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三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

來源: 樹人論文網(wǎng)發(fā)表時(shí)間:2019-10-14
簡要:摘要:先進(jìn)可靠的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢查大壩結(jié)構(gòu),展示儀器埋設(shè)位置,提高實(shí)時(shí)監(jiān)測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析,并依據(jù)規(guī)范擬定

  摘要:先進(jìn)可靠的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢查大壩結(jié)構(gòu),展示儀器埋設(shè)位置,提高實(shí)時(shí)監(jiān)測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析,并依據(jù)規(guī)范擬定應(yīng)力、滲流量等監(jiān)控指標(biāo)對三維數(shù)值模型進(jìn)行正反分析,可確定大壩變形預(yù)警值。以湖南托口水電站為例,采用BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩實(shí)體、地形場景以及監(jiān)測信息的三維可視化模型,并開發(fā)出集成了三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預(yù)警四大模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全方位展示大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果、監(jiān)控指標(biāo)等信息,并直觀展示實(shí)時(shí)信息,實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)控預(yù)警,提高了大壩安全管理效率。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似水利水電工程的安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)借鑒。

  關(guān) 鍵 詞:BIM技術(shù); 安全預(yù)警; 大壩安全監(jiān)控系統(tǒng); 三維可視化

水利工程師論文

  推薦閱讀:《地方水利技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐》于2010年6月水利水電出版社出版,由中國水利學(xué)會主辦,收集了近期各地水利技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。

  近年來部分水利工程由于大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器埋設(shè)位置復(fù)雜,以及監(jiān)測信息直觀性和實(shí)時(shí)性較差,大壩安全管理效率較低。因此,實(shí)現(xiàn)壩體及水工建筑、監(jiān)測儀器及監(jiān)測信息的三維可視化,提高大壩安全管理效率及實(shí)現(xiàn)其預(yù)警功能,已成為大壩管理的發(fā)展趨勢[1]。目前,在可視化的基礎(chǔ)上對大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究成果已有不少:金有杰等提出通過數(shù)據(jù)集成管理,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息三維可視化,提高了監(jiān)測信息的直觀性[2];楊陽等開發(fā)了基于監(jiān)測信息的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)[3];馬瑞等提出了基于三維可視化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水庫大壩安全管理,可提升智能狀態(tài)下的水庫大壩設(shè)備安全管理效率[4];柴啟蕾等設(shè)計(jì)了基于Qt和OpenGL的大壩安全監(jiān)測可視化系統(tǒng)。

  可提升大壩三維模型內(nèi)外部交互的直觀性[5];He B等對將三維GIS技術(shù)應(yīng)用在小浪底水電站安全監(jiān)測方面展開了研究[6];傅蜀燕等開發(fā)了三維BIM +WebGIS 可視化區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺[7];趙志勇等基于BIM技術(shù)+GIS技術(shù),開發(fā)了區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)[8]。然而,關(guān)于利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩、地形場景、監(jiān)測儀器三維可視化模型,并且集成安全監(jiān)控預(yù)警的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。

  為了精確反映大壩結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器布置的三維可視化,提高監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)程度和大壩安全管理的效率,筆者團(tuán)隊(duì)基于BIM技術(shù)構(gòu)建了大壩可視化實(shí)體,并在其中嵌入監(jiān)測信息,開發(fā)出集成三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)展示及安全預(yù)警等模塊的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng),以提高大壩安全管理效率。

  1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

  BIM三維模型信息量大,可優(yōu)化傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)控管理模式,提升可視化效果。因此,可利用BIM平臺的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建BIM模型,實(shí)現(xiàn)壩體、監(jiān)測儀器三維可視化,實(shí)現(xiàn)大壩安全自動(dòng)預(yù)警功能。本文開發(fā)的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)由用戶層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)環(huán)境層構(gòu)成,系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

  系統(tǒng)基于大壩場景、實(shí)體建模數(shù)據(jù),采用有限元數(shù)值模擬對壩體位移計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演,確定大壩安全預(yù)警值;利用BIM技術(shù)構(gòu)建大壩地形場景、實(shí)體、監(jiān)測儀器三維模型;通過集成監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維可視化模型,完成系統(tǒng)的開發(fā)研究。

  該系統(tǒng)主要由4個(gè)基本功能模塊構(gòu)成:① 三維可視化展示模塊。該模塊主要是對大壩地形場景、大壩實(shí)體場景以及監(jiān)測儀器信息三維可視化模型進(jìn)行展示。② 數(shù)據(jù)查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫區(qū)地形地貌信息、大壩及水工建筑結(jié)構(gòu)信息、監(jiān)測儀器信息以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢。③ 數(shù)據(jù)展示模塊。該模塊主要是對各類信息、數(shù)據(jù)以文檔格式或圖表格式進(jìn)行展示,提高其可視化程度及準(zhǔn)確性。④ 安全監(jiān)控預(yù)警模塊。該模塊主要是設(shè)定預(yù)警指標(biāo),對有狀況的監(jiān)測部位進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。

  第7期 朱 亭,等:三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用 人 民 長 江2019年 2 系統(tǒng)構(gòu)建

  2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

  2.1.1 大壩地形場景數(shù)據(jù)

  (1) 數(shù)字高程數(shù)據(jù)。可從現(xiàn)有地形圖上直接獲取或者現(xiàn)場實(shí)測得到,利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)可得到粗略的大壩地形場景三維模型。

  (2) 圖片影像數(shù)據(jù)。圖片影像數(shù)據(jù)是通過攝像得到的大壩地形場景實(shí)際圖片影像并基于圖片影像數(shù)據(jù),對初步建立的大壩地形場景進(jìn)行對比、校正、調(diào)色,進(jìn)一步提高大壩地形場景三維模型的還原度。

  2.1.2 大壩實(shí)體建模數(shù)據(jù)

  三維大壩實(shí)體建模的主要依據(jù)是大壩設(shè)計(jì)圖紙,在缺少圖紙或圖紙無法詳細(xì)表達(dá)的情況下,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來獲取大壩及大壩周邊詳細(xì)地理環(huán)境信息,完善有缺失的部分模型,以提高模型的精確度。

  2.1.3 安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

  大壩安全監(jiān)測主要分為滲流、內(nèi)部、環(huán)境量以及變形監(jiān)測。監(jiān)測儀器主要包括位移計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)力計(jì)等。監(jiān)測數(shù)據(jù)分為:① 不具有方向性的標(biāo)量信息;② 包括上下游、左右岸以及壩體垂直方向的矢量信息。

  2.1.4 監(jiān)控分析數(shù)據(jù)

  監(jiān)控指標(biāo)主要包括變形、應(yīng)力、滲流量等,其中可以依據(jù)水工建筑物手冊確定大壩安全系數(shù),擬定應(yīng)力預(yù)警值;再結(jié)合典型大壩滲流分析結(jié)果擬定滲流量的監(jiān)控預(yù)警值。

  通過收集各水工建筑物的設(shè)計(jì)、施工資料以及壩區(qū)岸坡、地質(zhì)地貌、水文信息等,采用ANSYS有限元軟件構(gòu)建大壩三維數(shù)值模型。

  首先,對監(jiān)測資料進(jìn)行全面深入分析;再基于大壩、壩基以及壩坡的三維數(shù)值模型,計(jì)算其變形特性,并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,確定出壩體合理的變形力學(xué)參數(shù),將研究成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,確定壩體不同部位的變形預(yù)警指標(biāo)。

  2.2 模型構(gòu)建

  (1) 大壩地形場景。庫區(qū)地形建模主要包括庫區(qū)水域、邊坡、道路、壩基等,將大壩地形圖導(dǎo)入到Civil3D中,形成原始地形表面,結(jié)合大壩實(shí)際的圖片影像進(jìn)行對比修改,適當(dāng)處理等高線的數(shù)據(jù)誤差后,構(gòu)建還原程度高、真實(shí)感強(qiáng)的大壩地形場景三維模型。

  (2) 實(shí)體三維建模。利用Revit軟件構(gòu)建大壩實(shí)體三維模型,即基于大壩設(shè)計(jì)圖紙,利用Revit平臺建立大壩實(shí)體三維BIM模型;再將處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)引入模型當(dāng)中,填補(bǔ)缺失,更加精準(zhǔn)地搭建大壩實(shí)體三維模型,實(shí)現(xiàn)對大壩模型精細(xì)化展示,直觀、真實(shí)地展示大壩位置、構(gòu)成、附屬設(shè)備。對大壩地形場景與實(shí)體進(jìn)行建模之后,還需要將它們進(jìn)行對接整合,以構(gòu)建整個(gè)水庫大壩的三維可視化模型。一般利用同一原點(diǎn)的方法,首先將地形三維模型導(dǎo)入大壩實(shí)體三維BIM模型項(xiàng)目當(dāng)中,再三維視圖中統(tǒng)一兩個(gè)模型的原點(diǎn),并且通過移動(dòng)、復(fù)制、鏡像等操作構(gòu)建整個(gè)大壩三維可視化模型[8-10]。

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