CN107610234A - 一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于航电枢纽施工管理领域，具体涉及一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统的新方法。本发明包括施工动态可视化模块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块、场景距离测量模块、场景面积测量模块、施工单位子系统模块6个软件模块，施工单位子系统模块用于提供施工动态可视化模块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块的信息与整合，从而施工单位子系统模块及时、准确反馈工程信息给施工动态三维可视化管理系统，同时施工动态三维可视化管理系统通过管理决策向施工单位子系统下达施工指令。

Description

一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统

技术领域

本发明属于航电枢纽施工管理领域，具体涉及一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系 统。

背景技术

航电枢纽施工条件复杂，多家承包商同时进场，平行作业和作业面狭窄导致互相干扰， 为施工过程中的工期、质量等控制带来诸多不确定因素。同时，航电枢纽水工建筑物种类多、 其内部各部分之间既相互联系又相互制约，关系错综复杂，涉及到工程的各个方面，难以用 简单的表或数学模型来描述，开发一个交互友好的航电枢纽可视化动态管理系统，已成为提 高施工效率、解决施工决策问题的重要途径。

近年来，航电枢纽工程建设发展较快，但施工信息化、可视化程度仍然较低。从现有可 查的文献资料看，多采用数学理论方法进行航电枢纽工程施工场地布置、监管的研究，利用 最优化方法计算出最小成本或最短线路等对施工场地布置进行研究，也有从施工场地监管方 案评价的角度进行研究，但是研究成果多比较零散，没有系统化。清华大学和中建一局的张 建平、邢林涛针对建筑工程施工研究了施工现场布置和监管的问题，应用计算机图形技术， 以形象的三维实体图形表达施工进度与现场监管，以及对项目施工计划和进度实时控制管理 的办法。并分析了多层建筑物的空间利用和进度计划的协调，以及随着进度计划的推进，建 筑物场地的变化和建筑物体形的现状。钟登华等人利用GIS，应用可视化技术与计算机辅助 技术实现桥梁、大坝、隧洞施工过程的三维可视化仿真。但所讨论的问题属于工业与民用建 筑范围，它同航电枢纽工程建设具有较大区别，难以实现整个施工场景的三维可视化及水工 建筑物的施工进度管理，缺乏对工程施工进展的整体掌控。

本发明提出基4D技术航电枢纽建设动态可视化管理方法，于传统的2D模式和3D模式不 同，它是将二维图例要素、三维水工建筑物模型、施工进度与工程基本信息利用映射一一关 联，实现属性数据与空间数据的有机融合。基于GIS对施工场景进行三维可视化动态演示， 直观、形象地表达航电枢纽工程各组成部分的空间逻辑关系，并对场景目标区域进行距离测 量与面积测量，同时能够查询任意时间节点的施工进度仿真情况，对水工建筑物的建设情况 进行实体参数化仿真，并通过GIS下的空间位置监测点，监测和检查施工进度与施工安全质 量情况，及时跟踪工程的实施、协调、控制情况，按时将工程进度情况、存在的问题进行分 析调控。同时利用施工单位子系统向航电枢纽施工动态三维可视化管理系统提供施工进度数 据与工程基本信息，系统基于数据动态更新机制，科学、形象、立体地展现航电枢纽工程建 设过程中的各施工段状况，为建设管理单位提供了一个有效辅助管理手段。

发明内容

本发明针对上述不足提供一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，解决了航电枢纽 工程施工进度的可视化管理且不能实时直观控制的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括施工动态可视化模块、施工过程仿真 模块、施工动态监测模块、场景距离测量模块、场景面积测量模块、施工单位子系统模块6 个软件模块，所述施工动态可视化模块用于基于GIS航电枢纽工程的施工实时进度三维可视 化；所述施工过程仿真模块用于基于GIS航电枢纽工程各部分组成的三维动态建造模拟；所 述施工动态监测模块用于施工现场状况的动态分析与安全维护；所述场景距离测量模块用于 航电枢纽工程的施工场地任意两点的距离测量；所述场景面积测量模块用于航电枢纽工程的 施工场地任意封闭多边形的面积测量；所述施工单位子系统模块用于提供施工动态可视化模 块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块的信息与整合,从而施工单位子系统模块及时、准 确反馈工程信息给施工动态三维可视化管理系统，同时施工动态三维可视化管理系统通过管 理决策向施工单位子系统下达施工指令。

所述的施工动态可视化模块是基于GIS下的数字地形与三维水工建筑物耦合模型的空间 数据和利用一对一映射准则赋予三维水工建筑物施工进度信息、工程基本信息动态展现施工 进度实时三维场景的属性数据，通过内部标识码将属性数据与空间数据一一关联，呈现复杂 施工过程中各施工单元的空间逻辑关系与内部特征，实现施工现场场景与施工进度的二、三 维联动动态演示。

所述的施工过程仿真模块是基于GIS的施工过程的动态仿真和施工信息的动态更新，通 过读取时间序列对应的模型数据及属性信息，让施工任务随施工进度向前推移，实现仿真建 模、仿真计算过程以及仿真结果的可视化。

所述的施工动态监测模块是基于GIS下施工场地的空间监测点，利用视频数据传输接口， 对施工现场进行快速、准确的安全调控与安全评估，实现多目标窗口对施工现场的动态监测。

所述的场景距离测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意两点，获 取当前坐标值，计算得出当前两点之间的距离，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述场景面积测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意封闭多边形 区域，计算得出当前封闭区域的面积，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述的施工单位子系统模块作为施工单位子接口，将报表数据、施工数据、工程数据上 传到施工动态三维可视化管理系统，同时实现施工动态三维可视化管理系统对施工单位子系 统模块施工指令下达，完成单位之间的信息获取、资源共享、协助管理。

所述的航电枢纽施工动态三维可视化管理系统各模块通过系统对施工的动态可视化管 理、施工过程的实时仿真、施工现场的动态监测时，施工单位子系统模块自动实时更新相关 施工数据，为系统的运行提供数据支撑。

所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括以下步骤：

(1)分析航电枢纽项目施工进度计划；构建施工场地的数字地形模型和水工建筑物模型 等空间数据；赋予施工进度属性数据；使用内部标识码实现GIS下二、三维联动动态演示；

(2)调用施工建造过程、施工进度信息、施工模型的逻辑关系，并集成整合，实现基于 GIS任意时间节点的施工过程仿真；

(3)确定GIS场景下的空间监测点位置，利用视频数据传输，获取施工场地的安全动态 信息；

(4)确定测量目标，选取并计算得到施工场景中任意两点的距离与任意封闭多边形的面 积；

(5)使用施工单位子系统，完成管理单位与施工单位的数据传输，实现信息、资源共享， 进行协助管理。

本发明的有益效果在于：

本发明一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，提出基于4D技术航电枢纽建设动态 可视化管理方法，于传统的2D模式和3D模式不同，它是将二维图例要素、三维水工建筑物 模型、施工进度与工程基本信息利用映射一一关联，实现属性数据与空间数据的有机融合。 基于GIS对施工场景进行三维可视化动态演示，直观、形象地表达航电枢纽工程各组成部分 的空间逻辑关系，并对场景目标区域进行距离测量与面积测量，同时能够查询任意时间节点 的施工进度仿真情况，对水工建筑物的建设情况进行实体参数化仿真，并通过GIS下的空间 位置监测点，监测和检查施工进度与施工安全质量情况，及时跟踪工程的实施、协调、控制 情况，按时将工程进度情况、存在的问题进行分析调控。同时利用施工单位子系统向航电枢 纽施工动态三维可视化管理系统提供施工进度数据与工程基本信息，系统基于数据动态更新 机制，科学、形象、立体地展现航电枢纽工程建设过程中的各施工段状况，为建设管理单位 提供了一个有效辅助管理手段。

附图说明

图1本发明系统的组成模块连接图；

图2本发明系统的实施步骤流程图；

图3本发明系统的施工可视化实施步骤流程图；

图4本发明系统的施工过程仿真流程图；

图5是本发明具体流程图；

图6是本发明VSG效果图。

实施方式

实施例1

如图1所示，一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括施工动态可视化模块、 施工过程仿真模块、施工动态监测模块、场景距离测量模块、场景面积测量模块、施工单位 子系统模块6个软件模块，所述施工动态可视化模块用于基于GIS航电枢纽工程的施工实时 进度三维可视化；所述施工过程仿真模块用于基于GIS航电枢纽工程各部分组成的三维动态 建造模拟；所述施工动态监测模块用于施工现场状况的动态分析与安全维护；所述场景距离 测量模块用于航电枢纽工程的施工场地任意两点的距离测量；所述场景面积测量模块用于航 电枢纽工程的施工场地任意封闭多边形的面积测量；所述施工单位子系统模块用于提供施工 动态可视化模块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块的信息与整合,从而施工单位子系统 模块及时、准确反馈工程信息给施工动态三维可视化管理系统，同时施工动态三维可视化管 理系统通过管理决策向施工单位子系统下达施工指令。

所述的施工动态可视化模块是基于GIS下的数字地形与三维水工建筑物耦合模型的空间 数据和利用一对一映射准则赋予三维水工建筑物施工进度信息、工程基本信息动态展现施工 进度实时三维场景的属性数据，通过内部标识码将属性数据与空间数据一一关联，呈现复杂 施工过程中各施工单元的空间逻辑关系与内部特征，实现施工现场场景与施工进度的二、三 维联动动态演示。

所述的施工过程仿真模块是基于GIS的施工过程的动态仿真和施工信息的动态更新，通 过读取时间序列对应的模型数据及属性信息，让施工任务随施工进度向前推移，实现仿真建 模、仿真计算过程以及仿真结果的可视化。

所述的施工动态监测模块是基于GIS下施工场地的空间监测点，利用视频数据传输接口， 对施工现场进行快速、准确的安全调控与安全评估，实现多目标窗口对施工现场的动态监测。

所述的场景距离测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意两点，获 取当前坐标值，计算得出当前两点之间的距离，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述场景面积测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意封闭多边形 区域，计算得出当前封闭区域的面积，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述的施工单位子系统模块作为施工单位子接口，将报表数据、施工数据、工程数据上 传到施工动态三维可视化管理系统，同时实现施工动态三维可视化管理系统对施工单位子系 统模块施工指令下达，完成单位之间的信息获取、资源共享、协助管理。

所述的航电枢纽施工动态三维可视化管理系统各模块通过系统对施工的动态可视化管 理、施工过程的实时仿真、施工现场的动态监测时，施工单位子系统模块自动实时更新相关 施工数据，为系统的运行提供数据支撑。

所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括以下步骤：

(1)分析航电枢纽项目施工进度计划；构建施工场地的数字地形模型和水工建筑物模型 等空间数据；赋予施工进度属性数据；使用内部标识码实现GIS下二、三维联动动态演示；

(2)调用施工建造过程、施工进度信息、施工模型的逻辑关系，并集成整合，实现基于 GIS任意时间节点的施工过程仿真；

(3)确定GIS场景下的空间监测点位置，利用视频数据传输，获取施工场地的安全动态 信息；

(4)确定测量目标，选取并计算得到施工场景中任意两点的距离与任意封闭多边形的面 积；

(5)使用施工单位子系统，完成管理单位与施工单位的数据传输，实现信息、资源共享， 进行协助管理。

实施例2

如图1所示，一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括施工动态可视化模块、 施工过程仿真模块、施工动态监测模块、场景距离测量模块、场景面积测量模块、施工单位 子系统模块等6个软件模块。

本发明系统硬件由本地服务器端和客户终端组成，施工动态可视化模块、施工过程仿真 模块、施工动态监测模块、施工单位子系统模块均安装在本地系统服务器中，安装客户终端 施工单位子系统模块，客户终端通过联网运行向本地服务器端传递施工数据，本地服务器端 通过施工单位子系统模块接口进行数据分析与整合，运行施工动态可视化模块、施工过程仿 真模块、施工动态监测模块功能。

如图2所示，所述的施工动态可视化模块用于将工程基本信息与施工进度信息可视化， 包括空间动态监测点与施工三维场景耦合模型，其中施工三维耦合模型包含三维水工建筑物 模型和数字地形模型，三维水工建筑物模型通过映射方式将模型与施工进度信息和工程基本 信息一一进行关联，实现GIS下的施工场景二三维场景联动与信息查询，其中包括进度信息、 工程信息、施工S曲线、施工横道图、施工网络图，同时对施工三维可视化的实时动态更新。 按照其单元模型与施工时间节点之间关系，命名单元为“船闸-上闸首-边墩2”(表示船闸 的上闸首的边墩的第2部分)、“船闸-闸室-底板1”(表示船闸的闸室的底板的第1部分) 等，当施工时间节点中的单元“船闸-上闸首-边墩2”正在施工时候，该单元就会正在闪动， 若是两者一起施工，则两个单元都会正在闪动，若是施工时间节点不符合条件，则单元处于 隐藏状态。

数字地形模型又称数字高程模型，表达方式包括网格、等高线、三角网等。利用GIS工具将 地形数据转化为一系列不相交的三角形，并按照一定规则构成一种DEM矢量数据，即TIN模 型。TIN可以真实的表现航电枢纽研究区段的地形高低起伏与地形地貌特征，有效的避免平 坦处的数据冗杂。同时也可以提供各种地形参数，如坡度、坡向等。

三维水工建筑物模型采用实体参数化建模方法，基于航电枢纽工程水工建筑物设计资料， 交互式建立地物模型，通过纹理编辑和三维纹理贴图，恢复枢纽建筑物模型的纹理图，其中 航电枢纽建筑物包括泄洪闸、厂房、船闸、土坝、鱼道等部分，同时包括机械设备，如发电 机、桥机、泄洪闸门等部分，以及其他附属设施，如坝上公路、路边辅助设施等。

如图3所示，所述的施工可视化实施步骤流程图中的二三维联动，通过内部标识码作为 公共数据项将空间数据与属性数据连接起来，使得描述图素的属性数据与其三维模型建立一 一对应关系，描述空间实体要素F(i)、三维实体模型M(i)及属性信息P(i)的关联标识，其 中描述的空间实体要素包括实体名称、实体编号、实体描述等；三维实体模型包括模型名称、 模型编码、模型描述、模型类型、模型路径、模型信息等；属性信息包括属性编号、属性名 称、工程概况、工程进度信息、施工安全信息、施工仿真信息等。通过系统编码ID和标识码 作为相互贯通方式连接起来，使得构成空间对象的每一个空间实体要素、三维实体模型、描 述该图元的属性信息相互建立一一对应关系高亮显示图元对应模型要素。 比如厂房的空间实体要素信息为厂房②，三维实体模型为chuangfang②，属性信息为C②， 即通过设定ID编号实现三维信息的相互调用查看。

所述的施工动态可视化模块在施工三维场景耦合模型中，可以绕X、Y、Z三轴任意旋转、 缩放、改变视点的位置与观察方向、透视显示，或选取一定的线路进行穿越漫游，并可按需 要灵活显示专题图层，从而增进对工程施工系统的全局理解。同时利用GIS二次开发，实现 施工场景下的任意两点的距离测量和多边形的面积测量。

所述的施工动态可视化也可以通过施工进度向前推移，修改数字地形场景模型和三维水 工模型，进行一期或是二期围堰的修建与拆除，同时包括土方的开挖与回填的仿真模拟，实 现航电枢纽工程施工过程的三维可视化预演。

所述的施工过程仿真模块用于将施工组织设计资料进行仿真建模、仿真计算过程以及仿 真结果的可视化。通过施工单位子系统提供的施工组织设计资料，获取施工工期与施工任务 之间的逻辑关系，运用全过程仿真钟方法，对施工进行实体参数化仿真，呈现任意时间节点 的施工进度情况。

所述的施工过程仿真模块中全过程仿真钟方法，主要把水工建筑物模型的施工任意时刻 的整体面貌贮存在模型库中，并与其时间序列进行关联。并设置初始状态，根据任意时间节 点，读取模型库中的施工过程变化子模型及相对应的属性信息，改变当前瞬息影像，直至仿 真结束，最后显示在施工三维场景中。

全过程仿真钟方法就是将施工任务与三维水工建筑物变化子模型进行一一对应，然后把 施工过程变成为搭积木的方式进行。一个水工建筑物分为好多施工段，每个施工段的有不同 的施工工序，比如其中单元为“船闸-上闸首-边墩1”(表示船闸的上闸首的边墩的第1部 分)、“船闸-上闸首-边墩2”(表示船闸的上闸首的边墩的第2部分)、“船闸-上闸首- 底板1”(表示船闸的闸室的底板的第1部分)；三维水工建筑物模型根据施工节点剖分成 若干个积木(变化子模型)，每一个都对应该部分的施工任务与工程信息。根据当前时间节 点，将时间节点之前的附带施工节点的变化子模型加载，改变当前的施工过程瞬息影像。比 如船闸施工，先进行边墩浇筑，然后进行底板的浇筑，这样就一次根据时间节点顺序，加载 “船闸-上闸首-边墩1”、“船闸-上闸首-边墩2”、“船闸-上闸首-底板1”单元，模拟船 闸施工过程仿真。

所述施工动态监测模块是基于GIS下施工场地的空间监测点，对施工现场进行快速、准 确的安全调控与安全评估，在施工现场的各个部分安装视频监控点，使得管理者不用进入施 工现场，也可以实时了解施工现场进度情况。

所述场景距离测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意两点，获取 当前坐标值，计算得出当前两点之间的距离，例如围堰的宽度与长度，泄洪闸的长度、河流 的宽度等，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述场景面积测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意封闭多边形 区域，且不能出现线段交叉的区域，计算得出当前封闭区域的面积，例如围堰的面积、材料 堆场的面积等，为航电枢纽施工提供数据参考。

所述航电枢纽施工动态三维可视化管理系统为管理单位主系统，施工单位子系统为施工 单位系统，施工单位通过施工单位子系统向施工可视化管理系统，即管理单位主系统，提供 表数据、施工数据、工程数据，同时管理单位通过管理决策对施工单位下达施工指令，完成 建设管理单位与施工单位的信息获取与整合、资源共享、协助管理，实现航电枢纽施工建造 的闭环管理。

该系统各模块既能独立运行，又能协同作业，通过施工单位，实现自动实时更新相关施 工数据，施工单位模块为系统对施工可视化管理、施工过程实时仿真、施工现场的动态监测 提供数据支撑，才能为系统的运行的稳定性提供保障。

本发明的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，结合地理信息技术和实体参数化 建模技术，并运用全过程仿真钟方法，对施工场景进行三维可视化动态演示，直观、形象表 达航电枢纽工程各组成部分的空间逻辑关系，同时能够对水工建筑物的建设情况进行实体参 数化仿真，查询任意时间节点的施工进度仿真情况；通过GIS下的空间位置监测点，监测和检 查施工进度与施工安全质量情况，及时跟踪工程的实施、协调、控制情况，按时将工程进度 情况、存在的问题进行分析调控；并基于GIS的航电枢纽施工场景实现距离测量与面积测量。 本发明航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，基于以上技术与方法，能够展现航电枢纽工 程建设过程中的各施工段状况，为建设管理单位提供了一个有效辅助管理手段。

Claims (9)

1.一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括施工动态可视化模块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块、场景距离测量模块、场景面积测量模块、施工单位子系统模块6个软件模块，其特征在于：所述施工动态可视化模块用于基于GIS航电枢纽工程的施工实时进度三维可视化；所述施工过程仿真模块用于基于GIS航电枢纽工程各部分组成的三维动态建造模拟；所述施工动态监测模块用于施工现场状况的动态分析与安全维护；所述场景距离测量模块用于航电枢纽工程的施工场地任意两点的距离测量；所述场景面积测量模块用于航电枢纽工程的施工场地任意封闭多边形的面积测量；所述施工单位子系统模块用于提供施工动态可视化模块、施工过程仿真模块、施工动态监测模块的信息与整合,从而施工单位子系统模块及时、准确反馈工程信息给施工动态三维可视化管理系统，同时施工动态三维可视化管理系统通过管理决策向施工单位子系统下达施工指令。

2.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的施工动态可视化模块是基于GIS下的数字地形与三维水工建筑物耦合模型的空间数据和利用一对一映射准则赋予三维水工建筑物施工进度信息、工程基本信息动态展现施工进度实时三维场景的属性数据，通过内部标识码将属性数据与空间数据一一关联，呈现复杂施工过程中各施工单元的空间逻辑关系与内部特征，实现施工现场场景与施工进度的二、三维联动动态演示。

3.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的施工过程仿真模块是基于GIS的施工过程的动态仿真和施工信息的动态更新，通过读取时间序列对应的模型数据及属性信息，让施工任务随施工进度向前推移，实现仿真建模、仿真计算过程以及仿真结果的可视化。

4.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的施工动态监测模块是基于GIS下施工场地的空间监测点，利用视频数据传输接口，对施工现场进行快速、准确的安全调控与安全评估，实现多目标窗口对施工现场的动态监测。

5.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的场景距离测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意两点，获取当前坐标值，计算得出当前两点之间的距离，为航电枢纽施工提供数据参考。

6.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述场景面积测量模块是基于GIS的航电枢纽的施工场景，选取场景中任意封闭多边形区域，计算得出当前封闭区域的面积，为航电枢纽施工提供数据参考。

7.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的施工单位子系统模块作为施工单位子接口，将报表数据、施工数据、工程数据上传到施工动态三维可视化管理系统，同时实现施工动态三维可视化管理系统对施工单位子系统模块施工指令下达，完成单位之间的信息获取、资源共享、协助管理。

8.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于：所述的航电枢纽施工动态三维可视化管理系统各模块通过系统对施工的动态可视化管理、施工过程的实时仿真、施工现场的动态监测时，施工单位子系统模块自动实时更新相关施工数据，为系统的运行提供数据支撑。

9.根据权利要求1所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，其特征在于，所述的一种航电枢纽施工动态三维可视化管理系统，包括以下步骤：

(1)分析航电枢纽项目施工进度计划；构建施工场地的数字地形模型和水工建筑物模型等空间数据；赋予施工进度属性数据；使用内部标识码实现GIS下二、三维联动动态演示；

(2)调用施工建造过程、施工进度信息、施工模型的逻辑关系，并集成整合，实现基于GIS任意时间节点的施工过程仿真；

(3)确定GIS场景下的空间监测点位置，利用视频数据传输，获取施工场地的安全动态信息；

(4)确定测量目标，选取并计算得到施工场景中任意两点的距离与任意封闭多边形的面积；

(5)使用施工单位子系统，完成管理单位与施工单位的数据传输，实现信息、资源共享，进行协助管理。