CN117632036B - 一种基于vr技术的水工安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于VR技术的水工安全监测系统，包括依次相连的工程监测设备、监测运维中心、云平台服务器和用户端访问设备；用户端访问设备包括VR安全监测应用平台客户端模块和安全监测VR设备组；VR安全监测应用平台客户端模块根据接收到的工程监测实时数据和水工建筑物BIM模型数据，进行相关操作。本发明通过工程三维可视化、BIM、VR、网络通信、工程监测等技术的融合，以点阵模拟各类工程现象对水工建筑物造成的实际影响，使工程各相关人员可以以第一人称视角直观的查询各类监测数据，详细了解水工建筑物的各类结构细节，快速定位工程风险点。同时通过在线的网络会商诊断室，高效的评估水电工程建筑物的安全性。

Description

一种基于VR技术的水工安全监测系统

技术领域

本发明属于工程智能设计及安全监测技术领域，具体涉及一种基于VR技术的水工安全监测系统。

背景技术

近年来，水电工程建筑物的规模和数量越来越多，保证水电工程建筑物长期稳定运行具有重要社会意义和经济意义。

目前，主要采用以下方式，评估水电工程建筑物的安全性：组织工程相关的各方工作人员、技术专家在工程现场对水工建筑物的安全监测情况和数据进行现场调研考察，之后再组织相关会议对现场情况进行分析讨论。然而水电工程往往地处偏僻位置，因此，组织大规模的现场调研及会议，具有成本高和效率低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于VR技术的水工安全监测系统，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于VR技术的水工安全监测系统，包括依次相连的工程监测设备、监测运维中心、云平台服务器和用户端访问设备；

其中，所述监测运维中心包括数据整合分析模块、监测中心服务器和运维系统大屏；所述云平台服务器布置VR安全监测应用平台服务端模块；所述用户端访问设备包括VR安全监测应用平台客户端模块和安全监测VR设备组；

所述工程监测设备，用于采集各类工程监测实时数据和水工建筑物BIM模型数据，并将所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，实时上传给所述监测运维中心的所述数据整合分析模块；

所述数据整合分析模块，用于识别并读取所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，对其进行分类及整合分析，分类导出并存储到所述监测中心服务器；

所述监测中心服务器，用于分类存储所述数据整合分析模块传入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据；

所述运维系统大屏，与所述监测中心服务器通过图形数据线相连，用于查询并显示所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据；

所述云平台服务器布置的所述VR安全监测应用平台服务端模块，分别与所述监测中心服务器和所述VR安全监测应用平台客户端模块连接，所述VR安全监测应用平台客户端模块和所述安全监测VR设备组连接，所述VR安全监测应用平台客户端模块用于接收操作指令，所述操作指令包括来自于所述安全监测VR设备组的VR操作指令或其他操作指令，所述VR安全监测应用平台客户端模块根据所述操作指令，实时向所述VR安全监测应用平台服务端模块发送获取相关信息的调用指令，所述VR安全监测应用平台服务端模块根据接收到的所述调用指令，实时查找所述监测中心服务器，并将获得的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据返回给所述VR安全监测应用平台客户端模块，使所述VR安全监测应用平台客户端模块根据接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，进行相关操作。

优选的，所述数据整合分析模块，包括数据导入接口、数据分析模块和数据导出接口；

所述数据导入接口，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据导入到所述数据分析模块；

所述数据分析模块，用于对导入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据进行分类识别；

所述数据导出接口，用于将所述数据分析模块处理后的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，导出到所述监测中心服务器。

优选的，所述VR安全监测应用平台客户端模块，通过与VR安全监测应用平台服务端模块的交互，实现VR视角下的水工建筑物的安全监测数据查询、对工程问题的在线诊断会商和数据记录、监测报表的生成和VR视角下的水工建筑物快速查看和定位。

优选的，所述VR安全监测应用平台客户端模块，包括工程VR可视化引擎、水工监测模拟模块、VR交互控制模块、工程诊断会商模块和报表生成模块。

优选的，所述工程VR可视化引擎，具有模型显示子模块、点阵模拟子模块、数据分析子模块和动画特效库；

所述动画特效库，用于存储水工建筑物结构变化动画特效和VR视角下互动动画特效；

所述模型显示子模块，用于调用图形功能硬件和底层图形库提供的功能接口，实现水工建筑物BIM模型的渲染和显示，如果需要在显示时添加动画特效效果，则直接从所述动画特效库中调用；

所述点阵模拟子模块，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据作用于水工建筑物BIM模型的对应位置，并通过分析工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，模拟水工建筑物BIM模型的结构变化情况，并通过调用所述动画特效库，采用相应的动画特效方式，模拟显示水工建筑物BIM模型的结构变化；

所述数据分析子模块，用于获取所述点阵模拟子模块分析得到的工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，以及实时接收到的所述工程监测实时数据；对获得的数据基于预存储的监测条目进行数据整理统计和分析计算，为工程诊断信息记录功能、监测数据查阅功能、监测报表自动生成功能中各类图表的生成提供基础数据；同时，还对一定时间段内记录的工程监测实时数据进行统计学的分析和预测，当判断某项监测数据异常时，进行预警。

优选的，所述点阵模拟子模块具体用于：

对水工建筑物BIM模型以厘米为单位进行点阵模拟，将水工建筑物BIM模型转换为粗点阵骨骼；

再以毫米为单位，在得到的粗点阵骨骼间增添细部点阵，完成点阵模拟的转换，得到细点阵骨骼；

然后，根据待分析结构的材质，为细点阵骨骼添加物理特性参数，得到细点阵物理模型；

在接收到工程监测实时数据时，根据内置结构力公式算法、点阵刚度算法、荷载向量算法和平衡公式，根据压力应力的传导方式，对各点阵部位的受力及位移情况进行分析计算，模拟出细点阵物理模型整体在受到外部因素影响下的振动、位移、变形、断裂和脱落情况；

将各点阵作为结构模型的骨骼，通过模型显示子模块对产生的形变或脱落情况进行真实渲染和三维显示，并调用动画特效库，添加相应动画特效，直观显示水工建筑物BIM模型在受外部因素影响下的变化过程。

优选的，所述水工监测模拟模块包括变形模拟子模块、应力模拟子模块和渗流模拟子模块；

所述变形模拟子模块，用于接收到结构变形数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到结构变形数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位发生变形变化；

所述应力模拟子模块，用于接收到结构应力数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到应力数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受应力作用的影响下产生变形、位移及脱落；

所述渗流模拟子模块，用于接收到渗透压力时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到渗透压力对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受渗流侵蚀时产生一定程度的损坏。

优选的，所述VR交互控制模块，包括第一人称UI子模块、操作设备交互子模块、监测数据查阅子模块，用于利用安全监测VR设备组实现互动，完成工程漫游、监测数据查阅、意见信息发布操作；

所述第一人称UI子模块，包含各功能模块的交互、操作和查询界面，通过头戴式VR主机和VR操作手柄上的控制按钮进行UI的互动操作，同时UI界面被唤醒时，界面采用弧形方式始终跟随操作人员的视角移动；

所述操作设备交互子模块，包括各类互动操作功能及相关的特效动画的调用；具体的，包含各类的互动操作功能及相关的特效动画的调用。支持安全监测VR设备与VR安全监测应用平台客户端模块的交互操作，实现在互动操作时对重点区域高亮显示、指引线路显示，并且，调用动画特效库，在互动时对特效动画进行调用显示；

所述监测数据查阅子模块，用于查询和显示各类监测设备采集到的现场数据，利用UI界面和设备交互功能，快速切换到指定区域，对各监测项目的监测数据和相关的图表、报表进行第一人称视角的显示。

优选的，所述工程诊断会商模块，包含用户权限管理子模块、网络会商室子模块、诊断信息记录子模块，用于实现操作人员对水工安全监测的各类问题进行在线会商并在对应模型位置记录相关的诊断决策信息；

所述用户权限管理子模块，用于实现工程诊断会商模块的在线管理，设定用户及运维人员的访问权限、管理权限、可查询数据权限，同时包含服务日志功能，用于记录各用户的访问数据及访问操作；

所述网络会商室子模块，用于向各使用用户提供针对工程各类问题进行讨论的在线会商室，邀请多位相关专家以VR视角进入指定的会商室，在厂房内进行第一人称的虚拟漫游，针对指定工程位置依据各类工程监测数据和模拟仿真结果进行观察和讨论；同时支持多个网络会商室进行VR网络会商；

所述诊断信息记录子模块，用于向用户提供在网络会商模式下的诊断信息记录功能，具体用于记录各专家针对水电工程各安全监测问题的讨论结果及相关意见，诊断结论语音发布并可转换为文字的形式记录在指定VR场景内模型位置。

优选的，所述报表生成模块，包含监测数据记录子模块、自动报表生成子模块和报表VR查看子模块，用于自动记录各类水工监测设备发送的监测数据通过分析计算自动生成相关报表，并在VR视角下快速查看；

所述监测数据记录子模块，内置水电工程各区域的水工安全监测项目表、安全监测频次表、安全项目级别分类表以及其他监测数据条目和要求；依据各区域的监测要求频次时间，自动从各类监测设备中记录并存储相关的数据及视频资料；

所述自动报表生成子模块，利用记录的各类监测数据信息及数据分析结果，依据已录入的水电工程各区域监测报告模板自动填写相关数据信息和平台内部分析计算生成的数据结果，同时将各专家讨论诊断的结论语音记录转换为文字记录出现在报表的对应位置上，生成报表；

所述报表VR查看子模块，依据自动生成的报表，以VR视角对报表内的各个监测项目、分析结果、预警信息、工程风险点进行逐一查看，通过在VR视角下点击报表UI界面上的各个条目，将快速跳转到指定工程区域、工程时间节点或特殊的工程场景节点内，以第一人称视角直观准确查看工程数据，体验工程场景。

本发明提供的一种基于VR技术的水工安全监测系统具有以下优点：

本发明通过工程三维可视化、BIM、VR、网络通信、工程监测等技术的融合，针对水电工程水工建筑物实现第一人称的在线安全监测、工程诊断会商、各类监测数据记录与查询、监测报表的生成等功能，并以点阵模拟各类工程现象对水工建筑物造成的实际影响，使工程各相关人员可以以第一人称视角直观的查询各类监测数据，详细了解水工建筑物的各类结构细节，快速定位工程风险点。同时通过在线的网络会商诊断室，实现针对水工安全监测问题进行简便、直观、高效的沟通交流，高效的评估水电工程建筑物的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于VR技术的水工安全监测系统的整体构架图；

图2为本发明提供的VR安全监测应用平台的结构图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过工程三维可视化、BIM、VR、网络通信、工程监测等技术的融合，针对水电工程水工建筑物实现第一人称的在线安全监测、工程诊断会商、各类监测数据记录与查询、监测报表的生成等功能，并以点阵模拟各类工程现象对水工建筑物造成的实际影响，使工程各相关人员可以以第一人称视角直观的查询各类监测数据，详细了解水工建筑物的各类结构细节，快速定位工程风险点。同时通过在线的网络会商诊断室，实现针对水工安全监测问题进行简便、直观、高效的沟通交流，高效的评估水电工程建筑物的安全性。

本发明提供一种基于VR技术的水工安全监测系统，参考图1和图2，包括依次相连的工程监测设备、监测运维中心、云平台服务器和用户端访问设备。

下面对各功能模块详细介绍：

(一)工程监测设备

所述工程监测设备，用于采集各类工程监测实时数据和水工建筑物BIM模型数据，并将所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，实时上传给所述监测运维中心的所述数据整合分析模块。

(二)监测运维中心

所述监测运维中心包括数据整合分析模块、监测中心服务器和运维系统大屏；

(2.1)数据整合分析模块

所述数据整合分析模块，用于识别并读取所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，对其进行分类及整合分析，分类导出并存储到所述监测中心服务器；

所述数据整合分析模块，包括数据导入接口、数据分析模块和数据导出接口；

所述数据导入接口，包括各类型的接口转换电路和数据读取驱动程序，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据导入到所述数据分析模块；例如，读取水工建筑物形变数据、岩石或锚杆的各类应力数据、工程各区域的渗流数据、重点安全监测点位视频数据及工程BIM模型数据等，并将各类数据转换为可存储和调用的指令格式存储于监测中心服务器中；

所述数据分析模块，为部署与监测中心服务器内部的分类管理应用程序，用于对导入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据进行分类识别，例如，用于分别存储、记录和管理各类导入的数据，具有数据调用指令的程序接口，在接收到调用指令后将发布对应信息至数据导出接口；

所述数据导出接口，用于将所述数据分析模块处理后的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，导出到所述监测中心服务器。具体的，数据导出接口包括数据上传至运维系统大屏和云平台服务的接口电路，用于将存储格式数据转换为各设备可识别及调用的格式。

(2.2)监测中心服务器

所述监测中心服务器，通过互联网与云平台服务器相连，通过图形数据线与运维系统大屏相连。

监测中心服务器，用于分类存储所述数据整合分析模块传入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，方便接收到系统指令时对各类数据进行调用及转换。同时部署了运维系统大屏的驱动程序，通过图形数据线与系统大屏相连。

(2.3)运维系统大屏

所述运维系统大屏，部署于监测运维中心，与所述监测中心服务器通过图形数据线相连，用于查询并显示所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据；

(三)云平台服务器

所述云平台服务器，可布置于设备机房内，内部部署安装VR安全监测应用平台服务端模块；所述云平台服务器布置的所述VR安全监测应用平台服务端模块，分别与所述监测中心服务器和所述VR安全监测应用平台客户端模块连接，所述VR安全监测应用平台客户端模块和所述安全监测VR设备组连接。例如，VR安全监测应用平台服务端模块，通过互联网与监测中心服务器及各客户端的VR安全监测应用平台客户端模块连接，用于支持各客户端进行相关数据的下载、上传、查询等各类需求。

所述VR安全监测应用平台客户端模块用于接收操作指令，所述操作指令包括来自于所述安全监测VR设备组的VR操作指令或其他操作指令，所述VR安全监测应用平台客户端模块根据所述操作指令，实时向所述VR安全监测应用平台服务端模块发送获取相关信息的调用指令，所述VR安全监测应用平台服务端模块根据接收到的所述调用指令，实时查找所述监测中心服务器，并将获得的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据返回给所述VR安全监测应用平台客户端模块，使所述VR安全监测应用平台客户端模块根据接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，进行相关操作。

(四)用户端访问设备

所述用户端访问设备包括VR安全监测应用平台客户端模块和安全监测VR设备组；

(4.1)VR安全监测应用平台客户端模块

所述VR安全监测应用平台客户端模块，通过与VR安全监测应用平台服务端模块的交互，实现VR视角下的水工建筑物的安全监测数据查询、对工程问题的在线诊断会商和数据记录、监测报表的生成和VR视角下的水工建筑物快速查看和定位。

所述VR安全监测应用平台客户端模块，包括工程VR可视化引擎、水工监测模拟模块、VR交互控制模块、工程诊断会商模块和报表生成模块，用于实现VR视角下的水工建筑物的安全监测数据查询、对工程问题的在线诊断会商和数据记录、监测报表的生成和VR视角下的快速查看和定位，可有效降低工程交流的成本，提高水工安全监测数据的查询的直观性，提高工作效率。

具体的，VR安全监测应用平台，为本系统核心部分，基于3D引擎开发的应用程序平台，分为服务端模块及客户端模块，服务端模块安装于云平台服务器，用于访问或调用监测中心服务器的各类监测数据，客户端模块基于水工安全监测需求和VR设备组需求定制开发，可提供多种应用功能模块，用于实现VR视角下的水工建筑物的安全监测数据查询、对工程问题的在线诊断会商和数据记录、监测报表的生成和VR视角下的快速查看和定位，可有效降低工程交流的成本，提高水工安全监测数据的查询的直观性，提高工作效率。

(4.1.1)工程VR可视化引擎

所述工程VR可视化引擎，具有模型显示子模块、点阵模拟子模块、数据分析子模块和动画特效库，为应用程序开发的底层架构和开发基础，为VR安全监测应用平台提供基于VR视角下的模型可视化、模型结构物理特性模拟、数据分析计算机可视化、VR互动查询等一系列基础功能。

所述动画特效库，用于存储水工建筑物结构变化动画特效和VR视角下互动动画特效；在其它功能模块需要时可以直接从已有的动画特效库中调用或添加。库中包括了形变、应力、渗流、水淹、侵蚀、震动、火灾场景所需的相关动画及特效，也包括常规VR视角下UI界面和互动所需的动画特效，如：高亮显示、透明和半透明显示、指引箭头、扫描效果等。水工建筑物安全监测动画特效的添加可提高使用者在VR视角下的体验感，以使得使用者可以直观明确体验各类现象对水工安全监测和水工结构的直接影响，方便工程建设各方更加全面的考虑工程建设和安全监测的实施方案。

所述模型显示子模块，用于调用图形功能硬件和底层图形库提供的功能接口，实现水工建筑物BIM模型的渲染和显示，如果需要在显示时添加动画特效效果，则直接从所述动画特效库中调用；具体的，模型显示子模块，根据项目的具体要求选用OpenGL，JAVA 3D，WebGL等底层图形库及对应语言进行三维可视化应用程序的开发，通过调用GPU、显存等图形功能硬件和底层图形库提供的功能接口实现工程结构、安全监测设备的BIM模型及结构相关动画的渲染和显示。

所述点阵模拟子模块，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据作用于水工建筑物BIM模型的对应位置，并通过分析工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，模拟水工建筑物BIM模型的结构变化情况，并通过调用所述动画特效库，采用相应的动画特效方式，模拟显示水工建筑物BIM模型的结构变化；

具体的，点阵模拟子模块，是本系统根据Lattice model算法结合水工建筑物安全监测实际需求进行定制化开发的算法功能模块，通过各类安全监测设备采集到的基础数据，录入如地震反应、机组振动、各类施工建设期可能产生的强震动以及各类应力应变、接触压力等实时数据和基础参数可模拟计算水工建筑物各处结构在受到以上因素影响时产生的结构变化，通过点阵模拟的移动直观的表现各结构或设备产生的位移、破损、形变、断裂等现象。

所述点阵模拟子模块具体用于：

对水工建筑物BIM模型以厘米为单位进行点阵模拟，将水工建筑物BIM模型转换为粗点阵骨骼；

根据不同工程结构的精度需求，再以毫米为单位，在得到的粗点阵骨骼间增添细部点阵，完成点阵模拟的转换，得到细点阵骨骼；

然后，根据待分析结构的材质，为细点阵骨骼添加物理特性参数，得到细点阵物理模型；

在接收到工程监测实时数据时，在程序中输入强震动、结构振动、渗透侵蚀等各种现象的强度和时间参数，根据内置结构力公式算法、点阵刚度算法、荷载向量算法和平衡公式，根据压力应力的传导方式，对各点阵部位的受力及位移情况进行分析计算，模拟出细点阵物理模型整体在受到外部因素影响下的振动、位移、变形、断裂和脱落情况；

将各点阵作为结构模型的骨骼，通过模型显示子模块对产生的形变或脱落情况进行真实渲染和三维显示，并调用动画特效库，添加相应动画特效，直观显示水工建筑物BIM模型在受外部因素影响下的变化过程。

所述数据分析子模块，用于获取所述点阵模拟子模块分析得到的工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，以及实时接收到的所述工程监测实时数据，还可以包括安全监测系统平台各项操作所产生的数据；对获得的数据基于预存储的监测条目进行数据整理统计和分析计算，为工程诊断信息记录功能、监测数据查阅功能、监测报表自动生成功能中各类图表的生成提供基础数据；同时，还对一定时间段内记录的工程监测实时数据进行统计学的分析和预测，当判断某项监测数据异常时，进行预警。另外安全监测系统平台程序自身的各类操作数据统计如：使用人员、访问时间、操作记录等也可以调用数据分析子模块进行统计和分析。

(4.1.2)水工监测模拟模块

所述水工监测模拟模块包括变形模拟子模块、应力模拟子模块和渗流模拟子模块，利用点阵模型模拟计算震动、形变、渗流等现象对水工建筑物的影响，并以VR视角直观的表达。

各模拟子模块，首先会利用点阵模拟功能提供的功能接口将相关的结构及设备模型点阵化，之后利用获取或输入的影响因素条件进行模拟计算，过程中结构及设备模型将根据点阵骨骼的位移情况逐步发生变化，计算结束后，使用者可以直观的观测到输入的影响因素对结构及设备的影响，并且各模块模拟功能均支持对过程的逐帧慢放，使用者可以简单的捕捉到关键时间点。同时在模拟过程中将假如对应的动画及特效来提高VR视角下第一人称观察的真实感。

所述变形模拟子模块，针对水工安全监测的结构及设施的各类变形情况进行定制化开发，用于接收到结构变形数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到结构变形数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位发生变形变化，通过变形模拟子模块，模拟显示在各种现象和因素的影响下水电工程水工建筑物各处的接缝变形、围岩变形、坝体变形、结构位移、厂房受振动变形等场景下的实际效果。

所述应力模拟子模块，针对水电工程需进行应力监测的各结构区域及设备的应用场景进行定制化开发，用于接收到结构应力数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到应力数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受应力作用的影响下产生变形、位移及脱落；通过应力模拟子模块，模拟显示在各种现象和因素的影响下水电工程水工建筑物各处的锚杆、锚索、岩石、厂房结构等在受应力作用的影响下产生的变形、位移及脱落的情况。

所述渗流模拟子模块，针对水电工程需进行渗流监测的各工程区域的应用场景进行定制化开发，用于接收到渗透压力时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到渗透压力对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受渗流侵蚀时产生一定程度的损坏。通过渗流模拟子模块，模拟显示在各种现象和因素的影响下，各区域的水工建筑物结构受渗透压力影响及侵蚀情况，另外可通过现场采集的渗流情况和相关数据分析功能，推断水工建筑可能性最大的损坏位置。

(4.1.3)VR交互控制模块

所述VR交互控制模块，包括第一人称UI子模块、操作设备交互子模块、监测数据查阅子模块，用于利用安全监测VR设备组实现互动，完成工程漫游、监测数据查阅、意见信息发布等操作；

所述第一人称UI子模块，包含针对水电工程安全监测需求定制开发的各功能模块的交互、操作和查询界面，通过头戴式VR主机和VR操作手柄上的控制按钮进行UI的互动操作，同时UI界面被唤醒时，界面采用弧形方式始终跟随操作人员的视角移动，方便使用；

所述操作设备交互子模块，包括各类互动操作功能及相关的特效动画的调用；具体的，包含各类的互动操作功能及相关的特效动画的调用。支持安全监测VR设备与VR安全监测应用平台客户端模块的交互操作，实现在互动操作时对重点区域高亮显示、指引线路显示等，并且，基于第一人称VR视角定制开发的互动操作功能，可调用动画特效库，在互动时对特效动画进行调用显示；

所述监测数据查阅子模块，基于VR视角定制开发，用于查询和显示各类监测设备采集到的现场数据，利用UI界面和设备交互功能，快速切换到指定区域，对各监测项目的监测数据和相关的图表、报表进行第一人称视角的显示。

(4.1.4)工程诊断会商模块

所述工程诊断会商模块，包含用户权限管理子模块、网络会商室子模块、诊断信息记录子模块，用于实现操作人员对水工安全监测的各类问题进行在线会商并在对应模型位置记录相关的诊断决策信息；

所述用户权限管理子模块，用于实现工程诊断会商模块的在线管理，设定用户及运维人员的访问权限、管理权限、可查询数据权限，同时包含服务日志功能，用于记录各用户的访问数据及访问操作，方便平台出现异常情况时的回溯和修改，可实现水工安全监测系统平台的登录管理和日常维护管理等运维操作。

所述网络会商室子模块，用于向各使用用户提供针对工程各类问题进行讨论的在线会商室，邀请多位相关专家以VR视角进入指定的会商室，在厂房内进行第一人称的虚拟漫游，针对指定工程位置依据各类工程监测数据和模拟仿真结果进行观察和讨论；同时支持多个网络会商室进行VR网络会商；

所述诊断信息记录子模块，用于向用户提供在网络会商模式下的诊断信息记录功能，具体用于记录各专家针对水电工程各安全监测问题的讨论结果及相关意见，诊断结论语音发布并可转换为文字的形式记录在指定VR场景内模型位置，，方便工程参建的各方查询并根据诊断意见对现场的施工建设工作细节进行修改，同时方便后期查询以及报表结论的生成。

(4.1.5)报表生成模块

所述报表生成模块，包含监测数据记录子模块、自动报表生成子模块和报表VR查看子模块，用于自动记录各类水工监测设备发送的监测数据通过分析计算自动生成相关报表，并在VR视角下快速查看；

所述监测数据记录子模块，内置水电工程各区域的水工安全监测项目表、安全监测频次表、安全项目级别分类表以及其他监测数据条目和要求；依据各区域的监测要求频次时间，自动从各类监测设备中记录并存储相关的数据及视频资料；

所述自动报表生成子模块，利用记录的各类监测数据信息及数据分析结果，依据已录入的水电工程各区域监测报告模板自动填写相关数据信息和平台内部分析计算生成的数据结果，同时将各专家讨论诊断的结论语音记录转换为文字记录出现在报表的对应位置上，生成报表；报表生成后可以选择导出word、Excel文件到安装了VR安全监测应用平台程序的电脑上，方便工程参建各方及进行网络会商诊断的专家查询及后续工程建设工作使用。

所述报表VR查看子模块，依据自动生成的报表，以VR视角对报表内的各个监测项目、分析结果、预警信息、工程风险点进行逐一查看，通过在VR视角下点击报表UI界面上的各个条目，将快速跳转到指定工程区域、工程时间节点或特殊的工程场景节点内，方便工程安全监测的各相关人员以第一人称视角直观准确查看工程数据，体验工程场景，了解水电工程水工建筑物安全监测的具体情况。

(4.2)安全监测VR设备组

安全监测VR设备组，包含头戴式VR主机、VR操作手柄、VR万向跑步机、麦克风、立体耳机、操作面板、VR体验平台框架，用于使用人员可以第一人称视角在模拟空间内对水电工程的建筑物的各类安全监测模型、数据及场景进行查看和互动。同时可实现第一人称的在线工程诊断会商以及相关报表内容的查看。VR手柄可实现人员与三维模拟空间进行交互、完成方案比选和数据指标查询等操作。VR万向跑步机可以实现人员在三维空间内的自然走动观察、漫游浏览。立体耳机用于根据互动要求播放场景内各类数据信息及拟真的环境音效。麦克风用于发布工程相关的诊断意见以声音或转换为文字的形式被平台相关的应用功能记录并保存。

本发明提供的一种基于VR技术的水工安全监测系统，包括如下实施步骤:

步骤1：根据工程建设的实际需求和相关规范要求完成工程各类监测设备的布置安装以及相关水工建筑物的三维模型设计工作。

步骤2：将各类工程监测数据通过对应的通信电缆及总线接口导入监测运维中心的数据整合分析模块中；将水工建筑物的三维模型数据，通过USB接口或网络传输传给监测运维中心的监测中心服务器中存储；

步骤3：经过数据整合分析模块中的各类接口电路及数据驱动程序转换，将工程监测数据转换为存储格式数据，存储于监测中心服务器中，方便后续系统平台的调用。

步骤4：通过部署于本地的安全监测应用程序，调用监测中心服务器中存储的各类工程监测数据及水工建筑物的三维模型数据，在运维系统大屏中进行显示。

步骤5：可在监测运维中心或其他机房内部署云平台服务器，并在云平台服务器内部部署安装VR安全监测应用平台的服务器端程序，并完成相关的系统调试及试用工作。服务器端程序通过互联网与监测中心服务器及各客户端的VR安全监测应用平台相连接，用于支持各客户端进行相关数据的下载、上传、查询等各类需求。

步骤6：与工程安全监测相关的人员可以下载VR安全监测应用平台的客户端应用程序在本地电脑上安装，并与云平台的服务器端程序链接及调试，并下载指定工程的数据包到本地电脑，在VR安全监测应用平台上完成数据加载。

步骤7：在本地部署安装安全监测VR设备组内的各类设备，通过各类数据线与电脑端的VR安全监测应用平台相连，并测试各设备与VR安全监测应用平台连接是否正常，是否能正常互动。

步骤8：确认安全监测VR设备组内各设备与VR安全监测应用平台连接正常后，完成登录和身份认证操作，需要进行水工建筑物安全监测模拟仿真的工程相关人员及行业专家可佩戴VR主机，进入万向跑步机后固定腰部，利用VR操作手柄与全景模拟空间进行各种交互、模型标注、场景漫游、监测数据查询、模拟效果观察等操作。

步骤9：使用者可以通过VR视角下的VR界面创建或选择某个在线网络会商室，在虚拟空间内与各位专家观察工程安全监测的各类数据和与会专家交流意见，并在全景模拟空间内对应的模型位置标注相关信息或者通过麦克风发布和收听专家会商诊断意见。

步骤10：使用者可以通过UI界面生成相关的监测报表，各类监测数据，计算分析数据以及专家发布的诊断意见与结论语音可以自动转换为文字在报表内查看。使用者可以在VR视角下查看相关报表，并导出报表文件便于后续建设工作中使用。

步骤11：VR安全监测应用平台的运维人员需定期对平台的人员管理、运行日志、系统功能情况进行日常的定期维护和测试。

如以某水电工程面板堆石坝安全监测为例。本发明一种基于VR技术的水工安全监测系统实施方法具体如下：

S01:依据水电工程的相关规范要求完成本工程面板堆石坝部分的三维设计工作，得到面板堆石坝的BIM设计模型，并完成针对本工程面板堆石坝坝体变形、坝体坝基渗流、坝体压应力、环境及视频影像等各类监测设备的布置安装工作。

S02：监测设备实时采集各类工程监测数据，包括变形、应力、渗流、视频影像等监测数据，并通过各通信电缆，将采集到的工程监测数据导入到监测运维中心。将面板堆石坝的BIM设计模型通过USB接口或网络传输接口传输给监测运维中心。

S03:监测运维中心的数据整合分析模块将现场采集的关于大坝各区域变形、应力、渗流及视频影像等数据，通过对应的接口电路转换，将各类数据转换为存储格式数据，存储于监测中心服务器中，监测中心服务器中安装有安全监测数据驱动程序，可实现后续系统平台数据的读取调用。

S04：通过部署于本地的安全监测应用程序，调用监测中心服务器中存储的各类监测及模型数据，可在本工程的监测运维中心的运维系统大屏中实现针对本工程面板堆石坝各类监测数据、视频影像、BIM模型的显示和查询。

S05：在本工程监测运维中心机房内部署云平台服务器，云平台服务器的内部部署安装VR安全监测应用平台的服务器端程序，完成相关的系统调试及试用工作。通过互联网与监测中心服务器及各客户端的VR安全监测应用平台相连接，运维人员对平台服务器进行测试，保障服务器连接正常，可支持各客户端正常进行相关数据的下载、上传、查询等需求操作。

S06：与工程安全监测相关的人员可以下载VR安全监测应用平台的客户端应用程序在本地电脑上安装，并与VR安全监测应用平台的服务器端程序链接及调试，下载本工程面板堆石坝部分的数据包到本地电脑，在VR安全监测应用平台的客户端应用程序完成数据加载。

S07：在本地部署安装安全监测VR设备组内的各类设备，通过各类数据线与VR安全监测应用平台的客户端应用程序相连，并测试各设备与VR安全监测应用平台的客户端应用程序连接是否正常，是否能正常互动。

S08：确认安全监测VR设备组内各设备与VR安全监测应用平台的客户端应用程序连接正常后，工程监测相关人员可以在本地电脑上进行登录和身份认证操作，完成后佩戴VR主机，进入万向跑步机后固定腰部，利用VR操作手柄与面板堆石坝的VR全景模拟空间进行各种交互、场景漫游、监测数据查询、模拟效果观察等操作。

进一步的，步骤S08中，在VR安全监测应用平台与面板堆石坝VR场景进行互动时，可利用VR跑步机及平台三维可视化功能实现在大坝坝顶、坝面及内部各廊道进行第一人称移动完成场景漫游。利用VR操作手柄操控第一人称UI界面选择要跳转到的工程区域、工程时期或其他如起火、水淹、地震等特殊的工程场景。利用平台相关功能实现对平台各项监测数据、视频影像及历史数据的查询。利用平台水工监测模拟功能，依据现场采集的大坝各项变形、位移监测数据进行计算模拟大坝表面及内部的水平和垂直位移，反应坝基、坝面及面板接缝处的实际位移形变情况。依据现场采集的坝体、坝基、坝面、接触土的应力监测数据进行计算，模拟大坝各区域在受到应力的影响下产生的位移、形变以及破损情况。依据现场采集的坝体、坝基、垫层渗透压力监测数据进行计算，模拟大坝各处受渗透压力影响及侵蚀情况，另外平台可根据现场采集的渗流情况和数据计算分析功能，推断水工建筑可能性最大的损坏位置。同时上述的各类模拟功能也可利用水工监测模拟模块通过调整输入参数模拟仿真，直观了解大坝在其他更强烈的现场因素的影响下可能出现的各种情况。

S09：使用者可以通过VR视角下的VR界面创建或选择某个在线网络会商室，在虚拟空间内与各位专家观察工程安全监测的各类数据和与会专家交流意见，并在模拟空间内通过点击UI界面快速切换到本工程面板堆石坝的各重点位置及场景，在线查看各类监测设备的实时数据，选择大坝坝基、坝面或任意廊道的结构模型，在对应的监测位置进行各类安全标注，并可通过麦克风和耳机发布或收听关于大坝安全监测的各类结论和意见，方便后续报表生成功能收录使用。

S10：使用者可以通过UI界面生成针对本工程面板堆石坝相关的监测报表，各类监测数据，计算分析数据以及专家发布的诊断意见与结论语音可以自动转换为文字在报表内查看。使用者可以在VR视角下查看相关报表，并将相关内容导出被word及Excel格式文件发布在水工安全监测系统平台程序客户端所在电脑内，便于后续建设工作中使用。

S11：本工程面板堆石坝平台程序的运维人员需定期对平台的人员管理、运行日志、系统功能情况进行日常的定期维护，解决各工程相关人员在访问及调用功能时出现的各类BUG及问题。

综上所述，本发明通过工程三维可视化、BIM、VR、网络通信、工程监测等技术的融合，针对水电工程水工建筑物实现第一人称的在线安全监测、工程诊断会商、各类监测数据记录与查询、监测报表的生成等功能，并以点阵模拟各类工程现象对水工建筑物造成的实际影响，使工程各相关人员可以以第一人称视角直观的查询各类监测数据，详细了解水工建筑物的各类结构细节，快速定位工程风险点。同时通过在线的网络会商诊断室，实现针对水工安全监测问题进行简便、直观、高效的沟通交流，高效的评估水电工程建筑物的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，包括依次相连的工程监测设备、监测运维中心、云平台服务器和用户端访问设备；

其中，所述监测运维中心包括数据整合分析模块、监测中心服务器和运维系统大屏；所述云平台服务器布置VR安全监测应用平台服务端模块；所述用户端访问设备包括VR安全监测应用平台客户端模块和安全监测VR设备组；

所述工程监测设备，用于采集各类工程监测实时数据和水工建筑物BIM模型数据，并将所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，实时上传给所述监测运维中心的所述数据整合分析模块；

所述数据整合分析模块，用于识别并读取所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，对其进行分类及整合分析，分类导出并存储到所述监测中心服务器；

所述监测中心服务器，用于分类存储所述数据整合分析模块传入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据；

所述运维系统大屏，与所述监测中心服务器通过图形数据线相连，用于查询并显示所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据；

所述云平台服务器布置的所述VR安全监测应用平台服务端模块，分别与所述监测中心服务器和所述VR安全监测应用平台客户端模块连接，所述VR安全监测应用平台客户端模块和所述安全监测VR设备组连接，所述VR安全监测应用平台客户端模块用于接收操作指令，所述操作指令包括来自于所述安全监测VR设备组的VR操作指令或其他操作指令，所述VR安全监测应用平台客户端模块根据所述操作指令，实时向所述VR安全监测应用平台服务端模块发送获取相关信息的调用指令，所述VR安全监测应用平台服务端模块根据接收到的所述调用指令，实时查找所述监测中心服务器，并将获得的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据返回给所述VR安全监测应用平台客户端模块，使所述VR安全监测应用平台客户端模块根据接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，进行相关操作。

2.根据权利要求1所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述数据整合分析模块，包括数据导入接口、数据分析模块和数据导出接口；

所述数据导入接口，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据导入到所述数据分析模块；

所述数据分析模块，用于对导入的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据进行分类识别；

所述数据导出接口，用于将所述数据分析模块处理后的所述工程监测实时数据和所述水工建筑物BIM模型数据，导出到所述监测中心服务器。

3.根据权利要求1所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述VR安全监测应用平台客户端模块，通过与VR安全监测应用平台服务端模块的交互，实现VR视角下的水工建筑物的安全监测数据查询、对工程问题的在线诊断会商和数据记录、监测报表的生成和VR视角下的水工建筑物快速查看和定位。

4.根据权利要求3所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述VR安全监测应用平台客户端模块，包括工程VR可视化引擎、水工监测模拟模块、VR交互控制模块、工程诊断会商模块和报表生成模块。

5.根据权利要求4所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述工程VR可视化引擎，具有模型显示子模块、点阵模拟子模块、数据分析子模块和动画特效库；

所述动画特效库，用于存储水工建筑物结构变化动画特效和VR视角下互动动画特效；

所述模型显示子模块，用于调用图形功能硬件和底层图形库提供的功能接口，实现水工建筑物BIM模型的渲染和显示，如果需要在显示时添加动画特效效果，则直接从所述动画特效库中调用；

所述点阵模拟子模块，用于将实时接收到的所述工程监测实时数据作用于水工建筑物BIM模型的对应位置，并通过分析工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，模拟水工建筑物BIM模型的结构变化情况，并通过调用所述动画特效库，采用相应的动画特效方式，模拟显示水工建筑物BIM模型的结构变化；

所述数据分析子模块，用于获取所述点阵模拟子模块分析得到的工程监测实时数据对水工建筑物BIM模型的结构影响，以及实时接收到的所述工程监测实时数据；对获得的数据基于预存储的监测条目进行数据整理统计和分析计算，为工程诊断信息记录功能、监测数据查阅功能、监测报表自动生成功能中各类图表的生成提供基础数据；同时，还对一定时间段内记录的工程监测实时数据进行统计学的分析和预测，当判断某项监测数据异常时，进行预警。

6.根据权利要求5所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述点阵模拟子模块具体用于：

对水工建筑物BIM模型以厘米为单位进行点阵模拟，将水工建筑物BIM模型转换为粗点阵骨骼；

再以毫米为单位，在得到的粗点阵骨骼间增添细部点阵，完成点阵模拟的转换，得到细点阵骨骼；

然后，根据待分析结构的材质，为细点阵骨骼添加物理特性参数，得到细点阵物理模型；

在接收到工程监测实时数据时，根据内置结构力公式算法、点阵刚度算法、荷载向量算法和平衡公式，根据压力应力的传导方式，对各点阵部位的受力及位移情况进行分析计算，模拟出细点阵物理模型整体在受到外部因素影响下的振动、位移、变形、断裂和脱落情况；

将各点阵作为结构模型的骨骼，通过模型显示子模块对产生的形变或脱落情况进行真实渲染和三维显示，并调用动画特效库，添加相应动画特效，直观显示水工建筑物BIM模型在受外部因素影响下的变化过程。

7.根据权利要求5所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述水工监测模拟模块包括变形模拟子模块、应力模拟子模块和渗流模拟子模块；

所述变形模拟子模块，用于接收到结构变形数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到结构变形数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位发生变形变化；

所述应力模拟子模块，用于接收到结构应力数据时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到应力数据对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受应力作用的影响下产生变形、位移及脱落；

所述渗流模拟子模块，用于接收到渗透压力时，调用所述点阵模拟子模块，将水工建筑物BIM模型点阵化为细点阵骨骼；然后，分析得到渗透压力对细点阵骨骼的变形影响情况，从而对细点阵骨骼进行控制，使其细点阵骨骼的影响部位在受渗流侵蚀时产生一定程度的损坏。

8.根据权利要求5所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述VR交互控制模块，包括第一人称UI子模块、操作设备交互子模块、监测数据查阅子模块，用于利用安全监测VR设备组实现互动，完成工程漫游、监测数据查阅、意见信息发布操作；

所述第一人称UI子模块，包含各功能模块的交互、操作和查询界面，通过头戴式VR主机和VR操作手柄上的控制按钮进行UI的互动操作，同时UI界面被唤醒时，界面采用弧形方式始终跟随操作人员的视角移动；

所述操作设备交互子模块，包括各类互动操作功能及相关的特效动画的调用；具体的，包含各类的互动操作功能及相关的特效动画的调用；支持安全监测VR设备与VR安全监测应用平台客户端模块的交互操作，实现在互动操作时对重点区域高亮显示、指引线路显示，并且，调用动画特效库，在互动时对特效动画进行调用显示；

所述监测数据查阅子模块，用于查询和显示各类监测设备采集到的现场数据，利用UI界面和设备交互功能，快速切换到指定区域，对各监测项目的监测数据和相关的图表、报表进行第一人称视角的显示。

9.根据权利要求5所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述工程诊断会商模块，包含用户权限管理子模块、网络会商室子模块、诊断信息记录子模块，用于实现操作人员对水工安全监测的各类问题进行在线会商并在对应模型位置记录相关的诊断决策信息；

所述用户权限管理子模块，用于实现工程诊断会商模块的在线管理，设定用户及运维人员的访问权限、管理权限、可查询数据权限，同时包含服务日志功能，用于记录各用户的访问数据及访问操作；

所述网络会商室子模块，用于向各使用用户提供针对工程各类问题进行讨论的在线会商室，邀请多位相关专家以VR视角进入指定的会商室，在厂房内进行第一人称的虚拟漫游，针对指定工程位置依据各类工程监测数据和模拟仿真结果进行观察和讨论；同时支持多个网络会商室进行VR网络会商；

所述诊断信息记录子模块，用于向用户提供在网络会商模式下的诊断信息记录功能，具体用于记录各专家针对水电工程各安全监测问题的讨论结果及相关意见，诊断结论语音发布并可转换为文字的形式记录在指定VR场景内模型位置。

10.根据权利要求5所述的基于VR技术的水工安全监测系统，其特征在于，所述报表生成模块，包含监测数据记录子模块、自动报表生成子模块和报表VR查看子模块，用于自动记录各类水工监测设备发送的监测数据通过分析计算自动生成相关报表，并在VR视角下快速查看；

所述监测数据记录子模块，内置水电工程各区域的水工安全监测项目表、安全监测频次表、安全项目级别分类表以及其他监测数据条目和要求；依据各区域的监测要求频次时间，自动从各类监测设备中记录并存储相关的数据及视频资料；

所述自动报表生成子模块，利用记录的各类监测数据信息及数据分析结果，依据已录入的水电工程各区域监测报告模板自动填写相关数据信息和平台内部分析计算生成的数据结果，同时将各专家讨论诊断的结论语音记录转换为文字记录出现在报表的对应位置上，生成报表；

所述报表VR查看子模块，依据自动生成的报表，以VR视角对报表内的各个监测项目、分析结果、预警信息、工程风险点进行逐一查看，通过在VR视角下点击报表UI界面上的各个条目，将快速跳转到指定工程区域、工程时间节点或特殊的工程场景节点内，以第一人称视角直观准确查看工程数据，体验工程场景。