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大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

2019-09-10 19:23:16皇甫澤華史亞軍張玉明王新民張賽
人民黃河 2019年2期
關(guān)鍵詞:土石壩GIS技術(shù)BIM技術(shù)

皇甫澤華 史亞軍 張玉明 王新民 張賽

摘要:大型水庫工程建設(shè)期具有參建單位多,涉及人員及專業(yè)多,建設(shè)期間產(chǎn)生的資料價值高等特點,但目前其信息化程度相比運行期有較大差距。為了提高大型水庫工程在建設(shè)期的信息化管理水平,高效管理工程積累的資料及數(shù)據(jù),結(jié)合當(dāng)前先進的BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、Web技術(shù)、移動應(yīng)用、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等建設(shè)大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng),用信息化手段全面掌握建設(shè)期信息,提高水庫建設(shè)期管理水平。將管理系統(tǒng)應(yīng)用于前坪水庫工程,各參建單位在建設(shè)信息管理中不僅降低了時間成本,而且參建各方的工作交流更加直觀、方便。該大型水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)成功解決了工程建設(shè)期存在的質(zhì)量、進度、投資等管理手段落后、信息查詢困難等問題,取得了顯著效果。

關(guān)鍵詞:BIM技術(shù);信息化管理系統(tǒng);土石壩;工程建設(shè)期;GIS技術(shù)

中圖分類號:TP697;TP311

文獻標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.023

水庫作為水利工程完整體系中一個重要組成部分,在發(fā)電、灌溉、供水、防洪、水生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用,同時關(guān)系到廣大下游人民的生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1].水庫信息化技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已大量應(yīng)用于水庫工程[2]。目前,國內(nèi)外對水利信息化的探索[3-7]及存在的問題主要集中在以下方面:①國內(nèi)外一些水庫工程在運行期進行了信息化建設(shè)[8-9],但鮮有水庫工程自工程建設(shè)期就運用信息化手段進行建設(shè)管理。②實現(xiàn)了水利工程信息化具體業(yè)務(wù)功能建設(shè)[10-12],但僅限于水利工程的具體業(yè)務(wù)功能,還沒有充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢[13-15],如建立水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)[16-17]。③基于C/S模式的信息化建設(shè)。這類水利信息化建設(shè)缺少便利性,每臺需要訪問該信息化系統(tǒng)的終端均需要安裝客戶端。如文獻[18]基于C/S的水庫群信息管理系統(tǒng)等。很多水庫工程信息化技術(shù)較單一,沒有采用最新的Web、GIS及BIM技術(shù)等[19-22],因此自建設(shè)期將新興技術(shù)多種應(yīng)用需求通過一個統(tǒng)一的信息化管理平臺進行實現(xiàn),是提升水庫管理信息化、現(xiàn)代化和科學(xué)化發(fā)展的必然方向[23],即有必要建立利用信息化手段及技術(shù)搭建滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要的資源共享、協(xié)同設(shè)計和協(xié)同管理的管理體系。信息化管理的意義:①提高參建各方溝通、協(xié)調(diào)的效率:②為類似工程建設(shè)提供更友好的資源交流方式。信息化管理的目的:①降低工程建設(shè)管理的成本;②提升管理質(zhì)量與效率;③加大信息的利用與分享。本文采用現(xiàn)代高新技術(shù)革新水利監(jiān)控、監(jiān)測體系和管理手段,以前坪水庫工程建設(shè)為例,利用Web技術(shù)、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS技術(shù)等,建立前坪水庫工程信息化建設(shè)期管理系統(tǒng),實現(xiàn)對前坪水庫建設(shè)期的全業(yè)務(wù)信息化管理,并隨著工程建設(shè)逐步演變?yōu)樗畮爝\行期管理系統(tǒng),貫穿前坪水庫的全生命周期。

1 系統(tǒng)設(shè)計

前坪水庫建設(shè)期視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在建設(shè)期對水庫主要建筑物和重要施工過程進行實時監(jiān)控,且施工完畢后監(jiān)控設(shè)備可根據(jù)建設(shè)管理單位需要應(yīng)用于運行期監(jiān)控,做到永臨結(jié)合、遠近結(jié)合、建管結(jié)合。

1.1 建設(shè)目標(biāo)

(1)實現(xiàn)覆蓋全面的基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)。包含前端監(jiān)測感知、會商中心、機房及配套軟硬件等,為業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及硬件環(huán)境支撐,為水庫管理局實現(xiàn)“一屏看水庫”的目標(biāo)做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

(2)建設(shè)水庫建設(shè)期管理信息系統(tǒng)平臺,統(tǒng)籌工程建設(shè)期間的進度、質(zhì)量、安全管理、防洪度汛等重要信息。

(3)推進互聯(lián)網(wǎng)+水利。廣泛采用高新技術(shù)進行前坪水庫建設(shè)期管理信息系統(tǒng)建設(shè),形成水庫獨特的業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)體系,提升水庫工程建設(shè)期管理的效率與水平。

1.2 邏輯框架

(1)采集傳輸層。通過智能傳感器,實現(xiàn)水文、視頻監(jiān)控等信息采集,并輔助人工填報以及相關(guān)系統(tǒng)接人,全方位采集各類涉水基礎(chǔ)信息。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層提供了通過不同方式采集的數(shù)據(jù)上傳匯集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。主要包括有線和無線傳輸方式,無線傳輸有GPRS、WLAN等,有線方式包括水利專網(wǎng)和公共互聯(lián)網(wǎng)通信方式。

(3)數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)中所需的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息存儲和管理的邏輯表現(xiàn),可實現(xiàn)對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一分類存儲和管理,為業(yè)務(wù)應(yīng)用程序服務(wù)層提供數(shù)據(jù)支持環(huán)境。

(4)應(yīng)用支持層。應(yīng)用程序支持層利用各種通用平臺,實現(xiàn)不同基礎(chǔ)架構(gòu)層和應(yīng)用程序?qū)又g的互通。

(5)業(yè)務(wù)應(yīng)用層?;趲靺^(qū)地理信息服務(wù)構(gòu)建了前坪水庫建設(shè)信息管理系統(tǒng)。

(6)用戶層。涵蓋前坪水庫管理局、建設(shè)期參建各方及河南省水利廳。

(7)安全及運行維護體系。運行維護管理系統(tǒng)提供了科學(xué)有效的、集成了組織及流程的IT管理技術(shù)。

(8)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)和運行的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)支持層,是水庫信息服務(wù)的信息源頭和基礎(chǔ),通過對現(xiàn)有水雨情信息、工情、視頻監(jiān)控信息以及其他資料信息等進行收集、整合與完善,建設(shè)實用、可靠、先進、標(biāo)準(zhǔn)、兼容的水庫綜合數(shù)據(jù)庫,滿足水庫信息服務(wù)要求。部分?jǐn)?shù)據(jù)庫如下:①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,主要包括工程與設(shè)施對象等數(shù)據(jù),如水文測站基本信息、水庫基本情況等;②業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,主要包括工程建設(shè)管理業(yè)務(wù)、防汛抗旱預(yù)案管理等數(shù)據(jù),如審批信息、招標(biāo)投標(biāo)信息、雨情信息及水情信息等;③監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,主要包括測站設(shè)備等數(shù)據(jù),如傳感器信息等;④其他數(shù)據(jù)庫,主要包括空間數(shù)據(jù)庫及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等。

1.4 建設(shè)期管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要分為技術(shù)資料管理、電子沙盤、建設(shè)信息、進度及投資管理、質(zhì)量管理、安全管理、防洪度汛、系統(tǒng)管理等若干個模塊,其中部分模塊數(shù)據(jù)為一次性錄入,部分模塊數(shù)據(jù)為階段性錄入。

(1)電子沙盤。二維沙盤模塊采用0.5 m精度的河南省遙感影像底圖通過GIS軟件添加一定的圖層信息發(fā)布至Web端,附加信息包括水庫工程簡介、流域概況、水雨情信息、移民征地、主要建筑物布置及工程料場布置。

三維沙盤功能主要展示前坪水庫完建后整個工程全貌,通過三維設(shè)計軟件構(gòu)建各主要建筑物的三維模型,疊加壩址區(qū)三維地理模型,整體導(dǎo)出中間格式至三維引擎,經(jīng)二次開發(fā)發(fā)布至Web端。還可以通過點擊不同的建筑物來查詢主要設(shè)計信息,如圖1所示。

(2)視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控模塊用于實時監(jiān)控現(xiàn)場施工情況,具有實時預(yù)覽、實時錄制、回放、視頻圖像多方位瀏覽、放大縮小等功能。視頻監(jiān)控模塊界面見圖2。

(3)進度及投資。為使參建各方定期掌握各施工標(biāo)段進度及投資情況,施工單位以月為單位按招標(biāo)工程量清單格式定期上傳該月完成的工程量。工程進度及投資情況以表格及橫道圖顯示各標(biāo)段投資及進度。工程某標(biāo)段的進度及投資情況橫道圖見圖3。

(4)質(zhì)量管理。質(zhì)量管理模塊主要由質(zhì)量體系、質(zhì)量評定和質(zhì)量管理活動組成。每個標(biāo)段的質(zhì)量評定可以在線填報。

(5)安全管理。安全管理模塊提供現(xiàn)行有關(guān)施工安全的法律、法規(guī)在線瀏覽、查詢、打印及搜索功能;將水庫各主要建筑物各監(jiān)測斷面安全監(jiān)測儀器布置在BIM模型上,通過定期在線填寫各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù),提供在線查詢、趨勢分析及對比分析等,見圖4。

(6)防洪度汛。防洪度汛模塊目標(biāo)是基于水庫控制流域?qū)崟r的雨水情信息,預(yù)報壩址處人流過程及其特征信息,以此作為防洪度汛決策的依據(jù)。產(chǎn)流模型采用P-Pa-R模型,匯流模型采用經(jīng)驗單位線。圖5為2016年8月1-3日前坪水庫的洪水預(yù)報。

(7)微信服務(wù)號。微信服務(wù)號是前坪水庫建設(shè)期綜合信息管理平臺的創(chuàng)新內(nèi)容,用戶可以用微信查看和管理工程建設(shè)情況。

(8)其他模塊。其他模塊包括平臺首頁綜合信息查詢,平臺各模塊主要內(nèi)容的宏觀展示,各參建單位建設(shè)信息文檔資料管理,系統(tǒng)管理其余各功能模塊的編輯、用戶錄入、用戶資料修改、權(quán)限分配、上傳進度及投資標(biāo)準(zhǔn)工程量清單模板、上傳控件等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于組件的三層/多層應(yīng)用程序軟件體系結(jié)構(gòu)

建設(shè)期管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)使用基于組件的三層/多層應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看,它分為客戶端表示層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層3個獨立的層。重要業(yè)務(wù)的對象化是保證系統(tǒng)可繼承性的重要保證。

2.2 WebOS技術(shù)

前坪水庫信息化綜合管理系統(tǒng)建設(shè)涉及的業(yè)務(wù)模塊較多,類型多樣,不便于統(tǒng)一管理,并且不同的用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)范圍的不同往往只需要關(guān)注自身業(yè)務(wù)相關(guān)的功能子系統(tǒng),要求系統(tǒng)具有按需定制服務(wù)的功能。因此,采用WebOS技術(shù)構(gòu)建整個水庫安全監(jiān)控平臺,通過瀏覽器方式“一站式”管理各個子系統(tǒng),實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無限擴展集成、按需個性化定制、便捷應(yīng)用管理,為水庫管理人員創(chuàng)建便捷的電子化辦公環(huán)境等。2.3 基于HTML5的多終端支持技術(shù)

該系統(tǒng)同時根據(jù)計算機技術(shù)發(fā)展趨勢,采用最新的HTML5開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和架構(gòu),在未來較長時間內(nèi)可保持技術(shù)的先進性。系統(tǒng)支持多設(shè)備、跨平臺,可通過PC、平板電腦、智能手機等設(shè)備訪問,方便移動辦公,同時適用于所有最新的操作系統(tǒng)平臺,包括Windows 8、Mac OS、Linux等。

2.4 組件開發(fā)技術(shù)

組件( Component)是對數(shù)據(jù)和方法的簡單封裝,為應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和其他組件提供服務(wù)。開發(fā)自定義的組件即開發(fā)動態(tài)的、低耦合的、面向?qū)ο蟮腁PI。可以將多個組件鏈接在一起形成應(yīng)用程序模型或組件系統(tǒng),并且可以在運行時刪除或替換組件而無需重新鏈接或編譯。

2.5 微信公眾平臺技術(shù)

微信公眾平臺是運營者通過公眾號為微信用戶提供資訊和服務(wù)的平臺。該系統(tǒng)把前坪水庫工程建設(shè)期參建各方關(guān)心的業(yè)務(wù)場景,通過微信公眾平臺技術(shù)開發(fā)為服務(wù)號,為用戶提供更便捷的管理方式。開發(fā)流程見圖6。

2.6 BIM技術(shù)

該系統(tǒng)把前坪水庫工程建設(shè)過程中的工程信息和資源集成到三維模型中,各參建單位可通過操控模型實現(xiàn)資源信息的查詢與管理:將水庫各主要建筑物各監(jiān)測斷面安全監(jiān)測儀器布置在三維模型上,通過定期維護各監(jiān)測儀器數(shù)據(jù),提供在線查詢、趨勢分析及對比分析等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

前坪水庫位于淮河流域,是我國“十三五”期間172個節(jié)水和供水重點工程之一,總庫容5.84億m,控制流域面積1 325 km,水庫工程總建設(shè)周期為60個月。前坪水庫工程具有規(guī)模大、投資大、工期長、參建單位數(shù)量多等特點,應(yīng)用該系統(tǒng)后,各參建單位在建設(shè)信息管理中時間成本降低了5%~ 10%,領(lǐng)導(dǎo)對工程建設(shè)信息的管理更直觀、方便,參建各方通過在統(tǒng)一的平臺上溝通、協(xié)調(diào),工作效率高且規(guī)范,綜合提高了水庫工程建設(shè)的信息化管理水平。前坪水庫應(yīng)用建設(shè)期管理系統(tǒng)前、后對比見表l。

4 結(jié)語

在水利行業(yè)信息化建設(shè)的新形勢下,河南省前坪水庫工程被列為國家重點水利項目。在工程建設(shè)過程中,有效地管理建設(shè)過程中的每一步是保證工程順利進行的關(guān)鍵。如何實時對施工進度、質(zhì)量以及安全等相關(guān)信息進行宏觀把控,對于保障工程建設(shè)順利進行具有重要的意義。水庫工程建設(shè)期管理系統(tǒng)采用HT-ML5技術(shù)支持多終端使用,微信公眾平臺技術(shù)實現(xiàn)了工作交流和建設(shè)信息實時監(jiān)管,BIM技術(shù)實現(xiàn)了建設(shè)信息統(tǒng)一化管理等。主要解決了工程建設(shè)期存在的質(zhì)量、進度、投資管理手段相對落后、信息查詢困難等問題。用信息化手段全面掌握建設(shè)期信息,不僅提高了水庫建設(shè)期管理水平,而且為工程運行維護期管理積累了數(shù)據(jù),可供其他類似工程借鑒和參考。不足在于還沒有對管理系統(tǒng)的APP版本進行開發(fā),接下來需要繼續(xù)研發(fā)APP版本。

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