大壩裂縫檢測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王家志 姚松 劉國忠 王賢發(fā)

摘要：本文探討了大壩裂縫監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在三維實(shí)景模型上進(jìn)行裂紋的查找、檢查、標(biāo)繪及三維幾何空間信息采集;形成一套成熟的大壩內(nèi)外部裂縫及外觀異常點(diǎn)的查找、標(biāo)記及管理的方法和系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)裂縫的識別和幾何信息的提取、存儲，以及數(shù)據(jù)的審閱、管理功能，有助于推動貼近攝影測量、三維激光掃描技術(shù)等新興技術(shù)在工程項(xiàng)目的具體落地，形成規(guī)范化的管理流程，提升項(xiàng)目信息化管理效率。

關(guān)鍵詞：大壩 ?裂縫 ?信息管理 ?實(shí)景瀏覽

Design and Implementation of Dam Crack Detection Information Management System

WANG Jiazhi1? YAO Song1? LIU Guozhong2? WANG Xianfa1

（1. Puding Power Generation Company， Guizhou Qianyuan Power Co.， Ltd.， Anshun， Guizhou Province， 562100 China; 2. Guizhou Jingwei Botong Technology Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China）

Abstract： In this paper， it discusses the design and implementation of dam crack monitoring information management system， and carries out crack search， inspection， plotting and three-dimensional geometric space information collection on the three-dimensional real model; Form a set of mature methods and systems for finding， marking and managing internal and external cracks and appearance abnormal points of the dam. The realization of crack identification， geometric information extraction and storage， as well as data review and management functions will help promote the specific implementation of emerging technologies such as photogrammetry and 3D laser scanning technology in engineering projects， form a standardized management process and improve the efficiency of project information management.

Key Words： Dam; Crack; Information management; Live view

大壩是建筑在溪流、河流和河口的屏障，用于防止洪水泛濫、生產(chǎn)水力發(fā)電、儲水作飲食或灌溉、工商業(yè)。在河流中上流建造的短距離人工高聳河堤主要功能并非防治水患，而是為了集結(jié)河水，把水匯集在堤，將河谷淹沒后形成水庫^[1]。大壩在建設(shè)國民經(jīng)濟(jì)上發(fā)揮了巨大的作用，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了強(qiáng)大的動力。截至2017年底，中國大壩工程學(xué)會提供的數(shù)據(jù)表明，中國現(xiàn)有大壩98 000余座，是世界上大壩占有量最多的國家。同時(shí)，現(xiàn)階段我國的水壩筑建技術(shù)位于世界前列，2013年建成的錦屏一級大壩高305m，是世界第一高壩。然而，同樣值得注意的是，中國的大壩大多設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，老化問題嚴(yán)重，而大壩的使用壽命約為50年，大量的大壩接近或已經(jīng)達(dá)到使用年限^[2]。根據(jù)中國大壩工程學(xué)會統(tǒng)計(jì)，中國接近一半的大壩存在安全隱患，大中型病險(xiǎn)水庫總量更是達(dá)到了1200余座。大壩一旦決堤，會導(dǎo)致房屋、田地、工業(yè)設(shè)施、鐵道等被沖毀，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的影響。

大壩裂縫作為最常見的大壩病害，是大壩垮塌的最大安全隱患。水庫大壩長期使用，受到猛烈水流和各種自然災(zāi)害的影響，此外，還可能存在人為損壞，加之許多大壩缺乏人工維護(hù)，不可避免地會產(chǎn)生大大小小的裂縫^[3]。大壩一旦出現(xiàn)裂縫，很可能會加劇發(fā)展，蔓延到壩體內(nèi)，導(dǎo)致從小堆積到大數(shù)量、量變到質(zhì)變。如果出現(xiàn)不顯眼的小裂縫時(shí)不及時(shí)維護(hù)和處理，勢必對大壩造成進(jìn)一步的破壞，甚至可能造成大壩決堤，沖刷大壩周圍的房屋，破壞周圍的農(nóng)田，給大壩周圍的居民帶來安全隱患。因此，研究大壩裂縫檢測技術(shù)對于科學(xué)防治大壩災(zāi)害具有重要意義。

通過對隧道襯砌裂縫信息相關(guān)組織管理現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)研和分析后，設(shè)計(jì)了普定大壩檢測裂縫信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、貼近攝影測量獲得的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、裂縫信息提取算法及相關(guān)項(xiàng)目管理資料，實(shí)現(xiàn)裂縫的識別和幾何信息的提取、存儲，以及數(shù)據(jù)的審閱、管理功能，有助于推動貼近攝影測量、三維激光掃描技術(shù)等新興技術(shù)在工程項(xiàng)目的具體落地，形成規(guī)范化的管理流程，提升項(xiàng)目信息化管理效率^[4]。

1 系統(tǒng)框架

裂縫信息管理系統(tǒng)采用成熟的三層體系架構(gòu)，將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為數(shù)據(jù)訪問層（Data Access Layer，DAL）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer，BLL）和表現(xiàn)層（User Interface，UI），各層的具體功能如下。（1）數(shù)據(jù)訪問層：該層直接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，主要從數(shù)據(jù)庫及交換文件中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相關(guān)信息并存儲數(shù)據(jù)。（2）業(yè)務(wù)邏輯層：起到數(shù)據(jù)交換的作用，是針對具體的某個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)的邏輯。（3）表現(xiàn)層：展示輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的各種處理結(jié)果并接收用戶的相關(guān)交互操作，是軟件系統(tǒng)面對用戶的表現(xiàn)主體。系統(tǒng)平臺框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層采用集中管理和業(yè)務(wù)管理相結(jié)合的方式，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括原始掃描數(shù)據(jù)，以及預(yù)處理后的點(diǎn)云、可視化展示分析區(qū)域、歷史點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云模型等。裂縫檢測數(shù)據(jù)包括裂縫的幾何信息、歷史裂縫信息及裂縫分析成果等。為使裂縫檢測數(shù)據(jù)方便Web上的存儲和訪問，并使數(shù)據(jù)保持高效的維護(hù)和更新，選用MySQL、SQL Server等市場上相對成熟、開放的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)^[5]。

1.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層主要指三維點(diǎn)云可視化系統(tǒng)平臺?；诹芽p信息檢測可視化的特點(diǎn)，研發(fā)三維可視化引擎或選用市場成熟平臺接口，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的展示，以裂縫信息修改、新增、刪除，以及檢測結(jié)果信息查詢、分析及可視化等。

1.3 表現(xiàn)層

表示層基于C/S工作模式，主要完成裂縫檢測結(jié)果、3D點(diǎn)云模型展示和人機(jī)交互功能。功能模塊主要包括3D點(diǎn)云模型文檔管理、信息轉(zhuǎn)換、信息輸入等檢測數(shù)據(jù)管理、掃描數(shù)據(jù)可視化、歷史點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)管理，裂紋分布圖、分類及區(qū)域檢測統(tǒng)計(jì)、檢測結(jié)果分析等檢查數(shù)據(jù)可視化等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過在基礎(chǔ)平臺的業(yè)務(wù)開發(fā)，建立客戶端與支撐平臺、數(shù)據(jù)庫的連接，使用戶可以在3D中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型的漫游、編輯、數(shù)據(jù)咨詢、分析等功能。圖2和圖3分別是大壩裂縫檢測信息管理系統(tǒng)的登錄界面和主界面。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

大壩裂縫檢測信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用PostgreSQL進(jìn)行開發(fā)。PostgreSQL 是一個(gè)自由的對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)），它包括了可以說是目前世界上最豐富的數(shù)據(jù)類型的支持，采用的是比較經(jīng)典的C/S（client/server）結(jié)構(gòu)，非常適合本項(xiàng)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)類型較多的情況^[6]。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫需要存儲的基本信息主要包括以下3點(diǎn)。（1）大壩工程基本信息。有工程案例名稱、資料來源、資料作者、工程簡介、工程設(shè)計(jì)基本信息和工程相關(guān)圖片。（2）裂縫信息。記錄描述裂縫的情況，包括裂縫的所在部位，裂縫的性質(zhì)、長度、縫寬及滲水析鈣描述。（3） 用戶信息。有用戶賬號、用戶密碼和用戶權(quán)限等級等。明確所要存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫的信息后，對其進(jìn)行匯總分析，將下列信息抽象總結(jié)為實(shí)體要素：工程項(xiàng)目、大壩裂縫和用戶。對于每種實(shí)體我們都創(chuàng)建相應(yīng)的編號字段作為其主鍵，用于對該實(shí)體信息進(jìn)行唯一標(biāo)記。不同實(shí)體應(yīng)滿足下列邏輯關(guān)系：一個(gè)大壩可以出現(xiàn)多種裂縫，一個(gè)裂縫或病害必須對應(yīng)一個(gè)具體工程項(xiàng)目;一個(gè)裂縫或病害由多種病害原因?qū)е?，一個(gè)病害原因必須對應(yīng)一個(gè)實(shí)際裂縫或病害及一種病害原因類型。實(shí)體之間的關(guān)系可以用實(shí)體-聯(lián)系圖表示。

3 功能設(shè)計(jì)

結(jié)合已有的裂縫檢測資料，建立大壩點(diǎn)云的數(shù)字化模型，完成裂縫檢測資料的整編入庫。實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部實(shí)景數(shù)據(jù)的查詢和對比，并在檢測系統(tǒng)內(nèi)直接查詢、統(tǒng)計(jì)、展示裂縫信息。系統(tǒng)主要功能劃分如圖3所示。

3.1 實(shí)景瀏覽

包括查看外部實(shí)景、內(nèi)部實(shí)景和進(jìn)行雙屏對比，外部實(shí)景展示不同周期的大壩模型和裂縫信息，支持對裂縫信息修改、新增、刪除等操作，列表模塊可以通過搜索查詢或者篩選查詢查找相應(yīng)對象，可以添加標(biāo)注，可以查看有數(shù)據(jù)裂縫的詳情和定位，分類模式按照分類可以查看裂縫的詳情和定位，可以添加標(biāo)注。內(nèi)部實(shí)景可以查看不同周期的內(nèi)部實(shí)景，雙屏對比可以對不同周期的裂縫同步對比。

3.2 裂縫管理

主要包括以下功能。（1）查詢：可以通過搜索查詢或者篩選查詢查找相應(yīng)對象（如圖4所示）。（2）重置：清空輸入信息和選中的篩選條件。（3）新增：通過添加單條裂縫信息完成。（3）操作：對單條裂縫信息進(jìn)行編輯、查看、導(dǎo)航、刪除。（4）數(shù)據(jù)上傳：對大壩裂縫數(shù)據(jù)通過表格形式進(jìn)行批量上傳。（5）數(shù)據(jù)下載：獲取裂縫包含圖片的數(shù)據(jù)。（6）裂縫導(dǎo)出：通過Excel表導(dǎo)出所有裂縫數(shù)據(jù)。

3.3 后臺管理

主要包括以下功能模塊。（1）用戶管理：實(shí)現(xiàn)管理員對用戶信息的添加、修改和刪除，查看用戶信息列表，對新增用戶進(jìn)行密碼初始化。（2）角色管理：實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)角色進(jìn)行統(tǒng)一管理。角色管理信息包括角色的創(chuàng)建和修改。（3）權(quán)限管理：用于分配和管理角色對應(yīng)的權(quán)限。（4）外部三維：通過大壩三維實(shí)景全方位觀察大壩情況。（5）內(nèi)部三維：通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對大壩全景觀測（如圖5所示）。

3.4 工具箱

主要包括以下功能模塊。（1）主視角：達(dá)到地圖視角恢復(fù)主視角功能。（2）測點(diǎn)、測距、側(cè)面：按面積、距離、坐標(biāo)、垂直間距、水平間距測量展示功能。（3）裂縫圖層：支持對圖上裂縫的打開和關(guān)閉功能。（4）傳感器：支持查看、添加、修改、刪除傳感器信息。

4 結(jié)語

普定大壩裂縫一直是定檢過程中的重要檢查項(xiàng)目，特別是新增裂縫，以及裂縫的發(fā)展和滲漏，是反映大壩運(yùn)行潛在隱患的重要表征。歷次定檢，電廠都對大壩及水工建筑物進(jìn)行了裂縫詳查，但歷次裂縫檢查報(bào)告，對裂縫位置描述都不精確。因?yàn)榇髩胃呗柕牧⒚?，人工檢查作業(yè)難度很大，裂縫的位置只是簡單粗略的描述，致使兩次裂縫檢查中，難以對裂縫進(jìn)行比對和追蹤，本文探討了大壩裂縫監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在三維實(shí)景模型上進(jìn)行裂紋的查找、檢查、標(biāo)繪及三維幾何空間信息采集，形成一套成熟的大壩內(nèi)外部裂縫及外觀異常點(diǎn)的查找、標(biāo)記與管理的方法和系統(tǒng)。

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