水利工程運維管理系統(tǒng)的應(yīng)用

趙亞永 崔航飛 鄭秋靈

摘 要：水利工程管理方式直接影響工程的安全穩(wěn)定，關(guān)系著工程效益的發(fā)揮。本文探討了一種水利工程管理系統(tǒng)建設(shè)方案，即以BIM和GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，整合運行管理過程中的多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智慧化信息管理。實踐證明，所設(shè)計的系統(tǒng)可提高運行管理效率，充分發(fā)揮設(shè)施設(shè)備綜合效益，為水利工程管理提供重要技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水利工程;運維管理系統(tǒng);BIM技術(shù);GIS技術(shù)

中圖分類號：TV91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0079-03

Abstract： The management mode of water conservancy project directly affects the safety and stability of the project， and is related to the exertion of the project benefits. This paper discussed a construction scheme of water conservancy project management system， which was based on BIM and GIS technology， integrates multi-source data in the process of operation management， and realized intelligent information management. Practice shows that the designed system can improve the efficiency of operation and management， give full play to the comprehensive benefits of facilities and equipment， and provide important technical support for water conservancy project management.

Keywords： water conservancy engineering;operation and maintenance management system;BIM Technology;GIS technology

水利工程在抗旱、防洪和水資源的綜合利用方面發(fā)揮著重要作用。隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，運維管理系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用逐漸深入，有效促進(jìn)了信息化管理水平的提升。通常情況下，水利工程中運維管理系統(tǒng)架構(gòu)主要包括B/S模式和C/S模式。在系統(tǒng)設(shè)計階段，系統(tǒng)應(yīng)滿足對適用性、易維護(hù)性和擴(kuò)展性的要求，同時，應(yīng)充分合理利用軟硬件資源。在統(tǒng)一平臺框架下，借助BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、三維實景建模技術(shù)實現(xiàn)跨平臺多端聯(lián)合應(yīng)用。系統(tǒng)也可與相關(guān)信息采集系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)工程全要素信息的可視化管理與動態(tài)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 采集和傳輸層

通過已建采集監(jiān)測站點，實現(xiàn)監(jiān)控監(jiān)測信息采集傳輸。結(jié)合工程區(qū)三維實景模型及設(shè)施設(shè)備BIM模型，整合各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，必要時可新建基礎(chǔ)信息采集設(shè)備。通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、控制專網(wǎng)及業(yè)務(wù)外網(wǎng)，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的上傳匯集[1]。

1.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)信息存儲與管理的邏輯表現(xiàn)，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理，以構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)資源支撐環(huán)境[2]。在充分利用各類監(jiān)控監(jiān)測信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需要，建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等。

1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是一個承上啟下的開放性基礎(chǔ)平臺，利用各類通用性平臺實現(xiàn)不同基礎(chǔ)設(shè)施層與應(yīng)用層之間互通[3]。系統(tǒng)中設(shè)施設(shè)備三維模型通過BIM軟件平臺構(gòu)建，三維實景地形模型通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則通過工程運維業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口和相應(yīng)自建數(shù)據(jù)庫獲取。

1.4 用戶層和體系支撐

管理系統(tǒng)的服務(wù)對象主要為水利工程運行維護(hù)管理人員，用戶層的形式包括瀏覽器和桌面端應(yīng)用。安全及運維體系為系統(tǒng)建設(shè)提供統(tǒng)一的信息安全服務(wù)和科學(xué)組織管理。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)和運行的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)的理論與實踐指導(dǎo)。

整體上，系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如1所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模型分類編碼

數(shù)字模型分類編碼是系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，制定科學(xué)、系統(tǒng)、可擴(kuò)展、兼容、實用的分類編碼體系是必要的。水利工程涵蓋的設(shè)施設(shè)備種類多、數(shù)量大，在分類編碼過程中，應(yīng)滿足模型編碼在系統(tǒng)中的唯一性、合理性、適用性、可擴(kuò)充性和簡明性等特征，保證設(shè)施設(shè)備BIM模型的有效管理。在具體系統(tǒng)建設(shè)中，可依據(jù)《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51269—2017）對模型進(jìn)行分類編碼，實現(xiàn)模型資源唯一可用，具體編碼可參考圖2。

2.2 模型輕量化

基于無人機(jī)航拍的三維實景模型及設(shè)施設(shè)備BIM模型建立后，模型總裝后數(shù)據(jù)量大，直接加載會降低顯示效率，甚至造成系統(tǒng)崩潰[4]。為實現(xiàn)模型快速加載、流暢操作及應(yīng)用，對模型進(jìn)行輕量化處理是必要的。

依托模型分類及編碼規(guī)則，在滿足需求的條件下，實現(xiàn)不同層級對應(yīng)模型精度的轉(zhuǎn)換，避免無價值模型重復(fù)構(gòu)建?；诒憬莞咝У腤EBGL輕量化平臺，采用圖元合并、模型文件壓縮算法、幾何對象構(gòu)件對象化和分級加載等手段進(jìn)行處理[5]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)在不丟失模型信息的前提下，實現(xiàn)實景模型和BIM實體模型的輕量化處理，保證模型應(yīng)用的高效性。

2.3 BIM+GIS

三維GIS可為BIM模型提供各種空間查詢及分析等功能。對于GIS技術(shù)，BIM模型是管理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對建筑構(gòu)件的精細(xì)化管理。三維GIS技術(shù)可以實現(xiàn)地理信息展示，對于工程地下部分及建筑物內(nèi)部信息，需要借助于BIM技術(shù)。通過將BIM與GIS融合，可充分發(fā)揮BIM和GIS技術(shù)各自的優(yōu)勢。

通過數(shù)據(jù)格式交換，在數(shù)據(jù)對接層面將BIM模型導(dǎo)入三維GIS平臺，以關(guān)鍵字段為媒介確保模型與屬性之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從BIM軟件到三維GIS平臺無縫對接和無損集成，工程空間位置與內(nèi)容的緊密融合;實現(xiàn)工程空間維度中大與小、管理維度中概與細(xì)的有機(jī)結(jié)合，滿足全方位服務(wù)工程管理的需要[6]。

2.4 場景交互

系統(tǒng)采用輕量化技術(shù)、BIM實例化技術(shù)、LOD技術(shù)和瓦片技術(shù)減少三維場景實時瀏覽數(shù)據(jù)流量，提高交互流暢度;通過高畫質(zhì)渲染和烘焙技術(shù)，對BIM模型進(jìn)行燈光、材質(zhì)設(shè)置后，進(jìn)行渲染和烘焙，從而輸出高畫質(zhì)單體三維模型;通過在場景中添加天空背景、光照和陰影、配景樹等提升整體三維場景畫質(zhì)[7]。

由于三維場景模型量龐大，系統(tǒng)將通過“模型目錄樹+圖層”的方式對三維模型進(jìn)行有序組織和管理。對于單體三維模型，綜合采用實景模式、半透明模式、線框模式等多種方式進(jìn)行模型交互，采用模型剖切、視圖剖切、模型定位等多種技術(shù)實現(xiàn)對模型的細(xì)節(jié)展示。

2.5 數(shù)據(jù)整合

對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行深入調(diào)研，梳理現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口方式及存儲形式，根據(jù)數(shù)據(jù)管理需求，對每個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與整合。數(shù)據(jù)管理與整合內(nèi)容包含元數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)交換處理和數(shù)據(jù)安全管理等。通過數(shù)據(jù)整合，能實現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可知可用，完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證現(xiàn)有系統(tǒng)的接入和集成。

水利工程中，各類監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、存儲結(jié)構(gòu)不一致，并且缺少數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交換機(jī)制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率較低，加之空間地理信息、遙感信息、管理信息等數(shù)量大，因此，加強(qiáng)數(shù)據(jù)有效集成十分必要。針對工程中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特點，建立數(shù)據(jù)資源目錄，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，以大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)為核心，利用標(biāo)簽技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)總線技術(shù)，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同管理、高速緩存、匯聚存儲以及分析挖掘。

2.6 系統(tǒng)安全

在數(shù)據(jù)接入方面，針對系統(tǒng)接入和集成需求，詳細(xì)梳理所需集成和接入的數(shù)據(jù)列表清單，通過建設(shè)中間數(shù)據(jù)庫的形式存儲和管理必要數(shù)據(jù)，避免直接讀取原有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，保證原有系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全[8]。新建數(shù)據(jù)依托現(xiàn)有安全體系和技術(shù)，包含防火墻、網(wǎng)閘、漏洞掃描等技術(shù)，并在系統(tǒng)平臺設(shè)計時，采用成熟的平臺架構(gòu)，對信息傳輸進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)及系統(tǒng)安全，具體系統(tǒng)防護(hù)流程圖如圖3所示。

2.7 數(shù)據(jù)存儲

水利工程中的監(jiān)控檢測設(shè)備種類多、數(shù)據(jù)量大，因此，要利用非結(jié)構(gòu)化存儲技術(shù)，研究實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚存儲、高速緩存、協(xié)同管理，解決海量數(shù)據(jù)環(huán)境下存儲效率低及不同平臺間數(shù)據(jù)格式差異大的問題，以從大數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，為水利工程運維管理系統(tǒng)提供高效的數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)語

為保證水利工程安全穩(wěn)定運行，充分發(fā)揮工程效益，本文探討了集成性水利工程管理系統(tǒng)的建設(shè)思路。該系統(tǒng)以BIM和GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，融合了多源管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了水利工程數(shù)字化運維管理。實踐證明，所研究的系統(tǒng)可降低運行維護(hù)成本，有利于充分發(fā)揮設(shè)施設(shè)備綜合效益，有效提升水利工程信息化管理水平。

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