基于BIM+3DGIS的城市基礎(chǔ)設(shè)施物理信息融合智能化管理研究

謝博全，吳嘉敏，雷鷹

（1. 臺灣宗升智能工程有限公司；2. 廈門大學建筑與土木工程學院）

引言

作為城市化發(fā)展的高級階段，智慧城市通過大系統(tǒng)整合、新一代信息技術(shù)交互、公眾多方參與和互動來實現(xiàn)城市的可持續(xù)創(chuàng)新，進而使城市管理更加精細、環(huán)境更加協(xié)調(diào)、經(jīng)濟更加繁榮、生活更加便捷。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化手段、移動技術(shù)、智能穿戴及工具在工程建設(shè)和運維階段的應(yīng)用不斷提升，基于城市基礎(chǔ)設(shè)施的物理信息融合的智慧管理應(yīng)運而生。

依托BIM這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項目的相關(guān)利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺[1]。但其空間分析能力較為微觀，并且BIM模型設(shè)計軟件支持的空間范圍小，無法承載海量大范圍的地形數(shù)據(jù)，也不具備對地理信息進行分析和建筑周邊環(huán)境整體展示的功能[2]。地理信息系統(tǒng)（GIS）可以對整個地球空間上的信息進行宏觀的分析與管理，清晰地展示建筑物與地理環(huán)境的關(guān)系，具有極強的空間綜合分析能力，常被用來協(xié)助工程規(guī)劃設(shè)計，還有城市中與地理空間有關(guān)的各類管理分析。但其局限性是無法展示微觀模型，無法創(chuàng)建精細化的建筑模型和詳細的模型信息。

因此，將BIM與3D GIS技術(shù)整合可以同時進行建筑的精細化模型創(chuàng)建以及大場景地理信息的管理和分析，實現(xiàn)了分析、管理從微觀到宏觀的海量數(shù)據(jù)，又能更全面地展示可視化信息。以BIM和GIS技術(shù)融合為核心的物理信息融合的管理手段，可以優(yōu)化傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的管理方式，顯著提高城市建設(shè)管理的智能化。

1 概述

1.1 BIM+3DGIS技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

三維GIS可基于地形和周邊宏觀的地物信息，為BIM提供大場景規(guī)劃、室外視域分析等三維GIS功能，提供決策支持；而BIM模型可為三維GIS提供精細的建筑構(gòu)件信息，使得GIS從室外走向建筑內(nèi)部，實現(xiàn)室內(nèi)外一體化的管理。

基于BIM與3D GIS技術(shù)集成的軟件平臺開發(fā)，國內(nèi)的專家、學者已經(jīng)開展了一些研究。如：李福健[3]針對自主研發(fā)的隧道圍巖量測自動化監(jiān)測技術(shù)，建立GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)測平臺；張文勝等[4]研發(fā)了基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)從3D GIS可視化、漫游和三維空間分析到BIM施工管理、施工動態(tài)模擬和施工進度管理等功能；劉萬斌[5]開發(fā)了基于SuperMap的三維建筑信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了建筑模型的可視域分析、爆管分析、火災逃生模擬等功能。

1.2 智能化管理的現(xiàn)狀與發(fā)展

傳統(tǒng)的建設(shè)智能化管理系統(tǒng)主要基于人工運維方式，存在許多問題，例如：設(shè)備的利用率很低；重復建設(shè)率高；同時無法實現(xiàn)智能化物理系統(tǒng)監(jiān)控和信息管理的互聯(lián)互通及共享交換，無法滿足智能建設(shè)在綜合管理和服務(wù)方面業(yè)務(wù)協(xié)同的功能需求[6]。當前不少城市基礎(chǔ)設(shè)施存在各系統(tǒng)相互獨立、大量信息孤島、數(shù)字化基礎(chǔ)弱等問題，基礎(chǔ)設(shè)施難以做到可視化、信息化和效率化，數(shù)字化與自動化結(jié)合嚴重不足，缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控和運維平臺等問題。

基礎(chǔ)設(shè)施物理信息智能化管理才能驅(qū)動城市建設(shè)管理向前發(fā)展。從基礎(chǔ)物理數(shù)字化到信息互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+云計算基礎(chǔ)的發(fā)展模式是智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施物理信息管理智能化建設(shè)的發(fā)展趨勢。BIM與GIS的融合可以實現(xiàn)從微觀到宏觀的多尺度城市管理，在室內(nèi)導航、公共場所的應(yīng)急管理、城市和景觀規(guī)劃、各種環(huán)境狀況模擬等方面都將產(chǎn)生難以估量的價值[7]。

智慧管理思路應(yīng)服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等過程。因此，傳統(tǒng)的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理過程與智慧管理思路需要快速對接、協(xié)同融合，應(yīng)采用基于物理信息協(xié)同的智能化管理，搭建基礎(chǔ)設(shè)施物理信息融合智能化管理平臺。

2 智能化管理平臺框架設(shè)計

城市基礎(chǔ)設(shè)施物理信息融合智能化管理平臺是基于BIM和GIS技術(shù)的融合，獲取項目的物理精確信息數(shù)據(jù)以及實時的狀態(tài)信息，實現(xiàn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)管理、資源綜合管理、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、安全評估預警、指揮控制等功能。根據(jù)智慧基礎(chǔ)設(shè)施綜合管理的需求，從中央管控的整體管理思路出發(fā)，集成物理設(shè)備的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、報警信息、聯(lián)動控制信息等動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合云計算、云存儲以及大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，針對基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期、結(jié)構(gòu)信息、養(yǎng)護信息以及運行信息進行深度挖掘、關(guān)聯(lián)分析與預測分析，建立基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)模型，并通過BIM+GIS技術(shù)集成將基礎(chǔ)設(shè)施物理監(jiān)測信息可視化，進行物理信息融合，為管養(yǎng)部門提供強有力的養(yǎng)護決策和支持[8]。

集成的物理信息融合智能化系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。如圖1所示，基礎(chǔ)設(shè)施物理信息智能化管理平臺共劃分為4個子系統(tǒng)，分別是環(huán)境物理設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、BIM+3D GIS系統(tǒng)、運維平臺和信息數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。不同的項目需要結(jié)合自身特點，綜合考慮智能化管理平臺架構(gòu)，結(jié)合所需的邏輯架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)化建設(shè)基于BIM+GIS集成的物理信息智能化管理平臺。

3 基于BIM+3D GIS物理信息智能化管理平臺功能需求

3.1 BIM+3D GIS三維信息管理

3D GIS地圖模塊以三維空間物理信息數(shù)據(jù)資源庫為基礎(chǔ)，集成影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、建筑物模型，為管理人員提供可視化建設(shè)管理服務(wù)，直觀展示建設(shè)地理信息、位置分布，周邊道路、設(shè)施、環(huán)境信息以及重要單位，提高工作的準確性，推進建設(shè)、空間、設(shè)施設(shè)備科學化管理。在3DGIS場景中放入BIM模型，通過三維GIS虛擬再現(xiàn)區(qū)域建設(shè)物、管網(wǎng)系統(tǒng)及其他設(shè)備，在三維場景中實現(xiàn)場景的漫游、查詢、統(tǒng)計以及多種空間分析等功能。

3.2 運維管理

1）設(shè)備及資產(chǎn)管理。利用系統(tǒng)中BIM模型所提供的設(shè)備及資產(chǎn)的相關(guān)資料和信息，運用信息化技術(shù)增強設(shè)備及資產(chǎn)監(jiān)管力度，降低資產(chǎn)的閑置浪費，充分發(fā)揮設(shè)備效能，使業(yè)主在設(shè)備資產(chǎn)管理上更加規(guī)范，進而從整體上提高管理水平。該模塊應(yīng)提供設(shè)備的可視化管理、信息查詢、故障分析、安全評估等操作功能。

圖1 基于BIM+3D GIS集成的物理信息管理系統(tǒng)示意圖

2）工單管理。工單管理模塊有利于設(shè)施設(shè)備的耗損預測及制定預防性的保養(yǎng)計劃。管理人員可根據(jù)工單的緊急性或特定需求，制定執(zhí)行計劃，計算執(zhí)行成本，為前期工作從申請到批準、執(zhí)行、完工乃至最后的工作匯報提供一個完整的流程管理。

3）健康監(jiān)測及預警。平臺以BIM模型為載體，通過物聯(lián)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，實現(xiàn)實時監(jiān)測、監(jiān)測分析、報警查詢、質(zhì)量評估等功能。通過應(yīng)變監(jiān)測、荷載監(jiān)測等數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測該工程結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，使結(jié)構(gòu)實時處于可知和可控的狀態(tài)，當相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，系統(tǒng)自動發(fā)送警示消息[9]。技術(shù)人員可針對性地對異常區(qū)域進行檢查，尋找可能的事故隱患，快速排除故障維持正常運行。

應(yīng)急情況可依據(jù)危險程度、影響程度、緊急程度進行分級，在系統(tǒng)中以不同顏色等級呈現(xiàn)處理排序，以及目前出現(xiàn)故障需處理的系統(tǒng)類型，使管理人員能快速的從系統(tǒng)中點選此項報警，直觀了解出問題的設(shè)備，以及此設(shè)備在三維中的具體位置，并可查該設(shè)備的歷史修繕信息，作為應(yīng)急處置與故障排除的參考依據(jù)。

4）巡檢管理。針對該平臺，可配合開發(fā)手機應(yīng)用軟件用于物理設(shè)備巡檢管理及日常設(shè)備維護記錄。同時，在物理設(shè)備發(fā)生故障時，可在第一時間將故障信息推送至管理人員的手機客戶端，APP收到預警信息后，管理人員可及時到現(xiàn)場有效地處理設(shè)備問題，降低故障損失。

3.3 環(huán)境監(jiān)控管理

通過管理平臺預留接口，對前端攝像機、編碼器、控制器等設(shè)備進行統(tǒng)一管理，通過管理平臺實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一的用戶、權(quán)限和視頻資源管理，滿足系統(tǒng)多用戶監(jiān)控、管理需求[10]。環(huán)境監(jiān)控管理模塊應(yīng)具有安防設(shè)備管理、信息自動分類顯示、事件查詢、視頻復核、遠程控制等功能。

3.4 數(shù)據(jù)分析

該模塊主要對項目運營消耗的能源（如：電、水、熱力等）進行監(jiān)測、記錄、分析。通過智能能耗監(jiān)測，實現(xiàn)對項目內(nèi)的水、電、暖等能源消耗情況進行分量式監(jiān)測以及電能分項數(shù)據(jù)采集，建立能源消耗和成本控制數(shù)據(jù)庫，并構(gòu)建多級能耗監(jiān)管系統(tǒng)。通過BIM模型查看各分區(qū)內(nèi)設(shè)備能耗信息，可以生成歷史、實時、預測能耗趨勢圖、統(tǒng)計報表等。實時監(jiān)測各種能源的詳細使用情況，為節(jié)能降耗提供直觀科學的依據(jù)，促進管理水平的提高，降低運營成本，使能源充分合理使用，控制浪費，達到節(jié)能減排，最終達到提高用能效率的目的[11]。

4 基于BIM+3D GIS集成物理信息融合智能化管理平臺的價值

1）實現(xiàn)各系統(tǒng)的統(tǒng)一管理。平臺可以充分利用各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)在統(tǒng)一的平臺進行信息發(fā)布、在統(tǒng)一的綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)維護和二次利用、在統(tǒng)一的配置管理界面對系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整等，真正實現(xiàn)平臺的一站式管理[12]。城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化管理是完備的全過程信息整合平臺，解決了傳統(tǒng)管理過程中資料易缺失、查詢不便、信息表達不一致、信息孤立等問題；同時，也實現(xiàn)了從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)到運維的全過程智能化管理，尤其是將運維環(huán)節(jié)中的日常巡檢、健康監(jiān)測、安全管理、應(yīng)急處置等功能進行集成。

2）BIM與3D GIS技術(shù)融合的應(yīng)用優(yōu)勢。通過將BIM和GIS整合，先對建筑進行建模，然后把建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，應(yīng)用到城市三維GIS分析中，就極大的降低了建筑空間信息的成本[13]。運用GIS和BIM建立的精細建筑內(nèi)部與宏觀路網(wǎng)結(jié)合的城市系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了城市地上地下設(shè)施一體化管理、室內(nèi)外設(shè)施一體化管理，又實現(xiàn)生活中可見設(shè)施與工程隱蔽設(shè)計的一體化管理，從而達到城市全要素空間設(shè)施的智能化管理[14]。

3）平臺操作簡單高效化。平臺上的數(shù)據(jù)均為可進行二次利用的具有高附加值的信息，能夠充分根據(jù)管理人員的需求或者工作特點來進行操作和管理，從而降低了平臺管理人員操作各個系統(tǒng)的專業(yè)門檻，真正以需求來驅(qū)動平臺的建設(shè)和管理過程，使得管理人員從海量繁瑣的信息數(shù)據(jù)和復雜的操作中脫離開，在做好管理工作的同時還能有效降低人力成本[12]。

4）平臺管理無地域限制?；谠朴嬎恪⑽锫?lián)網(wǎng)等信息技術(shù)開發(fā)的智能化管理平臺具有高兼容性的同時還可以進行遠程控制，不受地域限制，能夠有效減少基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境的重復建設(shè)，降低成本并且管理靈活。

5 若干BIM+GIS集成物理信息融合智能化管理平臺應(yīng)用案例

5.1 成都泛悅城市工地的智慧工地管理

智慧工地是指運用信息化手段，通過三維設(shè)計平臺建立工程項目信息模型，結(jié)合使用物聯(lián)網(wǎng)智能硬件實時采集工程相關(guān)數(shù)據(jù)，打造施工過程管理的信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)協(xié)同互聯(lián)、智能監(jiān)控、科學決策的高效管理模式，并將工程信息模型與物聯(lián)網(wǎng)采集的工程環(huán)境數(shù)據(jù)進行挖掘分析，為工程施工提供過程趨勢預測及科學預案，實現(xiàn)工程施工可視化管理和物理信息融合智慧化決策[15]。該案例以BIM+GIS為核心，以項目施工階段管理為主線，探索搭建了智慧工地管理平臺。圖2是該項目在基坑開挖檢測時BIM模型在3D GIS中的展示。

5.2 黃驊港智慧港口綜合管廊智慧基礎(chǔ)建設(shè)云平臺

黃驊港項目將建成國內(nèi)領(lǐng)先的物理感知建設(shè)、智慧建設(shè)的綜合云平臺，采用云計算、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息科技應(yīng)用，構(gòu)建建設(shè)智慧環(huán)境，有效節(jié)省各種資源，形成基于物理信息和綠色環(huán)保的智慧建設(shè)生態(tài)環(huán)境。黃驊港智慧港口綜合管廊集成BIM+3D GIS+FM+IoT智能運維管理平臺系統(tǒng)，如圖3所示該系統(tǒng)以單主機雙屏幕的方式呈現(xiàn)，掌握物理宏觀的地理信息到微觀的設(shè)施設(shè)備信息，并從事件處理框架中獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)、維護紀錄、統(tǒng)計分析等信息。

圖2 BIM模型在3D GIS場景中

圖3 單臺主機雙屏管理

圖4 綜合管廊VR漫游

5.3 內(nèi)蒙古綜合管廊BIM+GIS+VR智慧基礎(chǔ)建設(shè)云平臺

該項目開發(fā)了綜合管廊VR互動系統(tǒng)，包括VR頭盔漫游，以及設(shè)備屬性查詢、環(huán)境監(jiān)控查詢等互動功能。借助VR系統(tǒng)，幫助非專業(yè)人士更好地了解管廊設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運作狀態(tài)、事故狀態(tài)、檢修方式等建立管廊BIM/VR系統(tǒng)，并將無線傳感器采集的實時數(shù)據(jù)跟VR系統(tǒng)互動，體驗可視化、數(shù)字化、智能化的沉浸式效果，圖4展示了仿真范例。

6 結(jié)論與展望

BIM與GIS集成應(yīng)用為構(gòu)建智慧城市提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。將基礎(chǔ)設(shè)施BIM模型整合GIS監(jiān)控數(shù)據(jù)，則市政道路、橋隧、軌道交通等的工作狀態(tài)等信息可以及時反饋到BIM模型中，這對多尺度城市基礎(chǔ)設(shè)施管理具有重要的現(xiàn)實意義。相對于傳統(tǒng)的建設(shè)智能化系統(tǒng)的信息相對孤立、交互性較差、數(shù)字化程度低，基于BIM+GIS的智能化管理平臺在信息共享及集成、可視化、協(xié)同性、安全性等方面有顯著成效。但是在BIM+GIS技術(shù)集成處于探索階段的背景下，基于BIM+GIS的智能化管理平臺的發(fā)展將會面臨較多挑戰(zhàn)，例如：如何實現(xiàn)BIM模型輕量化、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和標準擴展等。此外，BIM與GIS的整合應(yīng)用中，可以結(jié)合其他技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等)，來增強智慧城市管理的時效性、信息共享性及數(shù)據(jù)準確性。因此，不同的項目需要結(jié)合自身特點，綜合考慮智能化管理平臺架構(gòu)，結(jié)合所需的邏輯架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)及輔助技術(shù)，系統(tǒng)化建設(shè)基于BIM+GIS集成的物理信息智能化管理平臺。

基于BIM+GIS的物理信息融合智能化管理平臺將是一個能夠全面感知的載體，植入VR技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術(shù)的創(chuàng)新建設(shè)模式，創(chuàng)建線上以數(shù)據(jù)濃縮呈現(xiàn)的虛擬世界，真正從源頭打造智慧城市。