BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在供水運維管理中的應用

作者簡介：樊明明（1987—），女，碩士，工程師，研究方向為給水規(guī)劃和設計。

摘 要：隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化進程不斷深入，城市供水量和供水范圍逐漸拓展，對供水系統(tǒng)運行經(jīng)濟效益與安全穩(wěn)定性的要求不斷提高，但目前我國大部分水廠的供水調(diào)度仍然在利用傳統(tǒng)方法在進行調(diào)控，導致城市供水出現(xiàn)供水壓力高、能源浪費等問題。因此，要對城市供水管網(wǎng)進行合理優(yōu)化，有效改善管網(wǎng)運行狀況。本文是通過使用建筑信息模型技術(shù)構(gòu)建水廠泵站三維可視化模型，并集合所有位置信息和構(gòu)建參數(shù)信息，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來對管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行合理監(jiān)督，并將數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)在供水監(jiān)控平臺上，讓整個供水運維管理過程更加便捷和直觀。

關(guān)鍵詞：BIM? 物聯(lián)網(wǎng)? 供水運維? 應用

中圖分類號：TU991

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3821

Abstract： With the continuous development of social economy and the deepening of urbanization， the amount and scope of urban water supply are gradually expanded， and the requirements for the economic benefits， safety and stability of water supply system are continuously improved. However， at present， the water supply dispatching of most water plants in China is still regulated by traditional methods， resulting in problems such as high water supply pressure and energy waste. Therefore， the urban water supply network should be reasonably optimized to effectively improve the operation of the network. This paper constructs a three-dimensional visual model of water plant and pump station by using building information model technology， collects all location information and construction parameter information， uses Internet of things technology to reasonably supervise the operation data of pipe network， and presents the data on the water supply monitoring platform in real time， so as to make the whole water supply operation and maintenance management process more convenient and intuitive.

Key Words： BIM; Internet of things; Water supply operation and maintenance; application

隨著城市規(guī)模不斷拓展，人口數(shù)量不斷增加，供水系統(tǒng)作為城市重要的基礎設施，在供水面積、管線復雜度等方面不斷提升。根據(jù)2018年有關(guān)人員統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國每年水的供應轉(zhuǎn)換為標準煤大約在1364.99萬t，占據(jù)總煤數(shù)量的0.32%，全年電力消費總量為61 297.09億千萬，而用于水的供應和產(chǎn)生為439.89億。從上述數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，供水行業(yè)對能源消耗占據(jù)比例在我國政府大力提出節(jié)能減排背景下，給供水企業(yè)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計我國人均水資源占有量僅有2100m3，目前全國城市有一半以上是停留在缺水狀態(tài)，其中有1/3城市屬于嚴重缺水狀態(tài)，確在全國各省自來水公司所生產(chǎn)的421.7億m3水中，其管網(wǎng)滲漏量就高達90億力方面，占據(jù)總供水量21.2%，個別地區(qū)出現(xiàn)嚴重的供水壓力大、管網(wǎng)老化等問題，給我國本就緊張的水資源雪上加霜，水資源的浪費不僅加強了供水企業(yè)的供水成本，還加重了供水管網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。而智慧調(diào)度不僅能提高水資源利用率，還能降低供水方式的壓力，所以智慧調(diào)度對供水具有至關(guān)重要的作用，也成為當前最需要解決的問題。

1供水管網(wǎng)三維可視化研究

1.1 BIM技術(shù)概述

BIM被國內(nèi)專業(yè)人員稱為建筑信息模型，是現(xiàn)代建筑工程項目實際運行中最主要的數(shù)據(jù)收集模型。它蘊含各種知識，如建筑工程幾何學、建筑工程的性質(zhì)和原件數(shù)量等元素。該技術(shù)主要以數(shù)字化技術(shù)為基礎，實現(xiàn)工程項目資源共享，緊接著以建設工程項目資源數(shù)據(jù)為載體，在計算機當中形成建設工程的真實信息，通過三維模型的方式將建設工程項目詳細信息顯示在軟件上，進一步加強對整個建設工程項目的嚴格管理和把控，確保建設工程項目的效率和質(zhì)量。BIM技術(shù)作為一種效率最高的管理方式，能夠?qū)IM系統(tǒng)當中的數(shù)據(jù)進行詳細分析和共享，將建設參與方職責進行落實，為建設工程項目決策提供有力支持。為設計團隊和建筑團隊提供最科學、最合理的策略，從而有效提高設計的合理性和實用性，構(gòu)建最真實的對數(shù)字信息仿真模擬數(shù)據(jù)。

1.2BIM技術(shù)應用于供水管網(wǎng)運維的優(yōu)勢

運維階段在整個項目全生命周期中占據(jù)較大比例，其能持續(xù)一段時間，對于提高運維效率和項目經(jīng)濟效益具有至關(guān)重要的作用。但由于目前很多供水管網(wǎng)運維仍然停留在二維階段，其運維數(shù)據(jù)過于模糊不清，甚至對于一些運維數(shù)據(jù)只進行簡單記錄，這種運維管理會給供水帶來大量浪費。而通過利用BIM技術(shù)可構(gòu)建管網(wǎng)三維可視化模型，可將管網(wǎng)內(nèi)所有構(gòu)件都顯示在模型中，及時查詢構(gòu)建全部屬性信息，管理人員能清楚認知到各部分數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進行分析，及時進行優(yōu)化調(diào)度，提高運維管理效率[1]。

1.3 BIM技術(shù)建立水廠泵站三維模型

供水管網(wǎng)為基礎構(gòu)建三維模型，從表面上看，可分為水廠、加壓泵站、高位水池、供水管線等幾個環(huán)節(jié)，由于本次管網(wǎng)優(yōu)化運維主要以水廠泵站優(yōu)化調(diào)度為主體，因此要將BIM建模集中在水廠部分。水泵廠作為基礎，應用BIM技術(shù)對相關(guān)管網(wǎng)系統(tǒng)建立三維信息模型，其中包括泵房、泵、管線、閥門等構(gòu)件。利用Revit軟件能將管網(wǎng)系統(tǒng)的所有圖形樣式、屬性信息等方面數(shù)據(jù)進行全部納入到模型中，并將不同模型位置都標注在模型內(nèi)，讓整個供水管網(wǎng)更加直觀。而目前構(gòu)建供水系統(tǒng)的BIM模型主要由2個部分組成[2]。

1.3.1 水廠及泵站三維模型

相較于傳統(tǒng)二維圖形，BIM三維信息模型具有較強的可視化和模擬性，能讓不同監(jiān)測點和供水設備位置完全呈現(xiàn)在管理人員眼前，管理人員能通過模型對供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行實施監(jiān)督，從而提高監(jiān)督的便捷性和效率性，由于一般水廠總體部署有加藥間、加氯間、倉庫、綜合水處理單元、兩個清水池、送水泵房等部分。綜合水處理單元主要作用是將從水源地輸送來的水經(jīng)過混凝、沉淀、消毒等處理使其達到供水標準。

1.3.2 構(gòu)件參數(shù)輸入

構(gòu)建供水管網(wǎng)BIM模型的目的不單單是為了實現(xiàn)三維可視化，更是為了獲得其共享參數(shù)，再將共享參數(shù)納入到項目參數(shù)內(nèi)，再利用軟件自身攜帶的統(tǒng)計功能來自動生成明細表。例如，在水泵房內(nèi)安裝壓力表和流量表，使用物聯(lián)網(wǎng)設備將所有信號進行相互傳遞，再對三維模型內(nèi)共享參數(shù)的空間位置進行標注，可在運維平臺上清晰顯示儀表的位置、參數(shù)等方面信息[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集研究

2.1 監(jiān)測點布局

基于本次對供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究，主要涵蓋水廠出水流量、壓力數(shù)據(jù)、供水管道壓力等方面數(shù)據(jù)。而水廠泵站壓力流量數(shù)據(jù)一般是在水泵出水口安裝流量和壓力計來進行監(jiān)督管理，通過壓力數(shù)據(jù)顯示，在開展數(shù)據(jù)分析時，正常情況下壓力監(jiān)測點數(shù)據(jù)越多，模型會趨向于正確，但如果將所有的測壓點數(shù)據(jù)全部投入使用，不僅會降低網(wǎng)絡馴化速度，還會導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的問題，會給網(wǎng)絡精度造成嚴重影響。因此，在正常情況下要選取幾個準確的測壓點作為主體，來代表整個供水管網(wǎng)運行狀況，同時作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析與應用的數(shù)據(jù)源頭。同時，管網(wǎng)測壓點選取時應嚴格遵循下面幾個原則：第一，測壓電應選擇靠近管網(wǎng)水利分界線位置;第二，選擇管網(wǎng)水利控制點附件的測壓電;第三，選擇用水量較大的用戶附件的壓力監(jiān)測點;第四，壓力監(jiān)測點主要布置在重要用水區(qū)域;第五，選擇大管徑交叉處附件的壓力監(jiān)測點;第六，反映管網(wǎng)運行情況;第七，選擇管網(wǎng)中低壓區(qū)壓力監(jiān)測點;第八，兩個管網(wǎng)壓力監(jiān)測點之間的距離不能過近。

2.2 NB-IoT 技術(shù)優(yōu)勢

NB-IoT技術(shù)自身存在具有低成本、廣覆蓋等特征。而NB-IoT技術(shù)成本低特征主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，網(wǎng)絡部署成本低，NB-IoT技術(shù)可使用LTE現(xiàn)有技術(shù)和基站，由于NB-IoT和LTE兩者之間具有較強的兼容性，可有效共享硬件設備和頻譜，避免出現(xiàn)系統(tǒng)共存的問題;另一方面，設備成本低，往往只用一根接收天線，并且對于內(nèi)存并不需要具有更高要求，僅需要一個500KB容量的內(nèi)容就能夠?qū)崿F(xiàn)[4]?；贜B-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備電池壽命較長，一般電池的壽命可達到十年，而歸根結(jié)底是由于其使用PSM技術(shù)和eDRX技術(shù)，在PSM模式下的終端設備絕大部分時間都是停留在休眠狀態(tài)，只有當設備數(shù)據(jù)達到設定時間后，才會被正式激活，給移動終端發(fā)送正確信號，這種模式可有效節(jié)約電源。eDRX作為Rel-13標準最獨有的特征，能夠在空閑模式進行長時間的睡眠，避免接收設備遇到不必要問題進行啟動，給自身能源造成損害。而這種方式與PSM對比，有效優(yōu)化了下行鏈路的可達性。在相同的頻段下，NB-IoT技術(shù)的覆蓋面積要遠超過傳統(tǒng)GPRS技術(shù)，其增益性甚至能達到20dB，并且其信號具有較強的穿透力;同時，NB-IoT自身具有連接多臺設備的特點，可確保扇區(qū)能同時連接多個設備。根據(jù)上述所言，NB-IoT技術(shù)自身存在很多方面的優(yōu)點，可為供水管網(wǎng)壓力流量數(shù)據(jù)采集與傳輸提供了強有力的技術(shù)支持[5]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設備

本次研究所涉及的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設備主要包含流量計和壓力計，流量計通常會使用LDG-MIK流量計，其量程范圍在正常情況下僅為0～2000m3/h，工作溫度范圍在-40～200℃之間;而壓力計通常會采用DYW3-1壓力計，量程范圍在0～0.8MPa，工作溫度范圍在-30～40℃。可使用NB-IoT無線通信模塊來實現(xiàn)對供水管網(wǎng)監(jiān)測設備的遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。同時，在供水系統(tǒng)使用的是BC28無線通信模塊，其自身具備超緊湊、高性能、低功耗等優(yōu)勢，利用LCC，可實現(xiàn)B1/B20/B28頻段（如表1所示）。該無線通信模塊尺寸為17.7mm×15.8mm×2.0mm，能在某個方面盡可能滿足用戶對于不同產(chǎn)品尺寸的需求，目前已在各個領(lǐng)域得到使用[6]。

2.4 NB-IoT網(wǎng)絡架構(gòu)

NB-IoT網(wǎng)絡架構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層3個部分。感知層是NB-IoT的終端，是由壓力和流量采集設備與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊集成的數(shù)據(jù)傳輸模組組成的，主要作用是采集并傳回壓力流量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡層主要作用是為NB-IoT設備提供無線接入服務，通過運商架設的LTE基站部署設備，并利用NB-IoT核心網(wǎng)存儲壓力流量數(shù)據(jù)，并上傳至供水管網(wǎng)管控平臺。應用層主要是供水管網(wǎng)管控平臺，將采集到的數(shù)據(jù)保存，并實時顯示在平臺中，進而對數(shù)據(jù)進行分析，為管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持[7]。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理論知識為切入點，再通過利用BIM技術(shù)構(gòu)建供水管網(wǎng)三維可視化模型，其模型內(nèi)概括了管網(wǎng)系統(tǒng)所有設施，可及時查看全部的參數(shù)信息和屬性信息，有利于管理人員有效管理供水網(wǎng)管，提高管理的效率和質(zhì)量，同時可在管道上安裝物聯(lián)網(wǎng)設備，將流量信息和管理壓力及時傳輸?shù)娇刂破脚_，實現(xiàn)遠程控制，及時優(yōu)化管理方式，提高供水運維效率。

參考文獻

[1] 王威，叢旭，武佳佳，等.城市供水管網(wǎng)漏損動態(tài)預測的Bootstrap-Lee-Carter模型[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2021，17（6）：30-35.

[2] 張曉斌，傅渝亮，汪順生，等.基于AHM-CRITIC賦權(quán)的城市綜合節(jié)水水平評價研究[J].人民長江，2021，52（8）：113-119.

[3] 劉新月，鄧幫武，陳曄斌，等.基于EPANET的市政管網(wǎng)二次供水設備數(shù)值模擬研究[J].水電能源科學，2021，39（7）：117-120，139.

[4] ?？?城市供水專項規(guī)劃中管網(wǎng)分區(qū)方法探討——以哈爾濱市供水專項規(guī)劃為例[J].凈水技術(shù)，2019，38（6）：46-50.

[5] 薛峰.節(jié)約型城市中供水管網(wǎng)漏損檢測與治理研究——以上海青浦區(qū)為例[J].環(huán)境科學與管理，2019，44（3）：108-113.

[6] 朱鶴云.城市市政管網(wǎng)運維安全風險與可恢復性研究——以某區(qū)域供水管網(wǎng)系統(tǒng)為例[D].上海：同濟大學，2017.

[7] 接志遠.基于NB--IoT通信的信息傳輸裝置在供水管網(wǎng)的應用研究[D].合肥：安徽大學，2019.