基于BIM的水利枢纽施工多维信息可视化管理系统设计分析

2021-03-30李可

水利技术监督 2021年3期

李可

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁沈阳 110003)

多维信息是组成多维信息空间的信息数据，在计算机技术和虚拟现实技术的支持下，水利枢纽施工信息逐渐向可视化的方向发展，水利工程规模不断增大，施工数据不断增多[1]，如何管理可视化信息成为了当下的研究热点，为此在BIM技术的支持下，针对水利枢纽，设计一种施工多维信息可视化管理系统，将各项水利枢纽施工数据以一种直观的方式进行展示，追踪不同施工阶段的多维信息的数值，保证水利枢纽工程的安全[2]。国外研究人员利用BIM技术中的项目管理知识库，汇总了多个维度的水利枢纽数据[3]，研究得到了多种信息转换模式，并构建了多种信息数据的可视化转换方法，制定了多种信息可视化交互标准。国内在研究BIM技术方面起步较晚，可视化管理系统研究，已经进入高速发展阶段，集成处理了信息可视化的核心软件[4]，并实现了对水利枢纽施工过程的管理。综合国内外的研究成果可知，设计一种可视化管理系统是很有必要的。

1 多维信息可视化管理系统硬件设计

1.1 设计可视化控制单元

可视化控制单元以STM32芯片作为主控芯片[5]，芯片引脚外部集成电平转换模块以及GSM电路模块后，得到控制单元结构，如图1所示。

图1 可视化控制单元结构

在图1中，将USART串口与芯片相连，在主控芯片外设置2个SPI通信接口，控制通信接口1用于芯片调试。蓝牙模块以TI CC2540/41芯片作为处理核心，使用蓝牙芯片上的引出脚1连接硬件电源，控制引脚2接地，设定引脚端口3为复位端，连接一个数值为10K的电阻，控制蓝牙模块的正常复位[6- 7]。将端口21作为芯片串口的发送引脚，连接控制芯片的RX4引脚后，实现硬件数据的传输。控制单片机的引脚连接无线传输模块和串口模块后，控制GSM模块与功能按键模块并联。

采用TD1507TR稳压芯片作为可视化控制单元的电源，固定电源的电流值为2.0A，连接一个100uF的电容作为电源电路的滤波电容，控制单元的电源电路结构如图2所示。

图2 控制单元电源电路结构

在图2中，电源电路中电容C15与电容C19并联，保证电源模块的稳定。可视化控制单元设计完毕后，设计串行通信板卡电路。

1.2 串行通信板卡的电路设计

可视化系统需要液晶触摸屏作为触控面板[8]，在可视化控制单元的控制下，在STM32芯片和触控屏间设定一个中间层，在该中间层内设定一个串行通信板卡，板卡结构如图3所示。

图3 串行通信板卡结构

在图3中，控制板卡串口0连接一个5V的TLL电平微控制器[9]，在液晶显示屏的RS- 232接口处连接板卡的串口1，串行通信板卡的电路结构如图4所示。

图4 串行通信板卡电路结构

控制上述板卡电路结构流经的电源电压为3.3V，转换芯片串口连接显示屏的九针接口后，实现硬件电路的电平转换。

2 多维信息可视化管理系统软件设计

2.1 转化水利枢纽施工多维信息

在硬件结构的支持下，采集水利枢纽施工多维数据后，对应整合处理为3个维度的数据集合，数据集合可表示为：

(1)

式中，X，Y，Z—水利枢纽施工信息的维度。

水利枢纽工程不断发展，施工多维数据产生了一定的变化，设定上述采集得到的多维数据的更新规则[10- 11]，以X维度的数据作为处理对象，水利枢纽施工数据的更新规则可表示为：

(2)

式中，N—水利枢纽数据的邻域；i—水利枢纽数据邻域的更新参数。

同理可得Y，Z维度上的水利枢纽施工数据。更新处理施工多维数据后，平滑处理多维数据，计算公式可表示为：

(3)

式中，P3d(x，y，z)—多维度数据的滤波数值。

同步该滤波数值后，根据多维数据的时间状态，离散控制计算得到的平滑数值，可表示为：

(4)

式中，xk+1—(k+1)时刻多维施工数据状态参数；Fk+1—多维数据的变换矩阵；Bk+1—控制输入的施工数据。

采用卡尔曼滤波迭代处理离散过程，计算信息数据中的增益，可表示为：

(5)

式中，Hk+1—(k+1)时刻多维数据施工状态量；H′—状态量的测量值；R—滤波偏差。

以计算得到的增益作为多维数据的转换量[12]，实际转换时，以该转换值作为多维数据的标准变化区间，实现不同维度间的相互转换。转换多维信息数据后，使用BIM技术，实现管理功能。

2.2 采用BIM技术实现管理功能

在实现管理功能时，首先采用BIM技术的.NET平台作为管理功能的编程平台，使用其内部自带的CLR与FCL组件[13]，为管理过程提供运行环境，并提供一个框架结构，构建得到.NET框架结构，如图5所示。

图5 软件框架结构

在图5中，将转换后的水利枢纽施工多维信息数据库集成在软件框架结构中的Winform窗体中，对应不同的施工多维数据，设定不同的数据结构，采用BIM技术中的数据库结构储存转换后的数据，利用BIM模型模拟搭建水利枢纽施工过程，并采用JAVA编程可视化转换该施工过程[14- 15]。使用数据库中的E-R图结构划分施工数据的属性，对应不同的属性，设定不同的管理程序，实现多维信息可视化的管理。基于上述实验准备，最终完成基于BIM的水利枢纽施工多维信息可视化管理系统的设计。

3 系统测试

3.1 测试准备

采用5台PC机搭建一个Hadoop分布式结构，以该结构作为验证可视化系统性能的测试环境，准备计算机的软硬件环境，参数见表1。

表1 实验所需PC机参数

采用表1参数的PC机搭建测试环境后，随机选定辽西北地区的一处水域环境作为实验对象，选定的水利环境如图6所示。

图6 选定的水利实验水域

在图6中，设定10个水利枢纽施工信息的采集点，采集枢纽施工的信息后，解析处理施工信息为各项数据，见表2。

采用表2的施工信息数据作为测试数据，分别使用文献[6]、文献[9]中的可视化管理系统以及文中设计的可视化管理系统进行测试，对比3种可视化管理系统的性能。

表2 解析后的施工信息数据

3.2 测试结果及分析

在上述实验环境下，设定解析后的施工信息数据并发数值为10、20、30、50、60、80、100，对3种可视化管理系统的吞吐量指标作对比，结果见表3。

表3 3种可视化管理系统吞吐量结果单位：Mbps

根据表3的吞吐量实验结果可知，设置不同数值的并发量后，文献[6]中的可视化管理系统产生的吞吐量在30～50 Mbps之间，吞吐量数值最小，文献[9]中的可视化管理系统产生的吞吐量在80～90 Mbps之间，系统对数据的吞吐量数值较小。而文中设计的可视化管理系统的吞吐量数值在150～200 Mbps之间，与2种文献中的可视化管理系统相比，该种可视化管理系统产生的吞吐量数值最大。

保持上述实验环境不变，将表2解析后的施工信息数据导入至3种可视化管理系统中，重复累积导入100万条后，统计3种可视化管理系统的响应时间，计算得到3种可视化管理系统读取数据的效率，实验结果如图7所示。

图7 3种可视化管理系统读取数据的速度

由图7可知，在3种可视化管理系统控制下，读取100万条施工信息数据时，文献[6]中的可视化管理系统读取数据的速度在约900条/s，实际读取施工数据的速度最慢，文献[9]中的可视化管理系统读取数据的速度约1250条/s，实际读取数据所需的时间较快，而文中设计的可视化管理系统读取数据的速度约1667条/s，与2种文献中的可视化系统相比，该可视化管理系统实际读取数据的速度最快。

在上述实验环境下，调用3种可视化管理系统内的开发工具，以解析后的施工信息数据作为可视化页面的渲染对象，在相同的操作系统控制下，统计3种可视化管理系统可视化渲染时间，最终在设定采集点处形成的可视化渲染时间结果，见表4。

表4 可视化管理系统的渲染时间单位:ms

由表4可知，使用测试准备阶段采集得到的施工数据作为处理对象后，在同一操作系统的处理下，3种可视化管理系统表现出了不同时长的页面渲染时间，根据表4所示的时间数值，文献[6]中的可视化管理系统所需的平均页面渲染时间约为113.5ms，渲染页面所需的时间最长，文献[9]中的管理系统所需的平均渲染时间约为69.1ms，渲染可视化页面所需的时间较短，而文中设计的可视化管理系统的平均渲染时间约为39.2ms，与2种文献中的可视化管理系统相比，该可视化管理系统所需的渲染时间最短，缩短了水利工程施工多维数据可视化所需的时间。