三維可視化管理平臺在水電站工程管理中的應用研究

王欣垚，鄭兆信，歐陽明鑒

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

近年來，隨著我國計算機、大數據、云計算、移動互聯網、物聯網等新一代信息技術的發展與革新，對我國水電工程智慧化施工及一體化、可視化管理提出了更高的要求[1-2]。水利水電行業大部分工程都開展了三維可視化設計及BIM應用，但至今尚缺少獲得廣泛認可的平臺成果和經典案例。很多工程的實際應用僅停留在三維模型展示層面，不能或較少能指導施工，主要是平臺初期設計的應用功能實現方式較為復雜。有的工程雖有三維管理平臺，也有采集系統，但在后期分析和處理上不夠直觀明晰，難以被管理者應用。目前，各工程管理單位、軟件開發單位對于平臺設計思路、功能種類、功能實現方式、以及現場實際應用效果等問題，缺少實踐經驗、運行資料的統計及積累，調研后發現阻礙三維可視化工程管理平臺發展和深化的主要原因是工程模型與系統功能銜接不夠緊密、系統平臺實際管理功能較少、功能應用前置條件太過復雜不便于實現以及三維可視化平臺管理方式較傳統方式存在一定變化需要管理人員觀念更新和適應等，因此一些工程中三維可視化管理平臺并未發揮出預想的效果，相關技術及研究的熱度在近幾年也有所下降。但三維可視化管理平臺由于其直觀性、準確性及管理效率的優越性，仍然是未來發展的趨勢。

本文結合工程實例，提出一種更符合實際便于管理的三維可視化平臺的設計理念，并描述其具備的功能以及在工程實際中的應用研究情況，以解決工程模型與應用功能的割裂問題，降低平臺數據錄入及操作門檻，將更多的應用功能以更加簡單與直觀的方式與模型相結合，從系統層面將工程各區域各類監測系統數據與平臺數據后臺結合，使數據調取、查詢及功能流暢實現。以達到實現管理者主觀愿意選擇三維可視化管理平臺進行管理，依賴平臺所提供的應用功能的目的。

本文以遼寧清原抽水蓄能電站工程為例，介紹了三維可視化管理平臺的設計思路、具備的功能以及在工程中的實際應用。遼寧清原抽水蓄能電站總裝機容量1 800 MW，規模為一等大(1)型工程。永久性主要建筑物級別為1級，永久性次要建筑物級別為3級，臨時性建筑物級別為4級。樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房系統和地面開關站等建筑物組成，工程區地震基本烈度為Ⅵ度。

1 平臺基本架構

水電行業具備工程周期長、工程情況復雜多變、工程建設風險大等特點，往往隨著工程進展需要不斷對工程方案進行優化變更，各階段難點具有一定不可預測性，三維可視化管理平臺的建立不應一蹴而就，也不存在完全相同的水電工程管理模板。因此三維可視化管理平臺在建立之初，其設計理念是按照全生命周期平臺建設規劃的，但各階段需要關注解決的重點各有不同，同時上一階段成果將作為下階段工程管理平臺的數據基礎，環環相扣逐步推進，避免了一些三維可視化平臺在前期開設功能模塊過早，后期因工程方案及現場情況改變而產生資源的浪費及返工。

本三維可視化管理平臺以工程實際BIM模型為基礎，在此之上以模型承載工程數據，以數據通過平臺軟件整合計算實現功能，以功能輔助決策，最后再將輔助信息反饋至對應模型實現可視化管理，平臺設計思路見圖1。

圖1 一體化平臺設計思路

2 模型建立

樞紐建筑及地形模型是三維可視化管理及三維設計的基礎，采用三維數字化和GIS技術建立涵蓋工程地形和樞紐布置的三維模型[3]，較傳統工程設計方法可實現工程設計與管理協同進行，在進行設計工作的同時也能實時輸出包含地理信息的最新模型，滿足現場技術交底和方案溝通需求，也是施工期BIM模型及后期數據與功能實現和承載的基礎條件。

(1)工程樞紐基礎模型。工程樞紐模型創建于工程前期設計階段，可用于方案比選。采用傾斜攝影及無人機航拍技術采集工程選址的GIS信息，導入AUTODESK系列建模軟件進行三維設計工作，建立各方案的工程樞紐模型。可利用此模型快速計算出各方案工程量及開挖量，快速且較準確的估算出各方案投資；將包含地理及建筑信息的模型輕量化后導入平臺，形成各方案三維全景電子沙盤。模型將作為平臺管理功能交互的載體，功能應用的基礎，在平臺中預留接口方便后期管理功能技術的更新迭代及整合。

(2)精細化施工模型。施工模型是在工程施工詳圖階段，對選定方案進行細化設計建模完成。可按照工程分區隨設計、施工進度完成細部施工模型。工程設計使用了基于AUTODESK平臺的三維設計軟件，施工詳圖由工程設計模型抽取生成，因此最終各區域模型與施工詳圖完全吻合，不需要額外的建模工作量。精細化模型包含了各設備、各施工層面的準確尺寸。在實際施工前就可以對工程建設期間可能存在的問題，施工設備的布置、操作空間的大小等內容有一個直觀的判斷。

(3)數據載體。在工程建設期間，模型不僅可為滿足工程展示的需要提供工程三維可視化平臺，其更重要的作用是作為平臺管理、數據信息及輔助決策等功能的載體[4]。如圖2所示，選擇各區域施工模型可查詢該段工程實際施工進度、主要責任人、施工現場監控、施工部位照片、工程建設資料、施工問題及處理措施等內容；平臺將大量數據進行計算和推演后會將包含安全、質量、進度、物料等方面的工程預警信息及決策建議直接反饋至對應工程部位的施工模型，并在平臺首頁彈出預警信號；平臺使用者便可隨時了解工程狀態、歷史信息、相關資料并作出決策。

圖2 模型信息及鏈接示意

3 數據采集

為充分利用信息系統數據管理與BIM可視化優勢，本三維可視化管理平臺集成大壩碾壓、工程監測、視頻監控、人員車輛管理等系統，將工程現場監測設備采集到的數據實時傳入系統后臺中進行計算并可由平臺直接調用，促進施工管理智能化、可視化相關功能的實現。

3.1 視頻監控系統

為滿足數據采集需求，視頻監控系統目前在水庫、邊坡和地下洞室等較危險或重要區域設置監控攝像頭，對工程項目施工現場的重點部位的現場操作、工程質量、施工安全文明、環境衛生、倉庫料場安全管理等方面進行監控。監控系統可以靈活觀察工程各位置細節，處理隨機事件，也可對于重點區域(如倉庫，電力電纜密集區域)附近徘徊人員進行區域入侵檢測，具有自動人臉抓拍及警報功能。同時利用人員車輛管理系統、門禁系統、通信系統等功能了解現場人員分布、考勤記錄等信息。

利用系統大屏可直接與各區域負責人進行實時通訊，在工程管理中心即可實現對人員的現場指揮。針對重點或施工危險性較高的區域可利用視頻監控、體征監測、無線通信等技術對人員工作狀態(包括人員精神狀態、心跳、體溫等，是否按要求佩戴安全帽或其他安全設備)進行監測。視頻監控系統可存儲30 d左右的視頻圖像，利用BIM+GIS技術，通過調用視頻服務器ID、端口號、攝像頭ID等參數，如圖3所示，可將工程現場攝像頭與三維可視化平臺相同位置模型相關聯，實現監控畫面的調取播放和回放。

圖3 工程監控攝像頭調取示意

3.2 人員車輛管理系統

現場人員和車輛管理系統，可通過可視化平臺展示人員和車輛出入管理設備的布置，實時顯示各監測區域人員和車輛出入數據。并利用定位、視頻、通信等技術對工程運輸及工程車輛(如裝載車、渣土車等)進行實時定位、路徑記錄，實時通信指導，并如圖4所示，在工程模型平臺上實現三維可視化管理[5]。同時在施工現場主要出入口加裝車牌識別系統，對經常出入工地的內部管理人員的車輛的車牌號碼及外觀、顏色、車型進行后臺登記到車輛管理系統的“白名單”內，并自動采集車輛出入記錄并上傳出入影像記錄至智慧工地平臺，對于陌生車輛、套牌車輛進入工程區域可后利用自動監測識別系統進行預警防范。同時在車內設置監控隨時了解駕駛人員的工作狀態。

圖4 車輛管理系統示意

3.3 工程監測系統

三維可視化平臺包含水工自動化監測系統。在各工程主要樞紐建筑物中(包括水庫大壩、地下廠房、水道系統)設置監測傳感設備，實時監測有關變形、滲流、應力應變和溫度等涉及工程安全的數據，將最終監測結果導入系統平臺，利用信息系統存儲、管理和分析監測成果，并在BIM模型上查看監測設備的三維布置、監測數據、監測曲線等，記錄異常數據的處理結果[6]。對如水庫庫岸、大壩邊坡等具有崩塌、滑坡風險并可能影響大壩、溢洪道、導流洞等建筑物施工安全的應設置邊坡穩定自動監測傳感裝置。

為滿足工程需要系統化平臺可與地方水情測報系統想關聯，主要測報項目區域降雨量、河道流量、泄洪洞進口處水位和天氣預報等，該水情測報系統通過數據接口與本系統BIM管理平臺集成，建立水情測報數據庫，通過系統和BIM模型能查看水情監測儀器的布置、監測數據和監測曲線等。

3.4 大壩碾壓系統

大壩碾壓控制系統，通過監控、采集和存儲大壩碾壓施工數據[7]，如圖5所示，系統平臺可實時記錄并反饋填筑面監控碾壓機械的行駛速度、激振力、運行軌跡、碾壓遍數、壓實厚度等，對施工過程可能出現的質量問題、安全風險進行預測，針對工程現狀及相關問題的后續整改過程進行實時記錄記載，輔助大壩碾壓質量管控[8]。并利用BIM+GIS技術將生成的相關工程單元的質量與安全表單信息與模型對應位置想關聯，根據質量、安全檢查或評價結果，在BIM模型上用不同顏色顯示督促相關整改，實現施工過程精細化管理。并將現場視頻圖像與大壩模型相關區域關聯，同時通過BIM模型展示大壩碾壓施工進度形象。

圖5 大壩碾壓系統示意

4 實踐功能

本平臺管理功能旨在利用系統平臺以最簡單、直觀、高效的方式合理組織施工，滿足指揮、調度、協調、組織、管理的功能要求，為輔助工程管理人員進行決策做好基礎。

4.1 進度管理

進度管理是工程項目管理核心內容，本工程以施工進度計劃為主線，將BIM模型與項目進度管理模塊進行關聯集成[9]，建設數據資源管理系統，并按工程周期、工程區域、數據類別等因素明確系統功能，實現數字資源與狀態的可視化集中管控。根據施工方案可“未建先試”，進行進度模擬推演及虛擬建造，輔助評估施工方案、進度計劃的可行性。

平臺通過采集工程實際進度，可與計劃進度進行對比，分析“供圖-采購-施工”工作的超前、正常或滯后狀態[10]。并且系統管理平臺結合各工程單元劃分，可進行計劃編制，包括里程碑計劃、總體計劃、施工計劃及多級計劃，明確各項施工界面，交接時間節點。模型顯示上方增加時間軸，并按照工程工期安排對工程整體或細部模型，賦予“已完成、進行中、未開始”三種狀態。隨時間軸模型顯示對應工期的工程狀態，且在時間軸下可針對各個單位工程進行人員、物資、設備、工程車輛、施工設備的調配。利用物料追蹤等功能中各人員、設備等的ID編碼，當計劃變更后可自動預警，并統計受到影響的工程資源。并在點擊各模型后顯示供圖、采購、施工方面的工作狀態以及該段模型的季度、月度計劃要求。在業務數據積累的基礎之上，按需摘錄出與工程相關的關鍵性指標和信息，通過匯總統計后將各類圖、表的數據與BIM+GIS平臺三維場景集成，進行可視化直觀展示，呈現工程整體建設形象，便于管理者根據需求，客觀評價進度執行情況，為優化和調整進度提供參考。

4.2 質量與安全管理

該功能利用數據采集系統的現場實時工程數據，對EPC項目質量管理、安全管理工作任務進行分解[11]。如圖6所示，在施工過程中系統平臺對工程重點部位的施工質量信息、質量安全檢查過程中發現的隱患信息及處理意見等(包括重點部位施工工藝方法、現場施工效果、隱患點位置，責任單位、責任人、隱患情況信息、圖片、視頻等)進行記錄。

圖6 質量與安全管理系統示意

同時管理平臺結合監控采集系統針對工程隧洞、供水管道、電站廠房等定期巡查機制，并將現場巡查的記錄、照片、視頻整合至智慧工地管理平臺。對重點或較危險的隧洞工程管理平臺結合人員定位系統，采用UWB精確定位技術，實時獲取人員的精確位置，當發生意外時可利用定位信息，擬定救援方案，提高救援效率。

5 輔助決策

系統平臺以各項業務功能為基礎，通過平臺內部數據交換、整合及警報機制對以往數據曲線進行分析及比對，預估各項工程指標的發展情況，實現針對工程實際情況的管理輔助及工程整體把握[12]。將最終預警結果反饋至可視化平臺BIM+GIS 模型的各對應區域，對工程潛在問題和隱患預警報備。并可主動提醒管理人員進行處理，同時從工藝工法數據庫中推薦相關處理方法、工藝或意見，實現智能化工程管理輔助、降低操作和管理門檻、完成系統平臺的整體功能循環。

(1)進度及物資輔助系統。對系統各項功能進行整合，將人、料、機消耗量以及資金計劃等信息與進度時間刻度尺相整合[13]。在施工過程中隨工程進度，在各關鍵節點將現場實際進度及用料與節點預測情況相對比，若實際進度發生偏差(包括進度滯后和進度提前)，平臺將在大屏中彈出提示提醒管理人員進行處理。此外，系統平臺與當地地震、氣象、水文、雨量監測機構及本工程監測系統建立數據采集或接入的聯動機制。將各類環境數據進行整合，并在系統平臺中提前標明，哪些工序及單元易受環境條件變化制約。當監測系統得到異常數據后將自動統計當前及之后一定時間內，可能受到影響的工程單元，并根據程度級別觸發警報，直接高亮顯示可能受到影響的進度計劃及工程模型。

(2)質量及安全輔助系統。對系統平臺內視頻監控、工程監測數據、人員車輛管理等功能進行整合，可對工程各重要及危險區域進行質量及安全預警[14]。利用視頻監控、通信系統及人員車輛管理功能，平臺可對異動、長時間滯留或不響應工作任務的人員設置警報及語音提醒。此外平臺利用工程監測系統對工程重點或危險區域進行了實時監測，例如對隧洞工程圍巖結構安全進行監測，當圍巖壓力、外水壓力、襯砌應力應變異常時根據數據記錄及時間曲線預估發展趨勢，當結構圍巖數據異常時應做出預警及安全評估。系統會對各區域預警處理方式進行記錄分析，在之后工程準備開展類似工序時提前對施工方做出隱患提醒，因此系統具備一定學習能力，將隨工程建設不斷完善預警功能。

(3)成本預警。利用系統平臺內物料追蹤功能及工程管理功能，實現對業主和分包商的報量、計量、計價結算、預付款、資金支付等流程的管理，記錄合同款項支付申請和實際支付情況，具備超支預警功能，并將與合同相關的關鍵數據歸集到合同履約，實時查看履約狀態，強化合同履約和監管能力[15]。利用系統平臺信息建立工程成本數據庫，并按一定周期調整維護，利用平臺的統計分析能力自動完成相關分析并生成報表。選擇BIM模型后可根據系統平臺WBS結構樹查詢各單位工程人、材、機的投入情況并顯示相關成本、時間、工序關系等信息。當實際成本與預算存在較大誤差時，開展預警措施，并對工程單元成本進行評價，分析成本誤差原因，并及時修正成本計劃。

6 結 語

三維可視化管理平臺采用一體化平臺構建模式以及設計施工交叉互動互補的工作機制，可實現動態、集成和可視化的施工管理，較傳統管理平臺界面更加簡易清晰可以更好的發揮BIM技術先天的直觀性優勢，在管理工作中可極大提高工作效率、降低管理工作難度，并且在電站的工程建設中得到實踐檢驗。另外，本平臺預留了數據接口可以輕易的與VR、AR、5G等技術相結合，使工程管理技術得到再次的提升，具備很大再開發潛力。