大坝裂缝检测信息管理系统的设计与实现

王家志 姚松 刘国忠 王贤发

摘要：本文探讨了大坝裂缝监测信息管理系统的设计与实现，在三维实景模型上进行裂纹的查找、检查、标绘及三维几何空间信息采集;形成一套成熟的大坝内外部裂缝及外观异常点的查找、标记及管理的方法和系统。实现裂缝的识别和几何信息的提取、存储，以及数据的审阅、管理功能，有助于推动贴近摄影测量、三维激光扫描技术等新兴技术在工程项目的具体落地，形成规范化的管理流程，提升项目信息化管理效率。

关键词：大坝  裂缝  信息管理  实景浏览

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，用于防止洪水泛滥、生产水力发电、储水作饮食或灌溉、工商业。在河流中上流建造的短距离人工高耸河堤主要功能并非防治水患，而是为了集结河水，把水汇集在堤，将河谷淹没后形成水库^[1]。大坝在建设国民经济上发挥了巨大的作用，为我国的经济发展注入了强大的动力。截至2017年底，中国大坝工程学会提供的数据表明，中国现有大坝98 000余座，是世界上大坝占有量最多的国家。同时，现阶段我国的水坝筑建技术位于世界前列，2013年建成的锦屏一级大坝高305m，是世界第一高坝。然而，同样值得注意的是，中国的大坝大多设计年代久远，老化问题严重，而大坝的使用寿命约为50年，大量的大坝接近或已经达到使用年限^[2]。根据中国大坝工程学会统计，中国接近一半的大坝存在安全隐患，大中型病险水库总量更是达到了1200余座。大坝一旦决堤，会导致房屋、田地、工业设施、铁道等被冲毁，给国民经济造成巨大的影响。

大坝裂缝作为最常见的大坝病害，是大坝垮塌的最大安全隐患。水库大坝长期使用，受到猛烈水流和各种自然灾害的影响，此外，还可能存在人为损坏，加之许多大坝缺乏人工维护，不可避免地会产生大大小小的裂缝^[3]。大坝一旦出现裂缝，很可能会加剧发展，蔓延到坝体内，导致从小堆积到大数量、量变到质变。如果出现不显眼的小裂缝时不及时维护和处理，势必对大坝造成进一步的破坏，甚至可能造成大坝决堤，冲刷大坝周围的房屋，破坏周围的农田，给大坝周围的居民带来安全隐患。因此，研究大坝裂缝检测技术对于科学防治大坝灾害具有重要意义。

通过对隧道衬砌裂缝信息相关组织管理现状进行深入调研和分析后，设计了普定大坝检测裂缝信息管理系统。该系统集成了三维激光扫描仪采集的点云数据、贴近摄影测量获得的实景三维模型数据、裂缝信息提取算法及相关项目管理资料，实现裂缝的识别和几何信息的提取、存储，以及数据的审阅、管理功能，有助于推动贴近摄影测量、三维激光扫描技术等新兴技术在工程项目的具体落地，形成规范化的管理流程，提升项目信息化管理效率^[4]。

1 系统框架

裂缝信息管理系统采用成熟的三层体系架构，将整个业务应用划分为数据访问层（Data Access Layer，DAL）、业务逻辑层（Business Logic Layer，BLL）和表现层（User Interface，UI），各层的具体功能如下。（1）数据访问层：该层直接对数据库进行操作，主要从数据库及交换文件中导入点云数据及相关信息并存储数据。（2）业务逻辑层：起到数据交换的作用，是针对具体的某个业务领域内的逻辑。（3）表现层：展示输出点云数据的各种处理结果并接收用户的相关交互操作，是软件系统面对用户的表现主体。系统平台框架设计如图1所示。

1.1 数据访问层

数据访问层采用集中管理和业务管理相结合的方式，三维点云数据包括原始扫描数据，以及预处理后的点云、可视化展示分析区域、历史点云数据、三维点云模型等。裂缝检测数据包括裂缝的几何信息、历史裂缝信息及裂缝分析成果等。为使裂缝检测数据方便Web上的存储和访问，并使数据保持高效的维护和更新，选用MySQL、SQL Server等市场上相对成熟、开放的数据库管理系统^[5]。

1.2 业务逻辑层

业务逻辑层主要指三维点云可视化系统平台。基于裂缝信息检测可视化的特点，研发三维可视化引擎或选用市场成熟平台接口，实现三维点云数据的展示，以裂缝信息修改、新增、删除，以及检测结果信息查询、分析及可视化等。

1.3 表现层

表示层基于C/S工作模式，主要完成裂缝检测结果、3D点云模型展示和人机交互功能。功能模块主要包括3D点云模型文档管理、信息转换、信息输入等检测数据管理、扫描数据可视化、历史点云数据分析等数据管理，裂纹分布图、分类及区域检测统计、检测结果分析等检查数据可视化等方面进行设计。通过在基础平台的业务开发，建立客户端与支撑平台、数据库的连接，使用户可以在3D中实现点云模型的漫游、编辑、数据咨询、分析等功能。图2和图3分别是大坝裂缝检测信息管理系统的登录界面和主界面。

2 数据库设计

大坝裂缝检测信息管理系统数据库使用PostgreSQL进行开发。PostgreSQL 是一个自由的对象-关系数据库服务器（数据库管理系统），它包括了可以说是目前世界上最丰富的数据类型的支持，采用的是比较经典的C/S（client/server）结构，非常适合本项目数据结构复杂，数据类型较多的情况^[6]。

系统数据库需要存储的基本信息主要包括以下3点。（1）大坝工程基本信息。有工程案例名称、资料来源、资料作者、工程簡介、工程设计基本信息和工程相关图片。（2）裂缝信息。记录描述裂缝的情况，包括裂缝的所在部位，裂缝的性质、长度、缝宽及渗水析钙描述。（3） 用户信息。有用户账号、用户密码和用户权限等级等。明确所要存储进数据库的信息后，对其进行汇总分析，将下列信息抽象总结为实体要素：工程项目、大坝裂缝和用户。对于每种实体我们都创建相应的编号字段作为其主键，用于对该实体信息进行唯一标记。不同实体应满足下列逻辑关系：一个大坝可以出现多种裂缝，一个裂缝或病害必须对应一个具体工程项目;一个裂缝或病害由多种病害原因导致，一个病害原因必须对应一个实际裂缝或病害及一种病害原因类型。实体之间的关系可以用实体-联系图表示。

3 功能设计

结合已有的裂缝检测资料，建立大坝点云的数字化模型，完成裂缝检测资料的整编入库。实现内外部实景数据的查询和对比，并在检测系统内直接查询、统计、展示裂缝信息。系统主要功能划分如图3所示。

3.1 实景浏览

包括查看外部实景、内部实景和进行双屏对比，外部实景展示不同周期的大坝模型和裂缝信息，支持对裂缝信息修改、新增、删除等操作，列表模块可以通过搜索查询或者筛选查询查找相应对象，可以添加标注，可以查看有数据裂缝的详情和定位，分类模式按照分类可以查看裂缝的详情和定位，可以添加标注。内部实景可以查看不同周期的内部实景，双屏对比可以对不同周期的裂缝同步对比。

3.2 裂缝管理

主要包括以下功能。（1）查询：可以通过搜索查询或者筛选查询查找相应对象（如图4所示）。（2）重置：清空输入信息和选中的筛选条件。（3）新增：通过添加单条裂缝信息完成。（3）操作：对单条裂缝信息进行编辑、查看、导航、删除。（4）数据上传：对大坝裂缝数据通过表格形式进行批量上传。（5）数据下载：获取裂缝包含图片的数据。（6）裂缝导出：通过Excel表导出所有裂缝数据。

3.3 后台管理

主要包括以下功能模块。（1）用户管理：实现管理员对用户信息的添加、修改和删除，查看用户信息列表，对新增用户进行密码初始化。（2）角色管理：实现对系统角色进行统一管理。角色管理信息包括角色的创建和修改。（3）权限管理：用于分配和管理角色对应的权限。（4）外部三维：通过大坝三维实景全方位观察大坝情况。（5）内部三维：通过三维点云数据采集，实现对大坝全景观测（如图5所示）。

3.4 工具箱

主要包括以下功能模块。（1）主视角：达到地图视角恢复主视角功能。（2）测点、测距、侧面：按面积、距离、坐标、垂直间距、水平间距测量展示功能。（3）裂缝图层：支持对图上裂缝的打开和关闭功能。（4）传感器：支持查看、添加、修改、删除传感器信息。

4 结语

普定大坝裂缝一直是定检过程中的重要检查项目，特别是新增裂缝，以及裂缝的发展和渗漏，是反映大坝运行潜在隐患的重要表征。历次定检，电厂都对大坝及水工建筑物进行了裂缝详查，但历次裂缝检查报告，对裂缝位置描述都不精确。因为大坝高耸的立面，人工检查作业难度很大，裂缝的位置只是简单粗略的描述，致使两次裂缝检查中，难以对裂缝进行比对和追踪，本文探讨了大坝裂缝监测信息管理系统的设计与实现，在三维实景模型上进行裂纹的查找、检查、标绘及三维几何空间信息采集，形成一套成熟的大坝内外部裂缝及外观异常点的查找、标记与管理的方法和系统。

参考文献

[1]陈亮.大坝表面异常巡检装置设计及裂缝检测算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2020.

[2]马嘉文.基于图像处理的大坝裂缝检测算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[3]高兆东，董凌峰，丁幼亮.基于BIM的桥梁裂缝信息管理可视化研究[J].市政技术，2021，39（4）：68-72.

[4]乐弋舟，漆泰岳，陈桂龙，等.基于PHP的隧道衬砌裂缝信息查询管理系统开发[J].路基工程，2018（6）：68-73.

[5]马勇，任超刚.探讨道路桥梁施工管理中的裂缝处理措施[J].河南建材，2018（5）：285-286.

[6]马代鑫，刘红叶，杨梓，等.路面裂缝信息自动提取研究综述[J].新型工业化，2020，10（9）：65-69.