基于物聯網與WebGL技術的移位遠程智能監控平臺

余芳強

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續利用工程技術研究中心 上海 201103

1 工程概況

上海玉佛禪寺大雄寶殿平移頂升項目意義重大、影響范圍廣，安全保障是施工管理第一要務。為此，總承包單位聯合專業建筑物移位公司，攻克了面向網絡化應用的BIM模型輕量化、監測數據驅動的施工過程模擬等難點問題，基于WebGL和物聯網等技術自主開發了建筑移位遠程智能監控平臺。

WebGL（Web Graphics Library）是一種支持開發人員在瀏覽器中進行三維繪圖的開放協議，被Mozilla Firefox、Apple Safari等主流的瀏覽器支持[1]。Autodesk Forge是由Autodesk公司在WebGL基礎上開發的一組強大的Web服務API，可用于在網頁端渲染Autodesk Revit、3DS Max等軟件創建的BIM模型[2]。物聯網技術是應用智能傳感器、無線通信等信息技術，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種智能監測技術，其核心是智能傳感器和低功耗無線傳輸技術[3]。

移位遠程智能監控平臺集成了BIM、平移頂升位移信息以及第三方安全監測等信息，可在互聯網平臺上應用三維可視化模型直觀地展示施工工況以及安全信息，方便各級管理人員通過網頁、手機端微信等方式監管施工過程，達到了保障平移頂升安全、有序進行的目的。

2 平臺系統架構設計

調研表明，移位遠程智能監控平臺的功能需求包括以下6個方面：支持用戶通過網頁瀏覽器或手機端微信查看玉佛寺大雄寶殿BIM模型，提供高真實感的體驗；將現場監控數據實時上傳云端服務器，并與BIM模型融合和集成存儲；基于實時監測數據驅動BIM模型，實現四維的施工工況模擬；根據實時監測數據進行多維度數據分析與智能預警；支持回溯和查看歷史工況和監測數據；所有監測數據可以在網頁端或微信端查看。

結合平臺功能需求和現場實際情況，本研究設計了移位遠程智能監控平臺的系統架構（圖1），包括基于物聯網的現場數據采集端和后臺管理端兩部分。

1）現場信息采集端主要負責采集實時數據和通過無線通信網絡將數據上傳到云端數據庫，包括平移頂升位移傳感器、油缸壓力傳感器、第三方變形傳感器以及4G通信模塊等硬件模塊。采集設備具有持續工作、遠程實時傳輸、穩定性高、低功耗等特點。

2）平臺后臺管理端主要實現BIM與監測數據的集成、動態分析與模擬，施工管理等功能，包括模型數據庫、監測數據庫、WebGL服務器、應用服務器以及微信端、網頁端等客戶端模塊。

3 平臺關鍵技術研究

本課題首先解決了基于物聯網的施工過程數據實時采集、面向網絡化應用的BIM模型輕量化、基于WebGL的高真實感模型渲染以及監測數據驅動的4D模擬等難點問題。

圖1 建筑移位智能監控平臺系統架構

3.1 基于物聯網的施工過程數據實時采集技術

為掌握平移頂升過程中大雄寶殿主體木結構的實時變形情況以及佛像等文物的傾斜情況，本項目采用最先進的智能傳感器對主要結構和文物進行實時監測，傳感器布置如下：

1）在平移頂升設備上布置行程傳感器，監測平移頂升實際位移。

2）在托換承臺上布置激光測距傳感器，測量建筑平移、頂升的完成距離。

3）在平移、頂升千斤頂油泵部位布置壓力傳感器，監測千斤頂實時壓力。

4）在托換梁上布置加速度傳感器，監測建筑平移、頂升的實時速度。

5）在佛像佛臺、部分木結構柱處布置傾斜傳感器，監測相應構件的傾斜程度。

6）在佛像和支撐部件之間布置激光測距儀器，測量佛像傾斜距離。

多組傳感器在云端進行數據集成，最重要的是數據格式、傳輸延遲、精度和頻率等方面的協調統一[4]。因此，在實際使用傳感器數據前需要將數據進行一定的優化。優化的內容包括：數據轉換、插值計算、降噪濾波、統一頻率、編程自動化。采用的數據格式包括絕對時間、實際檢測值、數據通道ID等基礎數據。

3.2 面向網絡化應用的BIM模型輕量化技術

為快速建立玉佛寺大雄寶殿及內部佛像的精確三維模型，本研究采用三維激光掃描技術、傾斜攝影技術、BIM建模等多種方式建立三維模型。由于古建筑外形奇特，裝飾物復雜，佛像精致，建立的三維模型體量大、構件多，面向網絡化的應用存在傳輸量大、渲染時間長、體驗差等問題，需要進行簡化處理[5]。

本研究綜合應用點云降噪、逆向建模、構件合并和復雜構件減面等方法處理碎片化點云模型，減少構件個數和面數。在此基礎上，本研究還研發了使用組合物理貼圖替代復雜曲面模型的技術，在保證模型視覺效果的同時減少了模型細節，從而減輕模型體量，可實現在個人電腦和移動端的網絡平臺中順暢瀏覽三維模型的目標，滿足施工管理需求。

3.3 基于WebGL的高真實感模型渲染技術

建筑移位智能監控平臺采用Autodesk Forge進行BIM模型渲染，并基于WebGL自主研發了基于紋理貼圖的高真實感模型渲染技術。為確保數據驅動模型更新、變化等功能的實現，在建模階段需要賦予每個獨立構件一個唯一的識別編碼（ID編碼），用以快速定位、查詢相應構件。采用ID編碼匹配模型中的構件與BIM數據庫中相應的數據，支持模型與數據的交互。

3.4 監測數據驅動的四維施工模擬技術

在實時進度顯示模式下，打開網頁時向服務器請求最新平移位移值或頂升高度值，對大雄寶殿模型進行平移變換，平移的向量值即為實時獲取的平移位移值或頂升高度值。每2 min自動刷新一次進度情況，修正相應模型位置。

在歷史進度顯示模式下，用戶可手動滑動進度條，查看任意時刻的進度。在此模式下，客戶端會從服務端數據庫下載進度距離和時間的關系表，根據用戶所點選的進度顯示當時的進度情況，并根據所選時間顯示監測數據。

4 平臺功能簡介

在以上關鍵技術研究的基礎上，本研究采用Python語言開發后臺服務端，采用HTML5和JavaScript撰寫前端網頁，采用阿里云服務器部署系統，采用阿里云上分布式MySQL數據庫進行數據存儲，完成了基于物聯網和WebGL技術的移位遠程智能監控平臺，具體功能如下。

4.1 高真實感BIM模型查看

用戶通過瀏覽器、微信等客戶端可查看帶紋理貼圖和光照等具有真實感效果的三維模型，體驗實際施工場景，支持通過視角變換、漫游等方式從不同角度查看大雄寶殿（圖2），用戶可以查看外部結構或內部佛像的測點位置和數據，更直觀地了解工程情況。

圖2 不同視角查看高真實感BIM模型

4.2 實時監測數據查看

可通過網頁端或微信端選擇查看各個測點的當前數據，通過曲線圖展現數據變化趨勢。通過絕對時間的同步，方便查看同一施工狀態下，進度、油缸壓力、各測點數據，方便綜合分析施工現場的安全狀況（圖3）。

圖3 平移位移進度與頂推油缸壓力變化趨勢

4.3 4D施工進度模擬

根據實時獲取的施工進度信息，驅動模型坐標變換，展示四維的施工進度情況，與項目現場平移、頂升進度保持一致。用戶可在平臺隨意選擇某個歷史時間點，結合模型查詢歷史數據和施工進度（圖4）。利用存儲在云端數據庫的工程進度、監測數據，為事中監控和事后分析提供數據支撐。

圖4 4D施工進度展現

4.4 綜合分析與預警

平臺會自動根據各個監測點的實測值與預先設置的預警值進行對比分析，實測值超出正常范圍時將生成報警消息，根據預警等級推送給相關負責人。平臺則在BIM模型中測點所處位置通過閃爍等方式進行預警。在測點數據查看頁面，通過綠色、黃色和紅色標出各測點的不同等級預警范圍（圖5），清晰展示預警情況。另外，當數據接收失敗或數據出現異常情況時，平臺會向系統管理員報警，提醒其進行系統檢查。譬如當平移進度出現回退，或油缸壓力出現負值時，會自動提醒管理員。

根據活動的監測數據，可進行有效工作時間分析、工效分析、油缸壓力變化分析、平移加速度與變形關系分析等離線分析工作。其中，有效工作時間可根據油缸壓力為正值的時間或者平移或頂升速度不為零的時間統計得出，根據有效工作時間和總工作時間對比可分析工作效率。將平移加速度時間曲線與佛像傾斜變形時間曲線重疊，分析后發現隨著加速度變大，佛像傾斜角度變大，但總體在控制范圍內。

圖5 綜合分析與預警

5 工程應用驗證

本研究開發的移位遠程智能監控平臺在玉佛寺大雄寶殿平移、頂升施工全過程中進行了應用驗證，取得了較好的效果。在平移頂升施工的22 d，使用該平臺進行遠程監控和管理的用戶人數超過5 000人次，達到了對重點工序實施監管的目的，展現了承建單位的數字化、精益化建造水平，保障了施工安全。

6 結語

本文介紹了針對上海玉佛禪寺大雄寶殿平移、頂升過程開發的遠程監控平臺，通過關鍵技術研究、平臺開發和應用實踐，得出以下結論：

1）基于物聯網技術可以實現對平移、頂升過程的施工進度、重要設備狀態以及安全監測信息的實時監控、遠程傳輸和數據集成。

2）基于WebGL技術，通過BIM模型輕量化處理，可以在網頁端、微信端等方便地查看復雜古建筑的高真實感三維模型。

3）移位遠程智能監控平臺可實現基于實時監測數據驅動BIM模型，展現4D施工狀態以及結構和佛像變形情況，方便管理人員直觀形象地了解施工狀況，保障施工安全。