基于數(shù)字孿生技術的三維可視化水利安全監(jiān)測系統(tǒng)

徐瑞 葉芳毅

摘要：為從當前水利行業(yè)自動化監(jiān)測業(yè)務收集到的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中提煉出更多關鍵信息，進一步服務于安全監(jiān)測智慧化，基于數(shù)字孿生技術的概念，利用現(xiàn)有三維GIS可視化技術手段，結合時空數(shù)據(jù)模式，構建了一套三維可視化水利安全監(jiān)測系統(tǒng)。結果表明：該系統(tǒng)能夠直觀展示數(shù)字三維地理空間中的地形、地貌、安全監(jiān)測相關模型信息和擴展的分析、查詢數(shù)據(jù)結果，并能夠使用這些數(shù)據(jù)進行一定的三維數(shù)據(jù)仿真可視化效果表達。該系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)展示分析手段，提高了分析監(jiān)測數(shù)據(jù)效率。

關鍵詞： 安全監(jiān)測; 數(shù)字孿生; 三維可視化; 智慧水利

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.016

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0087 - 05

0 引 言

水利工程安全監(jiān)測是保障水利工程正常運行的重要前提，利用安全監(jiān)測儀器對大壩進行各項監(jiān)測指標的觀測是安全監(jiān)測中的重要組成部分[1]。當前大型水利工程都正在進行或者已經(jīng)完成了水利信息化改造，構建了各自的安全監(jiān)測自動化體系。這些自動化監(jiān)測系統(tǒng)為研究水利工程安全穩(wěn)定狀態(tài)和大壩預警預測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，也為構建安全監(jiān)測數(shù)字孿生體系提供了可能[2-4]。

數(shù)字孿生技術的應用可能會對未來經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生更加深遠的影響[5]。本文從數(shù)字孿生技術的概念出發(fā)，利用現(xiàn)有三維GIS可視化技術手段，并結合時空數(shù)據(jù)模式研究了如何在水利行業(yè)安全監(jiān)測業(yè)務領域中，構建一套基于數(shù)字孿生的三維可視化安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1 關鍵技術研究

1.1 數(shù)字孿生技術

1.1.1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生技術的提出者是密歇根大學的Dr. Michael Grieves，最初提出時的定義是通過數(shù)字化手段，在虛擬空間中構建出一個與現(xiàn)實實體相一致的虛擬實體的技術。即把構成一個現(xiàn)實物體的所有信息都錄入到數(shù)字設備中，在數(shù)字空間中利用這些存儲的信息完全模擬出這個物體各方面的特性。 自2012年美國宇航局首次將這項概念應用于航天領域以來，數(shù)字孿生概念已經(jīng)被學術界從智慧設計、智慧城市、全生命周期管理、智能制造等許多角度進行描述和分析。這些分析和應用的共同點在于都采用數(shù)字化技術手段創(chuàng)建出物理實體的數(shù)字孿生模型，通過虛擬現(xiàn)實技術、大數(shù)據(jù)融合分析等數(shù)據(jù)分析方法，為物理實體在相關領域中添加或者擴展新的屬性和成果。

1.1.2 模型可視化數(shù)字孿生

數(shù)字孿生概念最初應用在機械等設備設計、生產(chǎn)、維護的全生命周期過程中。當前，在水利安全監(jiān)測領域，數(shù)字孿生主要體現(xiàn)在模型可視化數(shù)字孿生應用。可視化包括GIS，3D可視化、BIM等內(nèi)容。其中GIS+BIM已經(jīng)在水利行業(yè)中得到了相當廣泛的應用。其中，GIS相當于地球的數(shù)字孿生概念，通過構建基于地球的地理空間坐標系，將各種數(shù)字模型都安置在數(shù)字三維地理空間當中，并基于數(shù)字模型進行各式各樣的信息集成和分析，以此擴展模型實體的屬性和成果。

圖1為在三維地理空間中構建的街道、建筑物、植被數(shù)據(jù)模型，通過各種數(shù)字模型融合，共同構建出了一個完整統(tǒng)一的數(shù)字孿生模型空間。最初，數(shù)字孿生技術應用強調添加物體的物理仿真特性。在模型可視化數(shù)字孿生中，更多強調數(shù)字模型的地理空間信息和數(shù)據(jù)時空變化。

1.2 三維可視化技術

目前，在三維地理空間中，應用較多的可視化模型主要分為4類：地形影像模型、三維實體模型、傾斜影像模型和BIM模型[6]。其中，按照模型分類，又可以將上述4種模型歸為兩類：地形影像模型和傾斜影像模型。通過影像，將現(xiàn)實環(huán)境映射到數(shù)字三維地理空間當中，這兩類數(shù)據(jù)通常采用地理坐標系;三維實體模型和BIM模型負責將現(xiàn)實空間中業(yè)務場景物體（如安全監(jiān)測儀器）轉換為數(shù)字孿生數(shù)字模型，并通過一定的坐標轉換算法，安置在數(shù)字三維地理空間當中，這兩類數(shù)據(jù)通常采用獨立坐標系。

地形影像模型和傾斜影像模型作為基礎地形場景數(shù)據(jù)，利用坐標轉換，根據(jù)安全監(jiān)測儀器布置圖，在地形場景中安置多種多樣的安全監(jiān)測儀器模型和水工建筑物BIM模型。在此基礎上，就可以結合物聯(lián)網(wǎng)技術，在數(shù)字三維地理空間中對安全監(jiān)測儀器設備和相關水工建筑物進行模型可視化數(shù)字孿生分析和展示。

1.2.1 BIM模型屬性查詢

BIM模型與傳統(tǒng)三維模型最大的區(qū)別在于BIM模型通過參數(shù)化構建生成，相較于傳統(tǒng)模型通過自定義繪制的面片進行組合，BIM模型的不同點為BIM模型的幾何部分在任何視圖中都具有一致性，在一個較大型的BIM模型中，屬性信息字段結構可能多達數(shù)十甚至上百種。

目前，在實際應用中，BIM模型的幾何和屬性信息通常是分別存儲展示的。模型幾何體通過三維引擎展示，屬性信息采用接口的形式單獨獲取。又因為BIM屬性信息的異構體過多，傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)庫難以滿足模型屬性信息的存儲需求，不利于屬性信息的后期更新維護。因此，就需要采用非結構化數(shù)據(jù)庫進行存儲信息。

本文使用的MongoDB數(shù)據(jù)庫是一個面向集合、模式自由的非結構化文檔型數(shù)據(jù)庫。如圖2所示，在MongoDB中，數(shù)據(jù)被分為若干個集合，每個集合都有一個唯一的名字，可以包含無限個文檔，每個集合中都可以存儲任意結構的數(shù)據(jù)文檔。在查詢BIM模型屬性時，通過Restful接口形式，根據(jù)集合id和文檔對應的key值獲取對應文檔中的BIM模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是JSON格式進行存儲的文檔，通過解析JSON數(shù)據(jù)格式，就能獲取到查詢的模型屬性信息。

1.2.2 監(jiān)測模型時空數(shù)據(jù)展示

目前，很多安全監(jiān)測儀器已經(jīng)更新替換為自動化儀器，每天通過網(wǎng)絡能夠收到大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何將這些時序數(shù)據(jù)配合地理三維空間中的儀器模型和三維空間下其他環(huán)境時序數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一融合展示，是安全監(jiān)測下的模型可視化數(shù)字孿生問題的關鍵，也是后續(xù)擴展分析應用的基礎[7]。

在以往的三維可視化模型展示時，數(shù)字三維空間中只有空間坐標作為度量尺度，僅僅能夠表現(xiàn)出模型的空間位置。時間維度是通過另外單獨的數(shù)據(jù)庫存儲和配套接口獲取，并按照時間順序，在一組離散的時間間隔上單次展示狀態(tài)，通過狀態(tài)幀改變來模擬時序數(shù)據(jù)的變化。這種方法在展示單獨時間序列數(shù)據(jù)的時候能夠較好地進行展示，但是在數(shù)字孿生概念下，數(shù)字孿生體往往不限于由單一類型數(shù)據(jù)信息構成，而是由多種自身數(shù)據(jù)信息乃至于另外的來自于環(huán)境的環(huán)境信息共同作用形成的，如圖3所示。將所有數(shù)據(jù)都統(tǒng)一到場景時間軸中，三維場景本身具備時間維度。例如在安全監(jiān)測外觀變形監(jiān)測中，引張線的形變需要結合垂線、伸縮儀等類型儀器，靜力水準儀需要關聯(lián)精密水準成果共同展開分析[8]。因此，需要在三維地理空間中 ，引入時間維度概念，將所有的時序數(shù)據(jù)統(tǒng)一到共同時間軸上進行展示，才能夠在同一時間尺度下，擴展監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)模型的能力和作用。這種在三維空間中實現(xiàn)統(tǒng)一連續(xù)時間軸的方式相比于傳統(tǒng)的GIS，BIM等技術提升了時間維度的數(shù)據(jù)融合度，為實現(xiàn)數(shù)字孿生體提供了時間維度的方法。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)技術路線

技術路線的選擇上，采用 SOA（面向服務的體系結構）體系架構的設計思想，實現(xiàn)監(jiān)測可視化、環(huán)境信息、監(jiān)測管理等功能模塊信息的實時調用查詢。在技術體系中應用支撐平臺采用了ArkWeb三維平臺、Three.js，MongoDB，.net Core等核心技術，在保證技術先進性的同時兼顧了技術的實用性。同時，采用組件式開發(fā)技術，使彼此獨立的業(yè)務組織在一起形成完整的業(yè)務系統(tǒng)，如圖4所示。

網(wǎng)站將采用最流行的響應式 Web 設計理念，將當前 Web 設計中熱門的響應式設計技術與 HTML5 和 CSS3 結合起來，實現(xiàn)一處編寫各個終端可用，保證用戶使用不同終端瀏覽時大部分內(nèi)容與 Web 一致，同時頁面能自動改變布局，以適應移動端的屏幕大小，保證在不同分辨率大小的屏幕上均有良好的用戶體驗。

2.2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)通過不同層級統(tǒng)一架構，組件式服務系統(tǒng)架構主要分為4個層級。主要由資源層、數(shù)據(jù)層、平臺服務層（應用支撐層）、業(yè)務應用層共同構成。系統(tǒng)的總體構成和各部分內(nèi)容如圖5所示。

2.2.1 業(yè)務應用層

系統(tǒng)業(yè)務應用主要分為3類：模型可視化、監(jiān)測業(yè)務和系統(tǒng)管理。其中模型可視化包含了BIM應用（BIM模型展示、BIM屬性查詢）、監(jiān)測可視化（主要包括數(shù)字三維地理空間構建，基礎地理數(shù)據(jù)加載，監(jiān)測儀器及水工建筑物模型瀏覽等）、監(jiān)測數(shù)據(jù)仿真等功能;監(jiān)測業(yè)務主要是在三維可視化場景構建的基礎上，基于模型數(shù)字孿生體的信息對監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)進行查詢、管理和分析;系統(tǒng)管理中包含了業(yè)務功能應用所需的各種基礎服務，如用戶、權限等。

2.2.2 平臺服務層

平臺服務層是整個系統(tǒng)最核心的部分，起到承上啟下的作用。平臺服務采用模塊化編程思想，將后臺服務按照功能劃分為一個個子模塊，例如BIM服務、監(jiān)測業(yè)務服務、BIM屬性服務等。同時由于安全監(jiān)測業(yè)務是一個綜合課題，常常需要接入外部系統(tǒng)服務，因此還可能涉及到與自動化采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、強震監(jiān)控系統(tǒng)的事件發(fā)布等數(shù)據(jù)共享交換服務。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要有監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫，這兩個數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結構基本由關系型數(shù)據(jù)構成，因此選用SQL Server關系型數(shù)據(jù)庫構建;三維模型以及BIM模型等模型可視化數(shù)據(jù)通常都由一個個文件構成，因此，使用Nginx將其發(fā)布為一個靜態(tài)資源數(shù)據(jù)服務。通過資源文件調用并配合平臺服務層相對應的數(shù)據(jù)服務對讀取的文件資源進行解析繪制;MongoDB為非關系型數(shù)據(jù)庫，負責存儲BIM屬性信息，并通過數(shù)據(jù)服務對數(shù)據(jù)庫進行查詢。

2.2.4 資源層

系統(tǒng)資源主要分為數(shù)據(jù)資源和設備資源兩種。設備資源主要包括服務器、網(wǎng)絡通訊等;數(shù)據(jù)資源包括基礎資源（數(shù)字地形圖、遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)等）、監(jiān)測數(shù)據(jù)（考證信息、監(jiān)測成果數(shù)據(jù)、環(huán)境水文數(shù)據(jù)等）和模型數(shù)據(jù)（BIM模型和監(jiān)測儀器三維模型等）。

2.3 網(wǎng)絡架構

水利行業(yè)數(shù)據(jù)的安全性是所有系統(tǒng)實施的前提和基礎，本文設計的系統(tǒng)接入了壩區(qū)的自動化監(jiān)測采集系統(tǒng)、水文氣象系統(tǒng)等。本系統(tǒng)部署在業(yè)務專網(wǎng)之中。具體的網(wǎng)絡架構如圖6所示。

該系統(tǒng)和安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都部署在監(jiān)測業(yè)務專網(wǎng)中，其余閘門監(jiān)控系統(tǒng)、水文氣象系統(tǒng)等附加系統(tǒng)部署在另外的管理信息網(wǎng)中，兩個網(wǎng)絡間通過單向網(wǎng)閘進行數(shù)據(jù)傳輸隔離，通過單向網(wǎng)閘確保相互之間的數(shù)據(jù)通信是單向且可控的。整體網(wǎng)絡都位于跟外部網(wǎng)絡物理隔離的系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)中，進一步增強系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全性。

3 功能實現(xiàn)

基于上述的系統(tǒng)設計和關鍵技術，獲取重點區(qū)域的遙感影像和數(shù)字構成，構建數(shù)字三維地理空間，建設以安全監(jiān)測儀器模型、水工建筑物和相應BIM模型為基礎的三維模型數(shù)據(jù)庫，結合數(shù)字孿生三維可視化、網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫等技術，構建了基于數(shù)字孿生技術的三維可視化水利安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠直觀展示數(shù)字三維地理空間中的地形、地貌、安全監(jiān)測相關模型信息和擴展的分析、查詢數(shù)據(jù)結果，并能使用這些數(shù)據(jù)進行一定的三維數(shù)據(jù)仿真可視化效果表達。圖7～8就是結合BIM建模成果，對數(shù)據(jù)進行可視化表達，并可結合MongoDB存儲，查詢獲取BIM節(jié)點屬性。圖9是將所有測點成果數(shù)據(jù)時間統(tǒng)一到地理空間時間軸上后，利用編寫的時間軸控件進行時序成果數(shù)據(jù)變形仿真。

4 結 語

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字孿生已經(jīng)在各行各業(yè)取得了進步和突破，本文就數(shù)字孿生技術發(fā)展進行了簡要介紹，從數(shù)字孿生模型可視化出發(fā)，結合安全監(jiān)測領域實際需求，實現(xiàn)了GIS+BIM數(shù)據(jù)融合，異構BIM屬性信息查詢、安全監(jiān)測時序數(shù)據(jù)可視化等功能，為數(shù)字孿生技術在安全監(jiān)測領域的應用提供了一些思路。該系統(tǒng)幫助工程運行管理單位對大壩整體的監(jiān)測儀器布置有了更加直觀的認識，通過在同一連續(xù)時間維度帶入多種類監(jiān)測成果并進行可視化，增加了數(shù)據(jù)展示分析手段，提高了分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的效率。下階段的工作應當集中在進一步對數(shù)字孿生體上附加的信息進行綜合分析和預測，以及在現(xiàn)在時間維度雙向映射的基礎上進行空間維度模型的調整方面，以實現(xiàn)數(shù)字世界和物理顯示的雙向映射，幫助管理者對大壩安全形態(tài)做出更加準確及時的預警預測。

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（編輯：江 文）

Three-dimensional visual water conservancy safety monitoring system based on digital twin technology

XU Rui1，2，3， YE Fangyi1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan ?430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan ?430010， China）

Abstract： In order to extract more key information from the massive monitoring data collected by the current automatic monitoring business of the water conservancy industry， and to further serve the intelligent safety monitoring， based on the concept of digital twin technology and utilizing current 3D GIS visualization technology combining temporal-spatial data mode， a 3D visualization water conservancy safety monitoring system was constructed. The results showed that the system could visually display model information of topography， landform， safety monitoring and data results of expanded analysis and query in digital 3D geographic space. Also， 3D data simulation visualization effect expression could come true by using these data. In summary， the system adds data display and analysis methods and improves the analyzing efficiency of monitoring data.

Key words： safety monitoring; digital twin ; three-dimensional visual; smart water conservancy