三維可視化大壩安全監控系統研發及應用

　　摘要：先進可靠的三維可視化大壩安全監控系統能準確檢查大壩結構，展示儀器埋設位置，提高實時監測信息及大壩安全管理的效率。通過對大壩監測數據的深入分析，并依據規范擬定應力、滲流量等監控指標對三維數值模型進行正反分析，可確定大壩變形預警值。以湖南托口水電站為例，采用BIM技術構建了大壩實體、地形場景以及監測信息的三維可視化模型，并開發出集成了三維可視化模型展示、數據查詢、數據展示及安全預警四大模塊的大壩安全監控系統。該系統能全方位展示大壩結構、監測數據分析結果、監控指標等信息，并直觀展示實時信息，實現了大壩安全監控預警，提高了大壩安全管理效率。相關經驗可供類似水利水電工程的安全監控系統開發借鑒。

　　關 鍵 詞：BIM技術; 安全預警; 大壩安全監控系統; 三維可視化

　　推薦閱讀：《地方水利技術的應用與實踐》于2010年6月水利水電出版社出版，由中國水利學會主辦，收集了近期各地水利技術應用和實踐中積累的經驗和研究成果。

　　近年來部分水利工程由于大壩結構、監測儀器埋設位置復雜，以及監測信息直觀性和實時性較差，大壩安全管理效率較低。因此，實現壩體及水工建筑、監測儀器及監測信息的三維可視化，提高大壩安全管理效率及實現其預警功能，已成為大壩管理的發展趨勢[1]。目前，在可視化的基礎上對大壩安全監控系統的相關研究成果已有不少：金有杰等提出通過數據集成管理，實現監測信息三維可視化，提高了監測信息的直觀性[2];楊陽等開發了基于監測信息的大壩安全監控系統[3];馬瑞等提出了基于三維可視化和物聯網技術的水庫大壩安全管理，可提升智能狀態下的水庫大壩設備安全管理效率[4];柴啟蕾等設計了基于Qt和OpenGL的大壩安全監測可視化系統。

　　可提升大壩三維模型內外部交互的直觀性[5];He B等對將三維GIS技術應用在小浪底水電站安全監測方面展開了研究[6];傅蜀燕等開發了三維BIM +WebGIS 可視化區域數字水庫安全管理系統平臺[7];趙志勇等基于BIM技術+GIS技術，開發了區域數字水庫安全管理系統[8]。然而，關于利用BIM技術構建大壩、地形場景、監測儀器三維可視化模型，并且集成安全監控預警的系統研究鮮有報道。

　　為了精確反映大壩結構、監測儀器布置的三維可視化，提高監測信息的實時程度和大壩安全管理的效率，筆者團隊基于BIM技術構建了大壩可視化實體，并在其中嵌入監測信息，開發出集成三維可視化模型展示、數據查詢、數據展示及安全預警等模塊的大壩安全監控系統，以提高大壩安全管理效率。

　　1 系統框架設計

　　BIM三維模型信息量大，可優化傳統大壩安全監控管理模式，提升可視化效果。因此，可利用BIM平臺的優點構建BIM模型，實現壩體、監測儀器三維可視化，實現大壩安全自動預警功能。本文開發的三維可視化大壩安全監控系統由用戶層、應用層、支撐層、數據層、基礎環境層構成，系統框架設計如圖1所示。

　　系統基于大壩場景、實體建模數據，采用有限元數值模擬對壩體位移計算參數進行反演，確定大壩安全預警值;利用BIM技術構建大壩地形場景、實體、監測儀器三維模型;通過集成監測數據與三維可視化模型，完成系統的開發研究。

　　該系統主要由4個基本功能模塊構成：① 三維可視化展示模塊。該模塊主要是對大壩地形場景、大壩實體場景以及監測儀器信息三維可視化模型進行展示。② 數據查詢模塊。該模塊主要包括大壩及庫區地形地貌信息、大壩及水工建筑結構信息、監測儀器信息以及監測數據的查詢。③ 數據展示模塊。該模塊主要是對各類信息、數據以文檔格式或圖表格式進行展示，提高其可視化程度及準確性。④ 安全監控預警模塊。該模塊主要是設定預警指標，對有狀況的監測部位進行自動預警。

　　第7期 朱 亭，等：三維可視化大壩安全監控系統研發及應用 人 民 長 江2019年 2 系統構建

　　2.1 基礎數據

　　2.1.1 大壩地形場景數據

　　(1) 數字高程數據。可從現有地形圖上直接獲取或者現場實測得到，利用數字高程數據可得到粗略的大壩地形場景三維模型。

　　(2) 圖片影像數據。圖片影像數據是通過攝像得到的大壩地形場景實際圖片影像并基于圖片影像數據，對初步建立的大壩地形場景進行對比、校正、調色，進一步提高大壩地形場景三維模型的還原度。

　　2.1.2 大壩實體建模數據

　　三維大壩實體建模的主要依據是大壩設計圖紙，在缺少圖紙或圖紙無法詳細表達的情況下，基于點云數據來獲取大壩及大壩周邊詳細地理環境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精確度。

　　2.1.3 安全監測數據

　　大壩安全監測主要分為滲流、內部、環境量以及變形監測。監測儀器主要包括位移計、滲壓計、應力計等。監測數據分為：① 不具有方向性的標量信息;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 監控分析數據

　　監控指標主要包括變形、應力、滲流量等，其中可以依據水工建筑物手冊確定大壩安全系數，擬定應力預警值;再結合典型大壩滲流分析結果擬定滲流量的監控預警值。

　　通過收集各水工建筑物的設計、施工資料以及壩區岸坡、地質地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元軟件構建大壩三維數值模型。

　　首先，對監測資料進行全面深入分析;再基于大壩、壩基以及壩坡的三維數值模型，計算其變形特性，并與監測結果進行對比分析，確定出壩體合理的變形力學參數，將研究成果與監測數據進行對比分析，確定壩體不同部位的變形預警指標。

　　2.2 模型構建

　　(1) 大壩地形場景。庫區地形建模主要包括庫區水域、邊坡、道路、壩基等，將大壩地形圖導入到Civil3D中，形成原始地形表面，結合大壩實際的圖片影像進行對比修改，適當處理等高線的數據誤差后，構建還原程度高、真實感強的大壩地形場景三維模型。

　　(2) 實體三維建模。利用Revit軟件構建大壩實體三維模型，即基于大壩設計圖紙，利用Revit平臺建立大壩實體三維BIM模型;再將處理過的點云數據引入模型當中，填補缺失，更加精準地搭建大壩實體三維模型，實現對大壩模型精細化展示，直觀、真實地展示大壩位置、構成、附屬設備。對大壩地形場景與實體進行建模之后，還需要將它們進行對接整合，以構建整個水庫大壩的三維可視化模型。一般利用同一原點的方法，首先將地形三維模型導入大壩實體三維BIM模型項目當中，再三維視圖中統一兩個模型的原點，并且通過移動、復制、鏡像等操作構建整個大壩三維可視化模型[8-10]。