長河壩水電工程中大壩安全監(jiān)測信息的動態(tài)管理

王 振，呂明明，劉 軍，馮玉峰，李元元

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001；3.長江空間信息技術(shù)工程有限公司重慶分公司，重慶401147)

1 背景和意義

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站，是一等大(1)型水電工程，主要由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等組成。正常蓄水位下庫容為10.75億m3，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m，電站的總裝機(jī)容量2 600 MW。作為一座在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造的200 m以上的高土石壩，安全監(jiān)測是掌握長河壩大壩運(yùn)行狀態(tài)和安全狀況的重要手段和方法。因此，如何實(shí)現(xiàn)對安全監(jiān)測龐大信息數(shù)據(jù)量的高效集成、可視化管理與分析，并建立有效的安全預(yù)警機(jī)制及應(yīng)急預(yù)案措施，以輔助工程高質(zhì)量施工、安全運(yùn)行與管理決策，成了事關(guān)工程建設(shè)能否按期、安全、高質(zhì)量實(shí)施的關(guān)鍵性技術(shù)問題。本文提出研制開發(fā)長河壩水電站安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工程安全監(jiān)測的信息整合和數(shù)據(jù)共享，并在工程整個生命周期里，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動態(tài)更新與維護(hù)。

圖1 海量數(shù)據(jù)管理模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 海量數(shù)據(jù)管理模型

長河壩工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及種類多，包括沉降變形數(shù)據(jù)、滲流滲壓數(shù)據(jù)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、溫度信息數(shù)據(jù)等，以及由此衍生進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息，為此引入“分級存儲”概念。針對以上不同性質(zhì)數(shù)據(jù)，分別建立相對獨(dú)立數(shù)據(jù)庫，并采取不同的策略進(jìn)行存儲。

同時，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，實(shí)時性高，故存儲難度大，在數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲時采用相對完善的企業(yè)級版本的數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)一采用格式化文本的數(shù)據(jù)存儲方式，以保證數(shù)據(jù)安全、完整的存儲和有效的利用。在數(shù)據(jù)庫的實(shí)際存儲中，將所有相同意義的字段，把字段名稱，數(shù)據(jù)格式(包括數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)長度)統(tǒng)一處理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)字段；數(shù)據(jù)庫中各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)字段內(nèi)容的含義可能不同，在數(shù)據(jù)處理之前使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字典將數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定；數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量隨著工程進(jìn)展增大，采取對于系統(tǒng)無用的數(shù)據(jù)及時清理，并建立安全策略，保證有用數(shù)據(jù)的安全性。圖1為海量數(shù)據(jù)管理模型。

此外，對于海量數(shù)據(jù)的管理，需采用代數(shù)優(yōu)化查詢優(yōu)化方法，在不涉及存儲路徑條件下對查詢語句進(jìn)行變換，從而能快速地從海量數(shù)據(jù)中提取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)。

2.2 樞紐布置的三維可視化建模

三維可視化表達(dá)，就是要實(shí)現(xiàn)形體數(shù)據(jù)到三維圖形的變換。三維可視化過程分為3個子過程，見圖2。

圖2 三維可視化過程

(1)數(shù)據(jù)處理(Data Manipulation)，主要完成數(shù)據(jù)的過濾，使原始數(shù)據(jù)(如CAD數(shù)據(jù))得到細(xì)化或增強(qiáng)，并轉(zhuǎn)化為適合后續(xù)可視化操作的表示形式，包括網(wǎng)格化、插值、梯度計(jì)算以及格式轉(zhuǎn)化等。

(2)可視化映射(Visualization Mapping)，將數(shù)據(jù)過濾導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為抽象可視化對象(Abstract Visualization Object， AVO)。AVO用來描述各種時空對象，其屬性包括幾何、時間、顏色、透明度、光照、反射系數(shù)及表面紋理等。

(3)三維顯示(3D Displaying)，AVO經(jīng)三維變換，變換到屏幕坐標(biāo)系中，再利用光照模型和面繪制算法進(jìn)行隱藏面和隱藏線消除，計(jì)算光照強(qiáng)度并設(shè)置物體投影角度，生成形象逼真的三維圖形。

另一方面,本文測量系統(tǒng)還采用了WeBee公司的B-0004藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能[18],其原理圖如圖9所示。從圖可以看出,藍(lán)牙芯片只需要RXD和TXD兩個引腳與單片機(jī)相連即可以工作,占用的單片機(jī)資源很少,使用起來很方便。

工程樞紐布置不僅涉及施工場地、環(huán)境、建筑物布置等信息，還反映建筑物及地形填挖等空間的邏輯關(guān)系。因此，工程信息的三維可視化建模是在樞紐布置三維建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。利用3DSMax所特有的三維建模及逼真場景輸出功能為反映工程樞紐布置系統(tǒng)所揭示的地物及其相互之間的關(guān)系提供了條件。圖3為工程樞紐布置三維可視化建模過程。

圖3 樞紐布置三維可視化建模過程

2.3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的可視化管理

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化集成模型

將3D模型與工程綜合信息的屬性數(shù)據(jù)建立一一對應(yīng)的關(guān)系，采用ActiveX控件形式，在Web瀏覽器中調(diào)用3D模型，繪制三維圖形；同時從綜合信息的屬性數(shù)據(jù)庫中訪問3D模型對應(yīng)的屬性信息。工程綜合信息網(wǎng)絡(luò)可視化集成模型見圖4。

圖4 工程綜合信息網(wǎng)絡(luò)可視化集成模型

2.3.2 三維可視化插件開發(fā)

將三維模型數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁，開發(fā)嵌入網(wǎng)頁的三維可視化插件，需解決以下問題：

(1)場景圖組織。針對三維數(shù)據(jù)的空間管理與邏輯操作，場景圖使用以下組織結(jié)構(gòu)：① 空間結(jié)構(gòu)，為符合人們對空間事物的理解，場景圖采用樹狀結(jié)構(gòu)；②揀選機(jī)制，增加投影剔除、隱藏面消除功能，減少系統(tǒng)總體負(fù)擔(dān)；③動態(tài)顯示，實(shí)時計(jì)算物體與觀察者的距離，根據(jù)視距有選擇地顯示不同細(xì)節(jié)層次的物體；④動態(tài)加載，場景中進(jìn)入到顯示距離的對象從硬盤中加載，而當(dāng)其超出顯示距離時，則從內(nèi)存中移出；⑤多種數(shù)據(jù)接口，方便地讀取不同格式的數(shù)據(jù)文件。

(2)圖形渲染。普通圖形渲染系統(tǒng)保存所有幾何體并執(zhí)行繪圖，將所有保存于場景圖中的幾何體都以底層繪圖指令發(fā)送到硬件設(shè)備上，無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)的幾何體更新、揀選，大大影響整個系統(tǒng)的實(shí)用性和高效性。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用、高效、快速的場景渲染，圖形顯示實(shí)行以下遍歷操作：①更新，使用回調(diào)函數(shù)修改場景圖形的位圖、狀態(tài)、幾何信息；②揀選，在場景圖渲染前，檢查場景中所有節(jié)點(diǎn)的包圍盒，判斷其是否在顯示范圍內(nèi)，以決定該節(jié)點(diǎn)是否添加到渲染列表中；③繪制，調(diào)用OpenGL繪圖指令，實(shí)現(xiàn)最終渲染。

(3)網(wǎng)頁中三維場景顯示與交互。采用ActiveX控件與網(wǎng)絡(luò)語言相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量場景的網(wǎng)頁實(shí)時交互顯示，配合控件相關(guān)方法及屬性實(shí)現(xiàn)與WEB應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。在進(jìn)行工程綜合信息的動態(tài)可視化時，網(wǎng)絡(luò)腳本語言定時通過事務(wù)邏輯類從數(shù)據(jù)庫中讀取動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給ActiveX控件，控件根據(jù)接收的數(shù)據(jù)重新組織場景圖，實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時更新；在查詢狀態(tài)下，控件將鼠標(biāo)點(diǎn)選對象的ID傳輸給網(wǎng)絡(luò)腳本語言，后者通過事務(wù)邏輯類訪問數(shù)據(jù)庫查詢對應(yīng)ID的信息返回相關(guān)數(shù)據(jù)。在控件中定義鼠標(biāo)與鍵盤事件完成場景的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、透視與真立體的顯示、對象的顯示與隱藏以及點(diǎn)選時的信息反饋，實(shí)現(xiàn)交互效果。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

采用以上的建模思路和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研制開發(fā)了支持瀏覽器訪問的“長河壩心墻堆石壩建設(shè)與監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”，其中安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)如圖5。安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)把大壩建設(shè)和運(yùn)行過程中各種安全監(jiān)測的動、靜態(tài)信息進(jìn)行綜合集成和管理，并在大壩整個壽命周期內(nèi)進(jìn)行長期跟蹤與動態(tài)分析。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)大壩變形、沉降、滲流等安全監(jiān)測布置的三維可視化模型(實(shí)體或透明)，可根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的性質(zhì)分別顯示，并可按剖面顯示監(jiān)測點(diǎn)布置。

(2)安全監(jiān)測動態(tài)信息的可視化查詢與管理，在三維模型上直接點(diǎn)擊某個監(jiān)測點(diǎn)，則可得到該點(diǎn)的相關(guān)信息。

(3)監(jiān)測點(diǎn)觀測值的初步統(tǒng)計(jì)分析。

(4)將數(shù)據(jù)信息可視化(三維或二維顯示、報表等)。

(5)將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送至系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)共享。

安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)在2013年1月1日～2015年12月28日時間段內(nèi)定時采集了大壩變形、沉降、滲流等安全監(jiān)測儀器所記錄的數(shù)據(jù)信息，并保存至總控中心數(shù)據(jù)庫。

圖5 安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)界面

4 結(jié) 語

本文介紹了長河壩水電站安全監(jiān)測數(shù)字化信息系統(tǒng)及其應(yīng)用，分析了系統(tǒng)的特點(diǎn)和構(gòu)成，著重強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)記錄了2013年1月1日～2015年12月28日時間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了信息的綜合集成和有效管理，數(shù)據(jù)的自動、遠(yuǎn)程、移動、便捷的管理與控制，為保證大壩自身結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。