BIM+GIS+IOT管理平臺主要應(yīng)用功能研究

王滎桂

（上海寶冶集團有限公司建筑設(shè)計研究院，上海 200941）

0 引言

隨著BIM與GIS技術(shù)的日漸成熟，逐漸出現(xiàn)采用BIM+GIS技術(shù)的平臺。利用BIM+GIS的三維特性，可方便項目建設(shè)過程中的可視化管理。結(jié)合IOT設(shè)備的使用，通過對模型的融合和數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)項目宏觀和微觀兩方面的管理需求。

1 平臺系統(tǒng)現(xiàn)狀

1）目前建筑物信息模型（BIM）已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，通過數(shù)字化建模方式將各專業(yè)工程生成三維工程模型，模型包含必要的工程數(shù)據(jù)。將專業(yè)圖紙可視化后可進行直觀的模型展示和實際應(yīng)用。BIM模型展示能力偏向項目本身，所用軟件展示空間小，對工程項目周圍的地形數(shù)據(jù)無法有效承載分析及展示。

2）地理信息系統(tǒng)（GIS）以測繪、測量為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)設(shè)計用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。因其展示數(shù)據(jù)宏觀，所以無法創(chuàng)建精細化、信息精確的建筑模型。

3）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是指通過各種裝置與技術(shù)，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體和過程，將物與物、物與人通過網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)所有物體相互聯(lián)網(wǎng)的一個系統(tǒng)概念。隨著5G新一代蜂窩移動通信技術(shù)的演進升級，其三大應(yīng)用場景包括：增強移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、大規(guī)模機器類通信（massive machine type communications，mMTC）和超高可靠低時延通信（ultra-reliable and low latency communs，uRLLC），后兩項都將助力實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

建筑信息模型（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）均為工程建設(shè)行業(yè)如今常用的信息技術(shù)。將BIM、GIS、IOT技術(shù)進行結(jié)合使用，可解決宏觀和微觀數(shù)據(jù)同時展示的實際需求，提升工程可視化所展現(xiàn)信息的廣度及豐富程度。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 GIS

地理信息系統(tǒng)即GIS（geographic information system），用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。其技術(shù)在近年內(nèi)取得很大的發(fā)展，主要應(yīng)用于商業(yè)金融、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測、城市規(guī)劃、有點通信、交通運輸、國土管理、軍事公安、水利水電、公共設(shè)施管理、環(huán)境評估、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計等領(lǐng)域。

GIS技術(shù)主要具備數(shù)據(jù)管理及挖掘、大數(shù)據(jù)可視化、空間分析、地圖可視化表達等多種應(yīng)用。其模型大部分為表面模型，只有外部輪廓信息。結(jié)合GIS信息數(shù)據(jù)后可進行宏觀層面的數(shù)據(jù)分析及展示。

2.2 WebGL輕量化模型

在BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)時，需進行不同程度的輕量化處理。當前主流使用WebGL技術(shù)進行模型輕量化處理。

WebGL（web graphics library）是一項在瀏覽器體現(xiàn)3D畫面的技術(shù)。其工作原理實際上就是遍歷每一個像素點，然后給各像素點填充顏色，借助計算機硬件3D加速渲染，然后構(gòu)成一幅讓使用者通過瀏覽器可流暢瀏覽的3D場景及模型。

一個合適的架構(gòu)選型將提高今后平臺的使用效率，WebGL 3D引擎的選型由今后使用場景決定。當前主流架構(gòu)分B/S架構(gòu)（瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式）和C/S架構(gòu)（服務(wù)器-客戶端架構(gòu)模式）。WebGL是網(wǎng)頁3D必須要用到的技術(shù)，而客戶端應(yīng)用OpenGL。

B/S架構(gòu)采用Three.js，是基于原生WebGL封裝運行的三維引擎，其程序結(jié)構(gòu)包含模型幾何體信息、材質(zhì)、光照的顏色和分類（環(huán)境光、點光源、平行光），觀察視角的位置、視線方向、投影方式（透射投影、正射投影）及渲染。通常Three.js壓縮文件比源文件縮小約2倍，可用于在線部署。但因每次加載模型均需重新加載，如果BIM模型體量較大，則對使用環(huán)境的網(wǎng)速帶寬要求高。

C/S架構(gòu)采用OpenGL，是用于渲染2D、3D矢量圖形的應(yīng)用程序編程接口（API）。OpenGL非常依賴廠商提供的硬件，由顯示設(shè)備廠商提供，即對計算機顯卡有基本要求，平時辦公用計算機基本可以滿足要求。

2.3 攝影測量+LIDAR系統(tǒng)

通過遙感測量技術(shù)可實現(xiàn)模型的快速更新。

1）低空攝影測量系統(tǒng)的應(yīng)用 利用無人機上的攝像機進行拍攝，根據(jù)拍攝出來的照片進行測繪工作并生成三維模型，再添加已有的數(shù)據(jù)資料，建立三維空間。該系統(tǒng)對無人機搭載的攝像機有較高的分辨率要求。

2）傾斜攝影測量的應(yīng)用 傾斜攝影測量技術(shù)是一種將遙感技術(shù)、空間技術(shù)及信息技術(shù)等有機結(jié)合起來的測繪技術(shù)。通過無人機采集數(shù)據(jù)，對在空中拍攝時的照片空間位置和角度姿態(tài)進行記錄。由于航測系統(tǒng)飛行高度較低，可獲取地面高質(zhì)量的多角度影像。經(jīng)處理后生成密集點云模型，借助ContextCapture軟件，在POS數(shù)據(jù)和地面GPS-RTK采集控制點數(shù)據(jù)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對不規(guī)則三角網(wǎng)進行重新構(gòu)建，實現(xiàn)被掃描物體的三維模型創(chuàng)建。

3）LIDAR系統(tǒng)的應(yīng)用 集激光，全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）3種技術(shù)于一體，通過使用傳感設(shè)備對激光波段進行分析，計算激光會波信息，采取有效的方法獲得點云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字化三維模型。

2.4 5G+物聯(lián)網(wǎng)

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的及時有效處理。

5G是新一代蜂窩移動通信技術(shù)，分為三大應(yīng)用場景：eMBB、mMTC、uRLLC。面對不同應(yīng)用場景有針對性地部署無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，助力做大做強移動物聯(lián)網(wǎng)。

eMBB為增強型移動寬帶，部署方式為密集布置，需通過更大帶寬及提升基帶速率實現(xiàn)。mMTC為大規(guī)模機器類通信，是在NB-IOT基礎(chǔ)上演進，針對低時延高可靠場景，無線網(wǎng)可采用本地化網(wǎng)絡(luò)布置架構(gòu)。uRLLC為超高可靠低時延通信，針對低功耗大連接場景。

工程項目平臺針對建設(shè)項目特點，宜采取mMTC模式。mMTC屬于低速率傳輸，因其可擴展性好，帶寬靈活，使其具有低功耗、大量連接的特點，填補了傳統(tǒng)技術(shù)無法海量連接技術(shù)的不足，可用于至少10萬用戶數(shù)量的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集。其中窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）因其信號更強，在mMTC 中用于遠距離傳輸，大幅提升了設(shè)備對場景的覆蓋能力，同時又因為抄底的功耗和間歇性啟動的工作原理，使其待機時長最長可達10年。

2.4.1 定位技術(shù)

針對室內(nèi)定位場景，由于無線電信號在遇到障礙物（如墻壁等）會發(fā)生大幅衰減和散射，無法提供準確的定位信息，此時需要有針對性地選用適用于室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)完成精確定位，如無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍牙、紫蜂（ZigBee）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。

1）無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)（WLAN）定位技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的室內(nèi)技術(shù)，部署時無需添加額外設(shè)備，而且定位精度高可滿足絕大部分使用要求，性價比高。采用RSSI距離交匯定位法（復(fù)雜環(huán)境下信號衰減嚴重）和基于RSSI指紋定位法（定位精度極度依賴于校準點密度）。目前常用的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)主要使用基于RSSI的距離交匯定位法，能實現(xiàn)1～3m的定位精度。

2）藍牙 藍牙定位系統(tǒng)穩(wěn)定性差且易受到干擾，主要與無線局域網(wǎng)（WLAN）用于室內(nèi)定位。施工現(xiàn)場通過安全帽對人員位置進行定位就是基于此技術(shù)。通過安全帽內(nèi)加裝藍牙模塊，在施工現(xiàn)場位置設(shè)置藍牙感應(yīng)設(shè)備，當藍牙模塊靠近感應(yīng)設(shè)備時，藍牙模塊更新定位信息并發(fā)送至管控平臺。定位精度近距離可達0.5～3.0m。

3）紫蜂（ZigBee） ZigBee的通信距離短，適用于短距離和低速率的情況，使用時通過增加ZigBee的節(jié)點密度，完成定位需求。其定位精度可達1.5m。人員現(xiàn)場巡檢可在關(guān)鍵位置設(shè)置ZigBee節(jié)點，通過現(xiàn)場人員在指定位置進行簽到，該地點部署的ZigBee節(jié)點會記錄所檢測到打卡的位置和時間，并實時傳回數(shù)據(jù)后臺，從而實現(xiàn)管理現(xiàn)場人員的巡檢工作。

4）蜂窩網(wǎng)絡(luò) 主要依靠手機進行定位，通過測量用戶手機與多個基站的距離實現(xiàn)，其精度可達2～4m。

2.4.2 基于NB-IOT的火災(zāi)報警

1）煙霧感應(yīng)器 除具有一般煙霧感應(yīng)功能外，還在內(nèi)部加裝了NB-IOT無線通信模塊。IOT終端不同于手機，其絕大部分時間處于休眠狀態(tài)，按天或周間斷上報信息，上報完成后繼續(xù)休眠。不隨時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，當觸發(fā)聲光報警的同時，報警信息也會同步發(fā)送至監(jiān)控終端，同時還能與其他智能消防器材進行聯(lián)動配合使用。

2）智能消火栓 在智能消火栓出現(xiàn)異常情況時，其內(nèi)置的監(jiān)測水壓傳感器和NB-IOT模塊監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)，隨即觸發(fā)報警機制，及時提醒使用人員和維護人員。

3）“火眼”可視圖像早期火災(zāi)報警系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用先進的視頻圖像分析技術(shù)，無需更換現(xiàn)有攝像頭，只需在安防系統(tǒng)局域網(wǎng)下接入“火眼”軟件即可實現(xiàn)可視圖像早期火災(zāi)報警，可在極短時間內(nèi)準確發(fā)現(xiàn)火災(zāi)早期情況，同時發(fā)出報警信號，防患于未然。

4）物聯(lián)網(wǎng)電氣火災(zāi)預(yù)警云監(jiān)控 通過及時采集加裝IOT模塊的智能消防器材數(shù)據(jù)，并上報IOT云監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對建筑內(nèi)供電系統(tǒng)隱患的全天候監(jiān)控。

2.4.3 電梯

電梯的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)備的“可視化管理”“按需維?！薄鞍踩鹿蕬?yīng)急指揮”3個方面。

利用GIS技術(shù)展現(xiàn)電梯在宏觀上的具體位置信息，利用BIM技術(shù)將現(xiàn)實中的結(jié)構(gòu)、電梯構(gòu)造、墻體、門窗和裝修等信息數(shù)字化展現(xiàn)，方便在電梯出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警信息。

平時電梯運行正常，采用NB-IOT短鏈接方式，終端的NB-IOT模組長期保持休眠狀態(tài)直到獲取電梯故障信號，NB-IOT模組喚醒并將故障信息（電梯故障代碼）發(fā)送到云平臺。之后終端將持續(xù)保持連接狀態(tài)，持續(xù)反饋故障信息到云平臺，直到工作人員完成維修工作，結(jié)束連接狀態(tài)。當電梯處于檢修、停電狀態(tài)也會通知平臺。

此外，NB-IOT具有強穿透的特點，可在網(wǎng)絡(luò)不良的特定場景中進行部署。又因其工作原理為短鏈接方式，可持續(xù)更長的供電時間，從而可為停電狀態(tài)下的電梯進行異常監(jiān)控。

2.5 監(jiān)控運維

BIM和GIS應(yīng)用的均為靜態(tài)數(shù)據(jù)，平臺系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)后，同時通過對獲取到的傳感器數(shù)據(jù)進行實時展示，可直觀生動地呈現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對項目的監(jiān)控運維，并對發(fā)生危險情況進行預(yù)警提示，例如：攝像頭通過添加AI算法，發(fā)現(xiàn)人員未佩戴安全帽、未穿反光背心及進入危險區(qū)域、塔式起重機吊鉤下方有碰撞危險等，將預(yù)警信息及定位信息反饋在平臺上。日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時展示包括水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。

3 結(jié)語

如今，建設(shè)項目管理需引入更多技術(shù)和應(yīng)用，其中BIM、GIS、IOT技本的應(yīng)用和融合使各類信息實現(xiàn)交互操作，同時提升了系統(tǒng)應(yīng)用的深度和廣度，包括建筑改造、數(shù)字防災(zāi)等領(lǐng)域。盡管BIM+GIS+IOT的應(yīng)用過程中會有很多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)進步，軟硬件的不斷迭代升級，BIM+GIS+IOT管理平臺將不斷推動建設(shè)項目在建設(shè)、管理、運維全生命周期的進步。