呂桂林

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299 ；2.唐山濱海軟土工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063299）

隨著國(guó)家對(duì)職業(yè)教育投入持續(xù)加大，各學(xué)校的發(fā)展速度加快，大部分學(xué)校在校師生數(shù)量穩(wěn)步增加，辦公、學(xué)習(xí)和科研設(shè)備數(shù)量也在不斷增多。根據(jù)教育部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020 年全國(guó)共有高職院校1 468所，相比2019 年增加45 所，比2018 年增加50 所。2020 年全國(guó)高職院?？偣苍谛Ｉ藬?shù)1 459.55 萬(wàn)，相比2018 年和2019 年均有了較大幅度增加。但是，人數(shù)眾多的高職校園，也出現(xiàn)了一些管理和安全方面的問(wèn)題，比如人員管理困難加大、校園火災(zāi)危害嚴(yán)重、資產(chǎn)管理難度增加、校園能源浪費(fèi)問(wèn)題突出。尤其是校園火災(zāi)問(wèn)題，由于人員較為密集，提前預(yù)警和第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情是有效避免火災(zāi)產(chǎn)生嚴(yán)重后果的關(guān)鍵因素。目前，建設(shè)的校園管理系統(tǒng)主要是針對(duì)單一功能的方案，多功能整合在同一系統(tǒng)中的方案較少；對(duì)于智慧校園的三維可視化展示能力較弱；對(duì)于火災(zāi)等災(zāi)害大多只能實(shí)現(xiàn)報(bào)警，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)警；不能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)位置三維顯示和逃離路徑優(yōu)化等功能[2]；對(duì)于人和物品的管理不能實(shí)現(xiàn)精確的位置信息的顯示和整合。通過(guò)基于BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案可以很好地解決上述問(wèn)題。

1 BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)的融合

BIM 技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象主要是建筑工程，其可以在工程設(shè)計(jì)、工程造價(jià)、工程施工、工程管理和工程運(yùn)維等全過(guò)程階段進(jìn)行仿真模擬，得到的擁有各種工程信息的模型稱之為建筑信息模型。BIM 技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為建筑主體方提供了共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建筑信息的交互共享與信息數(shù)字化的管理。BIM技術(shù)和核心是各種工程信息，將這些信息賦予建筑的各個(gè)部分，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑全生命周期的應(yīng)用和管理。BIM 技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程就是對(duì)這些信息的創(chuàng)建、調(diào)用、管理、修改和使用的過(guò)程。BIM 技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)各個(gè)信息之間的邏輯關(guān)系，一個(gè)信息發(fā)生變化，與之相關(guān)聯(lián)的信息就會(huì)隨之發(fā)生變化，以此來(lái)保證信息的準(zhǔn)確性和完備性，提高了工作效率，減少人力和物力的損耗。

GIS 是以地理信息作為研究對(duì)象，通過(guò)各種技術(shù)手段獲得空間數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、管理、計(jì)算和可視化表達(dá)，其最主要的優(yōu)勢(shì)就是卓越的空間分析能力。GIS 能夠?qū)⒌乩硇畔?shù)據(jù)和對(duì)象的參數(shù)屬性結(jié)合到一起，能夠在合理的平臺(tái)調(diào)用情況下發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，解決一些實(shí)際生活和工程中的困難。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物品的智能化辨識(shí)和管理，對(duì)于突發(fā)事件的處理方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠發(fā)揮很好的作用，也是校園智慧管理過(guò)程中重要的技術(shù)手段[3-4]。

目前，BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自身領(lǐng)域都得到了廣泛認(rèn)可。BIM 建立的三維建筑數(shù)據(jù)信息化模型能夠在建筑的全生命周期內(nèi)發(fā)揮作用，能夠?qū)⒔ㄖ黜?xiàng)信息精細(xì)化表達(dá)出來(lái)，BIM 技術(shù)的應(yīng)用也正在隨著被集成的信息越來(lái)越多，在不斷地進(jìn)行擴(kuò)展。GIS 技術(shù)可以建立精確三維地理信息模型，并將這些模型進(jìn)行賦值，建立可以調(diào)用和處理數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)平臺(tái)，在宏觀和整合領(lǐng)域具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但是，模型信息完善的BIM 無(wú)法自發(fā)地感知物品，也無(wú)法在大尺度范圍內(nèi)發(fā)揮平臺(tái)效果；GIS技術(shù)在大尺度方面和平臺(tái)數(shù)據(jù)處理能力擁有優(yōu)勢(shì)，但其在精細(xì)化、信息完整度和主動(dòng)感知方面相對(duì)較弱；具有自主感知能力 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)又很難實(shí)現(xiàn)三維可視化管理和空間數(shù)據(jù)分析；將BIM、GIS 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[5]。使用BIM+GIS 技術(shù)建立大尺度精細(xì)化的三維模型，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS 平臺(tái)進(jìn)行人工/ 自動(dòng)控制，在三維模型上進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，采用BIM 的模擬分析能力實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 高職院校校園智慧管理實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

高職院校校園智慧管理的基礎(chǔ)是建立精確的校園三維模型，建模過(guò)程中需要按照校園建設(shè)圖紙進(jìn)行精確建模，同時(shí)也要注意建成后改動(dòng)的部分。將校園CAD 圖紙作為底圖，導(dǎo)入到主流BIM 建模軟件Revit 里，注意導(dǎo)入圖紙過(guò)程中要將單位選擇毫米，不能選擇默認(rèn)，這樣就能保證導(dǎo)入的圖紙尺寸與實(shí)際一致。利用Revit 軟件建模過(guò)程中，注意對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)程和子規(guī)程的分類，便于將來(lái)管理使用時(shí)進(jìn)行分類調(diào)取。利用BIM 技術(shù)將建筑模型的設(shè)備、體積、功能、房間等信息顯示在三維視圖中，方便隨時(shí)查看相關(guān)信息。對(duì)于校園建成后修改的部分，需要結(jié)合施工圖紙和校園實(shí)景或現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行模型創(chuàng)建，保證模型的真實(shí)性和精度。

ArcGIS pro 平臺(tái)具有查看、瀏覽、查詢、導(dǎo)航和管理等功能，將創(chuàng)建好的BIM 模型導(dǎo)入到ArcGis pro 中，達(dá)到大尺度的地理信息模型和精細(xì)的建筑信息模型融合統(tǒng)一的效果。

根據(jù)不同管理需求，在特定的位置放置特定的傳感器，通過(guò)5G 等物聯(lián)網(wǎng)連接方式，將傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rcGIS pro 管理平臺(tái)，管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在三維模型的特定區(qū)域進(jìn)行展示、預(yù)警或者報(bào)警。如檢測(cè)到一氧化碳或者氮氧化物的濃度達(dá)到一定的閾值，就可以在該區(qū)域進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警；檢測(cè)到二氧化碳的濃度達(dá)到一定閾值，就可以對(duì)室內(nèi)空氣污染進(jìn)行預(yù)警。

3 BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高職校園智慧管理中的應(yīng)用

BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是高職校園智慧管理發(fā)展的一個(gè)重要方向，在校園建設(shè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在了以下幾個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)校園資產(chǎn)的可視化動(dòng)態(tài)管理；二是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警、報(bào)警，火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的精細(xì)三維位置展示和火場(chǎng)逃離路線規(guī)劃；三是實(shí)現(xiàn)人員的三維可視化管理；四是實(shí)現(xiàn)能源管控監(jiān)控；五是能夠監(jiān)測(cè)室內(nèi)通風(fēng)情況，有效阻止傳染疾病的蔓延。

3.1 BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園火災(zāi)防治和疫情防控中的應(yīng)用

更早地報(bào)告火情和獲取逃離路徑是減少火災(zāi)損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立火災(zāi)評(píng)價(jià)模型是判斷是否發(fā)生的前提，評(píng)估模型應(yīng)該考慮各個(gè)室內(nèi)空間使用過(guò)程中的各種因素，包括使用功能、空間尺寸、使用人數(shù)、存放物品和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等。通過(guò)設(shè)置在特定空間的煙感和CO、CO2、溫度、氮氧化物等傳感器，監(jiān)測(cè)各個(gè)空間的火災(zāi)安全狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

目前，針對(duì)有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)計(jì)算方法有多種，主要包括DelPhi 法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等，經(jīng)驗(yàn)表明某一特定的預(yù)測(cè)方法對(duì)某一特定的指標(biāo)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)效果較好，但是對(duì)其他數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果較差，因此對(duì)不同的指標(biāo)數(shù)據(jù)采用不同的預(yù)測(cè)方法就顯得尤為重要。采用預(yù)測(cè)誤差計(jì)算公式對(duì)不同的預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，找到針對(duì)特定有害氣體的最佳預(yù)測(cè)方法，計(jì)算表達(dá)式為：

火災(zāi)報(bào)警流程如圖1 所示，BIM 平臺(tái)將傳感器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)整合到建筑信息模型，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的三維可視化顯示。另外，通過(guò)BIM 技術(shù)的分析功能，可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)逃離路線自動(dòng)規(guī)劃。BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)防治安全事故應(yīng)急指揮中，可以做到建筑內(nèi)外統(tǒng)一規(guī)劃和指揮，合理配置救援力量，能夠讓安全事故應(yīng)急指揮更加高效。

圖1 火災(zāi)報(bào)警流程

此外，由于人員密集且長(zhǎng)期不通風(fēng)的空間的CO2濃度會(huì)持續(xù)增加，根據(jù)一項(xiàng)教室測(cè)試數(shù)據(jù)[2]，一個(gè)不通風(fēng)的教室在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累后，室內(nèi)CO2濃度可以達(dá)到室外濃度的7～8 倍[6]。因此，利用CO2傳感器數(shù)據(jù)與室外CO2濃度進(jìn)行對(duì)比，可以確定各個(gè)房間通風(fēng)狀態(tài)，將房間的通風(fēng)情況在BIM 模型中展示，對(duì)房間通風(fēng)進(jìn)行指導(dǎo)，可以有效阻止傳染病在人群中的傳播，提高學(xué)習(xí)效率。

3.2 BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高職校園資產(chǎn)可視化管理方面中的應(yīng)用

在高職校園資產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)位置不詳、信息不全和精確統(tǒng)計(jì)信息難度大等問(wèn)題，利用BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立校園資產(chǎn)可視化管理平臺(tái)，可以很好解決上述問(wèn)題。

利用BIM 技術(shù)可以建立更為真實(shí)和精細(xì)的三維建筑和資產(chǎn)模型，將現(xiàn)實(shí)中的建筑、結(jié)構(gòu)、門窗、實(shí)訓(xùn)設(shè)備和家具等資產(chǎn)進(jìn)行三維可視化數(shù)字呈現(xiàn)，相比于二維圖紙和表格，在進(jìn)行三維資產(chǎn)可視化管理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，圖2 展示了一種辦公桌的資產(chǎn)屬性和三維可視化顯示，這些信息還可以根據(jù)需要進(jìn)行定制化擴(kuò)展。將布置在校園各個(gè)位置的視頻設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接入BIM 模型，可以通過(guò)資產(chǎn)管理平臺(tái)實(shí)時(shí)查看各個(gè)重點(diǎn)區(qū)域位置的資產(chǎn)設(shè)備使用和運(yùn)行情況。

圖2 辦公桌資產(chǎn)屬性設(shè)置

此外，還可以利用BIM 軟件的統(tǒng)計(jì)報(bào)表優(yōu)勢(shì)，精確地統(tǒng)計(jì)處在各個(gè)建筑、樓層或者區(qū)域的資產(chǎn)情況，還可以對(duì)某種特定資產(chǎn)進(jìn)行全局或者特定區(qū)域查看，便于資產(chǎn)管理。

3.3 BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園人員管理和節(jié)能方面的應(yīng)用

通過(guò)在門前、教室、宿舍、餐廳等區(qū)域增加人臉識(shí)別裝置，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到校園智慧信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域人員信息狀態(tài)的掌握，利用BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)指定區(qū)域的人員數(shù)量和具體名單顯示，具體實(shí)現(xiàn)流程與火災(zāi)報(bào)警流程類似，圖3 展示的是物聯(lián)網(wǎng)工作流程。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工作流程

將各個(gè)能源開(kāi)關(guān)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)時(shí)顯示到基于校園智慧管理信息管理平臺(tái)，設(shè)置每個(gè)能源開(kāi)關(guān)控制的區(qū)域，再根據(jù)人員識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人區(qū)域的能源開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉和浪費(fèi)能源報(bào)警功能。

3.4 BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園規(guī)劃設(shè)計(jì)和校園導(dǎo)航中的應(yīng)用

校園規(guī)劃和建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)的過(guò)程，隨著學(xué)校人數(shù)和功能的變化，會(huì)使得學(xué)校需要進(jìn)行重新規(guī)劃施工。通過(guò)BIM 技術(shù)構(gòu)建校園的三維建筑模型，使用GIS 創(chuàng)建校園的三維地理信息模型，將兩個(gè)模型結(jié)合到一起，從微觀和宏觀兩個(gè)角度為供決策者進(jìn)行方案比選和效果分析提供技術(shù)支持。

此外，通過(guò)搭建的三維地形和建筑模型，可以生成三維全景校園，為新生和對(duì)校園不熟悉的使用者提供實(shí)景展示和道路指引服務(wù)。此外，借助于BIM 的模型精度，系統(tǒng)還可以提供室內(nèi)瀏覽和導(dǎo)航服務(wù)。

3.5 BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下管網(wǎng)智慧化管理方面的應(yīng)用

由于高職校園需要服務(wù)的人員眾多，各種地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜，地下管道出現(xiàn)問(wèn)題需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，才能減少對(duì)學(xué)校正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成的影響。采用BIM+GIS 技術(shù)建立地下管道模型，在各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)布置傳感器，可以有效地對(duì)地下管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，快速定位問(wèn)題點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管道的智慧化管理。

4 基于BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園智慧管理應(yīng)用價(jià)值

對(duì)于校園管理者來(lái)說(shuō)，安全應(yīng)該在所有工作中排在首位，基于BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園智慧管理方法可以對(duì)火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警，迅速報(bào)告火災(zāi)事故和發(fā)生地點(diǎn)，讓救援工作可以快速準(zhǔn)確地開(kāi)展，有效降低災(zāi)害損失。其次，利用此校園智慧管理平臺(tái)還能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)情況報(bào)告，控制疫情等其他流行疾病的傳播，良好的空氣狀況也能夠提高學(xué)習(xí)效率。最后，通過(guò)對(duì)各個(gè)空間的人員信息的獲取和三維顯示，能夠有效降低由于校園人員流行性大、管控困難而造成的安全和治安事故。

傳統(tǒng)的校園資產(chǎn)管理系統(tǒng)雖然也能夠顯示資產(chǎn)的基本信息，但是不能實(shí)現(xiàn)物品本身和其所在區(qū)域的三維可視化展示，有效地配置資產(chǎn)資源和管理難度較大。使用基于BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園資產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)的快速定位和統(tǒng)計(jì)，提高統(tǒng)計(jì)效率。

校園能源浪費(fèi)也是校園管理方面的難點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燈火通明的教室、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)區(qū)域空無(wú)一人的情況，采用基于BIM+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園能源智慧管理管理系統(tǒng)，可以有效地解決上述問(wèn)題，達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)論

基于BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園智慧管理平臺(tái)可以有效地提高校園管理者的管理效率，采用誤差計(jì)算方法對(duì)不同預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)值進(jìn)行誤差評(píng)價(jià)，找到特定氣體最有效的預(yù)測(cè)方法，利用“火災(zāi)評(píng)價(jià)”模型可以及時(shí)地報(bào)告火情，提供火災(zāi)逃生和救援路線。智慧校園平臺(tái)通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣的CO2濃度可以掌握教室的通風(fēng)情況，可以有效地控制疫情等空氣傳染疾病。智慧校園平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園內(nèi)的資產(chǎn)、人員、節(jié)能等方面的三維可視化高效管理?？梢钥闯?，雖然上述基于BIM+GIS+ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園智慧管理平臺(tái)能夠幫助管理者解決諸多問(wèn)題，但其還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到上限，由于BIM、GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高度可擴(kuò)展性，還有很多應(yīng)用場(chǎng)景和價(jià)值有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。