大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

皇甫澤華 史亞軍 張玉明 王新民 張賽

摘要：大型水庫工程建設(shè)期具有參建單位多，涉及人員及專業(yè)多，建設(shè)期間產(chǎn)生的資料價(jià)值高等特點(diǎn)，但目前其信息化程度相比運(yùn)行期有較大差距。為了提高大型水庫工程在建設(shè)期的信息化管理水平，高效管理工程積累的資料及數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、Web技術(shù)、移動(dòng)應(yīng)用、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等建設(shè)大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)，用信息化手段全面掌握建設(shè)期信息，提高水庫建設(shè)期管理水平。將管理系統(tǒng)應(yīng)用于前坪水庫工程，各參建單位在建設(shè)信息管理中不僅降低了時(shí)間成本，而且參建各方的工作交流更加直觀、方便。該大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)成功解決了工程建設(shè)期存在的質(zhì)量、進(jìn)度、投資等管理手段落后、信息查詢困難等問題，取得了顯著效果。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);信息化管理系統(tǒng);土石壩;工程建設(shè)期;GIS技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP697;TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.023

水庫作為水利工程完整體系中一個(gè)重要組成部分，在發(fā)電、灌溉、供水、防洪、水生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，同時(shí)關(guān)系到廣大下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1].水庫信息化技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已大量應(yīng)用于水庫工程[2]。目前，國內(nèi)外對(duì)水利信息化的探索[3-7]及存在的問題主要集中在以下方面：①國內(nèi)外一些水庫工程在運(yùn)行期進(jìn)行了信息化建設(shè)[8-9]，但鮮有水庫工程自工程建設(shè)期就運(yùn)用信息化手段進(jìn)行建設(shè)管理。②實(shí)現(xiàn)了水利工程信息化具體業(yè)務(wù)功能建設(shè)[10-12]，但僅限于水利工程的具體業(yè)務(wù)功能，還沒有充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢[13-15]，如建立水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)[16-17]。③基于C/S模式的信息化建設(shè)。這類水利信息化建設(shè)缺少便利性，每臺(tái)需要訪問該信息化系統(tǒng)的終端均需要安裝客戶端。如文獻(xiàn)[18]基于C/S的水庫群信息管理系統(tǒng)等。很多水庫工程信息化技術(shù)較單一，沒有采用最新的Web、GIS及BIM技術(shù)等[19-22]，因此自建設(shè)期將新興技術(shù)多種應(yīng)用需求通過一個(gè)統(tǒng)一的信息化管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，是提升水庫管理信息化、現(xiàn)代化和科學(xué)化發(fā)展的必然方向[23]，即有必要建立利用信息化手段及技術(shù)搭建滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要的資源共享、協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同管理的管理體系。信息化管理的意義：①提高參建各方溝通、協(xié)調(diào)的效率：②為類似工程建設(shè)提供更友好的資源交流方式。信息化管理的目的：①降低工程建設(shè)管理的成本;②提升管理質(zhì)量與效率;③加大信息的利用與分享。本文采用現(xiàn)代高新技術(shù)革新水利監(jiān)控、監(jiān)測體系和管理手段，以前坪水庫工程建設(shè)為例，利用Web技術(shù)、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS技術(shù)等，建立前坪水庫工程信息化建設(shè)期管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前坪水庫建設(shè)期的全業(yè)務(wù)信息化管理，并隨著工程建設(shè)逐步演變?yōu)樗畮爝\(yùn)行期管理系統(tǒng)，貫穿前坪水庫的全生命周期。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前坪水庫建設(shè)期視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在建設(shè)期對(duì)水庫主要建筑物和重要施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且施工完畢后監(jiān)控設(shè)備可根據(jù)建設(shè)管理單位需要應(yīng)用于運(yùn)行期監(jiān)控，做到永臨結(jié)合、遠(yuǎn)近結(jié)合、建管結(jié)合。

1.1 建設(shè)目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)覆蓋全面的基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)。包含前端監(jiān)測感知、會(huì)商中心、機(jī)房及配套軟硬件等，為業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及硬件環(huán)境支撐，為水庫管理局實(shí)現(xiàn)“一屏看水庫”的目標(biāo)做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

（2）建設(shè)水庫建設(shè)期管理信息系統(tǒng)平臺(tái)，統(tǒng)籌工程建設(shè)期間的進(jìn)度、質(zhì)量、安全管理、防洪度汛等重要信息。

（3）推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+水利。廣泛采用高新技術(shù)進(jìn)行前坪水庫建設(shè)期管理信息系統(tǒng)建設(shè)，形成水庫獨(dú)特的業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)體系，提升水庫工程建設(shè)期管理的效率與水平。

1.2 邏輯框架

（1）采集傳輸層。通過智能傳感器，實(shí)現(xiàn)水文、視頻監(jiān)控等信息采集，并輔助人工填報(bào)以及相關(guān)系統(tǒng)接人，全方位采集各類涉水基礎(chǔ)信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層提供了通過不同方式采集的數(shù)據(jù)上傳匯集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。主要包括有線和無線傳輸方式，無線傳輸有GPRS、WLAN等，有線方式包括水利專網(wǎng)和公共互聯(lián)網(wǎng)通信方式。

（3）數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)中所需的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)和管理的邏輯表現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一分類存儲(chǔ)和管理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用程序服務(wù)層提供數(shù)據(jù)支持環(huán)境。

（4）應(yīng)用支持層。應(yīng)用程序支持層利用各種通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同基礎(chǔ)架構(gòu)層和應(yīng)用程序?qū)又g的互通。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層?；趲靺^(qū)地理信息服務(wù)構(gòu)建了前坪水庫建設(shè)信息管理系統(tǒng)。

（6）用戶層。涵蓋前坪水庫管理局、建設(shè)期參建各方及河南省水利廳。

（7）安全及運(yùn)行維護(hù)體系。運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)提供了科學(xué)有效的、集成了組織及流程的IT管理技術(shù)。

（8）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)支持層，是水庫信息服務(wù)的信息源頭和基礎(chǔ)，通過對(duì)現(xiàn)有水雨情信息、工情、視頻監(jiān)控信息以及其他資料信息等進(jìn)行收集、整合與完善，建設(shè)實(shí)用、可靠、先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)、兼容的水庫綜合數(shù)據(jù)庫，滿足水庫信息服務(wù)要求。部分?jǐn)?shù)據(jù)庫如下：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，主要包括工程與設(shè)施對(duì)象等數(shù)據(jù)，如水文測站基本信息、水庫基本情況等;②業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，主要包括工程建設(shè)管理業(yè)務(wù)、防汛抗旱預(yù)案管理等數(shù)據(jù)，如審批信息、招標(biāo)投標(biāo)信息、雨情信息及水情信息等;③監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，主要包括測站設(shè)備等數(shù)據(jù)，如傳感器信息等;④其他數(shù)據(jù)庫，主要包括空間數(shù)據(jù)庫及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等。

1.4 建設(shè)期管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要分為技術(shù)資料管理、電子沙盤、建設(shè)信息、進(jìn)度及投資管理、質(zhì)量管理、安全管理、防洪度汛、系統(tǒng)管理等若干個(gè)模塊，其中部分模塊數(shù)據(jù)為一次性錄入，部分模塊數(shù)據(jù)為階段性錄入。

（1）電子沙盤。二維沙盤模塊采用0.5 m精度的河南省遙感影像底圖通過GIS軟件添加一定的圖層信息發(fā)布至Web端，附加信息包括水庫工程簡介、流域概況、水雨情信息、移民征地、主要建筑物布置及工程料場布置。

三維沙盤功能主要展示前坪水庫完建后整個(gè)工程全貌，通過三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建各主要建筑物的三維模型，疊加壩址區(qū)三維地理模型，整體導(dǎo)出中間格式至三維引擎，經(jīng)二次開發(fā)發(fā)布至Web端。還可以通過點(diǎn)擊不同的建筑物來查詢主要設(shè)計(jì)信息，如圖1所示。

（2）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場施工情況，具有實(shí)時(shí)預(yù)覽、實(shí)時(shí)錄制、回放、視頻圖像多方位瀏覽、放大縮小等功能。視頻監(jiān)控模塊界面見圖2。

（3）進(jìn)度及投資。為使參建各方定期掌握各施工標(biāo)段進(jìn)度及投資情況，施工單位以月為單位按招標(biāo)工程量清單格式定期上傳該月完成的工程量。工程進(jìn)度及投資情況以表格及橫道圖顯示各標(biāo)段投資及進(jìn)度。工程某標(biāo)段的進(jìn)度及投資情況橫道圖見圖3。

（4）質(zhì)量管理。質(zhì)量管理模塊主要由質(zhì)量體系、質(zhì)量評(píng)定和質(zhì)量管理活動(dòng)組成。每個(gè)標(biāo)段的質(zhì)量評(píng)定可以在線填報(bào)。

（5）安全管理。安全管理模塊提供現(xiàn)行有關(guān)施工安全的法律、法規(guī)在線瀏覽、查詢、打印及搜索功能;將水庫各主要建筑物各監(jiān)測斷面安全監(jiān)測儀器布置在BIM模型上，通過定期在線填寫各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，提供在線查詢、趨勢分析及對(duì)比分析等，見圖4。

（6）防洪度汛。防洪度汛模塊目標(biāo)是基于水庫控制流域?qū)崟r(shí)的雨水情信息，預(yù)報(bào)壩址處人流過程及其特征信息，以此作為防洪度汛決策的依據(jù)。產(chǎn)流模型采用P-Pa-R模型，匯流模型采用經(jīng)驗(yàn)單位線。圖5為2016年8月1-3日前坪水庫的洪水預(yù)報(bào)。

（7）微信服務(wù)號(hào)。微信服務(wù)號(hào)是前坪水庫建設(shè)期綜合信息管理平臺(tái)的創(chuàng)新內(nèi)容，用戶可以用微信查看和管理工程建設(shè)情況。

（8）其他模塊。其他模塊包括平臺(tái)首頁綜合信息查詢，平臺(tái)各模塊主要內(nèi)容的宏觀展示，各參建單位建設(shè)信息文檔資料管理，系統(tǒng)管理其余各功能模塊的編輯、用戶錄入、用戶資料修改、權(quán)限分配、上傳進(jìn)度及投資標(biāo)準(zhǔn)工程量清單模板、上傳控件等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于組件的三層/多層應(yīng)用程序軟件體系結(jié)構(gòu)

建設(shè)期管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)使用基于組件的三層/多層應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，它分為客戶端表示層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層3個(gè)獨(dú)立的層。重要業(yè)務(wù)的對(duì)象化是保證系統(tǒng)可繼承性的重要保證。

2.2 WebOS技術(shù)

前坪水庫信息化綜合管理系統(tǒng)建設(shè)涉及的業(yè)務(wù)模塊較多，類型多樣，不便于統(tǒng)一管理，并且不同的用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)范圍的不同往往只需要關(guān)注自身業(yè)務(wù)相關(guān)的功能子系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有按需定制服務(wù)的功能。因此，采用WebOS技術(shù)構(gòu)建整個(gè)水庫安全監(jiān)控平臺(tái)，通過瀏覽器方式“一站式”管理各個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無限擴(kuò)展集成、按需個(gè)性化定制、便捷應(yīng)用管理，為水庫管理人員創(chuàng)建便捷的電子化辦公環(huán)境等。2.3 基于HTML5的多終端支持技術(shù)

該系統(tǒng)同時(shí)根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢，采用最新的HTML5開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和架構(gòu)，在未來較長時(shí)間內(nèi)可保持技術(shù)的先進(jìn)性。系統(tǒng)支持多設(shè)備、跨平臺(tái)，可通過PC、平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備訪問，方便移動(dòng)辦公，同時(shí)適用于所有最新的操作系統(tǒng)平臺(tái)，包括Windows 8、Mac OS、Linux等。

2.4 組件開發(fā)技術(shù)

組件（ Component）是對(duì)數(shù)據(jù)和方法的簡單封裝，為應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和其他組件提供服務(wù)。開發(fā)自定義的組件即開發(fā)動(dòng)態(tài)的、低耦合的、面向?qū)ο蟮腁PI?？梢詫⒍鄠€(gè)組件鏈接在一起形成應(yīng)用程序模型或組件系統(tǒng)，并且可以在運(yùn)行時(shí)刪除或替換組件而無需重新鏈接或編譯。

2.5 微信公眾平臺(tái)技術(shù)

微信公眾平臺(tái)是運(yùn)營者通過公眾號(hào)為微信用戶提供資訊和服務(wù)的平臺(tái)。該系統(tǒng)把前坪水庫工程建設(shè)期參建各方關(guān)心的業(yè)務(wù)場景，通過微信公眾平臺(tái)技術(shù)開發(fā)為服務(wù)號(hào)，為用戶提供更便捷的管理方式。開發(fā)流程見圖6。

2.6 BIM技術(shù)

該系統(tǒng)把前坪水庫工程建設(shè)過程中的工程信息和資源集成到三維模型中，各參建單位可通過操控模型實(shí)現(xiàn)資源信息的查詢與管理：將水庫各主要建筑物各監(jiān)測斷面安全監(jiān)測儀器布置在三維模型上，通過定期維護(hù)各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，提供在線查詢、趨勢分析及對(duì)比分析等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

前坪水庫位于淮河流域，是我國“十三五”期間172個(gè)節(jié)水和供水重點(diǎn)工程之一，總庫容5.84億m，控制流域面積1 325 km，水庫工程總建設(shè)周期為60個(gè)月。前坪水庫工程具有規(guī)模大、投資大、工期長、參建單位數(shù)量多等特點(diǎn)，應(yīng)用該系統(tǒng)后，各參建單位在建設(shè)信息管理中時(shí)間成本降低了5%～ 10%，領(lǐng)導(dǎo)對(duì)工程建設(shè)信息的管理更直觀、方便，參建各方通過在統(tǒng)一的平臺(tái)上溝通、協(xié)調(diào)，工作效率高且規(guī)范，綜合提高了水庫工程建設(shè)的信息化管理水平。前坪水庫應(yīng)用建設(shè)期管理系統(tǒng)前、后對(duì)比見表l。

4 結(jié)語

在水利行業(yè)信息化建設(shè)的新形勢下，河南省前坪水庫工程被列為國家重點(diǎn)水利項(xiàng)目。在工程建設(shè)過程中，有效地管理建設(shè)過程中的每一步是保證工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。如何實(shí)時(shí)對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量以及安全等相關(guān)信息進(jìn)行宏觀把控，對(duì)于保障工程建設(shè)順利進(jìn)行具有重要的意義。水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)采用HT-ML5技術(shù)支持多終端使用，微信公眾平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工作交流和建設(shè)信息實(shí)時(shí)監(jiān)管，BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了建設(shè)信息統(tǒng)一化管理等。主要解決了工程建設(shè)期存在的質(zhì)量、進(jìn)度、投資管理手段相對(duì)落后、信息查詢困難等問題。用信息化手段全面掌握建設(shè)期信息，不僅提高了水庫建設(shè)期管理水平，而且為工程運(yùn)行維護(hù)期管理積累了數(shù)據(jù)，可供其他類似工程借鑒和參考。不足在于還沒有對(duì)管理系統(tǒng)的APP版本進(jìn)行開發(fā)，接下來需要繼續(xù)研發(fā)APP版本。

參考文獻(xiàn)：

[1]李慶斌，石杰，大壩建設(shè)4.0[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（8）：l一6.

[2] 樊啟祥，洪文浩，汪志林，等，溪洛渡特高拱壩建設(shè)項(xiàng)目管理模式創(chuàng)新與實(shí)踐[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31（6）：288-293.

[3]李慶斌，林鵬，論智能大壩[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33（1）：139-146.

[4] 田雪平，水庫工程管理信息化建設(shè)實(shí)踐研究[J].河南科技，2016（19）：50-51.

[5] 賴躍強(qiáng)，楊君，徐蕾，等，工程建設(shè)監(jiān)理企業(yè)信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（6）：140-144.

[6] 王軍，梁忠民，施嘩，基于GIS的水庫洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（1）：20-25.

[7] 皇甫澤華，張兆省，歷從實(shí)，等，前坪水庫筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究[J].中國水利，2017（12）：25-26.

[8] 田作佳，趙琳，龐毅，等，大伙房水庫信息化工程建設(shè)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2017（8）：125-128.

[9] 張玉炳，周啟，何向陽，水庫管理信息化中工程安全管理體系設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].人民長江，2015，46（16）：97-100.

[10] 田穎，胥春蓮，石漫灘水庫信息化建設(shè)的思考[J].河南水利與南水北調(diào)，2016（11）：47-48.

[11] 任建營，章澤水庫綜合信息平臺(tái)研究[J].水利建設(shè)與管理，2015（1）：57-61.

[12] 馬紅星，郭姍姍，許強(qiáng)，基于GIS的雙峰寺水庫移民管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（1）：145-147.

[13] 黃遠(yuǎn)勻，浩坤水庫水雨情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)[J].通訊世界，2013（11）：46-47.

[14] 潘菲菲.BIM在水庫移民安置點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].人民長江，2017，48（1）：97-102.

[15] 趙一新，李政鵬，屈志剛.GEOPAK在前坪水庫工程場地開挖的應(yīng)用及工程優(yōu)化[J].西北水電，2014（5）：97-99.

[16] 袁迪，張艷軍，宋星原，等，基于Silverlight的B/S模式水庫洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2014，31（8）：12-17.

[17]儲(chǔ)華平，章薛棟，王春樹，等，基于GIS技術(shù)的油車水庫三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)[J].水利信息化，2010（1）：20-25.

[18] 殷蓬，基于C/S的水庫群信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，16（15）：235-236.

[19]李成林，王長生，燕山水庫運(yùn)行管理信息化平臺(tái)研發(fā)[J].河南水利與南水北調(diào)，2015（5）：58-59.

[20] 劉飛鵬，龔愛民，陳春武，等，異型挑流鼻坎三維設(shè)計(jì)及整體泄流模擬研究[J].人民黃河，2017，39（5）：104-108.

[21]高英，“BIM+”跨界應(yīng)用開拓智慧水利[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（9）：154-157.

[22] 孫少楠，張慧君，施曄.BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2016（2）：103-108.

[23] 薛艷，陳曉江，現(xiàn)代水庫建設(shè)管理中存在的問題與對(duì)策分析[J].南方農(nóng)業(yè)，2017（8）：115-117.