基于WebGL擴(kuò)展模型的鐵路運(yùn)維可視化研究

劉驚灝，蘇謙,2，陳俊杰，裴彥飛，董敏琪

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與高精度傳感設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合傳感被廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的健康監(jiān)測(cè)中，在鐵路橋梁、邊坡等結(jié)構(gòu)的安全健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用更為成熟，并形成了一系列監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理論[1-3]。近年來(lái)，基于智能傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)?預(yù)警理論迅速發(fā)展，在鐵路路基等工程結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)中開(kāi)展了一系列應(yīng)用研究[4-5]。但通過(guò)大量布設(shè)無(wú)線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集同樣存在階段性的局限和弊端：一方面，由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，傳感器數(shù)據(jù)回傳頻率高，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不便于歸納與整理，數(shù)據(jù)采集后極易被封存，達(dá)不到利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維的目的；另一方面，傳統(tǒng)的圖表展示模式對(duì)于海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化效果有限，無(wú)法最大化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值。PANAH等[6]對(duì)BIM應(yīng)用于AEC行業(yè)健康監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)行了綜述，表明BIM技術(shù)有著優(yōu)秀的信息集成操控與數(shù)據(jù)可視化能力，可以作為解決AEC行業(yè)運(yùn)維階段數(shù)據(jù)擴(kuò)展問(wèn)題的有效手段。在運(yùn)維期運(yùn)用BIM技術(shù)，需要將運(yùn)維期數(shù)據(jù)通過(guò)一定載體附加于設(shè)計(jì)與施工階段BIM模型中，經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成優(yōu)化之后的模型便具備了運(yùn)維期BIM模型的屬性，而上述過(guò)程主要有C/S架構(gòu)與B/S架構(gòu)2類(lèi)實(shí)現(xiàn)途徑。C/S架構(gòu)路線主要對(duì)現(xiàn)有商業(yè)BIM軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展其在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用功能，如周志浩等[7]對(duì)可視化編程軟件Dynamo進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了在Revit軟件中可視化查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。ZHAO等[8]利用Revit開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在海洋工程健康監(jiān)測(cè)可視化方面的應(yīng)用。DENG等[9]通過(guò)二次開(kāi)發(fā)Revit實(shí)現(xiàn)了虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)的可視化映射展示。但基于C/S架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)路徑需要依賴(lài)于大體量的專(zhuān)業(yè)BIM軟件支撐，對(duì)運(yùn)維人員操作要求高，且無(wú)法滿足工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的使用需求?；贐/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)BIM運(yùn)維便有更多的可能性。胡振中等[10]對(duì)IFC格式的監(jiān)測(cè)信息擴(kuò)展方式進(jìn)行了研究，為以IFC格式進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息可視化打下了基礎(chǔ)。ZHOU等[11]基于IFC格式研究了BIM技術(shù)向Web端輕量化集成的WebBIM技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在Web端的擴(kuò)展。XU等[12-13]研究了將IFC格式解析成為obj格式的技術(shù)路徑，成功實(shí)現(xiàn)BIM標(biāo)準(zhǔn)模型的云端化。在上述研究基礎(chǔ)上，劉東海等[14-16]在B/S架構(gòu)下提出了針對(duì)健康監(jiān)測(cè)可視化的不同解決方案，相較于C/S架構(gòu)有更好的靈活性、可遷移性與擴(kuò)展性。但目前基于B/S架構(gòu)的研究大多局限于數(shù)據(jù)可視化的前端實(shí)現(xiàn)上，依然無(wú)法擺脫在進(jìn)行設(shè)計(jì)施工BIM模型向運(yùn)維BIM模型傳遞時(shí)，對(duì)C/S架構(gòu)下BIM商業(yè)建模軟件的依賴(lài)，操作要求高、難度大?；贐/S架構(gòu)研究基礎(chǔ)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)可視化與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整整合，進(jìn)一步深化應(yīng)用是促進(jìn)BIM技術(shù)在鐵路運(yùn)維領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，也是提高建筑行業(yè)信息化的可行路徑。

1 擴(kuò)展可視化系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于WebGL實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)維模型的擴(kuò)展與運(yùn)維信息可視化，主要以高精度傳感器技術(shù)、WebGL技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為底層手段，整體實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示。通過(guò)高精度傳感器系統(tǒng)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)健康狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳遞至基于MySql設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合理與高效存儲(chǔ)?；谶\(yùn)維階段鐵路BIM模型的實(shí)際需要，進(jìn)入運(yùn)維期的鐵路大多缺乏BIM模型交付成果，因此階段模型可根據(jù)實(shí)際情況采用激光雷達(dá)重構(gòu)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影重構(gòu)、族庫(kù)快速建模等逆向設(shè)計(jì)的思維進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重建。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，利用Revit建模軟件建立鐵路監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)，為下一步在Web中實(shí)現(xiàn)模型的擴(kuò)展集成打下基礎(chǔ)。

圖1 WebGL擴(kuò)展模型監(jiān)測(cè)可視化總體框架Fig.1 Framework of monitoring and visualization based on WebGL extented model

將建立的鐵路BIM模型通過(guò)格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入以Three.js為框架搭建的運(yùn)維平臺(tái)中，在Three.js環(huán)境中，根據(jù)實(shí)際傳感器布設(shè)需要將監(jiān)測(cè)點(diǎn)放在BIM模型中進(jìn)行集成。傳感器加入后根據(jù)制定的模型實(shí)體與數(shù)據(jù)庫(kù)的匹配規(guī)則自動(dòng)與監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)唯一鍵值進(jìn)行配對(duì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，并通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警綜合算法體系驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)族進(jìn)行監(jiān)測(cè)運(yùn)維數(shù)據(jù)的可視化展示。

2 運(yùn)維屬性附加與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成

設(shè)計(jì)與施工階段的BIM模型向運(yùn)維期BIM模型的轉(zhuǎn)換，主要問(wèn)題在于將運(yùn)維期數(shù)據(jù)通過(guò)合適的載體附加于前者之上，經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成優(yōu)化之后的模型便具備了運(yùn)維期BIM模型的屬性。對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在BIM模型中的集成，本文提出采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)族與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鍵值配對(duì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成方法，主要通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)族構(gòu)建、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與搭建2個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維屬性載體與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境的搭建。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)族

2.1.1 搭建方法

監(jiān)測(cè)點(diǎn)族是本文進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成的模型載體，為實(shí)現(xiàn)后期監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)集成，需首先根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目搭建完整的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)，為不同工程根據(jù)項(xiàng)目情況調(diào)用監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)模型提供支撐。本文基于Revit軟件，結(jié)合課題組近年來(lái)在鐵路路基及鐵路隧道運(yùn)維監(jiān)測(cè)方面研究成果，搭建了一套完整的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)各類(lèi)傳感器族Table 1 Various sensor families of monitoring points

2.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)族精細(xì)化搭建

文獻(xiàn)[10]研究了利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警可視化的方法，其認(rèn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)族在運(yùn)維模型中只起到占位作用，往往只采用簡(jiǎn)單的拉伸幾何體來(lái)代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)族，這樣的做法能夠在一定程度上減少構(gòu)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型的負(fù)擔(dān)。但應(yīng)用BIM技術(shù)解決鐵路運(yùn)維階段問(wèn)題，所帶來(lái)的主要提升是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型作為運(yùn)維期數(shù)據(jù)載體，從而解決海量健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的屬性歸屬問(wèn)題。而無(wú)明確幾何外形的拉伸實(shí)體，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息的拓展應(yīng)用。因此，本文提出采用精細(xì)構(gòu)建運(yùn)營(yíng)維護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型庫(kù)，通過(guò)更加細(xì)致的建模方法，精細(xì)地還原監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型的幾何外形以及各項(xiàng)非幾何屬性。針對(duì)部分幾何尺寸較小的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備模型，對(duì)其尺寸進(jìn)行合理的調(diào)整，以增強(qiáng)可視化效果。本文構(gòu)建的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族庫(kù)中的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)族示例Fig.2 Example of monitoring point family

2.1.3 屬性配置與數(shù)據(jù)庫(kù)鍵值配對(duì)準(zhǔn)備

為將BIM監(jiān)測(cè)點(diǎn)族信息集成至可視化平臺(tái)中，需盡可能在構(gòu)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)族時(shí)將相關(guān)屬性參數(shù)全部在Revit內(nèi)進(jìn)行集成。利用族類(lèi)型參數(shù)為傳感器的類(lèi)型、尺寸等共有屬性進(jìn)行參數(shù)創(chuàng)建與賦值，對(duì)分辨率等實(shí)際標(biāo)定信息設(shè)置實(shí)例參數(shù)，根據(jù)每一個(gè)傳感器實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行屬性集成。Revit監(jiān)測(cè)點(diǎn)族屬性配置界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)族屬性配置界面Fig.3 Monitoring family property configuration interface

本文采用多通道采集儀對(duì)傳感器進(jìn)行集成，采集儀內(nèi)置固定唯一標(biāo)識(shí)碼(如GYCT-000050)，根據(jù)在采集儀中不同連接通道確定傳感器唯一標(biāo)識(shí)碼(如GYCT-000050-01)，傳感器數(shù)據(jù)在采集儀中按一定頻率打包加密，通過(guò)LoRa終端結(jié)合4 G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，最終獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)以上數(shù)據(jù)回傳模式，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均以2個(gè)唯一標(biāo)識(shí)碼作為連接，監(jiān)測(cè)點(diǎn)族實(shí)例要獲取實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須通過(guò)驗(yàn)證上述2個(gè)標(biāo)識(shí)碼。因此，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型中內(nèi)置2個(gè)唯一標(biāo)識(shí)碼的實(shí)例參數(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)不同的傳感器實(shí)例指定這2個(gè)實(shí)例參數(shù)，可以在BIM模型中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型實(shí)體與真實(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型與數(shù)據(jù)庫(kù)信息的互通。

2.2 運(yùn)維信息數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)運(yùn)維平臺(tái)使用流程及傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳模式，在平臺(tái)運(yùn)維信息數(shù)據(jù)庫(kù)中建立了23張數(shù)據(jù)表，通過(guò)與現(xiàn)實(shí)邏輯匹配實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ)，各數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)交叉引用，各類(lèi)數(shù)據(jù)無(wú)需重復(fù)存儲(chǔ)，提升存儲(chǔ)效率。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置拉依達(dá)準(zhǔn)則(3?準(zhǔn)則)以及格拉布斯準(zhǔn)則(Grubbs)算法，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)初步數(shù)據(jù)降噪與清理，降低存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)。

除去數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、數(shù)據(jù)庫(kù)連接及數(shù)據(jù)庫(kù)登錄驗(yàn)證等方面的表單外，直接與本文監(jiān)測(cè)可視化相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)表主要有傳感器實(shí)體表(Sensor)、傳感器類(lèi)型屬性表(SensorType)、項(xiàng)目表(Project)、采集儀表(Collector)、傳感器數(shù)據(jù)表(SensorData)等。其中，傳感器實(shí)體表是通過(guò)前文2個(gè)唯一標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行鍵值配對(duì)，實(shí)現(xiàn)BIM模型與現(xiàn)實(shí)傳感器關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵中間表，其主要描述某一具體傳感器的參數(shù)屬性，主要包括傳感器ID、傳感器所屬采集儀、傳感器歸屬等信息，其詳細(xì)表結(jié)構(gòu)如表2所示，五大主要表結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

表2 傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體表結(jié)構(gòu)Table 2 Entity table structure of sensor database

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.4 Relationship among monitoring database tables

五大主要數(shù)據(jù)表之間通過(guò)外鍵相互連接。傳感器實(shí)體通過(guò)S_CollectorNumber字段與采集儀進(jìn)行關(guān)聯(lián)；傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)D_SensorNumber字段與傳感器實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)；傳感器實(shí)體通過(guò)S_Type字段與傳感器類(lèi)型進(jìn)行關(guān)聯(lián)；采集儀通過(guò)C_Project‐Name與項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)此關(guān)聯(lián)關(guān)系可以打通數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換與提取路徑，為后期進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在可視化云平臺(tái)中的調(diào)用打下基礎(chǔ)。

3 Three.js架構(gòu)與開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

3.1 Three.js三維引擎

隨著在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行3D動(dòng)畫(huà)渲染展示需求的提高，WebGL技術(shù)在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。We‐bGL是一個(gè)非常底層的Web三維繪圖系統(tǒng)，提供點(diǎn)、線、三角形等基礎(chǔ)形狀的繪制功能，是實(shí)現(xiàn)Web端三維模型展示與渲染的重要技術(shù)基礎(chǔ)。但直接運(yùn)用WebGL實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)的云端化技術(shù)難度大、效率低，往往不被直接用于實(shí)際項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，而是作為一種底層系統(tǒng)支撐，被引入各類(lèi)項(xiàng)目之中。

本文的監(jiān)測(cè)可視化展示平臺(tái)基于Three.js實(shí)現(xiàn)。Three.js是基于WebGL封裝的JavaScript包，其將WebGL中的場(chǎng)景、燈光、陰影、材質(zhì)、紋理等操作進(jìn)行了集成，為開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)Web3D展示功能提供了方便快捷的調(diào)用方法及優(yōu)秀的實(shí)施效果。

使用Three.js構(gòu)建一個(gè)可在瀏覽器中顯示的Web3D模型，開(kāi)發(fā)路徑如圖5所示。

圖5 Three.js開(kāi)發(fā)路徑Fig.5 Three.js development path

3.2 Three.js格式識(shí)別及輕量化導(dǎo)入

BIM技術(shù)是基于三維模型多元應(yīng)用的技術(shù)，其應(yīng)用依賴(lài)于三維模型的建立。運(yùn)用Three.js引擎對(duì)BIM模型進(jìn)行Web端重構(gòu)展示，要求特定的模式格式。本文以Revit樣例文件為例，對(duì)比了4種Three.js支持格式在轉(zhuǎn)換大小、加載效果及加載時(shí)間上的應(yīng)用效果，如表3所示。Three.js中針對(duì)OBJ與FBX文件格式的2個(gè)加載器在進(jìn)行文件加載時(shí)會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)信息與屬性信息缺失，而GLTF的加載器相對(duì)完善，故均進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)化至GLTF后再進(jìn)行加載。分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BX與OBJ加載路徑均無(wú)法實(shí)現(xiàn)屬性信息在Web端的重構(gòu)，DRACO格式在壓縮后模型成為一個(gè)整體，屬性部分損失較大，無(wú)法很好地服務(wù)于鐵路運(yùn)維階段的BIM運(yùn)用。綜合分析采用RVT轉(zhuǎn)GLTF的路徑具有降低模型大小、保留模型信息、優(yōu)化讀取效率的優(yōu)點(diǎn)，本文在RVT轉(zhuǎn)GLTF路徑上進(jìn)行后續(xù)研究。

表3 Three.js支持格式及應(yīng)用效果Fig.3 File formats of 3D model and Three.js support

本文對(duì)開(kāi)源平臺(tái)GitHub上所獲取到的glTFRe‐vitExport程序源代碼進(jìn)行了解析，在其格式轉(zhuǎn)化的技術(shù)思路基礎(chǔ)上進(jìn)行部分代碼優(yōu)化重寫(xiě)，擴(kuò)展了其對(duì)運(yùn)維階段模型非幾何屬性轉(zhuǎn)換的適用性。經(jīng)Visual Studio 2019編譯后獲得addin文件與dll文件，按Revit二次開(kāi)發(fā)集成流程導(dǎo)入Revit后，可實(shí)現(xiàn)將.rvt文件大小壓縮成原體積30%左右的.gltf與.bin文件。后者可通過(guò)Three.js所提供的GLT‐FLoader加載，實(shí)現(xiàn)Revit模型的輕量化導(dǎo)入。

3.3 基于Web的模型擴(kuò)展及功能實(shí)現(xiàn)

在將BIM構(gòu)筑物整體模型經(jīng)過(guò)輕量化導(dǎo)入three.js搭建的BIM模型瀏覽器后，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)BIM構(gòu)筑物模型在Web端的重構(gòu)與基本瀏覽操作，包括漫游、點(diǎn)擊查看信息、縮放等功能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)族的附加與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，最終形成完整的鐵路運(yùn)維模型，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的監(jiān)測(cè)預(yù)警規(guī)則，進(jìn)行運(yùn)維監(jiān)測(cè)的可視化展示。在Web端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型向整體BIM模型的準(zhǔn)確附加，主要涉及到建模坐標(biāo)系與Three.js坐標(biāo)系不統(tǒng)一以及模型附加操作方式是否方便等2個(gè)問(wèn)題。

3.3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)族導(dǎo)入方式

依據(jù)實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)傳感器布置方案，對(duì)云平臺(tái)中的BIM模型進(jìn)行運(yùn)營(yíng)模型擴(kuò)展，即是在Web中進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)族的附加。本文對(duì)WebGL引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)，形成了基于WebGL的模型附加集成操作由粗到精的漸進(jìn)式附加模式：首先將前期準(zhǔn)備的20余種監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型進(jìn)行輕量化，并存放于服務(wù)器中；在Web平臺(tái)中開(kāi)發(fā)模型附加UI操作界面，通過(guò)在UI界面中對(duì)所要附加的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族類(lèi)型進(jìn)行選擇，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集所返回的經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程填寫(xiě)模型附加位置，初步將監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型附加至模型對(duì)應(yīng)位置；根據(jù)BIM模型結(jié)合實(shí)際工程場(chǎng)景，使用UI操作中的模型位置調(diào)整功能滑塊，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型位置進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)族的準(zhǔn)確附加。

3.3.2 坐標(biāo)統(tǒng)一

進(jìn)行BIM運(yùn)維模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族附加時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)況可知每個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器的經(jīng)緯度坐標(biāo)，但three.js架構(gòu)中所采用的坐標(biāo)體系為笛卡爾坐標(biāo)系，要進(jìn)行運(yùn)維模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)族的附加，需要實(shí)現(xiàn)兩者坐標(biāo)系的統(tǒng)一，并保證其定位精度。采用笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一時(shí)，存在經(jīng)緯度坐標(biāo)經(jīng)轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的誤差問(wèn)題，導(dǎo)致初次附加模型坐標(biāo)偏差較大，影響后期精調(diào)坐標(biāo)時(shí)的效率。而Cesium引擎與Three.js均為基于WebGL的Web三維引擎，兩者協(xié)議與原理相同，Cesium引擎支持WGS84坐標(biāo)系，但其加載模型與渲染效果不及Three.js。故本文將Three.js中搭建的運(yùn)維模型場(chǎng)景與Cesium引擎場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混合引擎以解決坐標(biāo)統(tǒng)一問(wèn)題。

將Cesium及Three.js場(chǎng)景分別存儲(chǔ)于同一畫(huà)布(Canvas)的2個(gè)容器中，調(diào)整2個(gè)容器層次，將Three.js容器置于Cesium容器之后，并設(shè)置容器背景為透明，即可實(shí)現(xiàn)2個(gè)容器的融合顯示。Cesium與Three.js生成了2個(gè)容器，同時(shí)會(huì)生成2個(gè)相機(jī)(Camera)，據(jù)前文所述，相機(jī)是決定顯示內(nèi)容的工具。本文在實(shí)現(xiàn)容器的融合后，采用cesium.view‐er.camera.viewMatrix及cesium.viewer.camera.inver‐seViewMatrix方法獲取Cesium相機(jī)矩陣，使用three.camera.matrixWorld.set及three.camera.matrix‐WorldInverse.set方法將Cesium相機(jī)的屬性矩陣賦予Three.js相機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2個(gè)相機(jī)的同步。

在相機(jī)設(shè)置完成后，將three.js的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置為BIM模型建?；c(diǎn)(此基點(diǎn)已知經(jīng)緯度坐標(biāo))，將three.js場(chǎng)景原點(diǎn)與cesium場(chǎng)景中實(shí)際WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)齊，并進(jìn)行模型傾向角的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)2個(gè)場(chǎng)景的融合。場(chǎng)景融合完成后，只需輸入數(shù)據(jù)回傳所獲得的監(jiān)測(cè)傳感器經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型初步附加。經(jīng)緯度定位精確度根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)所配置的定位采集設(shè)備精度而定，為后期UI操作精細(xì)調(diào)整打下基礎(chǔ)。

4 基于WebGL的鐵路監(jiān)測(cè)運(yùn)維可視化應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程背景情況

西北某鐵路在極端氣候作用下出現(xiàn)嚴(yán)重涉水病害，本團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)病害情況進(jìn)行了坡面治理、坡腳治理和施工支護(hù)等詳細(xì)方案設(shè)計(jì)與治理修復(fù)工程，在整治工程完工后利用全套無(wú)線智能監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)合本系統(tǒng)進(jìn)行全面可視化的整治效果監(jiān)測(cè)。為此利用Revit構(gòu)建了運(yùn)維BIM模型，如圖6所示。

圖6 鐵路BIM模型Fig.6 Railway BIM model

4.2 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)過(guò)程與效果

現(xiàn)場(chǎng)主要對(duì)整治工程的邊坡土體含水量、坡頂與坡面位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)等3個(gè)方面指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用水分計(jì)、物位計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀和表面式應(yīng)變計(jì)等監(jiān)測(cè)傳感器，共計(jì)布置測(cè)點(diǎn)177處，特殊監(jiān)測(cè)工況下加密監(jiān)測(cè)每日數(shù)據(jù)回傳量較大，部分已超過(guò)表單、數(shù)據(jù)曲線等可視化模式的作用范圍，監(jiān)測(cè)運(yùn)維信息運(yùn)用存在很大困難。

在本文搭建的運(yùn)維可視化云平臺(tái)中，進(jìn)行此項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型的附加以及實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型與數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)連接，各傳感器模型的顏色根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)運(yùn)維數(shù)據(jù)的一張圖可視化展示。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的可視化漫游，快捷瀏覽各傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，是對(duì)項(xiàng)目BIM模型的深化應(yīng)用。通過(guò)可視化的手段，現(xiàn)場(chǎng)管理人員可以直接在三維模型環(huán)境中查看項(xiàng)目整體情況及監(jiān)測(cè)模型，根據(jù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)快速判別監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)控制斷面的健康狀態(tài)，對(duì)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)部位迅速定位，并按需進(jìn)行詳細(xì)信息查閱，相較于從前只能通過(guò)傳感器編號(hào)等非可視化途徑查閱龐雜數(shù)據(jù)表，瀏覽各個(gè)傳感器歷史數(shù)據(jù)曲線的方法，更加高效。對(duì)于智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所捕捉的預(yù)警情況，還可實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)全局報(bào)警、短信預(yù)警信息推送等全方位的預(yù)警信息傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)信息的快速掌握。本案例操作運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 鐵路運(yùn)維可視化平臺(tái)漫游效果Fig.7 Roaming effect of railway visualization platform

5 結(jié)論

1)基于Three.js引擎搭建輕量化運(yùn)維平臺(tái)，結(jié)合模型實(shí)體與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，提出不依賴(lài)大型商業(yè)軟件，在Web端直接進(jìn)行運(yùn)維模型擴(kuò)展與數(shù)據(jù)集成的實(shí)現(xiàn)方法，可在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)斷面預(yù)警位置的精確定位，確保鐵路高效安全運(yùn)維，為鐵路運(yùn)維信息化提供新思路。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)際外形與屬性精細(xì)化建模，使用精細(xì)化構(gòu)建的監(jiān)測(cè)點(diǎn)族模型作為監(jiān)測(cè)信息的可視化載體。利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型色彩更新，實(shí)現(xiàn)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在Web端的高效可視化展示，提升健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理效能。

3)研究了完全基于Web的運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、集成、可視化展示的全流程，對(duì)于鐵路行業(yè)日益增長(zhǎng)的模型及健康數(shù)據(jù)體量，需進(jìn)一步研究其輕量化集成理論方法、優(yōu)化可視化管理模式，以更好地面對(duì)鐵路信息化水平不斷提升帶來(lái)的新挑戰(zhàn)。