三維可視化管理平臺在水電站工程管理中的應(yīng)用研究

王欣垚，鄭兆信，歐陽明鑒

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

近年來，隨著我國計算機、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展與革新，對我國水電工程智慧化施工及一體化、可視化管理提出了更高的要求[1-2]。水利水電行業(yè)大部分工程都開展了三維可視化設(shè)計及BIM應(yīng)用，但至今尚缺少獲得廣泛認可的平臺成果和經(jīng)典案例。很多工程的實際應(yīng)用僅停留在三維模型展示層面，不能或較少能指導(dǎo)施工，主要是平臺初期設(shè)計的應(yīng)用功能實現(xiàn)方式較為復(fù)雜。有的工程雖有三維管理平臺，也有采集系統(tǒng)，但在后期分析和處理上不夠直觀明晰，難以被管理者應(yīng)用。目前，各工程管理單位、軟件開發(fā)單位對于平臺設(shè)計思路、功能種類、功能實現(xiàn)方式、以及現(xiàn)場實際應(yīng)用效果等問題，缺少實踐經(jīng)驗、運行資料的統(tǒng)計及積累，調(diào)研后發(fā)現(xiàn)阻礙三維可視化工程管理平臺發(fā)展和深化的主要原因是工程模型與系統(tǒng)功能銜接不夠緊密、系統(tǒng)平臺實際管理功能較少、功能應(yīng)用前置條件太過復(fù)雜不便于實現(xiàn)以及三維可視化平臺管理方式較傳統(tǒng)方式存在一定變化需要管理人員觀念更新和適應(yīng)等，因此一些工程中三維可視化管理平臺并未發(fā)揮出預(yù)想的效果，相關(guān)技術(shù)及研究的熱度在近幾年也有所下降。但三維可視化管理平臺由于其直觀性、準確性及管理效率的優(yōu)越性，仍然是未來發(fā)展的趨勢。

本文結(jié)合工程實例，提出一種更符合實際便于管理的三維可視化平臺的設(shè)計理念，并描述其具備的功能以及在工程實際中的應(yīng)用研究情況，以解決工程模型與應(yīng)用功能的割裂問題，降低平臺數(shù)據(jù)錄入及操作門檻，將更多的應(yīng)用功能以更加簡單與直觀的方式與模型相結(jié)合，從系統(tǒng)層面將工程各區(qū)域各類監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與平臺數(shù)據(jù)后臺結(jié)合，使數(shù)據(jù)調(diào)取、查詢及功能流暢實現(xiàn)。以達到實現(xiàn)管理者主觀愿意選擇三維可視化管理平臺進行管理，依賴平臺所提供的應(yīng)用功能的目的。

本文以遼寧清原抽水蓄能電站工程為例，介紹了三維可視化管理平臺的設(shè)計思路、具備的功能以及在工程中的實際應(yīng)用。遼寧清原抽水蓄能電站總裝機容量1 800 MW，規(guī)模為一等大(1)型工程。永久性主要建筑物級別為1級，永久性次要建筑物級別為3級，臨時性建筑物級別為4級。樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關(guān)站等建筑物組成，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

1 平臺基本架構(gòu)

水電行業(yè)具備工程周期長、工程情況復(fù)雜多變、工程建設(shè)風險大等特點，往往隨著工程進展需要不斷對工程方案進行優(yōu)化變更，各階段難點具有一定不可預(yù)測性，三維可視化管理平臺的建立不應(yīng)一蹴而就，也不存在完全相同的水電工程管理模板。因此三維可視化管理平臺在建立之初，其設(shè)計理念是按照全生命周期平臺建設(shè)規(guī)劃的，但各階段需要關(guān)注解決的重點各有不同，同時上一階段成果將作為下階段工程管理平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，環(huán)環(huán)相扣逐步推進，避免了一些三維可視化平臺在前期開設(shè)功能模塊過早，后期因工程方案及現(xiàn)場情況改變而產(chǎn)生資源的浪費及返工。

本三維可視化管理平臺以工程實際BIM模型為基礎(chǔ)，在此之上以模型承載工程數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)通過平臺軟件整合計算實現(xiàn)功能，以功能輔助決策，最后再將輔助信息反饋至對應(yīng)模型實現(xiàn)可視化管理，平臺設(shè)計思路見圖1。

圖1 一體化平臺設(shè)計思路

2 模型建立

樞紐建筑及地形模型是三維可視化管理及三維設(shè)計的基礎(chǔ)，采用三維數(shù)字化和GIS技術(shù)建立涵蓋工程地形和樞紐布置的三維模型[3]，較傳統(tǒng)工程設(shè)計方法可實現(xiàn)工程設(shè)計與管理協(xié)同進行，在進行設(shè)計工作的同時也能實時輸出包含地理信息的最新模型，滿足現(xiàn)場技術(shù)交底和方案溝通需求，也是施工期BIM模型及后期數(shù)據(jù)與功能實現(xiàn)和承載的基礎(chǔ)條件。

(1)工程樞紐基礎(chǔ)模型。工程樞紐模型創(chuàng)建于工程前期設(shè)計階段，可用于方案比選。采用傾斜攝影及無人機航拍技術(shù)采集工程選址的GIS信息，導(dǎo)入AUTODESK系列建模軟件進行三維設(shè)計工作，建立各方案的工程樞紐模型?？衫么四Ｐ涂焖儆嬎愠龈鞣桨腹こ塘考伴_挖量，快速且較準確的估算出各方案投資；將包含地理及建筑信息的模型輕量化后導(dǎo)入平臺，形成各方案三維全景電子沙盤。模型將作為平臺管理功能交互的載體，功能應(yīng)用的基礎(chǔ)，在平臺中預(yù)留接口方便后期管理功能技術(shù)的更新迭代及整合。

(2)精細化施工模型。施工模型是在工程施工詳圖階段，對選定方案進行細化設(shè)計建模完成?？砂凑展こ谭謪^(qū)隨設(shè)計、施工進度完成細部施工模型。工程設(shè)計使用了基于AUTODESK平臺的三維設(shè)計軟件，施工詳圖由工程設(shè)計模型抽取生成，因此最終各區(qū)域模型與施工詳圖完全吻合，不需要額外的建模工作量。精細化模型包含了各設(shè)備、各施工層面的準確尺寸。在實際施工前就可以對工程建設(shè)期間可能存在的問題，施工設(shè)備的布置、操作空間的大小等內(nèi)容有一個直觀的判斷。

(3)數(shù)據(jù)載體。在工程建設(shè)期間，模型不僅可為滿足工程展示的需要提供工程三維可視化平臺，其更重要的作用是作為平臺管理、數(shù)據(jù)信息及輔助決策等功能的載體[4]。如圖2所示，選擇各區(qū)域施工模型可查詢該段工程實際施工進度、主要責任人、施工現(xiàn)場監(jiān)控、施工部位照片、工程建設(shè)資料、施工問題及處理措施等內(nèi)容；平臺將大量數(shù)據(jù)進行計算和推演后會將包含安全、質(zhì)量、進度、物料等方面的工程預(yù)警信息及決策建議直接反饋至對應(yīng)工程部位的施工模型，并在平臺首頁彈出預(yù)警信號；平臺使用者便可隨時了解工程狀態(tài)、歷史信息、相關(guān)資料并作出決策。

圖2 模型信息及鏈接示意

3 數(shù)據(jù)采集

為充分利用信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與BIM可視化優(yōu)勢，本三維可視化管理平臺集成大壩碾壓、工程監(jiān)測、視頻監(jiān)控、人員車輛管理等系統(tǒng)，將工程現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)實時傳入系統(tǒng)后臺中進行計算并可由平臺直接調(diào)用，促進施工管理智能化、可視化相關(guān)功能的實現(xiàn)。

3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足數(shù)據(jù)采集需求，視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前在水庫、邊坡和地下洞室等較危險或重要區(qū)域設(shè)置監(jiān)控攝像頭，對工程項目施工現(xiàn)場的重點部位的現(xiàn)場操作、工程質(zhì)量、施工安全文明、環(huán)境衛(wèi)生、倉庫料場安全管理等方面進行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)可以靈活觀察工程各位置細節(jié)，處理隨機事件，也可對于重點區(qū)域(如倉庫，電力電纜密集區(qū)域)附近徘徊人員進行區(qū)域入侵檢測，具有自動人臉抓拍及警報功能。同時利用人員車輛管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等功能了解現(xiàn)場人員分布、考勤記錄等信息。

利用系統(tǒng)大屏可直接與各區(qū)域負責人進行實時通訊，在工程管理中心即可實現(xiàn)對人員的現(xiàn)場指揮。針對重點或施工危險性較高的區(qū)域可利用視頻監(jiān)控、體征監(jiān)測、無線通信等技術(shù)對人員工作狀態(tài)(包括人員精神狀態(tài)、心跳、體溫等，是否按要求佩戴安全帽或其他安全設(shè)備)進行監(jiān)測。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可存儲30 d左右的視頻圖像，利用BIM+GIS技術(shù)，通過調(diào)用視頻服務(wù)器ID、端口號、攝像頭ID等參數(shù)，如圖3所示，可將工程現(xiàn)場攝像頭與三維可視化平臺相同位置模型相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)監(jiān)控畫面的調(diào)取播放和回放。

圖3 工程監(jiān)控攝像頭調(diào)取示意

3.2 人員車輛管理系統(tǒng)

現(xiàn)場人員和車輛管理系統(tǒng)，可通過可視化平臺展示人員和車輛出入管理設(shè)備的布置，實時顯示各監(jiān)測區(qū)域人員和車輛出入數(shù)據(jù)。并利用定位、視頻、通信等技術(shù)對工程運輸及工程車輛(如裝載車、渣土車等)進行實時定位、路徑記錄，實時通信指導(dǎo)，并如圖4所示，在工程模型平臺上實現(xiàn)三維可視化管理[5]。同時在施工現(xiàn)場主要出入口加裝車牌識別系統(tǒng)，對經(jīng)常出入工地的內(nèi)部管理人員的車輛的車牌號碼及外觀、顏色、車型進行后臺登記到車輛管理系統(tǒng)的“白名單”內(nèi)，并自動采集車輛出入記錄并上傳出入影像記錄至智慧工地平臺，對于陌生車輛、套牌車輛進入工程區(qū)域可后利用自動監(jiān)測識別系統(tǒng)進行預(yù)警防范。同時在車內(nèi)設(shè)置監(jiān)控隨時了解駕駛?cè)藛T的工作狀態(tài)。

圖4 車輛管理系統(tǒng)示意

3.3 工程監(jiān)測系統(tǒng)

三維可視化平臺包含水工自動化監(jiān)測系統(tǒng)。在各工程主要樞紐建筑物中(包括水庫大壩、地下廠房、水道系統(tǒng))設(shè)置監(jiān)測傳感設(shè)備，實時監(jiān)測有關(guān)變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等涉及工程安全的數(shù)據(jù)，將最終監(jiān)測結(jié)果導(dǎo)入系統(tǒng)平臺，利用信息系統(tǒng)存儲、管理和分析監(jiān)測成果，并在BIM模型上查看監(jiān)測設(shè)備的三維布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測曲線等，記錄異常數(shù)據(jù)的處理結(jié)果[6]。對如水庫庫岸、大壩邊坡等具有崩塌、滑坡風險并可能影響大壩、溢洪道、導(dǎo)流洞等建筑物施工安全的應(yīng)設(shè)置邊坡穩(wěn)定自動監(jiān)測傳感裝置。

為滿足工程需要系統(tǒng)化平臺可與地方水情測報系統(tǒng)想關(guān)聯(lián)，主要測報項目區(qū)域降雨量、河道流量、泄洪洞進口處水位和天氣預(yù)報等，該水情測報系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口與本系統(tǒng)BIM管理平臺集成，建立水情測報數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)和BIM模型能查看水情監(jiān)測儀器的布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測曲線等。

3.4 大壩碾壓系統(tǒng)

大壩碾壓控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控、采集和存儲大壩碾壓施工數(shù)據(jù)[7]，如圖5所示，系統(tǒng)平臺可實時記錄并反饋填筑面監(jiān)控碾壓機械的行駛速度、激振力、運行軌跡、碾壓遍數(shù)、壓實厚度等，對施工過程可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題、安全風險進行預(yù)測，針對工程現(xiàn)狀及相關(guān)問題的后續(xù)整改過程進行實時記錄記載，輔助大壩碾壓質(zhì)量管控[8]。并利用BIM+GIS技術(shù)將生成的相關(guān)工程單元的質(zhì)量與安全表單信息與模型對應(yīng)位置想關(guān)聯(lián)，根據(jù)質(zhì)量、安全檢查或評價結(jié)果，在BIM模型上用不同顏色顯示督促相關(guān)整改，實現(xiàn)施工過程精細化管理。并將現(xiàn)場視頻圖像與大壩模型相關(guān)區(qū)域關(guān)聯(lián)，同時通過BIM模型展示大壩碾壓施工進度形象。

圖5 大壩碾壓系統(tǒng)示意

4 實踐功能

本平臺管理功能旨在利用系統(tǒng)平臺以最簡單、直觀、高效的方式合理組織施工，滿足指揮、調(diào)度、協(xié)調(diào)、組織、管理的功能要求，為輔助工程管理人員進行決策做好基礎(chǔ)。

4.1 進度管理

進度管理是工程項目管理核心內(nèi)容，本工程以施工進度計劃為主線，將BIM模型與項目進度管理模塊進行關(guān)聯(lián)集成[9]，建設(shè)數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)，并按工程周期、工程區(qū)域、數(shù)據(jù)類別等因素明確系統(tǒng)功能，實現(xiàn)數(shù)字資源與狀態(tài)的可視化集中管控。根據(jù)施工方案可“未建先試”，進行進度模擬推演及虛擬建造，輔助評估施工方案、進度計劃的可行性。

平臺通過采集工程實際進度，可與計劃進度進行對比，分析“供圖-采購-施工”工作的超前、正常或滯后狀態(tài)[10]。并且系統(tǒng)管理平臺結(jié)合各工程單元劃分，可進行計劃編制，包括里程碑計劃、總體計劃、施工計劃及多級計劃，明確各項施工界面，交接時間節(jié)點。模型顯示上方增加時間軸，并按照工程工期安排對工程整體或細部模型，賦予“已完成、進行中、未開始”三種狀態(tài)。隨時間軸模型顯示對應(yīng)工期的工程狀態(tài)，且在時間軸下可針對各個單位工程進行人員、物資、設(shè)備、工程車輛、施工設(shè)備的調(diào)配。利用物料追蹤等功能中各人員、設(shè)備等的ID編碼，當計劃變更后可自動預(yù)警，并統(tǒng)計受到影響的工程資源。并在點擊各模型后顯示供圖、采購、施工方面的工作狀態(tài)以及該段模型的季度、月度計劃要求。在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)之上，按需摘錄出與工程相關(guān)的關(guān)鍵性指標和信息，通過匯總統(tǒng)計后將各類圖、表的數(shù)據(jù)與BIM+GIS平臺三維場景集成，進行可視化直觀展示，呈現(xiàn)工程整體建設(shè)形象，便于管理者根據(jù)需求，客觀評價進度執(zhí)行情況，為優(yōu)化和調(diào)整進度提供參考。

4.2 質(zhì)量與安全管理

該功能利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場實時工程數(shù)據(jù)，對EPC項目質(zhì)量管理、安全管理工作任務(wù)進行分解[11]。如圖6所示，在施工過程中系統(tǒng)平臺對工程重點部位的施工質(zhì)量信息、質(zhì)量安全檢查過程中發(fā)現(xiàn)的隱患信息及處理意見等(包括重點部位施工工藝方法、現(xiàn)場施工效果、隱患點位置，責任單位、責任人、隱患情況信息、圖片、視頻等)進行記錄。

圖6 質(zhì)量與安全管理系統(tǒng)示意

同時管理平臺結(jié)合監(jiān)控采集系統(tǒng)針對工程隧洞、供水管道、電站廠房等定期巡查機制，并將現(xiàn)場巡查的記錄、照片、視頻整合至智慧工地管理平臺。對重點或較危險的隧洞工程管理平臺結(jié)合人員定位系統(tǒng)，采用UWB精確定位技術(shù)，實時獲取人員的精確位置，當發(fā)生意外時可利用定位信息，擬定救援方案，提高救援效率。

5 輔助決策

系統(tǒng)平臺以各項業(yè)務(wù)功能為基礎(chǔ)，通過平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)交換、整合及警報機制對以往數(shù)據(jù)曲線進行分析及比對，預(yù)估各項工程指標的發(fā)展情況，實現(xiàn)針對工程實際情況的管理輔助及工程整體把握[12]。將最終預(yù)警結(jié)果反饋至可視化平臺BIM+GIS 模型的各對應(yīng)區(qū)域，對工程潛在問題和隱患預(yù)警報備。并可主動提醒管理人員進行處理，同時從工藝工法數(shù)據(jù)庫中推薦相關(guān)處理方法、工藝或意見，實現(xiàn)智能化工程管理輔助、降低操作和管理門檻、完成系統(tǒng)平臺的整體功能循環(huán)。

(1)進度及物資輔助系統(tǒng)。對系統(tǒng)各項功能進行整合，將人、料、機消耗量以及資金計劃等信息與進度時間刻度尺相整合[13]。在施工過程中隨工程進度，在各關(guān)鍵節(jié)點將現(xiàn)場實際進度及用料與節(jié)點預(yù)測情況相對比，若實際進度發(fā)生偏差(包括進度滯后和進度提前)，平臺將在大屏中彈出提示提醒管理人員進行處理。此外，系統(tǒng)平臺與當?shù)氐卣?、氣象、水文、雨量監(jiān)測機構(gòu)及本工程監(jiān)測系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)采集或接入的聯(lián)動機制。將各類環(huán)境數(shù)據(jù)進行整合，并在系統(tǒng)平臺中提前標明，哪些工序及單元易受環(huán)境條件變化制約。當監(jiān)測系統(tǒng)得到異常數(shù)據(jù)后將自動統(tǒng)計當前及之后一定時間內(nèi)，可能受到影響的工程單元，并根據(jù)程度級別觸發(fā)警報，直接高亮顯示可能受到影響的進度計劃及工程模型。

(2)質(zhì)量及安全輔助系統(tǒng)。對系統(tǒng)平臺內(nèi)視頻監(jiān)控、工程監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員車輛管理等功能進行整合，可對工程各重要及危險區(qū)域進行質(zhì)量及安全預(yù)警[14]。利用視頻監(jiān)控、通信系統(tǒng)及人員車輛管理功能，平臺可對異動、長時間滯留或不響應(yīng)工作任務(wù)的人員設(shè)置警報及語音提醒。此外平臺利用工程監(jiān)測系統(tǒng)對工程重點或危險區(qū)域進行了實時監(jiān)測，例如對隧洞工程圍巖結(jié)構(gòu)安全進行監(jiān)測，當圍巖壓力、外水壓力、襯砌應(yīng)力應(yīng)變異常時根據(jù)數(shù)據(jù)記錄及時間曲線預(yù)估發(fā)展趨勢，當結(jié)構(gòu)圍巖數(shù)據(jù)異常時應(yīng)做出預(yù)警及安全評估。系統(tǒng)會對各區(qū)域預(yù)警處理方式進行記錄分析，在之后工程準備開展類似工序時提前對施工方做出隱患提醒，因此系統(tǒng)具備一定學習能力，將隨工程建設(shè)不斷完善預(yù)警功能。

(3)成本預(yù)警。利用系統(tǒng)平臺內(nèi)物料追蹤功能及工程管理功能，實現(xiàn)對業(yè)主和分包商的報量、計量、計價結(jié)算、預(yù)付款、資金支付等流程的管理，記錄合同款項支付申請和實際支付情況，具備超支預(yù)警功能，并將與合同相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)歸集到合同履約，實時查看履約狀態(tài)，強化合同履約和監(jiān)管能力[15]。利用系統(tǒng)平臺信息建立工程成本數(shù)據(jù)庫，并按一定周期調(diào)整維護，利用平臺的統(tǒng)計分析能力自動完成相關(guān)分析并生成報表。選擇BIM模型后可根據(jù)系統(tǒng)平臺WBS結(jié)構(gòu)樹查詢各單位工程人、材、機的投入情況并顯示相關(guān)成本、時間、工序關(guān)系等信息。當實際成本與預(yù)算存在較大誤差時，開展預(yù)警措施，并對工程單元成本進行評價，分析成本誤差原因，并及時修正成本計劃。

6 結(jié) 語

三維可視化管理平臺采用一體化平臺構(gòu)建模式以及設(shè)計施工交叉互動互補的工作機制，可實現(xiàn)動態(tài)、集成和可視化的施工管理，較傳統(tǒng)管理平臺界面更加簡易清晰可以更好的發(fā)揮BIM技術(shù)先天的直觀性優(yōu)勢，在管理工作中可極大提高工作效率、降低管理工作難度，并且在電站的工程建設(shè)中得到實踐檢驗。另外，本平臺預(yù)留了數(shù)據(jù)接口可以輕易的與VR、AR、5G等技術(shù)相結(jié)合，使工程管理技術(shù)得到再次的提升，具備很大再開發(fā)潛力。