基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)在穿黃工程運維中的應(yīng)用

高 英，趙亞永，屈志剛，崔航飛，薛向華

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）是以三維圖形為基礎(chǔ)的數(shù)字化信息集成技術(shù)，采用數(shù)字信息仿真模型可以模擬建筑物的真實信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點，在基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域中得到了大力推廣應(yīng)用［1－2］。 在水利工程行業(yè)中［3－4］，BIM 技術(shù)應(yīng)用主要集中在項目設(shè)計階段［5－8］和施工階段［9－11］，在運維管理階段相對較少［12－13］。 然而，通常情況下水利工程運維管理階段的時間跨度占全生命周期的比重最大，管理工作中所涉及的信息最為龐雜。 鑒于BIM 技術(shù)在信息整合方面具有獨特優(yōu)勢，可將其作為運維管理效率提升的重要技術(shù)手段。

穿黃工程位于河南省滎陽市，是南水北調(diào)中線的關(guān)鍵性工程之一，輸水線路總長約19.3 km，設(shè)計流量265 m3／s，加大流量320 m3／s。 目前，穿黃工程運維涉及10 余種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間基本獨立，信息繁雜共享難，運行管理難度大。 筆者開發(fā)了一種基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)，在形象展示工程全貌的基礎(chǔ)上實現(xiàn)多專業(yè)信息的集成，為管理決策提供多方位的信息支撐，以全面提升穿黃工程數(shù)字化管理水平。

2 基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于B／S 架構(gòu)的水利工程管理系統(tǒng)跨平臺性能良好，系統(tǒng)部署和應(yīng)用較為便捷；基于C／S 架構(gòu)的系統(tǒng)可充分利用計算機硬件資源渲染場景，在三維場景展示方面具有明顯優(yōu)勢。 為充分發(fā)揮2 種架構(gòu)的優(yōu)勢，采用二者相結(jié)合的方式研發(fā)了基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用層和客戶層（見圖1），其中：數(shù)據(jù)庫主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，包含采集層、存儲層和訪問層；應(yīng)用層主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的處理，包含基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯和控制層；客戶層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和交互，通過瀏覽器和桌面端執(zhí)行。

圖1 基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

該系統(tǒng)融合了三維實景模型和多專業(yè)BIM 模型，可實現(xiàn)工程區(qū)的三維全景展示和動態(tài)交互展示。 具體地，通過將工程屬性信息與對應(yīng)的BIM 模型掛接，可以實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的展示和屬性查詢；通過數(shù)據(jù)接口方式獲取閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)控、消防監(jiān)控、安全監(jiān)測等數(shù)據(jù)并與響應(yīng)三維模型進行結(jié)合，可以形象直觀地展示監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)警預(yù)報信息；通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)對用戶管理、文檔管理、物資管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行綜合管理和傳輸分發(fā)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。

3 系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 BIM 模型構(gòu)建

系統(tǒng)中BIM 模型構(gòu)建通過三維BIM 設(shè)計軟件完成，主要包括土建、電氣、金屬結(jié)構(gòu)、水力機械等模型。土建模型依據(jù)工程竣工圖紙進行構(gòu)建，電氣、金屬結(jié)構(gòu)和水力機械模型依據(jù)設(shè)備參數(shù)及工程現(xiàn)場圖像資料進行構(gòu)建。 模型構(gòu)建完成后，首先運用紋理重映射技術(shù)對各專業(yè)模型進行處理，添加相應(yīng)光照信息以增強模型的視覺效果；之后根據(jù)《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 51269—2017）對各專業(yè)模型進行分類編碼，使用簡單的模型編碼可以方便查找各專業(yè)的相關(guān)屬性信息；最后以FBX 或OBJ 等通用數(shù)據(jù)格式將各專業(yè)模型導(dǎo)出并將其作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 實景模型構(gòu)建

依據(jù)無人機航拍數(shù)據(jù)可以直接生成實景模型數(shù)據(jù)，進而真實直觀地展現(xiàn)工程區(qū)的地形地貌情況。 然而，穿黃管理系統(tǒng)中實景模型的區(qū)域面積約25 km2，生成的實景模型數(shù)據(jù)量較大，造成系統(tǒng)負載急劇增加。此外，實景模型中包含建筑結(jié)構(gòu)外形相關(guān)數(shù)據(jù)，若直接將其與構(gòu)建的BIM 模型進行融合，會導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，從而無法實現(xiàn)BIM 模型與實景模型數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換。 筆者通過對計算所得數(shù)字高程模型（DEM）進行抽析，將其與正射影像重新結(jié)合生成輕量化地形模型，對冗余的實景模型數(shù)據(jù)進行裁剪，不僅可以使模型保持原有基本性能，還可以簡化網(wǎng)格信息、減少系統(tǒng)負載，進一步提高系統(tǒng)運行的流暢度和穩(wěn)定性。

3.3 數(shù)據(jù)安全防護

采用以下4 種安全機制確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全：①在身份驗證與準(zhǔn)入方面，登錄系統(tǒng)時采用密碼和驗證碼方式進行身份驗證，繼續(xù)訪問關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時系統(tǒng)啟用加密token 機制進行二次驗證。 ②在用戶管理與授權(quán)方面，設(shè)置管理員身份對用戶信息進行統(tǒng)一管理，同時對用戶進行分類，運用分權(quán)分域方式對用戶權(quán)限進行管理。 ③在安全存儲方面，采用雙機熱備和磁盤陣列技術(shù)實現(xiàn)容錯，快速響應(yīng)控制權(quán)交接，同時對各業(yè)務(wù)模塊進行隔離，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦，保障了系統(tǒng)的可用性和可靠性。 ④在數(shù)據(jù)傳輸方面，對用戶訪問行為建立日志檔案并定期進行審查。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 可視化交互展示

實景模型包含南岸明渠段、邙山隧洞段、過河隧洞段和北岸明渠段，為便于場景的整體展示，在系統(tǒng)中設(shè)計了旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、飛行漫游等功能。 對于多專業(yè)BIM 模型，為便于設(shè)施設(shè)備的展示和屬性查詢，在系統(tǒng)中設(shè)計了隔離、獨立顯示、透明選項、第一人稱漫游等功能。 桌面端系統(tǒng)中場景和設(shè)施設(shè)備展示效果見圖2。

圖2 桌面端系統(tǒng)的場景和設(shè)施設(shè)備展示頁面

4.2 模型實時驅(qū)動

穿黃工程中閘門開度是調(diào)節(jié)流量和水位的控制性參數(shù)，直接影響南水北調(diào)中線工程的供水量。 為實現(xiàn)水情信息的及時更新，在系統(tǒng)中加入了一種實時參數(shù)驅(qū)動模型，具體驅(qū)動流程為：將閘控狀態(tài)數(shù)據(jù)和水情數(shù)據(jù)定時更新至閘站監(jiān)控數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)以指定的時間間隔向閘站監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送時間參數(shù)；服務(wù)端對請求進行驗證以保證數(shù)據(jù)安全；數(shù)據(jù)驗證通過后服務(wù)端再將指定時間段的閘控狀態(tài)數(shù)據(jù)和水情數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)；系統(tǒng)客戶端獲取數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解析并轉(zhuǎn)換為模型所需轉(zhuǎn)動弧度參數(shù)，通過閘門開度和轉(zhuǎn)動弧度關(guān)系更新閘控模型和水情信息。

4.3 信息查詢管理

系統(tǒng)整合了設(shè)施設(shè)備信息、消防等多源數(shù)據(jù)，通過瀏覽器或桌面端系統(tǒng)均可實現(xiàn)相關(guān)信息的快速查詢。其中瀏覽器系統(tǒng)表達直觀高效，更適合業(yè)務(wù)流程和信息管理；桌面端系統(tǒng)渲染效率高，更適合大數(shù)量設(shè)施設(shè)備模型條件下的信息查詢。 以消防數(shù)據(jù)展示為例，桌面端系統(tǒng)的展示效果見圖3。

圖3 桌面端系統(tǒng)的消防數(shù)據(jù)展示頁面

4.4 監(jiān)測預(yù)警預(yù)報

系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測等監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對應(yīng)信息的預(yù)警預(yù)報。 視頻監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)監(jiān)控畫面的調(diào)取、捕捉、監(jiān)視等，消防監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備運行狀態(tài)的預(yù)警等，安全監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、預(yù)警、分析等。

安全監(jiān)測模塊涉及滲壓計、鋼筋計、測縫計、應(yīng)變計、測力計和土壓力計等大量監(jiān)測儀器，監(jiān)測項目多、測點分布廣、可視化程度低，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理不易［14－15］，結(jié)合BIM 模型的安全監(jiān)測模塊可實現(xiàn)監(jiān)測點空間位置的快速定位和監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析展示，展示效果見圖4。

圖4 系統(tǒng)安全監(jiān)測信息預(yù)報頁面

5 結(jié)語

筆者研發(fā)了B／S 和C／S 架構(gòu)相結(jié)合的穿黃工程數(shù)字綜合管理系統(tǒng)，以三維實景模型和多專業(yè)BIM 模型為基礎(chǔ)，融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，直觀形象地展示了工程全貌，實現(xiàn)了多專業(yè)、多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢功能，可為水利工程運行管理決策提供多方位信息支撐，以期提升穿黃工程管理的現(xiàn)代化和智能化水平。