基于BIM 和GIS 的三維實(shí)景智慧港口研究與應(yīng)用

黃 洋，劉華山，亢保軍

（1.連云港港口工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，222042；2.連云港港口控股集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，222042；3.連云港港口控股集團(tuán)贛榆有限公司，222100；4.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，300220）

引言

傳統(tǒng)港口企業(yè)在發(fā)展中遇到建設(shè)規(guī)劃不夠精細(xì)、人力資源成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)管控難、運(yùn)營(yíng)管理效率低等問(wèn)題，促進(jìn)傳統(tǒng)港口向智慧港口轉(zhuǎn)型升級(jí)，智慧港口體系的構(gòu)建已然成為各港口企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中非常重要的內(nèi)容。

“智慧港口”這個(gè)概念由來(lái)已久，系統(tǒng)創(chuàng)建所用的核心技術(shù)也從最初的二維GIS 全面升級(jí)到三維GIS，并融入地方CIM 級(jí)城市管理系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不斷有諸如傾斜攝影測(cè)量、激光三維掃描、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)加入到智慧城市框架之中，推動(dòng)智慧城市與城市各要素深度融合，作為智慧城市的衍生物，這些新技術(shù)的加入也推動(dòng)著智慧港口的體系迭代。智慧港口以物聯(lián)網(wǎng)為核心，通過(guò)一系列技術(shù)工具，在全生命周期的時(shí)間維度上，在完整覆蓋港區(qū)范圍的空間維度上，實(shí)現(xiàn)多源信息的整合和管理，輔助分析和決策，提升港口各部門的協(xié)同配合。

交通運(yùn)輸部等多部委聯(lián)合印發(fā)的《智慧航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》中對(duì)港口碼頭和航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的信息化智能化水平都提出了新的要求，要求推廣建筑信息模型（BIM）技術(shù)在港口和航道工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等方面的應(yīng)用，提升港口工程建設(shè)安全、效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。

贛榆港區(qū)作為連云港港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，迫切需要信息化技術(shù)解決項(xiàng)目空間規(guī)劃和項(xiàng)目建管問(wèn)題，從項(xiàng)目可研階段的三維場(chǎng)景應(yīng)用，到設(shè)計(jì)階段的BIM 應(yīng)用，再到項(xiàng)目實(shí)施階段的精細(xì)化管控，最后到工程竣工交付后的智慧運(yùn)維應(yīng)用[1]，項(xiàng)目信息在不同階段有不同的表現(xiàn)形式和信息深度，方便各參與方基于共同的平臺(tái)開(kāi)展工作，向上與城市級(jí)CIM 平臺(tái)對(duì)接，向下與施工管理平臺(tái)和智慧工地平臺(tái)對(duì)接，橫向與運(yùn)維平臺(tái)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)對(duì)接，形成協(xié)同應(yīng)用環(huán)境，為贛榆港區(qū)今后的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)奠定信息化基礎(chǔ)和數(shù)字底座。

港口工程項(xiàng)目建設(shè)周期緊，建設(shè)管理數(shù)據(jù)繁雜，數(shù)字化的管理手段對(duì)數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量也提出了更高的要求。連云港港口自2018 年在工程項(xiàng)目建設(shè)中展開(kāi)BIM 技術(shù)應(yīng)用，大多局限于階段性的BIM應(yīng)用，BIM 與GIS 的融合深度較低，工程項(xiàng)目工可決策階段很少應(yīng)用三維可視化技術(shù)，缺乏能夠整合各方數(shù)據(jù)的統(tǒng)一應(yīng)用平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以連云港贛榆港區(qū)三維實(shí)景智慧港口系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為例，提出一種基于BIM-GIS 技術(shù)的智慧港口系統(tǒng)構(gòu)建的思路及總體框架。

1.1 設(shè)計(jì)思路

BIM（建筑信息模型）的本質(zhì)是一種滿足設(shè)計(jì)成果表達(dá)效果和具有三維視覺(jué)體驗(yàn)的工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。隨著數(shù)字孿生技術(shù)（DT）和城市信息模型（CIM）在城市管理中的不斷深入應(yīng)用，以三維GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)的多源數(shù)據(jù)融合優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明朗，BIM 和GIS 技術(shù)的結(jié)合將是智慧港口建設(shè)的主流方向。

GIS（地理信息系統(tǒng)）本質(zhì)是一種依托空間基準(zhǔn)對(duì)具有空間屬性信息的二維三維進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)庫(kù)。三維GIS 可為BIM 在項(xiàng)目整個(gè)生命周期的實(shí)施提供三維表現(xiàn)的基礎(chǔ)、空間分析的能力以及模型溝通的平臺(tái)[3]，BIM 模型作為三維GIS 重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，富含微觀信息的BIM 模型能夠和宏觀領(lǐng)域的GIS 信息完美互補(bǔ)[4]。

通過(guò)BIM 與三維GIS 的結(jié)合，把港口的規(guī)劃評(píng)估、工程項(xiàng)目管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行歸集管理，以三維實(shí)景智慧港口系統(tǒng)的形式為不同階段、不同需求的決策提供服務(wù)。

平臺(tái)選型。目前主流GIS 開(kāi)發(fā)平臺(tái)有ArcGIS、SuperMap、Skyline、CityMaker 等[5]。各平臺(tái)的信息管理功能均滿足要求，主要考慮大場(chǎng)景下的精細(xì)BIM 模型、傾斜攝影模型以及激光點(diǎn)云在GIS 平臺(tái)的運(yùn)行效率。綜合考慮平臺(tái)性能及建設(shè)成本，最終選用Skyline 作為三維實(shí)景智慧港口的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

BIM 和GIS 的多源數(shù)據(jù)融合。整合港區(qū)的各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按類別分類管理，并按照業(yè)務(wù)需求合理分層，相同類型的要素應(yīng)按同一圖層組織，依托GIS 系統(tǒng)強(qiáng)大的信息管理能力，以目錄樹(shù)的形式分類管理。

三維GIS 數(shù)據(jù)包括：遙感數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)航拍正射影像、DSM 數(shù)據(jù)、傾斜攝影測(cè)量模型、三維激光掃描模型。

BIM 模型數(shù)據(jù)包括：項(xiàng)目全生命周期各階段不同LOD 等級(jí)的模型數(shù)據(jù)[6]。

專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括：港口房屋設(shè)施、碼頭泊位、岸線、管廊、鐵路、疏港公路、港池、地下管線、航道、堆場(chǎng)、供電、通訊等的矢量圖、規(guī)劃數(shù)據(jù)、建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、建設(shè)項(xiàng)目審批數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)，還有物聯(lián)網(wǎng)傳感器、攝像頭采集的各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

平臺(tái)構(gòu)建?；?NET framework 和Skyline 二次開(kāi)發(fā)，采用C#編程語(yǔ)言，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用COM 和SOA 架構(gòu)，共分為五層：感知層負(fù)責(zé)收集港口動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息；基礎(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、傳輸?shù)能浻布A(chǔ)；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；服務(wù)支撐層提供圖形、流程、搜索、數(shù)據(jù)交換等工作引擎，承上啟下支撐數(shù)據(jù)層與業(yè)務(wù)應(yīng)用；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邏輯及各類專題功能。如圖1 所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)功能

平臺(tái)在三維環(huán)境中添加港口底圖數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)標(biāo)注數(shù)據(jù)，便于用戶進(jìn)行全局查看。為方便用戶系統(tǒng)操作，快速瀏覽興趣點(diǎn)，系統(tǒng)囊括了GIS 系統(tǒng)具備的空間分析功能，包括:搜索、基本的縮放、平移、漫游及旋轉(zhuǎn)功能，用戶可自由定位并選擇合適的視角進(jìn)行興趣點(diǎn)查看。

2.2 港口規(guī)劃評(píng)估

BIM 模型提供規(guī)劃建筑物包含內(nèi)部信息的精細(xì)化模型，而GIS 技術(shù)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)港口規(guī)劃模型在大場(chǎng)景、大尺度下的宏觀展現(xiàn)與集成，以及與國(guó)土空間規(guī)劃的有效銜接。因此，在傳統(tǒng)基于GIS 技術(shù)的規(guī)劃框架中引入BIM 模型數(shù)據(jù)，可以更好地處理好不同部門之間的數(shù)據(jù)傳遞共享問(wèn)題。

2.3 工程項(xiàng)目管理模塊

依靠傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理手段和人力資源使用方式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需要和建筑行業(yè)信息化發(fā)展趨勢(shì)的要求?；贕IS 系統(tǒng)所構(gòu)建的三維可視化的空間信息基礎(chǔ)，給工程項(xiàng)目管理帶來(lái)了全新的體驗(yàn)和組織方式?；贐IM 模型蘊(yùn)含的大量項(xiàng)目屬性信息資源，可以做到工程進(jìn)度、物料、人力、資金、安全、質(zhì)量等一系列多維度信息的高度融合。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的三維實(shí)景可視化場(chǎng)景又是“智慧工地”的重要基礎(chǔ)。如圖2 所示。

圖2 項(xiàng)目管理模塊

2.4 基礎(chǔ)設(shè)施管理模塊

數(shù)字孿生技術(shù)可為港口構(gòu)（建）筑物提供完整的設(shè)施設(shè)備管理框架，疊加諸如設(shè)施設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息、設(shè)備巡檢維護(hù)信息等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化更智能的動(dòng)態(tài)管理。港口分散的設(shè)施設(shè)備被分配獨(dú)一無(wú)二的ID 信息，并納入數(shù)字孿生平臺(tái)與地理空間信息深度綁定，基于數(shù)據(jù)中臺(tái)的算力，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，并對(duì)狀態(tài)做出判斷，為維護(hù)巡檢提供動(dòng)態(tài)指令。

2.5 地下管線綜合管理

連云港贛榆港區(qū)仍處于開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，既有管網(wǎng)存量較少，在建設(shè)期中同步積累地下管線數(shù)據(jù)，既可以省去后期重新做管線探測(cè)的巨額投入，又可以為建設(shè)項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)層面考慮，都具有巨大的價(jià)值和意義。如圖3所示。

圖3 管線綜合管理模塊

2.6 港區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和5G 技術(shù)鏈接港區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，可實(shí)時(shí)查看各種氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如果超過(guò)預(yù)警值，則自動(dòng)提醒管理人員進(jìn)行人工干預(yù)。使用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)港區(qū)施工作業(yè)區(qū)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)區(qū)的粉塵、噪聲、溫濕度、可燃和有毒有害氣體濃度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，輔助?；凤L(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與響應(yīng)。通過(guò)安裝在設(shè)施設(shè)備上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的傳感器，數(shù)據(jù)中心可以不間斷獲取設(shè)施設(shè)備狀態(tài)信息，評(píng)估設(shè)施設(shè)備健康度，在達(dá)到危險(xiǎn)區(qū)間時(shí)，自動(dòng)反饋給維保人員，并可以集成維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，提醒作業(yè)人員按時(shí)維護(hù)。如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

3 效益分析

1）地形圖測(cè)繪及土方量計(jì)算：由傳統(tǒng)測(cè)量方式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的方式，每平方公里可節(jié)約15 萬(wàn)元。

2）港區(qū)航道和港池水深測(cè)量：利用三維數(shù)字海底地形建模技術(shù)和歷史回溯大數(shù)據(jù)，建立航道和港池回淤分析模型，可以減少航道和港池水深測(cè)量的頻率，每年各節(jié)約40 萬(wàn)元和100 萬(wàn)元。

3）檔案管理：通過(guò)孿生平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力，可用于檔案管理工作，每年節(jié)省30 萬(wàn)元。

4）管線管理：在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中維護(hù)和完善地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，可為未來(lái)節(jié)省管線探測(cè)的費(fèi)用，并降低新項(xiàng)目建設(shè)中可能的管網(wǎng)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

5）地質(zhì)信息管理：利用零散項(xiàng)目的三維地質(zhì)信息集成為港區(qū)整體的三維地質(zhì)模型，減少項(xiàng)目前期重復(fù)的勘察費(fèi)用。

6）效率提升：通過(guò)三維實(shí)景數(shù)字孿生平臺(tái)做會(huì)議匯報(bào)，增強(qiáng)了匯報(bào)的直觀性和空間量測(cè)準(zhǔn)確性，節(jié)約了匯報(bào)時(shí)間，大大提高了參會(huì)者的認(rèn)知效率，提升決策科學(xué)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于BIM 和GIS 技術(shù)的三維實(shí)景智慧港口實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)思路，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合下的各種業(yè)務(wù)功能[7]。搭建的基于BIM和GIS技術(shù)的智慧港口系統(tǒng)為港口管理人員提供了一個(gè)三維實(shí)景可視化的綜合管控集成平臺(tái)，為港口數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了數(shù)字基底，提高了港口規(guī)劃管理運(yùn)營(yíng)的管理效能。