陳 冰 ，黃培志 ，殷峻暹

（1. 深圳市水務(wù)科技信息中心，廣東 深圳 518036；2. 深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；3. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

水務(wù)泵閘工程系統(tǒng)復(fù)雜，通常包括技術(shù)供水、電氣一次及二次、消防、滲漏檢修、通信等系統(tǒng)[1]，目前工程移交普遍以二維平面竣工圖紙及紙質(zhì)工程資料的形式提交，給后期運(yùn)行管理維護(hù)工作帶來困難[2]。據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會（NIST）統(tǒng)計，一項(xiàng)工程的運(yùn)維管理成本在其全生命周期中占比約為 80%，因此基于新技術(shù)研究水務(wù)工程數(shù)字化運(yùn)維管理，對降低工程運(yùn)維成本，提升運(yùn)維效率具有重要意義[3]。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、GIS，BIM 等技術(shù)在水務(wù)工程運(yùn)維管理[4]中具有一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用案例。吳建剛[5]等在新沂河沭陽樞紐工程中基于 IoT技術(shù)將采集感知的閘門開度信號、電氣信號、上下游水位信號、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)集成至工程運(yùn)維管理應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)覆蓋調(diào)度監(jiān)控、運(yùn)維管理、安全評估、通信預(yù)警等業(yè)務(wù)的信息化管理。郭軍等[6]結(jié)合 GIS 和 IoT 技術(shù)將供水管網(wǎng)地理信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理行為信息進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)可視化、體系化、精細(xì)化管網(wǎng)運(yùn)維管理，有效降低爆管問題。何勇等[7]在江蘇省新孟河延伸拓浚界牌水利樞紐工程中探索了基于 BIM 技術(shù)的全生命周期管理，利用設(shè)計施工階段形成的數(shù)字化成果進(jìn)行交付移交，為工程運(yùn)維管理提供數(shù)據(jù)支撐。楊建峰等[8]以通呂運(yùn)河水利樞紐工程為例研究了 BIM 技術(shù)在水利工程運(yùn)維管理中的應(yīng)用，并通過搭建數(shù)字化工程管理平臺實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、設(shè)備臺賬、視頻監(jiān)控、報警管理、維修養(yǎng)護(hù)等業(yè)務(wù)線上管理。

IoT，GIS 和 BIM 技術(shù)在工程運(yùn)維管理中的應(yīng)用各有優(yōu)勢和側(cè)重，對于泵閘工程，一般具有較多機(jī)電設(shè)備、依托于河道水庫等地理要素的特點(diǎn)，為此，在運(yùn)維管理現(xiàn)狀文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，利用這3 種技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，以 BIM 技術(shù)為核心構(gòu)建集成幾何和非幾何屬性的三維模型，向上連接工況水情等物聯(lián)感知信息，向下連接地理空間信息，將多源信息整合集成至統(tǒng)一平臺，并利用云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，以深圳市共和泵閘樞紐為案例，構(gòu)建基于 BIM + GIS + IoT 融合技術(shù)的共和泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)泵閘工程信息線下分散管理的問題。

1 泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計

共和泵閘樞紐是深圳市寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程的組成部分，包括泵站和水閘，設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為 20年一遇24h 設(shè)計暴雨產(chǎn)生的徑流不受淹，服務(wù)面積為 0.12 km2。共和泵站的機(jī)組臺數(shù)為3臺，設(shè)計總裝機(jī)容量為945kW，設(shè)計總提水流量為12.3 m3/s；共和閘站的孔口寬度為 5×2 m，最大泄水流量為 19.7 m3/s。

1.1 BIM 模型創(chuàng)建

在國內(nèi)外 BIM 應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過比選 Autodesk，Bentley，Catia 等主流平臺的特點(diǎn)[9]，最終選定 Autodesk 平臺建立共和樞紐的三維建筑模型，包含土建、廠房上部結(jié)構(gòu)、管線、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、廠區(qū)地形等。由于共和泵閘站在設(shè)計階段未采用 BIM 技術(shù)，因此建模時基于竣工圖紙搭建 BIM模型。BIM 模型創(chuàng)建過程如下：

1）確定坐標(biāo)、高程和單位系統(tǒng)。本項(xiàng)目各專業(yè)、分項(xiàng)均采用相同的坐標(biāo)系，項(xiàng)目坐標(biāo)系原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。標(biāo)高命名由標(biāo)高特性和數(shù)值組成。對于水工結(jié)構(gòu)，標(biāo)高特性為標(biāo)高對應(yīng)特征名稱（如閘底板等），標(biāo)高數(shù)值為采用同一高程系的高程；對于建筑結(jié)構(gòu)，標(biāo)高特性為樓層編碼，標(biāo)高數(shù)值以相對標(biāo)高為準(zhǔn)。

2）確定模型拆分協(xié)同原則。針對模型的不同應(yīng)用場景需求，按照水工、電氣、建筑、景觀等不同專業(yè)，以及資產(chǎn)管理、運(yùn)行維護(hù)、應(yīng)急管理等不同應(yīng)用維度拆分，以滿足運(yùn)行管理要求，同時保證每個模型文件大小不超過200MB，以保證模型導(dǎo)入運(yùn)維管理系統(tǒng)時的流暢性。

3）確定模型文件及構(gòu)件命名規(guī)則。模型文件命名宜包含項(xiàng)目名稱、實(shí)施階段、相關(guān)專業(yè)及具體的空間位置，同時還可包含自定義字段。模型構(gòu)件命名宜體現(xiàn)專業(yè)、工程部位、構(gòu)件屬性等關(guān)鍵要素。

4）確定模型信息要求。鑒于 BIM 模型應(yīng)用于運(yùn)維管理，對模型信息要求較高，模型文件屬性表中須包含創(chuàng)建時間和人員、文件命名、模型專業(yè)、實(shí)施階段、相關(guān)專業(yè)等信息，模型構(gòu)件屬性表中須包含材質(zhì)、設(shè)備型號、廠商、檢修日期等非幾何信息。

5）模型創(chuàng)建與校核。本項(xiàng)目采用 Autodesk Revit軟件創(chuàng)建模型，首先要根據(jù)構(gòu)筑物的尺寸建立合適的軸網(wǎng)和標(biāo)高，在基于柱、墻、梁、板等常規(guī)構(gòu)件創(chuàng)建模型的基礎(chǔ)上，充分利用 Revit 模型的參數(shù)化功能，在具有相似構(gòu)造的建模中，通過全局參數(shù)功能實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化驅(qū)動[10]，提升工作效率，體現(xiàn)應(yīng)用 BIM 技術(shù)開展設(shè)計的優(yōu)勢和價值。在構(gòu)件“類型屬性”對話框中，對構(gòu)件的注釋名稱、尺寸、材質(zhì)、設(shè)備型號、廠商等非幾何信息進(jìn)行設(shè)置。同時在建模過程中要保持與金屬結(jié)構(gòu)、電氣、建筑、巖土等相關(guān)專業(yè)結(jié)合的模型鏈接關(guān)系，及時檢查是否出現(xiàn)各專業(yè)模型之間的不協(xié)調(diào)問題，以最終確定模型。創(chuàng)建的共和泵閘樞紐全專業(yè)模型如圖1和2所示。

圖1 共和樞紐模型進(jìn)口三維視圖

圖2 廠房模型內(nèi)部三維視圖

BIM 模型的創(chuàng)建是工程數(shù)字化運(yùn)維管理的關(guān)鍵，模型承載的幾何參數(shù)和非幾何屬性是設(shè)備保養(yǎng)檢修的基礎(chǔ)，同時將模型構(gòu)件與采集感知設(shè)備定位信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行數(shù)據(jù)的可視化聯(lián)動貫通。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

共和泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)主要依托深圳市政務(wù)云平臺，以 .Net 作為開發(fā)框架，構(gòu)建從物聯(lián)感知、基礎(chǔ)設(shè)施、水務(wù)大數(shù)據(jù)、應(yīng)用支撐到業(yè)務(wù)應(yīng)用的五層架構(gòu)，以及信息安全、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范兩大保障體系，技術(shù)架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。具體分析如下：

1）物聯(lián)感知層。物聯(lián)感知層采用 IoT 技術(shù)，采集水情、水質(zhì)、工情和視頻等內(nèi)容，主要作用是為共和泵閘樞紐運(yùn)維管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

2）基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層包括云平臺、網(wǎng)絡(luò)工程、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境和信息安全等內(nèi)容，為整個系統(tǒng)提供信息傳輸通道和安全的運(yùn)行環(huán)境（包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境），其中云平臺主要依托深圳市政務(wù)云平臺構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)層主要包括互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)、深圳市黨政機(jī)關(guān)政務(wù)外網(wǎng)、深圳市水務(wù)局自建的控制專網(wǎng)和視頻接入網(wǎng)。

3）大數(shù)據(jù)層。大數(shù)據(jù)存儲主要規(guī)劃了以下數(shù)據(jù)庫：a. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是存儲各類公共基礎(chǔ)屬性和空間數(shù)據(jù)的子庫，包括基礎(chǔ)空間庫（GIS +BIM）、屬性庫。b. 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是存儲各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的子庫，包括水情庫、水質(zhì)庫、工情庫和視頻庫。c. 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫是存儲各類業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的子庫，包括設(shè)備設(shè)施、安全、應(yīng)急和綜合等管理的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

圖3 共和泵閘樞紐運(yùn)維管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

4）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層提供業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的公共服務(wù)能力，如統(tǒng)一報表、工作流，以及GIS，BIM，物聯(lián)網(wǎng)和視頻云監(jiān)控等平臺。

5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層覆蓋態(tài)勢感知、設(shè)備設(shè)施管理、安全管理、應(yīng)急管理和綜合管理五大功能領(lǐng)域。

6）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是保障管理系統(tǒng)各組成部分能夠協(xié)調(diào)一致工作，各類信息互聯(lián)互通，項(xiàng)目建設(shè)過程和運(yùn)維管理規(guī)范、有序、高效的重要基礎(chǔ)。本項(xiàng)目在規(guī)劃階段編制了 BIM 建模規(guī)范，為搭建標(biāo)準(zhǔn)化 BIM 模型提供支撐；在運(yùn)維管理系統(tǒng)開發(fā)階段遵循已有國標(biāo)和行標(biāo)、地標(biāo)，以及深圳市智慧水務(wù)總體技術(shù)方案，建成后將輸出運(yùn)行維護(hù)相關(guān)技術(shù)文件，保障系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行。

7）信息安全體系。共和泵閘樞紐運(yùn)維管理系統(tǒng)按照等保 2.0 二級防護(hù)要求開展建設(shè)，信息安全體系包括安全物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域邊界、計算環(huán)境及建設(shè)管理等方面。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

共和泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)的功能主要包括以下5個部分：

1）態(tài)勢感知模塊。主要基于 GIS + BIM 一張圖對水情、水質(zhì)、工情、視頻、業(yè)務(wù)管理等信息進(jìn)行集成，結(jié)合三維模型綜合展示設(shè)備參數(shù)、管養(yǎng)維修、備品備件、實(shí)時視頻、關(guān)鍵水情水質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。其中，將多個攝像機(jī)圖像序列視頻和與之相關(guān)的三維虛擬場景加以匹配和融合，實(shí)現(xiàn)虛擬場景與實(shí)時視頻的融合，虛實(shí)結(jié)合實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施可視化運(yùn)行管理，視頻三維場景融合示意如圖 4所示。

2）設(shè)施設(shè)備管理模塊。主要包括檢修管理、信息查詢、巡檢管理、采購管理、驗(yàn)收登記、備品備件管理等功能，其中設(shè)備設(shè)施基本的與檢修過程的信息通過構(gòu)件編碼與 BIM 模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理。

3）安全管理模塊。主要包括安全檢查計劃制定、檢查實(shí)施、值班管理，以及隱患檔案庫和標(biāo)準(zhǔn)的查詢等功能。

4）應(yīng)急管理模塊。包括應(yīng)急告警與發(fā)布、預(yù)案管理、事件處置、物資管理等功能。

5）綜合管理模塊。包括文檔、考核等管理功能。

圖4 視頻監(jiān)控與三維虛擬模型融合示意圖

2 結(jié)語

水務(wù)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)智能化管理是水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展和管理轉(zhuǎn)型升級的必然趨勢。本研究以共和泵閘樞紐為案例開展泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計，總結(jié)泵閘工程 BIM 模型創(chuàng)建的具體方法，提出管理系統(tǒng)的架構(gòu)、功能設(shè)計方案，探索出已建水務(wù)設(shè)備設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維的路徑，為深圳市智慧水務(wù)設(shè)施運(yùn)行管理平臺的建設(shè)奠定了試點(diǎn)基礎(chǔ)。下一步將持續(xù)優(yōu)化迭代該泵閘工程運(yùn)維管理系統(tǒng)，通過細(xì)化相關(guān)監(jiān)測設(shè)備的 BIM 模型構(gòu)建，與水工建筑物的 BIM 模型進(jìn)行融合，并以運(yùn)維管理系統(tǒng)聯(lián)動顯示BIM 模型及與其相對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)時視頻等方式，為泵閘工程運(yùn)維管理提供更直觀的決策支撐。