三维地理空间中对安全监测仪器设备和相关水工建筑物进行模型可视化数字孪生分析和展示。

1.2.1 BIM模型属性查询

BIM模型与传统三维模型最大的区别在于BIM模型通过参数化构建生成，相较于传统模型通过自定义绘制的面片进行组合，BIM模型的不同点为BIM模型的几何部分在任何视图中都具有一致性，在一个较大型的BIM模型中，属性信息字段结构可能多达数十甚至上百种。

目前，在实际应用中，BIM模型的几何和属性信息通常是分别存储展示的。模型几何体通过三维引擎展示，属性信息采用接口的形式单独获取。又因为BIM属性信息的异构体过多，传统的结构化数据库难以满足模型属性信息的存储需求，不利于属性信息的后期更新维护。因此，就需要采用非结构化数据库进行存储信息。

本文使用的MongoDB数据库是一个面向集合、模式自由的非结构化文档型数据库。如图2所示，在MongoDB中，数据被分为若干个集合，每个集合都有一个唯一的名字，可以包含无限个文档，每个集合中都可以存储任意结构的数据文档。在查询BIM模型属性时，通过Restful接口形式，根据集合id和文档对应的key值获取对应文档中的BIM模型数据，这些数据是JSON格式进行存储的文档，通过解析JSON数据格式，就能获取到查询的模型属性信息。

1.2.2 监测模型时空数据展示

目前，很多安全监测仪器已经更新替换为自动化仪器，每天通过网络能够收到大量的监测数据，如何将这些时序数据配合地理三维空间中的仪器模型和三维空间下其他环境时序数据进行统一融合展示，是安全监测下的模型可视化数字孪生问题的关键，也是后续扩展分析应用的基础[7]。

在以往的三维可视化模型展示时，数字三维空间中只有空间坐标作为度量尺度，仅仅能够表现出模型的空间位置。时间维度是通过另外单独的数据库存储和配套接口获取，并按照时间顺序，在一组离散的时间间隔上单次展示状态，通过状态帧改变来模拟时序数据的变化。这种方法在展示单独时间序列数据的时候能够较好地进行展示，但是在数字孪生概念下，数字孪生体往往不限于由单一类型数据信息构成，而是由多种自身数据信息乃至于另外的来自于环境的环境信息共同作用形成的，如图3所示。将所有数据都统一到场景时间轴中，三维场景本身具备时间维度。例如在安全监测外观变形监测中，引张线的形变需要结合垂线、伸缩仪等类型仪器，静力水准仪需要关联精密水准成果共同展开分析[8]。因此，需要在三维地理空间中 ，引入时间维度概念，将所有的时序数据统一到共同时间轴上进行展示，才能够在同一时间尺度下，扩展监测仪器数据模型的能力和作用。这种在三维空间中实现统一连续时间轴的方式相比于传统的GIS，BIM等技术提升了时间维度的数据融合度，为实现数字孪生体提供了时间维度的方法。

2 系统设计

2.1 系统技术路线

技术路线的选择上，采用 SOA（面向服务的体系结构）体系架构的设计思想，实现监测可视化、环境信息、监测管理等功能模块信息的实时调用查询。在技术体系中应用支撑平台采用了ArkWeb三维平台、Three.js，MongoDB，.net Core等核心技术，在保证技术先进性的同时兼顾了技术的实用性。同时，采用组件式开发技术，使彼此独立的业务组织在一起形成完整的业务系统，如图4所示。

网站将采用最流行的响应式 Web 设计理念，将当前 Web 设计中热门的响应式设计技术与 HTML5 和 CSS3 结合起来，实现一处编写各个终端可用，保证用户使用不同终端浏览时大部分内容与 Web 一致，同时页面能自动改变布局，以适应移动端的屏幕大小，保证在不同分辨率大小的屏幕上均有良好的用户体验。

2.2 系统架构

系统通过不同层级统一架构，组件式服务系统架构主要分为4个层级。主要由资源层、数据层、平台服务层（应用支撑层）、业务应用层共同构成。系统的总体构成和各部分内容如图5所示。

2.2.1 业务应用层

系统业务应用主要分为3类：模型可视化、监测业务和系统管理。其中模型可视化包含了BIM应用（BIM模型展示、BIM属性查询）、监测可视化（主要包括数字三维地理空间构建，基础地理数据加载，监测仪器及水工建筑物模型浏览等）、监测数据仿真等功能;监测业务主要是在三维可视化场景构建的基础上，基于模型数字孪生体的信息对监测业务数据进行查询、管理和分析;系统管理中包含了业务功能应用所需的各种基础服务，如用户、权限等。

2.2.2 平台服务层

平台服务层是整个系统最核心的部分，起到承上启下的作用。平台服务采用模块化编程思想，将后台服务按照功能划分为一个个子模块，例如BIM服务、监测业务服务、BIM属性服务等。同时由于安全监测业务是一个综合课题，常常需要接入外部系统服务，因此还可能涉及到与自动化采集系统的数据交互、强震监控系统的事件发布等数据共享交换服务。

2.2.3 数据层

数据层主要有监测业务数据库、系统管理数据库，这两个数据库数据结构基本由关系型数据构成，因此选用SQL Server关系型数据库构建;三维模型以及BIM模型等模型可视化数据通常都由一个个文件构成，因此，使用Nginx将其发布为一个静态资源数据服务。通过资源文件调用并配合平台服务层相对应的数据服务对读取的文件资源进行解析绘制;MongoDB为非关系型数据库，负责存储BIM属性信息，并通过数据服务对数据库进行查询。

2.2.4 资源层

系统资源主要分为数据资源和设备资源两种。设备资源主要包括服务器、网络通讯等;数据资源包括基础资源（数字地形图、遥感影像数据和数字高程数据等）、监测数据（考证信息、监测成果数据、环境水文数据等）和模型数据（BIM模型和监测仪器三维模型等）。

2.3 网络架构

水利行业数据的安全性是所有系统实施的前提和基础，本文设计的系统接入了坝区的自动化监测采集系统、水文气象系统等。本系统部署在业务专网之中。具体的网络架构如图6所示。

该系统和安全监测自动化数据采集系统都部署在监测业务专网中，其余闸门监控系统、水文气象系统等附加系统部署在另外的管理信息网中，两个网络间通过单向网闸进行数据传输隔离，通过单向网闸确保相互之间的数据通信是单向且可控的。整体网络都位于跟外部网络物理隔离的系统内网中，进一步增强系统的网络安全性。

3 功能实现

基于上述的系统设计和关键技术，获取重点区域的遥感影像和数字构成，构建数字三维地理空间，建设以安全监测仪器模型、水工建筑物和相应BIM模型为基础的三维模型数据库，结合数字孪生三维可视化、网络通讯、数据库等技术，构建了基于数字孪生技术的三维可视化水利安全监测系统。系统能够直观展示数字三维地理空间中的地形、地貌、安全监测相关模型信息和扩展的分析、查询数据结果，并能使用这些数据进行一定的三维数据仿真可视化效果表达。图7～8就是结合BIM建模成果，对数据进行可视化表达，并可结合MongoDB存储，查询获取BIM节点属性。图9是将所有测点成果数据时间统一到地理空间时间轴上后，利用编写的时间轴控件进行时序成果数据变形仿真。

4 结 语

随着计算机技术的发展，数字孪生已经在各行各业取得了进步和突破，本文就数字孪生技术发展进行了简要介绍，从数字孪生模型可视化出发，结合安全监测领域实际需求，实现了GIS+BIM数据融合，异构BIM属性信息查询、安全监测时序数据可视化等功能，为数字孪生技术在安全监测领域的应用提供了一些思路。该系统帮助工程运行管理单位对大坝整体的监测仪器布置有了更加直观的认识，通过在同一连续时间维度带入多种类监测成果并进行可视化，增加了数据展示分析手段，提高了分析监测数据的效率。下阶段的工作应当集中在进一步对数字孪生体上附加的信息进行综合分析和预测，以及在现在时间维度双向映射的基础上进行空间维度模型的调整方面，以实现数字世界和物理显示的双向映射，帮助管理者对大坝安全形態做出更加准确及时的预警预测。

參考文献：

[1] 钮新强. 大坝安全与安全管理若干重大问题及其对策[J]. 人民长江，2011，42（12）：1-5.

[2] 张兴旺， 王璐. 数字孪生技术及其在图书馆中的应用研究[J]. 图书情报工作，2020，64（17）：64-73.

[3] 李志鹏， 金雯，王斯健. 数字孪生下的超大城市空间三维信息的建设与更新技术研究[J]. 科技资讯，2020 （22）：3-9.

[4] 唐怀坤，史一飞. 基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构[J]. 智能建筑与智慧城市， 2020（10）：15-16.

[5] 董衍善.  通向数字孪生的机遇与挑战[J].  企业管理，2021（1）：105-108.

[6] 胡夏恺，杨聃，朱悦林. 基于BIM+WebGIS的输电系统结构安全监测可视化平台构建[J]. 中国农村水利水电，2020（12）：185-188，192.

[7] 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.

[8] 李林，梁学文，刘昌军. 基于三维可视化技术的大坝安全监测预警技术[J]. 中国科技成果，2018，19（24）：35-41.

（编辑：江 文）

Three-dimensional visual water conservancy safety monitoring system based on digital twin technology

XU Rui1，2，3， YE Fangyi1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan  430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan  430010， China）

Abstract： In order to extract more key information from the massive monitoring data collected by the current automatic monitoring business of the water conservancy industry， and to further serve the intelligent safety monitoring， based on the concept of digital twin technology and utilizing current 3D GIS visualization technology combining temporal-spatial data mode， a 3D visualization water conservancy safety monitoring system was constructed. The results showed that the system could visually display model information of topography， landform， safety monitoring and data results of expanded analysis and query in digital 3D geographic space. Also， 3D data simulation visualization effect expression could come true by using these data. In summary， the system adds data display and analysis methods and improves the analyzing efficiency of monitoring data.

Key words： safety monitoring; digital twin ; three-dimensional visual; smart water conservancy