基于BIM+IoT+AI 的南湖水系治理智慧管理及應用

魏志杰，翟國師

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

引言

隨著國務院發(fā)布“水污染防治行動計劃”（即“水十條”），以及迫在眉睫的“碳達峰”和“碳中和”任務，以流域綜合治理和生態(tài)環(huán)境修復為代表的水環(huán)境治理成為實現(xiàn)區(qū)域綠色協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。濕地建設、流域治理等水環(huán)境項目具有點多、線長、面廣、邊界開放等特點，此類項目技術集成度高、資源整合困難、安全管理嚴苛，以上都對項目管理提出了新的挑戰(zhàn)。

當前全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術發(fā)展迅速、應用廣泛，“智慧城市”的理念在國內(nèi)也得到廣泛認同[1]。當前在智慧城市建設大背景下，智慧水務的構想應運而生，國內(nèi)學者做了積極的探索，將其作為水務事業(yè)發(fā)展、優(yōu)化行業(yè)管理與提升服務水平的重要支撐和保障[2]。智慧水務的蓬勃發(fā)展為在水環(huán)境項目管理過程中應用智慧化解決方案提供了借鑒和參考，關鍵在于如何搭建可靠的系統(tǒng)平臺，利用好智能化、信息化設備，提出整套的水環(huán)境項目智慧化管理方案。

在勘察設研公司承建的南湖生態(tài)環(huán)境修復工程設計施工總承包項目中，以項目管理存在的問題為導向，構建基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)及AI 人工智能的智慧水務系統(tǒng)，實現(xiàn)了項目管理的信息化和智慧化。

1 工程概況

1.1 工程背景

南湖位于浙江省嘉興市區(qū)，湖體南北長、東西狹，常年水面面積為0.52 km2，是嘉興市各主要河流蓄泄的樞紐，是海鹽塘、平湖塘、嘉善塘等多條河流的起點、終點交匯處。南湖水體懸浮物（SS）含量較高，透明度較低，總磷（TP）遠遠高于水環(huán)境功能區(qū)考核的III 類標準。本工程的實施主要是為改善南湖水體質(zhì)量，恢復湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)南湖水質(zhì)、生態(tài)及景觀的全面提升。

1.2 工程內(nèi)容

圖1 工程總平面布置

表1 主要工程量

1.3 工程目標

工期目標：開工日期為2020 年11 月3 日，計劃完工日期為2021 年5 月15 日；

質(zhì)量目標：湖區(qū)透明度達到0.8～1.0 m，沉水植物覆蓋率達25 %。

2 項目管理難點及問題

2.1 專業(yè)種類多，現(xiàn)場施工把控難

本工程施工范圍包括南湖湖區(qū)及主要入湖河道，點多、線長、面廣，而且所涉及的施工隊伍及專業(yè)類型眾多，包括水工、金工、土建、水生態(tài)、安裝等專業(yè)。從現(xiàn)場工作量和技術專業(yè)性上都對總承包方的項目管理水平提出了挑戰(zhàn)，管理信息傳達時容易層層剝離，執(zhí)行力度轉(zhuǎn)移到末端所剩無幾。

2.2 核心區(qū)施工，管線交叉影響大

本工程施工區(qū)域位于嘉興市的核心區(qū)域，湖區(qū)及主要入湖河道下方管道密布，根據(jù)前期委托的專業(yè)資質(zhì)物探單位對施工區(qū)域內(nèi)的全方位探摸，初步探查發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域內(nèi)有近40 根管線。管線與施工的交叉影響，直接導致湖區(qū)疏浚、鋼壩深基坑等施工難度倍增。

2.3 危大工程多，安全管控要求高

本工程鋼壩、橡膠壩、過渡設施取水池和調(diào)蓄池基坑深度均超過3 m，屬于危大工程，其中5 處鋼壩基坑深度超過5 m，屬于超過一定規(guī)模的危大工程。深基坑施工安全風險大，一旦發(fā)生基坑透水、坍塌事故，極易造成人員群死群傷。

2.4 景區(qū)內(nèi)施工，文明環(huán)保要求高

南湖景區(qū)為5A 級景區(qū)，且為革命圣地，湖區(qū)主管部門多，包含轄區(qū)派出所、港航處、海事局、管委會、紀念館、城管、城投、旅游發(fā)展公司等近十家主管單位。景區(qū)內(nèi)人流密度大、湖區(qū)游船眾多，以上因素都使得本工程的文明施工、環(huán)境保護工作上升到前所未有的高度。

2.5 工期壓力大，高效管理手段少

本工程工期緊、任務重、壓力大，需要在六個多月的時間內(nèi)完成施工準備、前期協(xié)調(diào)、工程實施、試運行及驗收等工作，目前項目管理的手段和技術水平已無法與項目建設需求相匹配，高效的項目管理手段和技術緊缺。

3 智慧化解決方案

3.1 GIS+BIM 技術

GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計算機的工具，三維GIS 不僅能表達空間對象間的平面和垂向關系，還可以進行空間查詢、分析以及統(tǒng)計等操作。BIM 是通過數(shù)字信息仿真模擬構建物所具有的真實信息、集成工程設計中各種相關數(shù)據(jù)的工程信息模型。GIS 提供數(shù)字沙盤，BIM 提供建筑物模型，兩相結合形成工程管理的全景電子沙盤。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)IoT 技術

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于網(wǎng)絡信息世界的承載體，讓所有前端的物理設備、設施通過網(wǎng)絡形成萬物互聯(lián)的信息綜合體。

3.3 AI 人工智能技術

人工智能在工程建設項目管理領域中，應用較為廣泛的人工智能技術當屬圖像識別。

3.4 MIKE21 水動力學模型

MIKE21 是二維水動力學模擬的主要應用工具，MIKE21 HD 模塊水動力學模型分析，用于模擬由各種作用力產(chǎn)生的水位及水流變化，可用于忽略分層的各種二維自由表面流的數(shù)值模擬。

4 智慧水務平臺構建

4.1 系統(tǒng)平臺搭建

智慧水務平臺是由勘察設研公司研發(fā)的基于大數(shù)據(jù)平臺、地理空間庫、物聯(lián)網(wǎng)技術，整合南湖水域及匯流水域、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、水文、鋼壩實施監(jiān)控等數(shù)據(jù)，構建于一張圖的水務綜合信息可視化平臺。推進水務管理向主動精細、現(xiàn)代高效轉(zhuǎn)變，助力工程建設。

圖2 嘉興南湖智慧運維系統(tǒng)平臺

圖3 智慧運管平臺系統(tǒng)界面

該智慧水務平臺可實現(xiàn)以下功能：

1）在線水質(zhì)監(jiān)測：在湖區(qū)設立水質(zhì)監(jiān)測浮標，對南湖水質(zhì)實時監(jiān)測。該套設備通過網(wǎng)絡接入本平臺，以數(shù)字形式展現(xiàn)指標，便于精確跟蹤水質(zhì)變化；

2）可視化展示：將擬建工程效果、數(shù)值模擬分析成果等以可視化的形式展示在終端大屏，再結合物理沙盤模型，呈現(xiàn)極佳的可視化工程效果展示；

3）形象進度控制：對疏浚、水生態(tài)等分區(qū)施工區(qū)域，按照區(qū)塊每日更新進度情況，以可視化形式展現(xiàn)施工進度情況；

4）實時監(jiān)控預警：每個施工地點設立實時監(jiān)控，并嘗試利用AI 圖像識別算法自動報警，輔助管理人員識別現(xiàn)場的安全情況，包括電子圍欄設置邊界、安全防護用品規(guī)范佩戴甄別、基坑內(nèi)作業(yè)人數(shù)預警等。

4.2 前端數(shù)據(jù)采集

1）無人機測繪

利用測繪級無人機攜帶的高清圖像、視頻采集設備，快速地對地表、地形數(shù)據(jù)進行采集，獲取施工區(qū)域的實際圖像及平面位置、高程等數(shù)據(jù)，生成二維、三維可視化數(shù)據(jù)。

2）在線水質(zhì)監(jiān)測

水環(huán)境項目通常將水質(zhì)指標作為考核指標或者管理目標，嘉興南湖項目一期水質(zhì)目標為透明度達到0.8～1.0 m，鑒于南湖周邊用地非常緊張，無法建立岸邊水質(zhì)監(jiān)測站。本次在線水質(zhì)監(jiān)測設備創(chuàng)新性的采用太陽能浮標作為載體，浮標橫向尺寸（直徑）0.6 m，整體高度0.7 m，設備本體重量僅為35 kg。主要采集指標為透明度、濁度、溶解氧、PH 值、COD 和氨氮，并實現(xiàn)“零占地、無電源、遠程實時”的在線水質(zhì)監(jiān)測功能。

圖4 在線水質(zhì)監(jiān)測

3）智能感知監(jiān)控

本項目在鋼壩、橡膠壩、湖區(qū)、干化場地等主要位置安裝了十余臺智能感知攝像機，負責對視頻圖像的采集、編碼、傳輸以及報警信號的采集。

圖5 智能感知監(jiān)控

4）水下機器人

對于以水質(zhì)提升為主要目標的水環(huán)境治理項目，沉水植物的恢復及水下生態(tài)系統(tǒng)的構建是水質(zhì)改善的關鍵。本項目要求湖區(qū)沉水植物覆蓋率達到25 %，但如何查看深水區(qū)沉水植物的生長情況成為困擾著項目管理的一個難題。本項目首次使用水下遙控無人機實現(xiàn)深水區(qū)水下拍攝與互動功能，利用虛擬現(xiàn)實設備，景隨身行，VR 沉浸式體驗，無需下水即可查看水生植物的生長狀況。

圖6 水下無人機查看沉水植物

4.3 數(shù)據(jù)處理及效果展示

1）GIS+BIM 數(shù)字孿生——與現(xiàn)場1:1 對應，使工程變得生動

智慧水務系統(tǒng)通過現(xiàn)場建模、傳感器數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)收集，對多物理量、多尺度、多概率進行仿真，在虛擬空間中完成映射，從而反映工程建設全過程的實景。

圖7 工程實景構建

2）物聯(lián)網(wǎng)IoT 實時監(jiān)管——現(xiàn)場實時互聯(lián)，增強與工程的互動

前端水質(zhì)傳感器通過分析各種電導率參數(shù)，將監(jiān)測的電磁信號轉(zhuǎn)換為無線信號，再通過GPRS 傳輸至網(wǎng)絡中，借由服務器主機中網(wǎng)頁與圖形控制模塊，實時監(jiān)控前端設備的監(jiān)測值。當監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，實時發(fā)送警告消息，通知值守人員及時處理。同時，現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸技術，使用各種網(wǎng)絡終端如PC、PAD、手機端遠程監(jiān)控、校正及下載數(shù)據(jù)。

圖8 在線水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示

根據(jù)從開工之初至施工結束的不間斷拍攝，制作延時視頻記錄工程構筑物的“從無到有”全過程變化。利用單兵執(zhí)法記錄儀，專職安全員在現(xiàn)場安全檢查、日常巡視記錄將做到“全過程、無死角”覆蓋，真正做到安全管理“有據(jù)可依、有跡可查”。

水下無人機可同時在多達3 個設備上同時觀看分享，支持手機客戶端、pad 無線客戶端、大屏幕電視/顯示器，將水下世界“實時、直觀、真實”地展示出來，起到了極佳的宣傳效果。

3）AI 人工智能——感知設計、開放平臺，讓工程更智能

本工程利用智能感知設計的車輛卡口功能，可以實現(xiàn)水環(huán)境項目開放邊界的電子圍欄功能，在項目主要進出道口、南湖湖區(qū)主要通道安裝智能監(jiān)控攝像頭，可以對進出場施工船舶、土方車輛等進行識別、監(jiān)控和記錄。利用智能感知設計的漂浮物監(jiān)測預警功能，可以在日常保潔、運營維護期間對湖面垃圾、藍藻、水葫蘆及漂浮物等進行監(jiān)測預警。為了提高監(jiān)控的效率，可采用定時抓圖并推送給相應責任人，快速了解漂浮物情況，及時組織人員清理。此外，該系統(tǒng)還可實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)人員是否佩戴安全帽甄別、違章堆料識別等，并可在AI 開放平臺通過上傳樣本照片利用機器學習，實現(xiàn)新的模型需求。

圖9 AI 人工智能感知設計

4）MIKE21 水動力學模型——數(shù)學模型驗證，工程問題分析更科學

本項目依托MIKE21 HD 模塊，結合本項目現(xiàn)有的工況條件，來模擬測算南湖換水周期、補水沿程變化、受圍堰和潮汐等影響之后的補水效果。利用MIKE21 水動力學模型的驗證，使得對工程實際問題的分析更加科學、可信。模擬后的成果以分析圖表、動畫演示的方式呈現(xiàn)在智慧運管平臺上，展示出了良好的視覺效果，且問題分析更加直觀、更易理解。

5 結語

嘉興南湖項目智慧運管平臺是勘察設研公司首次在水環(huán)境轉(zhuǎn)型項目應用實施智慧化管理方案，無論從宣傳效果、動態(tài)演示等視覺化展示方面，還是監(jiān)控監(jiān)測、輔助管理等功能作用方面，智慧運管平臺都體現(xiàn)出了良好的應用效果。該系統(tǒng)在水環(huán)境轉(zhuǎn)型項目上具有廣闊的應用前景。智慧運管平臺在界面展示效果、進度管理控制、智能感知功能設計等方面仍需進一步優(yōu)化，但隨著公司不斷開拓水環(huán)境市場，智慧化管理方案也將在實踐應用中不斷得到完善。