基于BIM模型的水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)

楊立疆

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利灌區(qū)承擔(dān)著大量的用水任務(wù)，而由于各個(gè)灌區(qū)基本情況、影響因素、用水目標(biāo)以及灌溉工藝等的不同，會(huì)產(chǎn)生大量的差異性數(shù)據(jù)，因此對(duì)不同水利灌區(qū)內(nèi)的用水信息、同一灌區(qū)內(nèi)的用水信息進(jìn)行集成管理，成為目前水利灌溉工作的重點(diǎn)[1]。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的研究?jī)?nèi)容，傳統(tǒng)系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)挖掘算法和決策樹(shù)算法，設(shè)計(jì)一個(gè)信息控制模型，以此獲取水利灌區(qū)用水信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的集成管理[2-3]。但通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組傳統(tǒng)信息集成管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果并不理想。因此，本文研究基于BIM模型的水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)。近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)、3D技術(shù)成為各個(gè)研究領(lǐng)域中備受追捧的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)數(shù)字化和3D顯示技術(shù)，模擬不同領(lǐng)域內(nèi)的物品、建筑等實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，以此加強(qiáng)數(shù)據(jù)整體的完整度，為系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性提供了更強(qiáng)大的技術(shù)支持[4]。

1 設(shè)計(jì)水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)硬件

1.1 設(shè)計(jì)萬(wàn)兆交換機(jī)XAUI接口

交換機(jī)為各個(gè)接入節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的通路，而交換機(jī)是由集線器發(fā)展而來(lái)，可以無(wú)損放大線路上存在損耗的信號(hào)，然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)模塊的端口，智能地輔助系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)包中包含的信息內(nèi)容。但傳統(tǒng)系統(tǒng)中的集線器僅為一臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要給所有與該設(shè)備連接的主機(jī)發(fā)送信號(hào)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)變得極為沉重，從而影響系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的傳輸[5]。因此，按照IEEE 802.3的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)物理層進(jìn)行重新定義：首先在媒體相關(guān)接口MDI處，進(jìn)行機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范處理；其次在物理媒體相關(guān)PMD子層，對(duì)傳輸媒體之間的接口進(jìn)行規(guī)范；然后在物理媒體附加PMA子層，對(duì)發(fā)送與接收、定時(shí)恢復(fù)與相位對(duì)準(zhǔn)等參數(shù)進(jìn)行重新定義；同時(shí)在物理編碼PCS子層進(jìn)行物理編碼，將數(shù)據(jù)比特編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換；最后在協(xié)調(diào)子層RS中，調(diào)整信號(hào)映射功能。選擇一個(gè)萬(wàn)兆交換機(jī)，將新定義的協(xié)議投入使用，該協(xié)議重新規(guī)定了各個(gè)接口的使用功能。將交換機(jī)與兩個(gè)千兆網(wǎng)口連接，通過(guò)SGMII和RGMII接口，將兩個(gè)PHY芯片與交換機(jī)之間建立通信。根據(jù)SGMII和RGMII的接口結(jié)構(gòu)可知，理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)速率為1.25 Gbps，因此簡(jiǎn)化萬(wàn)兆交換機(jī)的千兆位媒體獨(dú)立接口，要求信號(hào)線數(shù)量為14根，同時(shí)將TX/RX的數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為4，設(shè)置時(shí)鐘頻率為125 MHz，讓新的接口能夠兼容10和100 Mbps兩種速率，一次設(shè)計(jì)萬(wàn)兆連接單元接口XAUI，見(jiàn)圖1[6]。

圖1 XAUI接口

該接口的背板走線允許最大傳輸距離為0.07 m。XAUI接口設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)萬(wàn)兆交換機(jī)的交換模塊。

1.2 設(shè)計(jì)萬(wàn)兆交換機(jī)交換模塊

萬(wàn)兆交換機(jī)支持8個(gè)計(jì)算單元之間的通信，同時(shí)還支持計(jì)算單元與服務(wù)器之間的外通信。根據(jù)交換板的硬件組成，將其分為配置和交換兩個(gè)模塊，將配置模塊與管理單元的網(wǎng)絡(luò)相連，而交換模塊則轉(zhuǎn)發(fā)所有數(shù)據(jù)包，然后利用PCIE總線將二者之間連接起來(lái)。設(shè)置的配置模塊采用BCM53003作為CPU芯片，對(duì)交換機(jī)的初始化操作、網(wǎng)絡(luò)管理以及配置等功能進(jìn)行控制。其中兩個(gè)PHY的芯片提供與服務(wù)器管理單元連接的不同的網(wǎng)口，并通過(guò)XAUI接口與芯片之間建立通信信道，從而系統(tǒng)根據(jù)芯片提供的網(wǎng)口配置交換機(jī)。此次設(shè)計(jì)采用BCM56334作為交換模塊芯片，通過(guò)SerDes的形式將端口連接到服務(wù)器單元，然后利用BMC將時(shí)序信號(hào)連接到管理單元中。圖2為交換模塊的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[7]。

圖2 交換模塊

CPU是實(shí)現(xiàn)交換機(jī)智能化控制的核心，而交換數(shù)據(jù)的發(fā)送，也是通過(guò)交換機(jī)的交換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。至此，萬(wàn)兆交換機(jī)交換模塊設(shè)計(jì)完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)硬件的功能設(shè)計(jì)。

2 基于BIM模型設(shè)計(jì)水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)軟件

2.1 BIM技術(shù)構(gòu)建用水模型框架

利用BIM技術(shù)構(gòu)建用水模型框架，完成對(duì)水利灌溉過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)信息的捕捉與集成，以結(jié)構(gòu)化工藝信息的方式，表達(dá)水利灌溉區(qū)的用水信息。根據(jù)整個(gè)水利灌溉過(guò)程，預(yù)設(shè)構(gòu)建的模型需要具備基本園區(qū)信息、灌溉結(jié)構(gòu)、灌溉技術(shù)特征、其他信息以及其他工藝信息，以一個(gè)結(jié)構(gòu)樹(shù)的方式，對(duì)這些信息按照不同的層次進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)具有一定邏輯關(guān)系的整體結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的智能化集成管理[8]。根據(jù)預(yù)設(shè)的模型構(gòu)建邏輯，可知水利灌溉區(qū)用水模型的基本內(nèi)容，是由3組數(shù)據(jù)共同組成的，因此該模型中的結(jié)構(gòu)以下列的形式進(jìn)行描述：

B=U∪V∪W

(1)

式中：U為構(gòu)建的用水模型，通過(guò)詳細(xì)的灌溉渠數(shù)據(jù)得到；V為灌溉工藝，是灌溉過(guò)程中所有與灌溉和用水相關(guān)的信息集合；W為其他工藝信息集合，包括監(jiān)控視頻等內(nèi)容。

上述3組參數(shù)共同構(gòu)建了用水模型的基本框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)集成管理功能的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)用水模型的基本框架[9]。灌溉工藝中包含大量的子數(shù)據(jù)，因此根據(jù)該結(jié)構(gòu)框圖，利用下列方程描述灌溉工藝所包含的基本內(nèi)容：

V=G1∪G2∪G3

(2)

式中：G1為灌溉工藝結(jié)構(gòu)；G2為灌溉工藝特征；G3為其余灌溉工藝相關(guān)信息。

通過(guò)上述過(guò)程，采用BIM技術(shù)構(gòu)建完整的用水模型框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)灌溉用水信息的捕捉[10]。

2.2 基于BIM模型模擬水利灌區(qū)用水

在上述研究的基礎(chǔ)上，管理系統(tǒng)自動(dòng)生成水利灌溉區(qū)用水的BIM模型，基于BIM模型模擬水利灌區(qū)用水。用水模擬就是基于BIM模型，通過(guò)增加時(shí)間維度模擬灌區(qū)的整個(gè)灌溉過(guò)程，其中需要根據(jù)相應(yīng)的進(jìn)度計(jì)劃，才能控制模型的信息反饋時(shí)間，也就是每一個(gè)灌溉周期。因此在應(yīng)用BIM模型的過(guò)程中，利用Microsoft Project 編制一個(gè)進(jìn)度計(jì)劃表，然后將BIM模型與該計(jì)劃表之間建立鏈接，按照設(shè)計(jì)好的流程模擬整個(gè)用水灌溉過(guò)程。因此，需要對(duì)整個(gè)過(guò)程中的所有步驟進(jìn)行細(xì)化處理，包括園區(qū)位置確定、灌溉區(qū)域劃分、灌區(qū)用水總量統(tǒng)計(jì)、灌溉時(shí)間統(tǒng)計(jì)、灌區(qū)面積等等。因此，根據(jù)上一節(jié)的框圖構(gòu)建用水模型，通過(guò)系統(tǒng)工具編制灌溉進(jìn)度計(jì)劃，然后在一個(gè)技術(shù)平臺(tái)上，通過(guò)鏈接技術(shù)建立二者之間的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水利灌區(qū)用水過(guò)程的4D模擬。這一模擬主要依靠Navisworks Manage軟件進(jìn)行，在編制的計(jì)劃上添加一個(gè)時(shí)間維度[11]。這一過(guò)程中，該軟件中的Timeliner工具通過(guò)3種不同的方法創(chuàng)建任務(wù)，而此次研究考慮系統(tǒng)的性能，只利用該工具的兩種方法進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建，見(jiàn)圖3。

圖3 Timeliner工具創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)

灌溉模擬過(guò)程中，影響模擬效果的因素存在獨(dú)立性或者關(guān)聯(lián)性特征，以獨(dú)立影響或者相互影響的方式制約系統(tǒng)的信息生成模擬過(guò)程。因此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)根據(jù)上述開(kāi)發(fā)過(guò)程，建立一個(gè)4D的BIM模型，然后利用系統(tǒng)內(nèi)部工具，模擬水利灌區(qū)的用水灌溉過(guò)程，從而通過(guò)管理模塊導(dǎo)出灌溉進(jìn)度信息[12]。在該模擬過(guò)程中，利用下列公式描述各個(gè)信息之間的關(guān)聯(lián)：

(3)

式中：Kn為n組信息之間的關(guān)聯(lián)指標(biāo)；kmn為灌溉數(shù)據(jù)Bm和Bn之間的約束關(guān)系。

利用該公式確定用水灌溉工序是否合理，工期是否正常，為用水信息集成管理提供有效的數(shù)據(jù)分配信息分類組，以此便于系統(tǒng)對(duì)用水?dāng)?shù)據(jù)迅速劃分類別[13]。

2.3 優(yōu)化水利灌區(qū)用水信息集成管理流程

根據(jù)模擬的水利灌區(qū)用水進(jìn)度，結(jié)合《多信息系統(tǒng)集成管理標(biāo)準(zhǔn)化流程》中提到的研究?jī)?nèi)容，優(yōu)化用水信息集成管理流程。首先將需求發(fā)起入口進(jìn)行統(tǒng)一處理，根據(jù)實(shí)際灌溉業(yè)務(wù)整理原始文件，然后在系統(tǒng)中提出信息集成申請(qǐng)，通過(guò)預(yù)設(shè)流程反饋給查詢頁(yè)面。然后對(duì)預(yù)設(shè)流程單元進(jìn)行重新定義，通過(guò)制定信息集成類別，對(duì)所有用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步完善，形成多個(gè)不同的數(shù)據(jù)集成方案，根據(jù)每一次水利灌溉用水業(yè)務(wù)的所有內(nèi)容，考慮系統(tǒng)在進(jìn)行信息集成管理時(shí)，是否需要考慮集成條件，通過(guò)系統(tǒng)的管理中心，對(duì)所有集成內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)，防止出現(xiàn)描述不精準(zhǔn)或者數(shù)據(jù)不完善的情況。同時(shí)對(duì)集成管理進(jìn)行了更加清晰的業(yè)務(wù)定義，也就是重新編制水利灌溉用水信息的各項(xiàng)內(nèi)容，嚴(yán)格把控每一用水環(huán)節(jié)，按照條件將所有信息按照不同的屬性進(jìn)行類別劃分，避免多個(gè)信息造成擁堵或混亂，給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分配工作帶來(lái)壓力。同時(shí)對(duì)水利灌區(qū)用水的系統(tǒng)驗(yàn)收環(huán)節(jié)，進(jìn)行集成管理流程優(yōu)化[14]。首先明確系統(tǒng)的驗(yàn)收條件，保證所有項(xiàng)目進(jìn)行信息集成時(shí)，都有一個(gè)完整的用水?dāng)?shù)據(jù)集；其次加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)文檔內(nèi)容的審核，包括水利灌區(qū)的灌溉目標(biāo)、設(shè)備使用情況、灌溉進(jìn)度、用水效果等，將這些數(shù)據(jù)以表格的形式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)加強(qiáng)系統(tǒng)的管理功能，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、內(nèi)容模糊的情況。而系統(tǒng)在驗(yàn)收各項(xiàng)用水信息時(shí)，最關(guān)鍵的步驟就是對(duì)驗(yàn)收評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重的確認(rèn)，其中缺陷關(guān)閉率通過(guò)下列公式進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋：

(4)

式中：p為缺陷關(guān)閉率；s1與s2分別為關(guān)閉缺陷數(shù)和有效缺陷數(shù)。

系統(tǒng)根據(jù)上述公式的反饋結(jié)果，確定每一集成數(shù)據(jù)組的信息集成效果，并按照下列公式設(shè)定管理扣分評(píng)定規(guī)則：

f=p×10

(5)

式中：f為扣分評(píng)定規(guī)則下得到的實(shí)際得分。

但若p<85%時(shí)，則不再通過(guò)式(5)確定得分，系統(tǒng)直接將f值默認(rèn)為0，即用水信息的集成管理不合格，需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。反之，則系統(tǒng)根據(jù)p的實(shí)際結(jié)果輸出f值，顯示界面直接給出信息集成管理數(shù)據(jù)[15]。至此在BIM模型應(yīng)用的條件下，水利灌區(qū)用水信息集成管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢。

3 系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試

3.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

響應(yīng)時(shí)間作為一項(xiàng)重要的參數(shù)，是系統(tǒng)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，因此進(jìn)行系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試時(shí)，離不開(kāi)對(duì)相應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。選擇若干臺(tái)PC Server，分別作為應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，該服務(wù)器的CPU型號(hào)為Intel Xeon 3.0 GHz*4，共有16 G內(nèi)存和500 G硬盤(pán)，支持Windows Server 2018操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)共選擇2個(gè)對(duì)照組，將此次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，分別利用不同的系統(tǒng)，對(duì)水利灌區(qū)的用水信息進(jìn)行集成管理。為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具備說(shuō)服性，分別對(duì)信息集成系統(tǒng)進(jìn)入信息集成首頁(yè)、進(jìn)入水利灌區(qū)管理頁(yè)面、進(jìn)入灌溉技術(shù)管理頁(yè)面、進(jìn)入用水管理頁(yè)面的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。圖4為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

根據(jù)4組測(cè)試曲線可以明顯看出，文中系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。因此，導(dǎo)出4組系統(tǒng)的總響應(yīng)用時(shí)，并匯總到表1中。

表1 系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果 /s

根據(jù)表1中的測(cè)試結(jié)果可知，文中系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間明顯要少于兩組傳統(tǒng)系統(tǒng)。因此，進(jìn)行下一階段的系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試任務(wù)。

3.2 質(zhì)量控制測(cè)試

選擇一塊水利灌區(qū)作為測(cè)試基本背景，分別利用3組系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域的用水信息進(jìn)行集成管理，比較系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。表2為該測(cè)試區(qū)域中，存在的用水灌溉問(wèn)題。

根據(jù)表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該水利灌區(qū)各個(gè)項(xiàng)目的問(wèn)題發(fā)生頻率較高，因此會(huì)產(chǎn)生大量的用水信息。利用3個(gè)測(cè)試組，對(duì)該測(cè)試條件下的用水信息進(jìn)行集成管理，利用統(tǒng)計(jì)報(bào)表中的條形圖，統(tǒng)計(jì)每組系統(tǒng)的信息集成效果，并通過(guò)用水信息的類別劃分結(jié)果，計(jì)算數(shù)據(jù)比重。見(jiàn)圖5。

表2 水利灌區(qū)用水問(wèn)題統(tǒng)計(jì)

圖5 用水信息類別劃分結(jié)果

根據(jù)圖5中的測(cè)試結(jié)果可知，3組系統(tǒng)下各個(gè)類別顯示的集成數(shù)據(jù)比重，合計(jì)值分別為99.16%、90.19%及92.15%。經(jīng)計(jì)算，兩組傳統(tǒng)系統(tǒng)的集成數(shù)據(jù)比重，比文中系統(tǒng)分別低8.97%和7.01%。由此可見(jiàn)，此次開(kāi)發(fā)的信息集成管理系統(tǒng)在反饋集成數(shù)據(jù)時(shí)，能夠顯示99%以上的用水?dāng)?shù)據(jù)。綜合上述兩組測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了文中系統(tǒng)的管理質(zhì)量更佳。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究在兩組傳統(tǒng)集成管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將BIM模型應(yīng)用到信息集成管理系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)了此次研究的系統(tǒng)取得了重大進(jìn)步。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，盡管系統(tǒng)將99%左右的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了有效集成，但還存在約1%的數(shù)據(jù)遺失問(wèn)題。今后的研究工作可以將數(shù)據(jù)的完整度作為研究重點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，為復(fù)雜海量的數(shù)據(jù)處理工作提供更加先進(jìn)的技術(shù)支持。