基于BIM+GIS的土石壩安全監測管理平臺研究及應用

張曉陽,杭旭超,賈玉豪,錢 鋒

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

隨著中國水利水電行業的發展，水電工程運行期安全管理工作愈發關鍵，如何在傳統安全監測業務的基礎上，有效整合多源數據，充分利用數字化工具[1-3]，匹配相應安全管理制度，實現全生命周期精細化管理[4]，有力踐行智慧化轉型是目前行業關注的重難點。BIM模型作為工程數字化轉型的基礎，不僅可實現規劃、設計、施工及運維等階段信息共享，打破數據壁壘[5-8]；同時與GIS技術相融合，可高效率整合多源數據，在微觀及宏觀層面對數據進行可視化展示、處理、分析[9]，高效賦能大壩安全管理業務。行業內學者在BIM應用及BIM+GIS相融合均有大量研究探索[10-13]，但結合實際業務進行具化應用仍需進行大量實踐探索。

本文以BIM+GIS為基礎，覆蓋大壩安全監測“裝、采、傳、存、析、用”全過程，以“數字化轉型”為驅動，構建安全監測管理平臺，以期解決資產難管理、儀器難溯源、數據壁壘等問題，切實提高大壩安全管理水平。

1 基于BIM+GIS的安全監測管理平臺搭建

1.1 運行期安全監測管理要素分析

安全監測工作貫穿水電工程規劃、設計、施工及運行各階段，是安全管理工作的重要組成部分。相比施工期，運行期側重資產運維及數據分析等，且運行主體一般是在竣工驗收之后方參與安全監測管理工作，往往存在信息缺失、割裂等問題。以全生命周期管理模式為基礎，實現工程數字化，數據資產化，搭建安全監測管理平臺，可為運行主體、監測單位、監管部門等提供全面的數據及技術支撐(圖1)。

圖1 安全監測全生命周期管理模式示意

1.1.1工程數字化

按照一物一元、一元多維的理念構建土石壩及安全監測設備三維模型，建立BIM模型編碼標準，以唯一編碼貫穿資產全生命周期，覆蓋監測儀器采購、開箱、埋設、率定、檢修、封存全過程。BIM模型與儀器基本信息、狀態、實時數據及預警信息等相關聯，實現數字資產高共享、可溯源。

1.1.2數據資產化

將安全監測相關的資料數字化、標準化，統一數據標準，對內對外提供數據服務。數據主要包括結構化及非結構化數據兩大類：結構化數據主要包括BIM模型、GIS數據、傾斜攝影數據、監測數據、水文氣象、地震、巡檢數據等；非結構化數據主要包括各階段產生的圖紙、文檔、視頻、監管信息等。

1.2 關鍵技術研究

1.2.1土石壩BIM模型構建

土石壩斷面結構及邊界條件復雜，往往等需結合地形進行放坡，在其他三維設計軟件中往往需要二次開發[15-16]。基于B平臺OpenRoads Designer軟件提出土石壩三維設計解決方案，具體流程見圖2。

圖2 基于OpenRoads Designer土石壩三維設計解決方案

在橫斷面組件設計過程中遵循從上到下、先中間后兩邊、先控制點后細節點的原則，結合約束條件對細節點進行控制，約束關系主要包括水平距離、垂直距離、坡度、平行及直線的垂直距離等，對組件的大小、位置及形狀等進行約束，從而完成橫斷面模板的組裝，并賦予組件不同材質。同時建立相應參數化標簽，在結構建模過程中，參數化調整、編輯對應樁號組件的幾何信息，實現設計意圖。

結合B平臺統一的數據結構及格式，水工結構、地質及監測等不同專業模型以參考方式實現無縫組裝，通過ProjectWise進行協同設計，實現設計過程的分散化及設計成果的集中化。

1.2.2多源數據的采集及融合

平臺主要面向安全監測、水文氣象、泥沙、地災體、巡視檢查、地震監測及監控視頻等進行采集及融合，廠站實際生產過程中，上述數據來源、存貯位置及格式均不相同，且歷史數據與實時動態數據并存，基于現狀提出多源數據采集及融合方法。

1.2.2.1歷史數據標準化及數字化

對于水電站基本信息、安全監測歷史資料、巡視檢查資料及相關管理文檔，采用系統接入及人工錄入等方式，實現歷史數據的標準化及資產數字化，對相應文檔進行分門別類存儲，并與數字資產相關聯，進行高效管理及利用。

1.2.2.2實時監測數據接入

實時監測數據主要包括安全監測、水雨情監測及閘門調度等。安全監測主要包括變形、滲流、應力應變及溫度、專項監測等；水雨情監測主要包括氣溫、降雨量、上下游水位及出入庫流量等。結合電力安全防護規定，上述系統及數據往往分布在不同安全分區，結合現場安全防護設備，開發監測數據增量數據轉換程序，實現實時數據的導出及入庫。

1.2.2.3Web端數據接入

對于流域性氣象資料及地震信息，在Wed端布設采集服務器，采用API接口調用氣象局及地震臺網實時數據，從而實現數據入庫。

在多源數據采集的基礎上，進行標準化數據治理，剔除錯誤數據，打造水電工程核心數據資產，通過多源數據挖掘分析，建立由點及面、多維度立體融合、逐漸向全流域拓展的數據分析體制，數據賦能傳統業務，進一步提升大壩安全管理水平。

1.2.3基于全生命周期的監測數據庫構建

安全監測儀器作為工程運行狀態的感知單元，在水利水電工程領域應用廣泛，品種繁多，數據采集、傳輸、存儲形式各異，儀器設備從采購、開箱檢查、安裝埋設、驗收移交、運行監測等各階段附加的業務信息各有不同，且信息往往只存留在施工、設計及管理單位自身，彼此之間數據割裂，信息孤島現象嚴重。隨著信息化手段的應用，自動化監測系統得到普及，安全監測數據的管理、分析及預測得到提升，但仍存在監測儀器管理缺失等問題。

結合全生命周期管理理念，構建安全監測數據庫，以監測儀器模型唯一編碼為基礎，從儀器、監測項目及埋設部位等3個維度對儀器進行全過程管理。監測儀器維度主要包含廠家、型號、儀器類型及儀器規格等監測儀器基本信息，同時結合監測模型編碼進行標識，實現監測儀器精細化管理；監測項目維度從監測類型、監測目的等，通過測點編號關聯監測模型編碼對儀器進行管理；埋設部位維度在傳統水工結構物劃分的基礎上，匹配編碼標準，為監測儀器分區管理提供依據。在監測儀器多維度全生命周期管理基礎上，結合基本信息、安全監測數據及文件分布式存儲，實現各階段信息的高保真傳遞。

1.2.4BIM+GIS融合

BIM模型可詳細描述工程實體的幾何及屬性信息，GIS(地理信息系統)可采集、儲存、分析和查詢地理信息數據，具體描述地球表面空間中的地理分布。BIM+GIS相融合既可對工程進行細部表達，提供海量數據支撐，又可實現廠站、庫區、地災體及流域等多源海量數據融合，實現不同業務場景的融合展示。

數據結構層面，BIM、GIS均包括空間位置、外觀形狀等信息，結構相似，基于底層數據轉換標準，采用第三方插件及格式轉換等方法在三維平臺上進行數據融合。將DGN格式BIM模型文件轉換為UDB、UDD數據庫型文件，以供iDesktop軟件調用；GIS數據主要包括TIN地形服務、影像服務和影像注記服務等。BIM+GIS融合主要在GIS平臺中集成BIM數據，通過解析UDB文件型數據庫中的BIM數據，針對BIM模型進行編輯和處理等，完成BIM數據集成；解析OSGB格式的傾斜攝影數據[14]，針對模型進行裁剪、特效制作等；將BIM及傾斜攝影數據統一加載在三維場景中，完成相應制作及緩存，并提交工作空間及配置文件。通過iSever進行服務發布，建立地圖服務、三維服務和數據服務，利用其API接口，存取三維場景中BIM數據和傾斜攝影數據，利用公共服務的API接口，獲取TIN地形服務、影像服務和影像注記服務，同時接入多源實時監測數據，實現BIM+GIS的融合，融合流程見圖3。

圖3 BIM+GIS融合流程示意

2 基于BIM+GIS的安全監測管理平臺設計

2.1 平臺架構設計

系統架構主要分為數據源層、應用平臺、業務應用及展示層，平臺架構見圖4。在歷史資料及多源數據數字化、標準化的基礎上，打通“數據壁壘”，高效整合全生命周期數據資源，標準化定制安全監測管理業務流程，面向用戶提供“大屏、中屏、小屏”服務，實現大壩安全監測強監管，提升安全監測管理水平。

圖4 基于BIM+GIS安全監測管理平臺架構

2.2 主要功能模塊

2.2.1綜合信息管理

基于一張圖的設計理念，將水電站各階段產生的數據資源有機融合，結合空間地理信息，從工程階段、監管信息及文檔管理等多個維度進行綜合管理及展示。如從監測項目、自動化程度、缺測率、預警信息等維度對監測信息進行統計，并基于BIM+GIS進行流域內水雨情、水文氣象、泥沙、地災體及地震等多源數據實時匯聚、統計、展示。

2.2.2BIM+GIS可視化展示

以空間地理信息為底圖，加載BIM模型、傾斜攝影資料，構建可視化場景，提供模型測量、剖切及屬性查詢等功能，同時可定制巡檢路線，結合巡檢實時數據及關鍵部位監控視頻等，與儀器狀態、監測數據、水雨情、氣象及數字資產等進行聯動，實現遠程巡檢，提高工作效率。對大壩定期巡視檢查、汛期檢查、監測設備排查等過程中發現的安全隱患，結合數字化資產進行全過程可視化處理，定制隱患排查消缺流程，實現多級協同處理。

2.2.3安全監測管理

從監測項目、工程部位及儀器類型等維度對監測數據進行分類管理、查詢，以列表、過程線的方式對測點埋設信息、測點數據、水雨情數據等進行查詢展示，分階段對測點特征值進行統計，結合廠站月報、年報等定制標準化模板，提供一鍵整編及數據報送功能。

針對監測儀器，結合數據庫建設，實現主流儀器廠家、類別、型號及全覆蓋，結合儀器運行各階段信息，構建監測儀器“生命軸線”，實現監測儀器全生命周期管理，結合儀器監測目的、測量范圍及測量精度等，實現監測儀器維護提醒、更換智能匹配等，方便儀器運維管理。

2.2.4監測分析預警

結合監測系統排查及相關分析報告等，進行監測數據的粗差剔除、統計分析工作，建立多級別、多層次的安全指標體系，對超出或即將達到預警閾值的各類監測測點，如壩體表面位移、裂縫變形等監測數據進行預警，以短信及微信方式推送給技術人員，后續重點關注，結合隱患消缺流程，完成分析、預警、處置閉環工作流程。

2.2.5設備資產管理

在已有二維圖紙、文檔、設備清單等的基礎上，通過編碼標準及BIM模型建立，建立資產設施與人員、空間以及各種數據文檔的關聯關系，形成數字化資產庫，可分別從空間位置、單元工程及組織結構等多維度由三維模型出發進行數字資產的多種查詢、管理，實現二、三維聯動及精細化管理，為數字化移交提供技術支持。從工程部位、設備狀態、運維周期等不同視角對設備進行管理，對設備狀態進行統計展示，對設備狀態不正常的儀器形成閉環管理。以“生命軸線”直觀展示監測儀器等設備全生命周期信息，并疊加各階段產生的文檔信息，如合格證、說明書、埋設考證表、質量評定表、作業指導書及維修記錄等，便于整理查看。

3 水電站應用及介紹

某水電站位于湖北省境內，以發電、防洪為主，并兼顧其他效益，壩體為面板堆石壩。結合相應資料進行系統應用，完成精細化數字模型及傾斜攝影模型建立、BIM+GIS融合、多源數據融合展示及資產精細化管理等工作。

進行樞紐工程范圍內地形建模、壩體斷面模板建立、材料定制等工作，結合編碼標準及主體結構劃分，完成基本信息及文檔資料關聯；采用固定翼無人機對樞紐工程范圍內進行傾斜攝影建模，搭建可視化場景。

針對安全監測儀器，定制監測儀器庫，并存儲為dgnlib文件，方便后續調用。對于安全監測信息，如儀器信息、埋設信息及測點信息等，采用添加項的方式與庫中監測儀器做關聯，進行業務信息及儀器屬性定制。儀器通過單元放置精確布置在埋設位置上，并添加測點編號、測點ID等信息，便于模型與實時數據聯動展示。

在土石壩精細化BIM模型建立過程中，完成幾何信息建立及構件屬性賦值，并通過第三方插件，以安全監測數據展示及業務應用為出發點，發布數字應用場景，結合監測儀器埋設信息、BIM模型及關鍵部位實時監控視頻，對監測儀器的埋設布置、空間位置進行聯動展示。

在完成多源數據采集的基礎上，對長時間序列安全監測數據的連續性、穩定性和可靠性進行評判分析，進而基于各效應量監測數據與待選影響因子變化的相關性，篩選統計模型的影響因子并確定模型表達式，結合實測資料反演確定模型中各項因子的系數，以此作為測點的監控模型，對監測數據進行短期監控預警。結合工程地質、結構設計、施工和運行以及重大缺陷處理等資料，確定亟需關注的重點監測對象和關鍵項目，結合監測數據分析設定關鍵部位測點評判準則及對應的評判指標，對不同測點進行分部位、分區、分占比的綜合評判，將評判結果分為正常、輕微異常、一般異常及嚴重異常等；通過對不同監測測點進行安全度分析，得到關鍵部位的評估結果，并對單測點、單個監測類型、局部結構等狀態異常數據進行預警，從而評定大壩整體安全服役性態預警等級。

結合預警信息或實時地震信息，跳轉到需關注的場景或工程部位，并采用微信、短信等方式推送至技術人員，為安全監測提供數字化、智慧化解決方案，BIM+GIS融合場景見圖5。

圖5 基于BIM+GIS可視化場景展示

4 結語

本文基于全生命周期管理理念，從精細化模型建立、多源數據融合展示及BIM+GIS融合等方面，闡述面向土石壩運維期安全監測管理平臺搭建的關鍵技術，并結合具體業務進行應用研究。平臺覆蓋安全監測生產全過程，實現了設備資產精細化管理、多源數據融合及應用，為工程數字化、智慧化轉型提供技術支撐，一定程度上可為后續類似應用研究提供參考。