CN116304245A - 一种大坝安全监测成果可视化系统及其生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大坝安全监测成果可视化系统，包括：监测场景加载模块，用于提取指定大坝三维模型、监测仪器模型；场景布置模块：用于通过工具，在大坝三维模型进行监测仪器布置，生成可视化监测三维背景；实时监测数据请求模块：用于实时向监测成果数据库请求所述监测场景的监测成果数据；监测成果可视化模块，包括监测项目展示单元，用于加载大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系，实现监测成果数据在可视化监测三维背景中可视化展示。根据上述技术方案，解决了监测成果抽象不直观、监测位置难展示、监测结论依赖人员经验等问题，有效提升了复杂工程监测的效率和准确性。

Description

一种大坝安全监测成果可视化系统及其生成方法

技术领域

本发明涉及水利水电、大坝安全监测领域，具体而言，涉及一种大坝安全监测成果可视化系统及其生成方法。

背景技术

水库大坝的维护是水利水电领域至关重要的环节，对水库大坝的安全监测是保证水库大坝安全运行的重要前提。

大坝所处环境和受力状态复杂，故大坝施工过程中会在坝体内部的关键部位安装内观监测仪器，或者工程结束后在大坝表面关键位置安装外观监测仪器，以实现对大坝原型观测数据的获取。技术人员获取原始数据后，根据实际计算得到监测成果来对大坝的安全性态进行评估；由于工程结构复杂、监测布置图专业性强、图纸数量多、读图难度大、复杂的工程部位不易发现监测成果规律，因此，对工程人员的专业要求和经验要求非常高，且监测成果分析时间长，也容易发生遗漏和误判。虽然随着监测技术的发展，大坝安全监测成果可由专业人员进行分析后通过制作动画以二维、三维进行展示。但动画制作成本较大，周期较长，展示仅能跟随制作者视角进行监测成果观察，对于重点部位、内部部位的展示不易把控；二维展示虽可通过大坝的某一特定视角作为成果展示背景，在监测仪器布置位置放置监测成果数值或过程线图，但该方法面对较为复杂的工程部位(如混凝土大坝廊道)时，密集的监测仪器不易展示对应位置，更新难，展示效果差；三维展示建立后仅展示监测布置与简单的监测成果，未能有效将监测成果形象、具体的表达。

发明内容

为解决以上问题，本申请提供了一种大坝安全监测成果可视化系统，包括：

监测场景加载模块，用于提取指定大坝三维模型、监测仪器模型；

场景布置模块：用于通过工具，在大坝三维模型上进行监测仪器布置，生成可视化监测三维背景，可视化监测三维背景包括大坝三维模型、监测仪器和监测成果；

实时监测数据请求模块：用于实时向监测成果数据库请求监测场景的监测成果数据；

监测成果可视化模块，包括监测项目展示单元，用于加载大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系，实现实时监测成果数据在可视化监测三维背景中可视化展示。

进一步的，监测成果可视化模块还包括展示角度控制单元；展示角度控制单元响应用户终端提供的角度请求，获取观测角度，计算在该观测角度条件下的可视化监测三维背景的展示形态，向展示终端输出展示形态。

进一步的，监测成果数据包括监测位置、监测仪器编号、监测参数、监测值、展示状态、显示方式；

其中，监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组；监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多组原始数据计算生成的参数值；展示状态包括：隐藏、显示；显示方式支持数据、图表显示和视觉显示。

其中，监测位置由三维坐标数据表示，三维坐标数据通过在可视化监测三维背景中指定原点生成三维坐标系确定。

进一步的，监测项目展示单元支持的监测项目包括：变形、渗流渗压、应力应变及温度和环境等其他监测项目；监测项目的监测参数和监测成果通过实时监测数据请求模块获取。

另一方面，本发明提供了一种大坝安全监测成果可视化系统的生成方法，包括以下步骤：

建立监测系统模型，监测系统模型包括被监测大坝三维模型、监测仪器模型；

导出监测系统模型的模型文件，将模型文件导入3D平台互动系统，生成大坝监测场景，对所述大坝监测场景进行可视化修正，生成可视化监测三维背景；

定义监测数据源，将监测数据源与大坝监测场景进行连接，获取监测项目的实时监测成果数据；

定义大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系；

定义监测操作界面，将逻辑对应关系在可视化监测三维背景中体现。

其中，实时监测成果数据包括监测位置、监测仪器编号、监测参数、监测值、展示状态、显示方式；

其中，生成可视化监测三维背景时，指定位置点作为原点，构成三维坐标系，通过三维坐标系的三维坐标数据定义监测位置。

其中，监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组；监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多个原始数据计算生成的参数值；展示状态包括：隐藏、显示；显示方式支持数据显示和视觉显示。

进一步的，监测项目包括：变形、渗流渗压、应力应变及温度和环境等其他监测项目。

进一步的，定义监测操作界面包括定义来自用户终端的镜头角度的操作和定义可视化监测三维背景对应的展示效果，镜头角度的操作支持镜头角度旋转，定义可视化监测三维背景对应的展示效果包括切换监测操作界面。

本发明提供的生成可视化系统的方法可以反复应用于多个项目的安全成果监测场景，针对不同的大坝建模，生成多个工程的安全监测成果可视化系统，使用灵活，减少了工程监测的运维成本，提升了工作人员的工作效率。同时，通过此方法生成的大坝安全监测成果可视化系统，充分利用各种3D平台、建模工具的优势，加入镜头的概念，模拟多角度观测目标的监测界面效果，支持多种监测数据的展示方式，解决了以往监测成果抽象不直观、监测位置难展示、监测结论依赖人员经验等问题，有效提升了复杂工程监测的效率和准确性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的大坝安全监测成果可视化系统结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的大坝安全监测成果可视化系统显示界面范例图；

图3是根据本发明实施例提供的大坝安全监测成果可视化系统展示的变形监测水平位移可视化界面成果展示图；

图4是根据本发明实施例提供的大坝安全监测成果可视化系统生成方法步骤图；

图5是根据本发明实施例提供的大坝安全监测成果可视化系统中监测项目展示单元展示效果示意图。

具体实施方式

本发明将水利水电大坝施工和维护过程中各个阶段及实时产生的安全监测成果，通过对3D平台的应用，生成大坝安全监测成果可视化系统，并通过可视化系统实现对复杂工程的直观监测，通过直观监测，可易于定位监测仪器的监测位置、直观地获取大坝的状态。大坝安全监测成果可视化系统支持的监测项目包括变形、渗流渗压、应力应变及温度等内容，并充分利用各种3D平台、建模工具的优势，加入镜头的概念，模拟多角度观测目标的监测界面效果，支持多种监测数据的展示方式，解决了以往监测成果抽象不直观、监测位置难展示、监测结论依赖人员经验、容易出错等问题。

下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做详细描述。

图1为本发明提供的大坝安全监测成果可视化系统结构示意图，如图所示，包括以下部分：

P100：监测场景加载模块，用于提取指定大坝三维模型、监测仪器模型；

本发明中的大坝安全监测成果可视化系统，对于不同的水坝工程对应不同的监测场景。在具体使用时，监测场景加载模块响应工作人员发起的监测请求，加载指定需要观测数据的监测场景，监测场景包括模型的fbx文件，内容为大坝三维模型以及相关的监测仪器模型。

P110：场景布置模块：用于通过工具，在大坝三维模型进行监测仪器布置，生成可视化监测三维背景，可视化监测三维背景包括大坝三维模型、监测仪器和监测成果数据等；

场景布置模块启动工具，例如使用Unity导入fbx文件，将大坝三维模型在3D平台展示，将监测仪器模型适当按比例放大后，置于对应的位置。

P130：实时监测数据请求模块：用于实时向P140监测成果数据库请求监测场景的监测成果数据；

实时监测数据请求模块向数据库请求数据，存入缓存中，用于监测成果可视化模块使用。

P140监测成果数据库用于存储通过人工观测或自动化采集获得的不同监测时间获得的监测数据，其中包括大坝工程中，每个监测仪器采集的原始数据和经过计算的监测成果数据，具体包括监测位置、监测仪器编号、监测参数、监测值、监测时间、展示状态、显示方式等；

本系统中支持用三维坐标数据表示监测位置，具体可以通过在可视化监测三维背景中指定原点来确定三维坐标系，以此确定监测位置。

对于经过计算的监测成果数据，监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；

监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组构成；

监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多组原始数据计算生成的参数值。

P120：监测成果可视化模块，包括P122监测项目展示单元和P121展示角度控制单元。

P122监测项目展示单元用于加载大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系，实现实时监测成果数据在可视化监测三维背景中可视化展示。

可体现的监测项目包括：变形、渗流渗压、应力应变及温度和环境量等其他监测项目；监测项目的监测参数和监测成果通过实时监测数据请求模块获取。

监测成果数据中的展示状态、显示方式可以控制监测项目展示单元对监测数据的展现方式，例如有些数据适合采用直观的方式显示，有些数据适合数字展示，本系统中维护人员可以设置指定监测数据的显示方式(数据、图表显示和视觉显示)和展示状态(隐藏或者显示)。

如图3为本系统中展示的大坝变形监测水平位移的成果展示图，该数据采用了视觉显示，将位移方向、位移量将水平面和大坝实体结合，通过方向指示、数据参考效果展示监测成果；

图2的P201部分，用数据显示仪器的渗流量；

图5的P513部分，用过程线图表示正垂的位移变化过程。

另一方面，有些原始数据不需要展示给用户，因此支持由维护人员指定监测数据在平台不进行显示，将展示状态设为隐藏。

P121展示角度控制单元用于响应用户终端提起的观测角度请求，获取观测角度，计算在该观测角度条件下的可视化监测三维背景的展示形态，向展示终端输出展示形态。

在实际的工程施工中，存在某一个位置密集放置多个仪器的情况，从某一个角度进行观测，多个监测仪器之间会产生互相遮挡的现象，例如图2的P202部分，因此维护人员很难用鼠标选中被遮挡的仪器，从而提取被遮挡仪器的数据存在难度。用户终端通过本发明的展示角度控制单元提出角度旋转或者角度偏移的请求，可视化监测三维背景根据请求调整角度，从而将被遮挡的仪器展示在上层，解决了被遮挡仪器难以提取数据的问题。

如图5所示，P510部分为某一角度环境下，展示角度控制单元向展示终端输出的模型效果图；当操作人员通过鼠标键盘控制角度旋转后，展示角度控制单元加载新的角度对应的展示效果，如P520部分所示。

除此之外，监测项目展示单元还包括：

水位展示子模块：在展示不同监测类目时获取数据库水位，将水位面进行高低偏移，以观察水位对各监测项目的影响。

时间轴子模块：选择不同的时间点时从数据库中读取不同时间点的水位及测点变化量，加入时间轴可实现随时间变化各测点的移动及变化，同时较好的展示水位与时间对监测项目的影响。

单个仪器显示子模块：在分项展示中，当鼠标移至具体监测仪器时，展示监测仪器监测数据时间变化过程线。

如图5的P520部分所示，当鼠标(P521)指向监测仪器测压管P522时，在空闲位置或者指定位置显示该测压管相关的测量数据，例如P523中所示的计算水位变化过程图。

图4提供了大坝安全监测成果可视化系统的生成方法，包括以下步骤：

步骤S400：建立监测系统模型，监测系统模型包括被监测大坝三维模型、监测仪器模型；

在本步骤中，可通过BIM对大坝建立三维模型，其中，对涉及监测的断面处单独进行断面建模，并与大坝模型进行重叠、分类；另外为实现良好展示效果，对各监测仪器进行简单建模，支持的监测仪器包括渗压计、测缝计、温度计等。

在本步骤中输出模型fbx文件。

步骤S410：导出监测系统模型的模型文件，将模型文件导入3D互动系统，生成大坝监测场景，对大坝监测场景进行可视化修正；

本步骤中支持的3D互动系统包括Unity等3D平台，通过Unity导入模型fbx文件，生成可视化监测三维背景，作为整体成果展示基础。

在本步骤中，对导入大坝模型进行修正加工，并根据实际施工图纸，在大坝模型的监测断面对应位置上放置各监测仪器模型。在实际的水利水电大坝施工过程中，需要将多个监测仪器置于坝体中，坝体中各仪器的位置关系、先后顺序在图纸中设计和规定，而其中互相的影响、联系，需要维护人员根据经验来分析，而且很难直观体现和判断分析的结果。在本发明中，基于3D平台，根据施工图纸，将监测仪器模型放置入大坝模型的监测断面，可以直观地体现坝体、各仪器之间互相的位置和对应关系。同时，为了便于观测和使视觉更直观，支持将监测仪器进行适当比例放大。

步骤S420：定义监测数据源，监测数据源指向的存储日常监测中人工观测和自动化采集获得的监测数据的数据库。

本步骤中，指定监测数据源与对应的大坝监测场景进行连接，为获取监测项目的历史和实时监测成果数据做结构准备。

监测项目支持变形、渗流渗压、应力应变及温度和环境量等其他监测项目中的各种指标。

实时监测成果数据的结果，包括在大坝的监测位置、放置的监测仪器编号、监测仪器获得的监测参数、监测值、该监测参数的展示状态、显示方式。展示状态包括：隐藏、显示，显示方式支持数据显示和视觉显示。

定义监测位置前，在大坝监测场景中，指定原点建立三维坐标系，作为监测仪器定位的数据辅助。

从监测数据源获取的监测成果数据，包括原始采集数据和计算后的成果数据，该数据可在监测位置以数据显示的方式显示，也可以隐藏；某些指标数据可以以实景图、示意图的方式视觉显示，例如水坝中水的深度、位移方向等。

本步骤支持展示监测数据组，例如：

监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；

监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组；

监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多个原始数据计算生成的参数值。

步骤S430：建立所述大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系；同时根据不同监测项目展示需求执行Unity主镜头切换或旋转。

本步骤针对不同监测项目建立逻辑对应关系的处理方法如下：

1、变形，包括水平、垂直位移和其他变形：

水平、垂直位移：在对应测点处放置对应可动点(设置为靠前图层)，并将其设置高亮展示，并结合需展示测点的需求，对大坝不相关坝段或部位进行隐藏。Unity通过读取数据库中对应测点的位移测值，将测值转化为对应测点可动点的坐标偏移量，可将偏移量按一定比例放大，最后通过直线连接可动点，在可动点旁辅以加入箭头及文本框展示位移方向及位移量。直观的展示各坝段或测点之间的位移关系。同时可将大坝整体模型做分段变形处理，略夸张的表现出位移监测成果。

其他变形：例如基岩变位，基础接缝、深部位移在对应测点处放置可动点，将数据库中监测成果量对应至可动点的坐标偏移量，并在可动点旁设置文本框及监测量展示

2、渗流渗压：通常大坝渗流渗压监测包括地下水位、扬压力、渗透压力、渗流量。

地下水位：在水位孔测点处布置地下水位示意面，根据数据库中获取到的水位测值，将水位示意面进行坐标偏移。

扬压力：在扬压力测点处放置文本框，显示对应测点的扬压力与计算系数。

渗透压力：在断面处的渗压计Z轴上方布设可动点，并根据数据库中监测数据换算为渗压水位，根据渗压水位在Z轴上偏移可动点，最后将符合逻辑的渗压计组所对应的可动点组进行连线，形成内部渗水面，与库水位面结合展示大坝渗水情况。

渗流量：在渗流量监测点处放置文本框，读取数据库中对应渗流量大小显示对应文本，并可根据不同渗流量大小制作渗流动画，如图2的P201部分所示。

3、应力应变及温度

应力应变：在对应监测仪器处放置固定点，设置颜色与对应监测数据的逻辑关系：当应力应变测值处于不同的设定区间范围时，将固定点的发光颜色及亮度更改为不同。

温度：在对应温度测点处放置固定点，设置颜色与对应监测温度的逻辑关系：当温度测值处于不同的设定区间范围时，将固定点的发光颜色及亮度更改为不同。也可通过温度数据生成温度场图覆盖监测断面。

4、其他监测：其他监测包括环境量监测及地震监测等；

环境量监测：根据数据库中获取到的降雨量、气温信息对应改变Unity界面中的气象。

地震监测：展示监测测点，直接通过文本框展示加速度过程线或发生震动时间。

该步骤中还定义其他的展示方法，包括：

1、水位展示：在展示不同监测类目时获取数据库水位，将水位面进行高低偏移，以观察水位对各监测项目的影响。

2、时间轴展示：选择定时间点，从数据库中读取对应时间点的水位及测点变化量，加入时间轴可实现随时间变化各测点的移动及变化，同时可较好的展示水位与时间对监测项目的影响。

3、单个仪器显示：在分项展示中，当鼠标移至具体监测仪器时，展示监测仪器监测数据时间变化过程线。

步骤S440：定义监测操作界面，将逻辑对应关系在可视化监测三维背景中体现。

本步骤通过制作界面UI按钮，实现在查看不同监测项目时，控制不同的测点、固定点、可动点、对话框及大坝模型部位的隐藏与显现。

定义监测操作界面包括定义观测镜头角度，根据镜头角度旋转和切换监测操作界面。

本发明提供的生成可视化系统的方法，可以应用于多个工程的大坝安全监测系统，生成多个工程的安全监测成果可视化系统，应用灵活，减少了工程监测的运维成本，提升了工作人员的工作效率。同时，通过此方法生成的大坝安全监测成果可视化系统，可以实现对水利水电大坝工程的监测成果直观查看，定位监测仪器的监测位置、直接地获取大坝的状态；并充分利用各种3D平台、建模工具的优势，加入镜头的概念，模拟多角度观测目标的监测界面效果，支持多种监测数据的展示方式，解决了以往监测成果抽象不直观、监测位置难展示、监测结论依赖人员经验等问题，有效提升了复杂工程监测的效率和准确性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大坝安全监测成果可视化系统，其特征在于，包括：

监测场景加载模块，用于提取指定大坝三维模型、监测仪器模型；

场景布置模块：用于通过工具，在所述大坝三维模型进行监测仪器布置，生成可视化监测三维背景，所述可视化监测三维背景包括大坝三维模型、监测仪器和监测成果数据；

实时监测数据请求模块：用于实时向监测成果数据库请求所述监测场景的监测成果数据；

监测成果可视化模块，包括监测项目展示单元，用于加载所述大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系，实现所述实时监测成果数据在可视化监测三维背景中可视化展示。

2.根据权利要求1所述的大坝安全监测成果可视化系统，其特征在于，所述监测成果可视化模块还包括展示角度控制单元；

所述展示角度控制单元响应用户终端提供的角度请求，获取观测角度，计算在所述观测角度条件下的可视化监测三维背景的展示形态，向展示终端输出展示形态。

3.根据权利要求2所述的大坝安全监测成果可视化系统，其特征在于，所述监测成果数据包括监测位置、监测仪器编号、监测参数、监测值、展示状态、显示方式；

其中，所述监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；

所述监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组；

所述监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多组原始数据计算生成的参数值；

所述展示状态包括：隐藏、显示；

所述显示方式支持数据、图表显示和视觉显示。

4.根据权利要求1所述的大坝安全监测成果可视化系统，其特征在于，所述监测项目展示单元支持的监测项目包括：变形、渗流渗压、应力应变及温度和其他环境监测项目；所述监测项目的监测参数和监测成果通过实时监测数据请求模块获取。

5.根据权利要求3所述的大坝安全监测成果可视化系统，所述监测位置为三维坐标数据表示，所述三维坐标数据通过在所述可视化监测三维背景中指定原点生成三维坐标系确定。

6.一种大坝安全监测成果可视化系统的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立监测系统模型，所述监测系统模型包括被监测大坝三维模型、监测仪器模型；

导出所述监测系统模型的模型文件，将所述模型文件导入3D平台互动系统，生成大坝监测场景，对所述大坝监测场景进行可视化修正，生成可视化监测三维背景；

定义监测数据源，将所述监测数据源与所述大坝监测场景进行连接，获取监测项目的实时监测成果数据；

定义所述大坝三维模型与实时监测成果数据的逻辑对应关系；

定义监测操作界面，将所述逻辑对应关系在所述可视化监测三维背景中体现。

7.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，所述实时监测成果数据包括监测位置、监测仪器编号、监测参数、监测值、展示状态、显示方式；

其中，所述监测位置支持由多个监测位置构成的监测区域；

所述监测区域对应的监测仪器编号支持多个监测仪器编号构成的监测仪器编号组；

所述监测值支持来自一个监测仪器的原始数据，也支持多个原始数据计算生成的参数值；

所述展示状态包括：隐藏、显示；

所述显示方式支持数据显示和视觉显示。

8.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，所述监测项目包括：变形、渗流渗压、应力应变及温度和环境等其他监测项目。

9.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，所述定义监测操作界面包括定义来自用户终端的镜头角度的操作和定义所述可视化监测三维背景对应的展示效果，所述镜头角度的操作支持所述镜头角度旋转，定义可视化监测三维背景对应的展示效果包括切换监测操作界面。

10.根据权利要求7所述的生成方法，其特征在于，生成可视化监测三维背景时，指定位置点作为原点，构成三维坐标系，通过所述三维坐标系的三维坐标数据确定所述监测位置。

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