基于BIM的水利樞紐施工多維信息可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李 可

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

多維信息是組成多維信息空間的信息數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，水利樞紐施工信息逐漸向可視化的方向發(fā)展，水利工程規(guī)模不斷增大，施工數(shù)據(jù)不斷增多[1]，如何管理可視化信息成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，為此在BIM技術(shù)的支持下，針對(duì)水利樞紐，設(shè)計(jì)一種施工多維信息可視化管理系統(tǒng)，將各項(xiàng)水利樞紐施工數(shù)據(jù)以一種直觀的方式進(jìn)行展示，追蹤不同施工階段的多維信息的數(shù)值，保證水利樞紐工程的安全[2]。國(guó)外研究人員利用BIM技術(shù)中的項(xiàng)目管理知識(shí)庫(kù)，匯總了多個(gè)維度的水利樞紐數(shù)據(jù)[3]，研究得到了多種信息轉(zhuǎn)換模式，并構(gòu)建了多種信息數(shù)據(jù)的可視化轉(zhuǎn)換方法，制定了多種信息可視化交互標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)在研究BIM技術(shù)方面起步較晚，可視化管理系統(tǒng)研究，已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，集成處理了信息可視化的核心軟件[4]，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)水利樞紐施工過(guò)程的管理。綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果可知，設(shè)計(jì)一種可視化管理系統(tǒng)是很有必要的。

1 多維信息可視化管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)可視化控制單元

可視化控制單元以STM32芯片作為主控芯片[5]，芯片引腳外部集成電平轉(zhuǎn)換模塊以及GSM電路模塊后，得到控制單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 可視化控制單元結(jié)構(gòu)

在圖1中，將USART串口與芯片相連，在主控芯片外設(shè)置2個(gè)SPI通信接口，控制通信接口1用于芯片調(diào)試。藍(lán)牙模塊以TI CC2540/41芯片作為處理核心，使用藍(lán)牙芯片上的引出腳1連接硬件電源，控制引腳2接地，設(shè)定引腳端口3為復(fù)位端，連接一個(gè)數(shù)值為10K的電阻，控制藍(lán)牙模塊的正常復(fù)位[6- 7]。將端口21作為芯片串口的發(fā)送引腳，連接控制芯片的RX4引腳后，實(shí)現(xiàn)硬件數(shù)據(jù)的傳輸。控制單片機(jī)的引腳連接無(wú)線傳輸模塊和串口模塊后，控制GSM模塊與功能按鍵模塊并聯(lián)。

采用TD1507TR穩(wěn)壓芯片作為可視化控制單元的電源，固定電源的電流值為2.0A，連接一個(gè)100uF的電容作為電源電路的濾波電容，控制單元的電源電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制單元電源電路結(jié)構(gòu)

在圖2中，電源電路中電容C15與電容C19并聯(lián)，保證電源模塊的穩(wěn)定?？梢暬刂茊卧O(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)串行通信板卡電路。

1.2 串行通信板卡的電路設(shè)計(jì)

可視化系統(tǒng)需要液晶觸摸屏作為觸控面板[8]，在可視化控制單元的控制下，在STM32芯片和觸控屏間設(shè)定一個(gè)中間層，在該中間層內(nèi)設(shè)定一個(gè)串行通信板卡，板卡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 串行通信板卡結(jié)構(gòu)

在圖3中，控制板卡串口0連接一個(gè)5V的TLL電平微控制器[9]，在液晶顯示屏的RS- 232接口處連接板卡的串口1，串行通信板卡的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 串行通信板卡電路結(jié)構(gòu)

控制上述板卡電路結(jié)構(gòu)流經(jīng)的電源電壓為3.3V，轉(zhuǎn)換芯片串口連接顯示屏的九針接口后，實(shí)現(xiàn)硬件電路的電平轉(zhuǎn)換。

2 多維信息可視化管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)化水利樞紐施工多維信息

在硬件結(jié)構(gòu)的支持下，采集水利樞紐施工多維數(shù)據(jù)后，對(duì)應(yīng)整合處理為3個(gè)維度的數(shù)據(jù)集合，數(shù)據(jù)集合可表示為：

(1)

式中，X，Y，Z—水利樞紐施工信息的維度。

水利樞紐工程不斷發(fā)展，施工多維數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定的變化，設(shè)定上述采集得到的多維數(shù)據(jù)的更新規(guī)則[10- 11]，以X維度的數(shù)據(jù)作為處理對(duì)象，水利樞紐施工數(shù)據(jù)的更新規(guī)則可表示為：

(2)

式中，N—水利樞紐數(shù)據(jù)的鄰域；i—水利樞紐數(shù)據(jù)鄰域的更新參數(shù)。

同理可得Y，Z維度上的水利樞紐施工數(shù)據(jù)。更新處理施工多維數(shù)據(jù)后，平滑處理多維數(shù)據(jù)，計(jì)算公式可表示為：

(3)

式中，P3d(x，y，z)—多維度數(shù)據(jù)的濾波數(shù)值。

同步該濾波數(shù)值后，根據(jù)多維數(shù)據(jù)的時(shí)間狀態(tài)，離散控制計(jì)算得到的平滑數(shù)值，可表示為：

(4)

式中，xk+1—(k+1)時(shí)刻多維施工數(shù)據(jù)狀態(tài)參數(shù)；Fk+1—多維數(shù)據(jù)的變換矩陣；Bk+1—控制輸入的施工數(shù)據(jù)。

采用卡爾曼濾波迭代處理離散過(guò)程，計(jì)算信息數(shù)據(jù)中的增益，可表示為：

(5)

式中，Hk+1—(k+1)時(shí)刻多維數(shù)據(jù)施工狀態(tài)量；H′—狀態(tài)量的測(cè)量值；R—濾波偏差。

以計(jì)算得到的增益作為多維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換量[12]，實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)，以該轉(zhuǎn)換值作為多維數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)變化區(qū)間，實(shí)現(xiàn)不同維度間的相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換多維信息數(shù)據(jù)后，使用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理功能。

2.2 采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理功能

在實(shí)現(xiàn)管理功能時(shí)，首先采用BIM技術(shù)的.NET平臺(tái)作為管理功能的編程平臺(tái)，使用其內(nèi)部自帶的CLR與FCL組件[13]，為管理過(guò)程提供運(yùn)行環(huán)境，并提供一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，構(gòu)建得到.NET框架結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 軟件框架結(jié)構(gòu)

在圖5中，將轉(zhuǎn)換后的水利樞紐施工多維信息數(shù)據(jù)庫(kù)集成在軟件框架結(jié)構(gòu)中的Winform窗體中，對(duì)應(yīng)不同的施工多維數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用BIM技術(shù)中的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，利用BIM模型模擬搭建水利樞紐施工過(guò)程，并采用JAVA編程可視化轉(zhuǎn)換該施工過(guò)程[14- 15]。使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的E-R圖結(jié)構(gòu)劃分施工數(shù)據(jù)的屬性，對(duì)應(yīng)不同的屬性，設(shè)定不同的管理程序，實(shí)現(xiàn)多維信息可視化的管理?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，最終完成基于BIM的水利樞紐施工多維信息可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

采用5臺(tái)PC機(jī)搭建一個(gè)Hadoop分布式結(jié)構(gòu)，以該結(jié)構(gòu)作為驗(yàn)證可視化系統(tǒng)性能的測(cè)試環(huán)境，準(zhǔn)備計(jì)算機(jī)的軟硬件環(huán)境，參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所需PC機(jī)參數(shù)

采用表1參數(shù)的PC機(jī)搭建測(cè)試環(huán)境后，隨機(jī)選定遼西北地區(qū)的一處水域環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選定的水利環(huán)境如圖6所示。

圖6 選定的水利實(shí)驗(yàn)水域

在圖6中，設(shè)定10個(gè)水利樞紐施工信息的采集點(diǎn)，采集樞紐施工的信息后，解析處理施工信息為各項(xiàng)數(shù)據(jù)，見表2。

采用表2的施工信息數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，分別使用文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[9]中的可視化管理系統(tǒng)以及文中設(shè)計(jì)的可視化管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比3種可視化管理系統(tǒng)的性能。

表2 解析后的施工信息數(shù)據(jù)

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)定解析后的施工信息數(shù)據(jù)并發(fā)數(shù)值為10、20、30、50、60、80、100，對(duì)3種可視化管理系統(tǒng)的吞吐量指標(biāo)作對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 3種可視化管理系統(tǒng)吞吐量結(jié)果 單位：Mbps

根據(jù)表3的吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)置不同數(shù)值的并發(fā)量后，文獻(xiàn)[6]中的可視化管理系統(tǒng)產(chǎn)生的吞吐量在30～50 Mbps之間，吞吐量數(shù)值最小，文獻(xiàn)[9]中的可視化管理系統(tǒng)產(chǎn)生的吞吐量在80～90 Mbps之間，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐量數(shù)值較小。而文中設(shè)計(jì)的可視化管理系統(tǒng)的吞吐量數(shù)值在150～200 Mbps之間，與2種文獻(xiàn)中的可視化管理系統(tǒng)相比，該種可視化管理系統(tǒng)產(chǎn)生的吞吐量數(shù)值最大。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，將表2解析后的施工信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入至3種可視化管理系統(tǒng)中，重復(fù)累積導(dǎo)入100萬(wàn)條后，統(tǒng)計(jì)3種可視化管理系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，計(jì)算得到3種可視化管理系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種可視化管理系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的速度

由圖7可知，在3種可視化管理系統(tǒng)控制下，讀取100萬(wàn)條施工信息數(shù)據(jù)時(shí)，文獻(xiàn)[6]中的可視化管理系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的速度在約900條/s，實(shí)際讀取施工數(shù)據(jù)的速度最慢，文獻(xiàn)[9]中的可視化管理系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的速度約1250條/s，實(shí)際讀取數(shù)據(jù)所需的時(shí)間較快，而文中設(shè)計(jì)的可視化管理系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的速度約1667條/s，與2種文獻(xiàn)中的可視化系統(tǒng)相比，該可視化管理系統(tǒng)實(shí)際讀取數(shù)據(jù)的速度最快。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，調(diào)用3種可視化管理系統(tǒng)內(nèi)的開發(fā)工具，以解析后的施工信息數(shù)據(jù)作為可視化頁(yè)面的渲染對(duì)象，在相同的操作系統(tǒng)控制下，統(tǒng)計(jì)3種可視化管理系統(tǒng)可視化渲染時(shí)間，最終在設(shè)定采集點(diǎn)處形成的可視化渲染時(shí)間結(jié)果，見表4。

表4 可視化管理系統(tǒng)的渲染時(shí)間 單位:ms

由表4可知，使用測(cè)試準(zhǔn)備階段采集得到的施工數(shù)據(jù)作為處理對(duì)象后，在同一操作系統(tǒng)的處理下，3種可視化管理系統(tǒng)表現(xiàn)出了不同時(shí)長(zhǎng)的頁(yè)面渲染時(shí)間，根據(jù)表4所示的時(shí)間數(shù)值，文獻(xiàn)[6]中的可視化管理系統(tǒng)所需的平均頁(yè)面渲染時(shí)間約為113.5ms，渲染頁(yè)面所需的時(shí)間最長(zhǎng)，文獻(xiàn)[9]中的管理系統(tǒng)所需的平均渲染時(shí)間約為69.1ms，渲染可視化頁(yè)面所需的時(shí)間較短，而文中設(shè)計(jì)的可視化管理系統(tǒng)的平均渲染時(shí)間約為39.2ms，與2種文獻(xiàn)中的可視化管理系統(tǒng)相比，該可視化管理系統(tǒng)所需的渲染時(shí)間最短，縮短了水利工程施工多維數(shù)據(jù)可視化所需的時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

水利樞紐工程不斷地發(fā)展，可視化管理施工過(guò)程成為了當(dāng)下的研究重點(diǎn)，在BIM技術(shù)的支持下，設(shè)計(jì)一種水利樞紐施工多維信息可視化管理系統(tǒng)，能夠改善文獻(xiàn)中可視化管理系統(tǒng)中存在的不足，為今后管理水利施工可視化過(guò)程提供了研究方向。