基于BIM+GIS的土石坝安全监测管理平台研究及应用

张晓阳,杭旭超,贾玉豪,钱 锋

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

随着中国水利水电行业的发展，水电工程运行期安全管理工作愈发关键，如何在传统安全监测业务的基础上，有效整合多源数据，充分利用数字化工具[1-3]，匹配相应安全管理制度，实现全生命周期精细化管理[4]，有力践行智慧化转型是目前行业关注的重难点。BIM模型作为工程数字化转型的基础，不仅可实现规划、设计、施工及运维等阶段信息共享，打破数据壁垒[5-8]；同时与GIS技术相融合，可高效率整合多源数据，在微观及宏观层面对数据进行可视化展示、处理、分析[9]，高效赋能大坝安全管理业务。行业内学者在BIM应用及BIM+GIS相融合均有大量研究探索[10-13]，但结合实际业务进行具化应用仍需进行大量实践探索。

本文以BIM+GIS为基础，覆盖大坝安全监测“装、采、传、存、析、用”全过程，以“数字化转型”为驱动，构建安全监测管理平台，以期解决资产难管理、仪器难溯源、数据壁垒等问题，切实提高大坝安全管理水平。

1 基于BIM+GIS的安全监测管理平台搭建

1.1 运行期安全监测管理要素分析

安全监测工作贯穿水电工程规划、设计、施工及运行各阶段，是安全管理工作的重要组成部分。相比施工期，运行期侧重资产运维及数据分析等，且运行主体一般是在竣工验收之后方参与安全监测管理工作，往往存在信息缺失、割裂等问题。以全生命周期管理模式为基础，实现工程数字化，数据资产化，搭建安全监测管理平台，可为运行主体、监测单位、监管部门等提供全面的数据及技术支撑(图1)。

图1 安全监测全生命周期管理模式示意

1.1.1工程数字化

按照一物一元、一元多维的理念构建土石坝及安全监测设备三维模型，建立BIM模型编码标准，以唯一编码贯穿资产全生命周期，覆盖监测仪器采购、开箱、埋设、率定、检修、封存全过程。BIM模型与仪器基本信息、状态、实时数据及预警信息等相关联，实现数字资产高共享、可溯源。

1.1.2数据资产化

将安全监测相关的资料数字化、标准化，统一数据标准，对内对外提供数据服务。数据主要包括结构化及非结构化数据两大类：结构化数据主要包括BIM模型、GIS数据、倾斜摄影数据、监测数据、水文气象、地震、巡检数据等；非结构化数据主要包括各阶段产生的图纸、文档、视频、监管信息等。

1.2 关键技术研究

1.2.1土石坝BIM模型构建

土石坝断面结构及边界条件复杂，往往等需结合地形进行放坡，在其他三维设计软件中往往需要二次开发[15-16]。基于B平台OpenRoads Designer软件提出土石坝三维设计解决方案，具体流程见图2。

图2 基于OpenRoads Designer土石坝三维设计解决方案

在横断面组件设计过程中遵循从上到下、先中间后两边、先控制点后细节点的原则，结合约束条件对细节点进行控制，约束关系主要包括水平距离、垂直距离、坡度、平行及直线的垂直距离等，对组件的大小、位置及形状等进行约束，从而完成横断面模板的组装，并赋予组件不同材质。同时建立相应参数化标签，在结构建模过程中，参数化调整、编辑对应桩号组件的几何信息，实现设计意图。

结合B平台统一的数据结构及格式，水工结构、地质及监测等不同专业模型以参考方式实现无缝组装，通过ProjectWise进行协同设计，实现设计过程的分散化及设计成果的集中化。

1.2.2多源数据的采集及融合

平台主要面向安全监测、水文气象、泥沙、地灾体、巡视检查、地震监测及监控视频等进行采集及融合，厂站实际生产过程中，上述数据来源、存贮位置及格式均不相同，且历史数据与实时动态数据并存，基于现状提出多源数据采集及融合方法。

1.2.2.1历史数据标准化及数字化

对于水电站基本信息、安全监测历史资料、巡视检查资料及相关管理文档，采用系统接入及人工录入等方式，实现历史数据的标准化及资产数字化，对相应文档进行分门别类存储，并与数字资产相关联，进行高效管理及利用。

1.2.2.2实时监测数据接入

实时监测数据主要包括安全监测、水雨情监测及闸门调度等。安全监测主要包括变形、渗流、应力应变及温度、专项监测等；水雨情监测主要包括气温、降雨量、上下游水位及出入库流量等。结合电力安全防护规定，上述系统及数据往往分布在不同安全分区，结合现场安全防护设备，开发监测数据增量数据转换程序，实现实时数据的导出及入库。

1.2.2.3Web端数据接入

对于流域性气象资料及地震信息，在Wed端布设采集服务器，采用API接口调用气象局及地震台网实时数据，从而实现数据入库。

在多源数据采集的基础上，进行标准化数据治理，剔除错误数据，打造水电工程核心数据资产，通过多源数据挖掘分析，建立由点及面、多维度立体融合、逐渐向全流域拓展的数据分析体制，数据赋能传统业务，进一步提升大坝安全管理水平。

1.2.3基于全生命周期的监测数据库构建

安全监测仪器作为工程运行状态的感知单元，在水利水电工程领域应用广泛，品种繁多，数据采集、传输、存储形式各异，仪器设备从采购、开箱检查、安装埋设、验收移交、运行监测等各阶段附加的业务信息各有不同，且信息往往只存留在施工、设计及管理单位自身，彼此之间数据割裂，信息孤岛现象严重。随着信息化手段的应用，自动化监测系统得到普及，安全监测数据的管理、分析及预测得到提升，但仍存在监测仪器管理缺失等问题。

结合全生命周期管理理念，构建安全监测数据库，以监测仪器模型唯一编码为基础，从仪器、监测项目及埋设部位等3个维度对仪器进行全过程管理。监测仪器维度主要包含厂家、型号、仪器类型及仪器规格等监测仪器基本信息，同时结合监测模型编码进行标识，实现监测仪器精细化管理；监测项目维度从监测类型、监测目的等，通过测点编号关联监测模型编码对仪器进行管理；埋设部位维度在传统水工结构物划分的基础上，匹配编码标准，为监测仪器分区管理提供依据。在监测仪器多维度全生命周期管理基础上，结合基本信息、安全监测数据及文件分布式存储，实现各阶段信息的高保真传递。

1.2.4BIM+GIS融合

BIM模型可详细描述工程实体的几何及属性信息，GIS(地理信息系统)可采集、储存、分析和查询地理信息数据，具体描述地球表面空间中的地理分布。BIM+GIS相融合既可对工程进行细部表达，提供海量数据支撑，又可实现厂站、库区、地灾体及流域等多源海量数据融合，实现不同业务场景的融合展示。

数据结构层面，BIM、GIS均包括空间位置、外观形状等信息，结构相似，基于底层数据转换标准，采用第三方插件及格式转换等方法在三维平台上进行数据融合。将DGN格式BIM模型文件转换为UDB、UDD数据库型文件，以供iDesktop软件调用；GIS数据主要包括TIN地形服务、影像服务和影像注记服务等。BIM+GIS融合主要在GIS平台中集成BIM数据，通过解析UDB文件型数据库中的BIM数据，针对BIM模型进行编辑和处理等，完成BIM数据集成；解析OSGB格式的倾斜摄影数据[14]，针对模型进行裁剪、特效制作等；将BIM及倾斜摄影数据统一加载在三维场景中，完成相应制作及缓存，并提交工作空间及配置文件。通过iSever进行服务发布，建立地图服务、三维服务和数据服务，利用其API接口，存取三维场景中BIM数据和倾斜摄影数据，利用公共服务的API接口，获取TIN地形服务、影像服务和影像注记服务，同时接入多源实时监测数据，实现BIM+GIS的融合，融合流程见图3。

图3 BIM+GIS融合流程示意

2 基于BIM+GIS的安全监测管理平台设计

2.1 平台架构设计

系统架构主要分为数据源层、应用平台、业务应用及展示层，平台架构见图4。在历史资料及多源数据数字化、标准化的基础上，打通“数据壁垒”，高效整合全生命周期数据资源，标准化定制安全监测管理业务流程，面向用户提供“大屏、中屏、小屏”服务，实现大坝安全监测强监管，提升安全监测管理水平。

图4 基于BIM+GIS安全监测管理平台架构

2.2 主要功能模块

2.2.1综合信息管理

基于一张图的设计理念，将水电站各阶段产生的数据资源有机融合，结合空间地理信息，从工程阶段、监管信息及文档管理等多个维度进行综合管理及展示。如从监测项目、自动化程度、缺测率、预警信息等维度对监测信息进行统计，并基于BIM+GIS进行流域内水雨情、水文气象、泥沙、地灾体及地震等多源数据实时汇聚、统计、展示。

2.2.2BIM+GIS可视化展示

以空间地理信息为底图，加载BIM模型、倾斜摄影资料，构建可视化场景，提供模型测量、剖切及属性查询等功能，同时可定制巡检路线，结合巡检实时数据及关键部位监控视频等，与仪器状态、监测数据、水雨情、气象及数字资产等进行联动，实现远程巡检，提高工作效率。对大坝定期巡视检查、汛期检查、监测设备排查等过程中发现的安全隐患，结合数字化资产进行全过程可视化处理，定制隐患排查消缺流程，实现多级协同处理。

2.2.3安全监测管理

从监测项目、工程部位及仪器类型等维度对监测数据进行分类管理、查询，以列表、过程线的方式对测点埋设信息、测点数据、水雨情数据等进行查询展示，分阶段对测点特征值进行统计，结合厂站月报、年报等定制标准化模板，提供一键整编及数据报送功能。

针对监测仪器，结合数据库建设，实现主流仪器厂家、类别、型号及全覆盖，结合仪器运行各阶段信息，构建监测仪器“生命轴线”，实现监测仪器全生命周期管理，结合仪器监测目的、测量范围及测量精度等，实现监测仪器维护提醒、更换智能匹配等，方便仪器运维管理。

2.2.4监测分析预警

结合监测系统排查及相关分析报告等，进行监测数据的粗差剔除、统计分析工作，建立多级别、多层次的安全指标体系，对超出或即将达到预警阈值的各类监测测点，如坝体表面位移、裂缝变形等监测数据进行预警，以短信及微信方式推送给技术人员，后续重点关注，结合隐患消缺流程，完成分析、预警、处置闭环工作流程。

2.2.5设备资产管理

在已有二维图纸、文档、设备清单等的基础上，通过编码标准及BIM模型建立，建立资产设施与人员、空间以及各种数据文档的关联关系，形成数字化资产库，可分别从空间位置、单元工程及组织结构等多维度由三维模型出发进行数字资产的多种查询、管理，实现二、三维联动及精细化管理，为数字化移交提供技术支持。从工程部位、设备状态、运维周期等不同视角对设备进行管理，对设备状态进行统计展示，对设备状态不正常的仪器形成闭环管理。以“生命轴线”直观展示监测仪器等设备全生命周期信息，并叠加各阶段产生的文档信息，如合格证、说明书、埋设考证表、质量评定表、作业指导书及维修记录等，便于整理查看。

3 水电站应用及介绍

某水电站位于湖北省境内，以发电、防洪为主，并兼顾其他效益，坝体为面板堆石坝。结合相应资料进行系统应用，完成精细化数字模型及倾斜摄影模型建立、BIM+GIS融合、多源数据融合展示及资产精细化管理等工作。

进行枢纽工程范围内地形建模、坝体断面模板建立、材料定制等工作，结合编码标准及主体结构划分，完成基本信息及文档资料关联；采用固定翼无人机对枢纽工程范围内进行倾斜摄影建模，搭建可视化场景。

针对安全监测仪器，定制监测仪器库，并存储为dgnlib文件，方便后续调用。对于安全监测信息，如仪器信息、埋设信息及测点信息等，采用添加项的方式与库中监测仪器做关联，进行业务信息及仪器属性定制。仪器通过单元放置精确布置在埋设位置上，并添加测点编号、测点ID等信息，便于模型与实时数据联动展示。

在土石坝精细化BIM模型建立过程中，完成几何信息建立及构件属性赋值，并通过第三方插件，以安全监测数据展示及业务应用为出发点，发布数字应用场景，结合监测仪器埋设信息、BIM模型及关键部位实时监控视频，对监测仪器的埋设布置、空间位置进行联动展示。

在完成多源数据采集的基础上，对长时间序列安全监测数据的连续性、稳定性和可靠性进行评判分析，进而基于各效应量监测数据与待选影响因子变化的相关性，筛选统计模型的影响因子并确定模型表达式，结合实测资料反演确定模型中各项因子的系数，以此作为测点的监控模型，对监测数据进行短期监控预警。结合工程地质、结构设计、施工和运行以及重大缺陷处理等资料，确定亟需关注的重点监测对象和关键项目，结合监测数据分析设定关键部位测点评判准则及对应的评判指标，对不同测点进行分部位、分区、分占比的综合评判，将评判结果分为正常、轻微异常、一般异常及严重异常等；通过对不同监测测点进行安全度分析，得到关键部位的评估结果，并对单测点、单个监测类型、局部结构等状态异常数据进行预警，从而评定大坝整体安全服役性态预警等级。

结合预警信息或实时地震信息，跳转到需关注的场景或工程部位，并采用微信、短信等方式推送至技术人员，为安全监测提供数字化、智慧化解决方案，BIM+GIS融合场景见图5。

图5 基于BIM+GIS可视化场景展示

4 结语

本文基于全生命周期管理理念，从精细化模型建立、多源数据融合展示及BIM+GIS融合等方面，阐述面向土石坝运维期安全监测管理平台搭建的关键技术，并结合具体业务进行应用研究。平台覆盖安全监测生产全过程，实现了设备资产精细化管理、多源数据融合及应用，为工程数字化、智慧化转型提供技术支撑，一定程度上可为后续类似应用研究提供参考。