基于BIM的水闸数字孪生平台设计与应用研究

陈 翠，安 觅，董家贤，马钧霆

(1.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏 南京 210012；3.云南省水文水资源局普洱分局，云南 普洱 665000；4.南京麦堤微林信息科技有限公司，江苏 南京 210012)

一些发达地区和水文水利重点监测区域已经基本实现了信息化和数字化。然而，分析其数字化程度，基础地理信息、水闸、监测设备等专题空间数据大多采用平面二维电子地图。基于平面二维电子地图的信息化管理系统，一方面水闸全景的可视化程度较低，日常管理的导视性较差，对流域管理的空间辅助决策不够；另一方面水闸及其监测设备等以点、线、面的几何形态标注，其设备安装位置、形态、类型、工作原理等不能够仿真展示，直接影响管理人员对水闸的智慧化管理水平。

数字孪生技术为现实物理世界与虚拟信息空间的交互融合搭建了桥梁[2]。近年来，数字孪生技术得到了广泛关注，已被列为十大战略科技发展趋势之一。BIM技术以三维数字技术为基础，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[3]。以数字孪生为理念，以BIM技术为载体，依托传感器、RTU、PLC等设备，融合水闸的实时运行数据，将各种零碎、分散、割裂的信息数据关联起来，创造一个基于BIM的水闸数字孪生平台，可实现水闸全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化，实现水闸物理空间与信息空间的实时交互、迭代优化，改善水闸现在的管理状态，为水闸智慧化管理、统计分析和数据挖掘等创造条件。

1 水闸运维管理信息分析

分析水闸日常运行、维护、监控、管理的业务，水闸运维管理的对象主要包含水闸工程本身、运维管理人员、设备、操作流程、水体等[4- 6]。根据管理对象的数据状态，可将水闸运维管理数据化分为静态数据和动态数据。

1.1 静态数据

静态数据是指基本保持稳定的数据，在一段时间内不会随着水闸运行而变化，这类数据主要有：

(1)水闸工程本身，包括水闸设计时期和建设时期的图纸、成果报告、时间节点、闸门设计参数(包括位置、等级、高程、尺寸、设计水位等)、设计单位、建设单位、管理单位等。

(2)人员，主要指人员的名字、所属单位或部门、职责、权限等。

(3)设备的静态数据主要包括，设备名称、类型、功能、安装时间、生产单位、所属管理人员等。

1.2 动态数据

动态数据指会随着时间发生变化的各类数据。在水闸管理中主要指维修养护数据和由传感器监测得到的是动态变化的数据：

(1)水闸维修养护数据，主要包括闸室、上下游连接段的建筑物维修养护和水闸所包含的设备，如启闭机、水位计、流速仪、闸门等的维修保养数据。

(2)闸门启闭数据，主要包括操作人员、开启时间、关闭时间、闸门开度、持续时间和启闭原因等。

(3)闸门启闭状态

(4)闸门上下游水位、流速、流量、雨量实时监测数据[4]。

2 平台设计

2.1 总体架构设计

平台总体技术架构划分为现场感知层、数据存储与管理层、数据汇聚层、业务应用层以及综合展示层，如图1所示。

图1 平台总体架构图

现场感知层：平台数据库感知层主要职责是对接现场的各类智能设备和传感器信号，并将采集到的数据通过数据接收程序实现上载入库和下行通信。针对连续运行传感器，则建立起实时通信机制，按照设定好的频率对传感器工况和相关参数进行采样和入库。

数据存储与管理层：平台在本层的模块主要是实现数据的导入、标准化、数据更新、审核验证、数据查询、数据安全与备份等方面的功能。

数据汇聚层：分为业务数据汇聚、监测数据汇聚两大部分。业务数据汇聚主要包括多源数据的集成管理、分布式数据处理及数据同步等功能。监测数据汇聚则主要是对水闸不同专题监测数据进行集成、传输和交互管理，包括多协议兼容功能、数据同步功能和分布式处理功能等。

业务应用层：支持的功能包括设备管理、模型管理、监控管理、维护管理、统计分析、模拟仿真、用户与权限管理和闸门启闭管理等，满足水闸日常运维、管理的需求。

综合展示层：是指与用户进行交互操作的界面，水闸数字孪生平台基于开源的WebGL技术开发B/S模式的网页平台，在平台中可对水闸的所有数据进行查询和浏览。

2.2 平台数据管理

将来源于的不同类型的信息数据加以汇总及标准化处理，消除信息孤岛，之后根据数据类别(动态、静态)导入实时数据库或属性数据库或文件系统中。数据入库前进行数据库结构、元数据以及数据字典的设计。初始数据入库需按要求经多次数据检查和处理，确保入库数据的质量。

对水闸工程建筑、水闸周围环境和水闸相关的设施设备建立BIM模型，并存入模型库。对水闸工程建筑和设备设施建模时应细化到各个构件，并对构件进行统一编码和入库，将BIM模型的各个构件与实时数据库、属性数据库中的数据进行挂接，使水闸BIM模型成为水闸运维、管理信息的主要载体、连接纽带和核心驱动。

2.3 平台功能模块设计

建设水闸数字孪生平台主要目的是为了实现由实到虚的镜像再现和以虚控实的智能操控[3]，从而提高水闸运维、管理工作的可视化水平和智慧化水平。平台功能主要分为4个功能模块。

2.3.1数据管理与查询。

(1)水闸相关数据管理与查询

水闸相关的数据种类众多，有基本的属性数据、动态监测数据和图纸报告文件数据等，经过标准化处理后，这些数据都关联在BIM模型上。数据管理与查询模块，可根据选择的BIM模型等参数，查询属性数据、运行维护记录、设计图纸、维护人等信息，并支持数据更新、删除、新增和下载。平台会对提交的数据增、删、改请求进行严格的检查，确保入库数据符合要求。

(2)监测数据管理与查询

监测数据主要有水位、流速、流量、闸门启闭等数据，根据选择的设备、输入的时间和选择的时段(5、10、15、30、60min等)，查询监测对象的过程数据。

2.3.2数据统计分析

数据统计分析模块的功能，主要是指对水闸上、下游水位流量数据，根据日、月、年进行查询和最值计算、同(环)比分析等。

2.3.3模拟仿真

模拟仿真功能模块，可以对水闸的所有BIM模型进行全方位、全角度的查看。水闸数字孪生平台模拟仿真不仅指的是水闸建筑、设备设施的模拟仿真，也包括由传感器得到的监测数据动态变化的模拟仿真。在平台三维场景中对水位变化加以可视化表达，使水面随着实际监测数据升降，以充分反映水位要素随着时间的变化过程，实现由实到虚的镜像表达。平台还提供历史数据可视化重演的功能，根据输入的起始时间和结束时间，通过水面升降重演水闸上、下游水位变化过程。

2.3.4远程控制闸门启闭

管理人员在水闸数字孪生平台中选择闸门，并设置参数，平台将输入参数传递给水闸的监控主机，由监控主机根据接收到的数据发送指令给PLC，从而控制闸门的启闭，实现以虚控实远程控制闸门启闭的目的[7]。结合模拟仿真模块中水面可根据实时监测数据动态变化的功能，实现了水闸运维管理数字孪生的目标。

2.4 平台开发工具

平台总体采用B/S架构，数据库采用SQL Server 2012，采用前后台分离的方式进行开发。后端采用Spring Boot2.1.0框架，获取前端传递的数据并进行业务逻辑处理和接口封装。前端采用HTML5+CSS3设计网页界面，使用javascript和JQuery对用户操作进行预处理和响应，并引用Three.js 3D引擎库，Three.js是JavaScript编写的WebGL第三方库，可以创建各种三维场景，并支持在三维场景中进行编辑、漫游查看和查询定位等操作，利用此三维引擎实现水闸的三维展示和实时监测的数据的模拟仿真。

3 应用案例

平台以江苏省内一水闸为试点，建立了“基于BIM的水闸数字孪生平台”。该水闸始建于20世纪60年代，水闸类型为引(进)水闸，闸孔数量为1个。经过续建配套和自动化改造，目前有1个闸门，1个卷扬机、2个监控摄像头、2个水位计和1个雨量筒。对该水闸的相关数据进行汇总和标准化处理，建设水闸数字孪生平台数据库。根据水闸设计图纸和现场实测数据，构建水闸BIM模型。

平台的整个页面都作为BIM场景的容器，左、右两侧悬浮信息框面板，面板中显示的内容随着选择功能改变，下部悬浮BIM场景操作工具。初始进入平台时，左侧面板显示水闸基本信息和水闸包含的所有设备，右侧面板显示水闸的监测设备来报率统计、月监测要素(水位、流量、雨量、闸门启闭)、年监测要素(水位、流量、雨量、闸门启闭)的统计分析情况。点击BIM模型中的监测设备还可以查询设备的最新来报和历史来报等信息。如图2所示为点击水闸附近雨量筒设备模型所展示的界面。水闸在不同水位下的场景如图3所示。

图2 雨量监测设备基本信息与监测数据展示

图3 水闸在不同水位下的场景展示

4 结论

基于数字孪生理念，计算机技术，BIM技术，传感器、RTU、PLC等设备，搭建了水闸数字孪生平台，将水闸相关数据、资料以及实时监测数据标准化处理后挂接到BIM模型上，以实镜虚，以虚控实，实现了水闸全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化，形成可感知、可控制、可交互、可观察的综合性管理平台，为水利资源管理工作精细化、智能化发展提供助力。