三维可视化大坝安全监控系统研发及应用

　　摘要：先进可靠的三维可视化大坝安全监控系统能准确检查大坝结构，展示仪器埋设位置，提高实时监测信息及大坝安全管理的效率。通过对大坝监测数据的深入分析，并依据规范拟定应力、渗流量等监控指标对三维数值模型进行正反分析，可确定大坝变形预警值。以湖南托口水电站为例，采用BIM技术构建了大坝实体、地形场景以及监测信息的三维可视化模型，并开发出集成了三维可视化模型展示、数据查询、数据展示及安全预警四大模块的大坝安全监控系统。该系统能全方位展示大坝结构、监测数据分析结果、监控指标等信息，并直观展示实时信息，实现了大坝安全监控预警，提高了大坝安全管理效率。相关经验可供类似水利水电工程的安全监控系统开发借鉴。

　　关 键 词：BIM技术; 安全预警; 大坝安全监控系统; 三维可视化

　　推荐阅读：《地方水利技术的应用与实践》于2010年6月水利水电出版社出版，由中国水利学会主办，收集了近期各地水利技术应用和实践中积累的经验和研究成果。

　　近年来部分水利工程由于大坝结构、监测仪器埋设位置复杂，以及监测信息直观性和实时性较差，大坝安全管理效率较低。因此，实现坝体及水工建筑、监测仪器及监测信息的三维可视化，提高大坝安全管理效率及实现其预警功能，已成为大坝管理的发展趋势[1]。目前，在可视化的基础上对大坝安全监控系统的相关研究成果已有不少：金有杰等提出通过数据集成管理，实现监测信息三维可视化，提高了监测信息的直观性[2];杨阳等开发了基于监测信息的大坝安全监控系统[3];马瑞等提出了基于三维可视化和物联网技术的水库大坝安全管理，可提升智能状态下的水库大坝设备安全管理效率[4];柴启蕾等设计了基于Qt和OpenGL的大坝安全监测可视化系统。

　　可提升大坝三维模型内外部交互的直观性[5];He B等对将三维GIS技术应用在小浪底水电站安全监测方面展开了研究[6];傅蜀燕等开发了三维BIM +WebGIS 可视化区域数字水库安全管理系统平台[7];赵志勇等基于BIM技术+GIS技术，开发了区域数字水库安全管理系统[8]。然而，关于利用BIM技术构建大坝、地形场景、监测仪器三维可视化模型，并且集成安全监控预警的系统研究鲜有报道。

　　为了精确反映大坝结构、监测仪器布置的三维可视化，提高监测信息的实时程度和大坝安全管理的效率，笔者团队基于BIM技术构建了大坝可视化实体，并在其中嵌入监测信息，开发出集成三维可视化模型展示、数据查询、数据展示及安全预警等模块的大坝安全监控系统，以提高大坝安全管理效率。

　　1 系统框架设计

　　BIM三维模型信息量大，可优化传统大坝安全监控管理模式，提升可视化效果。因此，可利用BIM平台的优点构建BIM模型，实现坝体、监测仪器三维可视化，实现大坝安全自动预警功能。本文开发的三维可视化大坝安全监控系统由用户层、应用层、支撑层、数据层、基础环境层构成，系统框架设计如图1所示。

　　系统基于大坝场景、实体建模数据，采用有限元数值模拟对坝体位移计算参数进行反演，确定大坝安全预警值;利用BIM技术构建大坝地形场景、实体、监测仪器三维模型;通过集成监测数据与三维可视化模型，完成系统的开发研究。

　　该系统主要由4个基本功能模块构成：① 三维可视化展示模块。该模块主要是对大坝地形场景、大坝实体场景以及监测仪器信息三维可视化模型进行展示。② 数据查询模块。该模块主要包括大坝及库区地形地貌信息、大坝及水工建筑结构信息、监测仪器信息以及监测数据的查询。③ 数据展示模块。该模块主要是对各类信息、数据以文档格式或图表格式进行展示，提高其可视化程度及准确性。④ 安全监控预警模块。该模块主要是设定预警指标，对有状况的监测部位进行自动预警。

　　第7期 朱 亭，等：三维可视化大坝安全监控系统研发及应用 人 民 长 江2019年 2 系统构建

　　2.1 基础数据

　　2.1.1 大坝地形场景数据

　　(1) 数字高程数据。可从现有地形图上直接获取或者现场实测得到，利用数字高程数据可得到粗略的大坝地形场景三维模型。

　　(2) 图片影像数据。图片影像数据是通过摄像得到的大坝地形场景实际图片影像并基于图片影像数据，对初步建立的大坝地形场景进行对比、校正、调色，进一步提高大坝地形场景三维模型的还原度。

　　2.1.2 大坝实体建模数据

　　三维大坝实体建模的主要依據是大坝设计图纸，在缺少图纸或图纸无法详细表达的情况下，基于点云数据来获取大坝及大坝周边详细地理环境信息，完善有缺失的部分模型，以提高模型的精确度。

　　2.1.3 安全监测数据

　　大坝安全监测主要分为渗流、内部、环境量以及变形监测。监测仪器主要包括位移计、渗压计、应力计等。监测数据分为：① 不具有方向性的标量信息;② 包括上下游、左右岸以及坝体垂直方向的矢量信息。

　　2.1.4 监控分析数据

　　监控指标主要包括变形、应力、渗流量等，其中可以依据水工建筑物手册确定大坝安全系数，拟定应力预警值;再结合典型大坝渗流分析结果拟定渗流量的监控预警值。

　　通过收集各水工建筑物的设计、施工资料以及坝区岸坡、地质地貌、水文信息等，采用ANSYS有限元软件构建大坝三维数值模型。

　　首先，对监测资料进行全面深入分析;再基于大坝、坝基以及坝坡的三维数值模型，计算其变形特性，并与监测结果进行对比分析，确定出坝体合理的变形力学参数，将研究成果与监测数据进行对比分析，确定坝体不同部位的变形预警指标。

　　2.2 模型构建

　　(1) 大坝地形场景。库区地形建模主要包括库区水域、边坡、道路、坝基等，将大坝地形图导入到Civil3D中，形成原始地形表面，结合大坝实际的图片影像进行对比修改，适当处理等高线的数据误差后，构建还原程度高、真实感强的大坝地形场景三维模型。

　　(2) 实体三维建模。利用Revit软件构建大坝实体三维模型，即基于大坝设计图纸，利用Revit平台建立大坝实体三维BIM模型;再将处理过的点云数据引入模型当中，填补缺失，更加精准地搭建大坝实体三维模型，实现对大坝模型精细化展示，直观、真实地展示大坝位置、构成、附属设备。对大坝地形场景与实体进行建模之后，还需要将它们进行对接整合，以构建整个水库大坝的三维可视化模型。一般利用同一原点的方法，首先将地形三维模型导入大坝实体三维BIM模型项目当中，再三维视图中统一两个模型的原点，并且通过移动、复制、镜像等操作构建整个大坝三维可视化模型[8-10]。