旭龍水電站安全監測三維可視化系統設計與應用

摘要：為滿足旭龍水電站智慧工程建設需求，進一步提升旭龍水電站安全監測業務管理水平和效率，基于旭龍水電站工程安全監測三維正向設計成果，利用信息化技術手段，探索基于BIM模型的工程安全監測三維信息化集成技術與基于三維場景下的工程安全性態演變趨勢模擬、預警預報技術，設計和開發一套旭龍水電站安全監測三維可視化系統。研究成果可為旭龍水電站安全監測智慧化管理提供重要支撐。

關鍵詞：安全監測； 三維可視化系統； 智慧工程； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV391

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.016

文章編號：1006-0081（2024）11-0100-06

0 引 言

人工智能、物聯網、無人機等技術的發展為水利水電工程安全監測智能化管理提供了強有力的技術支持，一批水利水電安全監測和信息化領域學者專家在安全監測業務可視化表達方面做了諸多研究。楊陽等［1-2］利用MATLAB可視化技術研究了大壩監測數據圖形化方法，實現了監測數據的連續化和多維時空表達，并基于已有的大壩安全監測分析系統，結合可視化技術，構建了新的三維可視化分析系統；鄭敏等［3］利用三維激光掃描和虛擬仿真等技術，以三峽大壩泄洪壩段為對象開發了大壩安全監測可視化系統。

隨著BIM技術和三維可視化技術的發展，安全監測信息可視化表達研究工作得到了進一步的發展，為安全監測智能化提供了更有力的技術保障。馬瑞等［4］從大壩安全信息三維可視化角度出發，設計了大壩安全管理平臺；周志浩等［5］利用成熟的可視化軟件，開展了基于BIM技術的變形監測可視化研究工作；徐瑞等［6］基于數字孿生技術的概念，結合GIS可視化技術手段，構建了一套三維可視化水利安全監測系統，實現了在該系統上安全監測信息展示和分析；李勇鵬［7］應用虛擬顯示技術和交互式仿真技術，建立了水電工程安全監測信息三維可視化展示平臺；雷蘇琪等［8］采用了貼近攝影測量方法對萬安大壩進行了三維建模，建設了萬安大壩可視化平臺，實現了監測資料的展示和管理；安覓等［9］采用了無人機傾斜攝影對水庫大壩進行了三維建模，構建了三維實景，并融合GNSS數據，搭建了水庫大壩三維可視化安全監測平臺。

旭龍水電站為“西電東送”骨干電源點之一，同時也是目前中國在建裝機容量最大的水電站，旭龍水電站建設方對智慧工程建設提出了更高的要求，安全監測作為工程建設過程中非常重要的安全保障手段，安全監測智能化必不可少，三維可視化作為實現安全監測智能化的重要技術路徑，可為旭龍水電站安全監測智能化提供更大的發展空間，豐富旭龍水電站安全監測業務的展示效果，為安全監測業務管理提供更加直觀有效的技術支撐。本文在旭龍水電站安全監測綜合管理系統建設基礎上［10］，開展了旭龍水電站安全監測三維可視化系統設計與應用研究工作。

1 關鍵技術研究

1.1 系統技術路線

本文結合水利高質量發展和數字孿生水利等行業發展趨勢，立足安全監測具體業務，分析現有監測成果表達不充分和監測業務應用困難等問題，以工程安全監測BIM模型信息化集成和GIS+BIM的三維空間場景下安全監測智慧應用為核心，研發了旭龍水電站安全監測三維可視化技術，并在大數據智慧感知體系下，采用微服務和前后端分離開發模式，以WebGL驅動的3D GIS引擎作為主要開發技術，并以Spring Boot、Spring Cloud Alibaba為主要集成框架，集成開發一套旭龍水電站安全監測三維可視化系統，在旭龍水電站工程建設現場部署應用。整體系統技術路線如圖1所示。

1.2 工程安全監測BIM模型信息化集成技術

在水利工程建設管理領域，GIS+BIM應用體系正在快速發展，但受限于BIM數據格式兼容性問題和批量模型渲染性能瓶頸，工程安全監測BIM數據在B/S信息系統應用中不能滿足便捷性、準確性和高效性需求。為此，基于達索3D Experience平臺建立的BIM設計成果，探索了分別針對旭龍水電站工程建筑物和安全監測儀器BIM數據特點的格式化轉換方法，將原始BIM模型轉換為3DTiles+JSON

多信息源數據，進一步存儲為切片文件和結構化數據表，采用3DGIS引擎加載渲染和調度交互，解決了3DGIS+BIM集成不兼容與信息丟失的關鍵難題，有效挖掘了工程安全監測三維設計成果信息化應用潛力。具體技術路線見圖2。

為適應旭龍水電站工程安全監測三維可視化高性能渲染和多元化應用需求，提出了空間視圖與工程安全監測部位視角多元配合的分層分部渲染方法，并研發了GIS+BIM安全監測可視化渲染技術，見圖3。在3DGIS渲染引擎支撐下，結合3DTiles和結構化屬性數據，分析三維場景視圖層級與空間位置，動態渲染主要監測部位儀器埋設點位及模型數據，突破了工程內外觀安全監測成果三維可視化應用瓶頸，實現了結構BIM模型、安全監測BIM信息宏觀展示與監測成果微觀動態模擬仿真的高效集成。同時，結合三維渲染引擎空間模型剖切技術，研發了一種基于BIM模型的工程斷面可視化技術，實現了分構件分區域透明的安全監測斷面交互式三維空間效果，并應用于旭龍水電站大壩斷面監測成果分析等多場景信息化集成中。

1.3 GIS+BIM三維空間場景的工程安全監測智慧應用

在上述技術研究基礎上，本文提出“監測設計+可視化仿真+智慧應用”三位一體的工程安全監測信息化與智能化技術路線，其中監測設計、可視化仿真、智慧應用分別為工程安全監測三維正向設計、三維可視化仿真技術和工程安全智能預警應用。以該路線為指導，融合安全監測BIM空間信息與考證信息，實現了旭龍水電站安全監測三維場景數據展示，見圖4。同時以包含常規統計模型和智能模型的預警模型為引擎，提升工程異常點快速定位和預報預警能力，并基于底層多源異構監測信息和監測模型驅動三維可視化場景，模擬仿真工程異常性態演變規律，為制定應急預案提供了有效支撐。

充分應用上述技術，構建融合監測成果、預警信息的旭龍水電站安全監測三維可視化系統，實現了旭龍水電站安全性態可視化表達與實時展示，實現了旭龍水電站安全監測業務統一化和數字化管理，見圖5。同時在融合三維可視化技術下，安全監測業務場景展示模式得到了進一步豐富，且更加直觀，大大提升了工程安全監測業務的管理效率和專業性。

2 系統總體架構設計

2.1 系統總體框架

該系統軟件采用分布式面向服務的體系架構，統一規劃設計，將各類應用功能劃分為不同服務模塊，搭建“數據中心”模塊，將其作為數據驅動服務，“其他業務”模塊通過“數據中心”模塊實現各類監測數據操作，在此基礎之上建立信息互動、綜合聯動、智能決策的應用系統。總體框架如圖6所示，將系統共分為資源層、數據層、服務層、應用層以及展示層。

（1） 資源層。資源層為從開發階段到運行階段全過程的基礎支撐資源，有硬件資源、軟件及網絡資源和數據資源。依據該系統應用需求，硬件資源主要包含了數據計算服務器、圖形計算服務器、存儲服務器和系統運行部署服務器等，主要為系統提供計算資源與存儲資源；軟件及網絡資源主要包含了數據庫支撐服務、三維GIS引擎和網絡通信服務，為系統基本數據計算與交互、空間地理信息計算提供底層服務支撐；數據資源根據旭龍水電站安全監測具體應用場景，劃分有人工觀測數據、自動化采集數據、環境量數據、巡視檢查數據、空間地理信息數據等。

（2） 數據層。數據層主要為系統提供數據管理服務，方便系統進行業務操作，在該系統中依據安全監測具體場景，劃分為結構化數據與非結構化數據，其中結構化數據主要有各監測項目觀測數據以及效應量數據、環境量數據和工程及監測儀器基礎信息數據等；非結構化數據主要有文檔資料、BIM模型數據、傾斜攝影模型數據、巡視檢查記錄和預警預報信息等。

（3） 服務層。該層主要設計有數據服務、服務治理、緩存服務、日志分析、異步通信、鏈路跟蹤和系統各應用通用服務。數據服務提供上層功能應用與數據庫的交互可能，統一完成應用層與數據層通信，為各具體安全監測業務提供數據操作服務；服務治理主要負責所有微服務的注冊、配置與發現；緩存服務用于緩存系統授權等信息；日志分析用于系統日志存儲管理與分析，提供解決業務模塊內部問題的可能；異步通信實現服務之間異步通信；鏈路跟蹤主要用于服務調用鏈管理與分析；通用服務將各應用都需要的功能模塊集中于該服務下，從而減少開發過程冗余工作，同時更好地管理系統各模塊功能。

（4） 應用層。應用層依據旭龍水電站安全監測三維可視化應用場景，涵蓋了監測一張圖、樞紐結構可視、監測儀器可視、測點數據查詢、測點位置管理、測點測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監測預警模擬和系統管理等應用。

（5） 展示層。該層主要供用戶在三維場景下，更加直觀地展示旭龍水電站安全監測成果和工程安全監測狀態，提升監測工作效率，為旭龍水電站安全監測管理工作提供更好的技術支撐。

2.2 系統功能設計

該系統設計有工程可視化、監測成果可視化和預警可視化三大主要功能模塊，包含監測一張圖、樞紐結構可視、監測儀器可視、測點數據查詢、測點位置管理、測點測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監測預警模擬和系統管理等功能。

工程可視化功能模塊包含有監測一張圖、樞紐結構可視、監測儀器可視3個功能，實現工程三維展示，完成工程重點區域傾斜攝影三維模型、主要建筑物三維模型、監測儀器三維模型的融合展示。以BIM模型為主體，將GIS地理空間信息交互應用，使用工程坐標系作為統一坐標系，集成所有三維模型數據，完成工程信息三維可視化。

監測成果可視化功能模塊包含測點測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬等功能，該功能模塊結合監測數據和BIM模型，實現了測點形變模擬、測線形變模擬、壩頂水平位移分布分析和壩段溫度場分布分析等三維情景下工程安全性態可視化應用。

預警可視化功能模塊基于實時監測數據和監測成果分析數據，在三維可視化場景下，實現快速定位異常數據測點。

3 典型功能應用

（1） 監測一張圖實現旭龍水電站GIS+BIM全場景三維融合展示，主要涵蓋旭龍水電站安全監測整體概況及主要監測部位矢量范圍，可通過點擊具體部位查看該監測部位的設計監測范圍和相應的監測概況，并能夠關聯展示該部位的監測施工實景圖（圖7）。

（2） 監測儀器可視功能實現對BIM模型結構的全信息展示，通過讀取BIM模型轉換生成的結構化信息還原儀器模型構件設計屬性，用戶可基于模型結構樹快速跳轉查看監測儀器位置，也可實現對BIM的基本屬性管理，進而實現監測儀器三維模型與監測數據交互（圖8）。

（3） 測點測線模擬功能實現同斷面或相鄰監測斷面下測點監測效應量變化趨勢，可更直觀分析監測部位相應性態的演變趨勢（圖9）。

（4） 斷面分析模擬功能在斷面剖切基礎上，通過對斷面輪廓提取和測點定位渲染，實現相應測點效應量數據云圖展示，如大壩壩段的溫度場和應力場分布分析（圖10）。

（5） 監測預警模擬功能通過讀取發生數據異常的測點，以動態標記展示測點狀態，發出實時告警特效。結合圖表與三維場景展示工程安全監測站點的分布情況，根據最新監測與評價數據，結合設置好的預警指標、級別、閾值等信息，進行工程安全預警信息的展示，通過顏色、閃爍等方式進行預警發布（圖11）。

4 結 語

本文提出了旭龍水電站安全監測三維可視化系統設計和開發方案，功能主要包含監測一張圖、樞紐結構可視、監測儀器可視、測點數據查詢、測點位置管理、測點測線模擬、位移分布分析、斷面分析模擬、監測預警模擬和系統管理等，實現了基于3DE的BIM模型與GIS融合的旭龍水電站安全監測一張圖三維可視化，并在三維場景下，結合監測業務，實現監測成果可視化和預警可視化等功能，大大提升了安全監測信息可視化程度，為旭龍水電站工程安全監測智慧化提供了業務支撐。

參考文獻：

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［8］ 雷蘇琪，劉兵，胡斌斌.基于3DGIS-ARK平臺的萬安大壩安全監測智能系統設計與應用［J］.水利水電快報，2022，43（12）：136-141.

［9］ 安覓，李瑤.水庫大壩三維可視化安全監測平臺研究與應用［J］.水利技術監督，2023（12）：47-50.

［10］ 劉光彪，李少林，吳雙利，等.旭龍水電站大壩安全監測信息綜合管理系統設計研究［J］.水利水電快報，2024，45（5）：105-110，116.

（編輯：李 晗）

Design and application of three-dimensional visualization system for safety monitoring of Xulong Hydropower Station

WU Shuangli1，JI Chuanbo2，3，LIU Guangbiao2，3，LI Shaolin2，3，SHEN Mingyi2，3

（1.CHN Energy Jinshajiang Xulong Hydropower Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 3.China Research Center on National Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to meet the needs of the smart engineering construction of Xulong Hydropower Station and further improve the level and efficiency of safety monitoring business management，based on the three-dimensional forward design results of Xulong Hydropower Station engineering safety monitoring，and using information technology means，we explored the integration technology of three-dimensional information technology for engineering safety monitoring based on BIM models and the simulation and early warning technology of engineering safety performance evolution trends based on three-dimensional scenes.We also designed and developed a three-dimensional visualization system for Xulong Hydropower Station safety monitoring，providing important support for the intelligent management of Xulong Hydropower Station safety monitoring.

Key words：

safety monitoring； three-dimensional visualization system； smart engineering； Xulong Hydropower Station