基于BIM的港珠澳大橋三維監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海寶信軟件股份有限公司 李周雨

基于BIM的港珠澳大橋三維監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上海寶信軟件股份有限公司 李周雨

為了直觀、真實(shí)、實(shí)時(shí)的了解到港珠澳大橋機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及交通狀況，建立一套三維監(jiān)控系統(tǒng)非常必要，本文將BIM技術(shù)應(yīng)用到島橋隧監(jiān)控領(lǐng)域，并與傳統(tǒng)的二維監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了深度融合，實(shí)現(xiàn)了三維場景中的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備控制、設(shè)備動作仿真模擬。為操作人員提供了逼真的在現(xiàn)場景，幫助其更加直觀獲知到現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，提升了監(jiān)控效率。

BIM；港珠澳大橋；二維監(jiān)控；三維監(jiān)控

1.引言

港珠澳大橋是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程。主體工程長約29.6km，采用島橋隧組合方案，其中,隧道段約6.7km，橋梁段約22.9km。

由于隧道存在空間狹長、密封性強(qiáng)、設(shè)備設(shè)施多、限速限高、安全要求高等特點(diǎn)，一旦發(fā)生交通事故、火災(zāi)，隧道內(nèi)環(huán)境將發(fā)生急劇惡化，將直接影響到人員的健康安全，因此建立一套實(shí)時(shí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，用于提升橋梁隧道的管理、提高行車服務(wù)誘導(dǎo)，顯得必不可少。

而當(dāng)前的隧道監(jiān)控系統(tǒng)基本采用二維監(jiān)控系統(tǒng)，無法直觀、身臨其境的了解到現(xiàn)場的情況，存在交互性以及表現(xiàn)力均欠佳，對操作人員要求較高，使用起來不靈活等問題。本方案在傳統(tǒng)的二維監(jiān)控基礎(chǔ)上引入了BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)。

本文將闡述如何將現(xiàn)場各類設(shè)備接入系統(tǒng)，如何將BIM技術(shù)與傳統(tǒng)二維監(jiān)控技術(shù)融合，最終實(shí)現(xiàn)三維場景中對各類設(shè)備的監(jiān)控。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

港珠澳大橋監(jiān)控項(xiàng)目中，涉及的業(yè)務(wù)設(shè)備種類多、數(shù)據(jù)分類廣、應(yīng)用功能集成度高、系統(tǒng)聯(lián)動復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)一個(gè)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

2.1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依次為數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用服務(wù)層、以及應(yīng)用表示層，如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)處理層為數(shù)據(jù)預(yù)處理層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)與驅(qū)動服務(wù)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)根據(jù)系統(tǒng)中所做的配置，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、分發(fā)、計(jì)算、以及報(bào)警的預(yù)處理，較高頻率采集的過程數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，預(yù)處理層中處理完的數(shù)據(jù)和報(bào)警可直接存入歷史數(shù)據(jù)庫中。驅(qū)動服務(wù)以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層的通信，接受設(shè)備層發(fā)送來的運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)。

應(yīng)用服務(wù)層：負(fù)責(zé)在該層完成與數(shù)據(jù)處理相關(guān)層以及服務(wù)相關(guān)的處理，為應(yīng)用表示層提供與監(jiān)控業(yè)務(wù)相關(guān)的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新組織與管理，并且通過該層的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用層的隔離，使得整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)松耦合的結(jié)構(gòu)。包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲服務(wù)、趨勢報(bào)表服務(wù)、統(tǒng)一授權(quán)服務(wù)、系統(tǒng)聯(lián)動服務(wù)、多媒體監(jiān)控服務(wù)、故障與報(bào)警服務(wù)、系統(tǒng)日志服務(wù)、提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢服務(wù)，以及基于BIM的應(yīng)用服務(wù)。

應(yīng)用表示層包括兩個(gè)層面的應(yīng)用，一是二維監(jiān)控開發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。二是三維監(jiān)控開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā)、配置，并運(yùn)行于三維運(yùn)行平臺之上，實(shí)現(xiàn)三維畫面的顯示。

2.2 數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)圖

設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)信息，通過數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、轉(zhuǎn)發(fā)存儲模塊，形成過程數(shù)據(jù)，供二維、三維實(shí)時(shí)監(jiān)視使用，同時(shí)將過程數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

BIM模型驅(qū)動引擎模塊，實(shí)現(xiàn)BIM模型的讀取、識別、顯示、查詢、操作、控制，讀取應(yīng)用服務(wù)模塊的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并疊加展示，接受客戶在界面上進(jìn)行操作的指令，發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操控。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 各子系統(tǒng)設(shè)備接入

各子系統(tǒng)設(shè)備接入采用設(shè)備數(shù)據(jù)表接口進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制的交互。設(shè)備數(shù)據(jù)表是一塊共享內(nèi)存區(qū)，并包含基于共享內(nèi)存的隊(duì)列。將所有類型設(shè)備的輸入輸出的參數(shù)和接口，均在驅(qū)動和配置服務(wù)中統(tǒng)一為數(shù)據(jù)塊的方式進(jìn)行維護(hù)，數(shù)據(jù)塊大致歸類為數(shù)值形式和字符串，對應(yīng)到客戶端則稱之為Tag點(diǎn)方式，并對Tag點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的屬性設(shè)置。通過這種方式，將所有的設(shè)備的輸入輸出，均統(tǒng)一稱為了節(jié)點(diǎn)類型。所有的處理邏輯，都放到程序內(nèi)部的函數(shù)進(jìn)行處理，最終結(jié)果或控制指令，都會拆分放入對應(yīng)的TagID對應(yīng)的TagValue數(shù)值內(nèi)。

通過統(tǒng)一的設(shè)備接入開發(fā)框架和統(tǒng)一的接口能夠提高代碼復(fù)用率，便于上層的調(diào)用。上層在調(diào)用時(shí)只需要往通道中寫入命令，該通道就會將命令傳入相對應(yīng)的接口函數(shù)中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)上層對終端設(shè)備的控制。

3.2 BIM模型接入

圖3 BIM模型接入圖

根據(jù)港珠澳大橋CAD圖紙、設(shè)備編碼等數(shù)據(jù)信息，采用Autodesk Revit建模軟件創(chuàng)建模型，包括：橋梁、隧道、人工島BIM模型及交通工程各子系統(tǒng)（通風(fēng)、給排水、監(jiān)控、照明等）BIM模型。其中橋梁、隧道、人工島和房建部分建模深度達(dá)到LOD200，交通工程各子系統(tǒng)建模深度達(dá)到LOD400以上，部分設(shè)備深度達(dá)到LOD500。

通過Navisworks工具對BIM基礎(chǔ)的Revit模型數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)、線、面、材質(zhì)及光線等轉(zhuǎn)換或替代，從而使得模型達(dá)到輕量化目的。這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢在于輕量化模型保留原有BIM模型圖形、文字、三維、包括時(shí)間等信息

基于Navisworks建立的輕量化模型，然后導(dǎo)出Fbx文件到3d max軟件中，可以對模型進(jìn)行編輯、貼圖、烘焙、渲染，導(dǎo)出ive、osg數(shù)據(jù)文件供三維仿真設(shè)計(jì)開發(fā)使用。

三維仿真系統(tǒng)以ActiveX控件的形式嵌入到二維系統(tǒng)的組態(tài)畫面中， ActiveX提供一些屬性及方法，二維系統(tǒng)通過這些屬性或方法將信息傳遞給三維。ActiveX控件還提供一些事件，三維展示需要與二維系統(tǒng)交互時(shí)，就觸發(fā)事件。

4.系統(tǒng)功能

4.1 虛擬漫游

通過鍵盤鼠標(biāo)操作可在三維畫面中進(jìn)行虛擬漫游操作，按下鼠標(biāo)操作，實(shí)現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、上、下、左、右平移。同時(shí)，可以通過鍵盤的鍵位來控制視角前、后、左、右、上、下的移動、旋轉(zhuǎn)。

4.2 設(shè)備定位

系統(tǒng)設(shè)有目錄樹，并按照機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、類型、位置進(jìn)行分層設(shè)置，點(diǎn)擊該目錄樹中的設(shè)備，可以快速定位至三維場景相應(yīng)位置的設(shè)備處。

4.3 設(shè)備監(jiān)視

在三維視圖中以文字標(biāo)牌的形式實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的信號值，在三維視圖中以紅色閃爍形式展示故障設(shè)備并報(bào)警。

4.4 設(shè)備控制

點(diǎn)擊三維視圖中設(shè)備的文字標(biāo)牌，調(diào)出二維控制畫面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制操作。

圖4

4.5 設(shè)備動作仿真模擬

三維視圖中的設(shè)備動作可與現(xiàn)場設(shè)備同步，如風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動方向同步現(xiàn)場；信號燈顯示當(dāng)前綠色通行和紅色封閉的狀態(tài)；情報(bào)板顯示當(dāng)前情報(bào)板顯示的文字和動態(tài)效果（走馬燈等）；照明燈具顯示當(dāng)前開關(guān)的狀態(tài)。

5.結(jié)論

通過將BIM技術(shù)引入到島橋隧的綜合監(jiān)控領(lǐng)域，具有一定的創(chuàng)新性。本文結(jié)合港珠澳大橋項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)例，通過與二維監(jiān)控技術(shù)的融合，提升了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的高度，充分發(fā)揮了三維場景的直觀性，整個(gè)三維監(jiān)控真實(shí)感較強(qiáng)，信息豐富完整。使決策者可以快速直觀的實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備監(jiān)控的三維動態(tài)管理。

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