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 06:16
水利技术监督 2021年3期
关键词:板卡可视化管理系统

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。

4 结束语

水利枢纽工程不断地发展,可视化管理施工过程成为了当下的研究重点,在BIM技术的支持下,设计一种水利枢纽施工多维信息可视化管理系统,能够改善文献中可视化管理系统中存在的不足,为今后管理水利施工可视化过程提供了研究方向。

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