BIM+GIS+IOT管理平臺(tái)主要應(yīng)用功能研究

王滎桂

（上海寶冶集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200941）

0 引言

隨著BIM與GIS技術(shù)的日漸成熟，逐漸出現(xiàn)采用BIM+GIS技術(shù)的平臺(tái)。利用BIM+GIS的三維特性，可方便項(xiàng)目建設(shè)過程中的可視化管理。結(jié)合IOT設(shè)備的使用，通過對(duì)模型的融合和數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目宏觀和微觀兩方面的管理需求。

1 平臺(tái)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1）目前建筑物信息模型（BIM）已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，通過數(shù)字化建模方式將各專業(yè)工程生成三維工程模型，模型包含必要的工程數(shù)據(jù)。將專業(yè)圖紙可視化后可進(jìn)行直觀的模型展示和實(shí)際應(yīng)用。BIM模型展示能力偏向項(xiàng)目本身，所用軟件展示空間小，對(duì)工程項(xiàng)目周圍的地形數(shù)據(jù)無法有效承載分析及展示。

2）地理信息系統(tǒng)（GIS）以測(cè)繪、測(cè)量為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。因其展示數(shù)據(jù)宏觀，所以無法創(chuàng)建精細(xì)化、信息精確的建筑模型。

3）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是指通過各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體和過程，將物與物、物與人通過網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)所有物體相互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)系統(tǒng)概念。隨著5G新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)升級(jí)，其三大應(yīng)用場(chǎng)景包括：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（massive machine type communications，mMTC）和超高可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low latency communs，uRLLC），后兩項(xiàng)都將助力實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

建筑信息模型（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）均為工程建設(shè)行業(yè)如今常用的信息技術(shù)。將BIM、GIS、IOT技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，可解決宏觀和微觀數(shù)據(jù)同時(shí)展示的實(shí)際需求，提升工程可視化所展現(xiàn)信息的廣度及豐富程度。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 GIS

地理信息系統(tǒng)即GIS（geographic information system），用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。其技術(shù)在近年內(nèi)取得很大的發(fā)展，主要應(yīng)用于商業(yè)金融、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測(cè)、城市規(guī)劃、有點(diǎn)通信、交通運(yùn)輸、國(guó)土管理、軍事公安、水利水電、公共設(shè)施管理、環(huán)境評(píng)估、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計(jì)等領(lǐng)域。

GIS技術(shù)主要具備數(shù)據(jù)管理及挖掘、大數(shù)據(jù)可視化、空間分析、地圖可視化表達(dá)等多種應(yīng)用。其模型大部分為表面模型，只有外部輪廓信息。結(jié)合GIS信息數(shù)據(jù)后可進(jìn)行宏觀層面的數(shù)據(jù)分析及展示。

2.2 WebGL輕量化模型

在BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)時(shí)，需進(jìn)行不同程度的輕量化處理。當(dāng)前主流使用WebGL技術(shù)進(jìn)行模型輕量化處理。

WebGL（web graphics library）是一項(xiàng)在瀏覽器體現(xiàn)3D畫面的技術(shù)。其工作原理實(shí)際上就是遍歷每一個(gè)像素點(diǎn)，然后給各像素點(diǎn)填充顏色，借助計(jì)算機(jī)硬件3D加速渲染，然后構(gòu)成一幅讓使用者通過瀏覽器可流暢瀏覽的3D場(chǎng)景及模型。

一個(gè)合適的架構(gòu)選型將提高今后平臺(tái)的使用效率，WebGL 3D引擎的選型由今后使用場(chǎng)景決定。當(dāng)前主流架構(gòu)分B/S架構(gòu)（瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式）和C/S架構(gòu)（服務(wù)器-客戶端架構(gòu)模式）。WebGL是網(wǎng)頁(yè)3D必須要用到的技術(shù)，而客戶端應(yīng)用OpenGL。

B/S架構(gòu)采用Three.js，是基于原生WebGL封裝運(yùn)行的三維引擎，其程序結(jié)構(gòu)包含模型幾何體信息、材質(zhì)、光照的顏色和分類（環(huán)境光、點(diǎn)光源、平行光），觀察視角的位置、視線方向、投影方式（透射投影、正射投影）及渲染。通常Three.js壓縮文件比源文件縮小約2倍，可用于在線部署。但因每次加載模型均需重新加載，如果BIM模型體量較大，則對(duì)使用環(huán)境的網(wǎng)速帶寬要求高。

C/S架構(gòu)采用OpenGL，是用于渲染2D、3D矢量圖形的應(yīng)用程序編程接口（API）。OpenGL非常依賴廠商提供的硬件，由顯示設(shè)備廠商提供，即對(duì)計(jì)算機(jī)顯卡有基本要求，平時(shí)辦公用計(jì)算機(jī)基本可以滿足要求。

2.3 攝影測(cè)量+LIDAR系統(tǒng)

通過遙感測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模型的快速更新。

1）低空攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用 利用無人機(jī)上的攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，根據(jù)拍攝出來的照片進(jìn)行測(cè)繪工作并生成三維模型，再添加已有的數(shù)據(jù)資料，建立三維空間。該系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)搭載的攝像機(jī)有較高的分辨率要求。

2）傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種將遙感技術(shù)、空間技術(shù)及信息技術(shù)等有機(jī)結(jié)合起來的測(cè)繪技術(shù)。通過無人機(jī)采集數(shù)據(jù)，對(duì)在空中拍攝時(shí)的照片空間位置和角度姿態(tài)進(jìn)行記錄。由于航測(cè)系統(tǒng)飛行高度較低，可獲取地面高質(zhì)量的多角度影像。經(jīng)處理后生成密集點(diǎn)云模型，借助ContextCapture軟件，在POS數(shù)據(jù)和地面GPS-RTK采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行重新構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)被掃描物體的三維模型創(chuàng)建。

3）LIDAR系統(tǒng)的應(yīng)用 集激光，全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）3種技術(shù)于一體，通過使用傳感設(shè)備對(duì)激光波段進(jìn)行分析，計(jì)算激光會(huì)波信息，采取有效的方法獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字化三維模型。

2.4 5G+物聯(lián)網(wǎng)

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)有效處理。

5G是新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，分為三大應(yīng)用場(chǎng)景：eMBB、mMTC、uRLLC。面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景有針對(duì)性地部署無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，助力做大做強(qiáng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)。

eMBB為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，部署方式為密集布置，需通過更大帶寬及提升基帶速率實(shí)現(xiàn)。mMTC為大規(guī)模機(jī)器類通信，是在NB-IOT基礎(chǔ)上演進(jìn)，針對(duì)低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，無線網(wǎng)可采用本地化網(wǎng)絡(luò)布置架構(gòu)。uRLLC為超高可靠低時(shí)延通信，針對(duì)低功耗大連接場(chǎng)景。

工程項(xiàng)目平臺(tái)針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)，宜采取mMTC模式。mMTC屬于低速率傳輸，因其可擴(kuò)展性好，帶寬靈活，使其具有低功耗、大量連接的特點(diǎn)，填補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)無法海量連接技術(shù)的不足，可用于至少10萬用戶數(shù)量的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集。其中窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）因其信號(hào)更強(qiáng)，在mMTC 中用于遠(yuǎn)距離傳輸，大幅提升了設(shè)備對(duì)場(chǎng)景的覆蓋能力，同時(shí)又因?yàn)槌椎墓暮烷g歇性啟動(dòng)的工作原理，使其待機(jī)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)可達(dá)10年。

2.4.1 定位技術(shù)

針對(duì)室內(nèi)定位場(chǎng)景，由于無線電信號(hào)在遇到障礙物（如墻壁等）會(huì)發(fā)生大幅衰減和散射，無法提供準(zhǔn)確的定位信息，此時(shí)需要有針對(duì)性地選用適用于室內(nèi)環(huán)境的定位技術(shù)完成精確定位，如無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙、紫蜂（ZigBee）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。

1）無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)（WLAN）定位技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的室內(nèi)技術(shù)，部署時(shí)無需添加額外設(shè)備，而且定位精度高可滿足絕大部分使用要求，性價(jià)比高。采用RSSI距離交匯定位法（復(fù)雜環(huán)境下信號(hào)衰減嚴(yán)重）和基于RSSI指紋定位法（定位精度極度依賴于校準(zhǔn)點(diǎn)密度）。目前常用的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)主要使用基于RSSI的距離交匯定位法，能實(shí)現(xiàn)1～3m的定位精度。

2）藍(lán)牙 藍(lán)牙定位系統(tǒng)穩(wěn)定性差且易受到干擾，主要與無線局域網(wǎng)（WLAN）用于室內(nèi)定位。施工現(xiàn)場(chǎng)通過安全帽對(duì)人員位置進(jìn)行定位就是基于此技術(shù)。通過安全帽內(nèi)加裝藍(lán)牙模塊，在施工現(xiàn)場(chǎng)位置設(shè)置藍(lán)牙感應(yīng)設(shè)備，當(dāng)藍(lán)牙模塊靠近感應(yīng)設(shè)備時(shí)，藍(lán)牙模塊更新定位信息并發(fā)送至管控平臺(tái)。定位精度近距離可達(dá)0.5～3.0m。

3）紫蜂（ZigBee） ZigBee的通信距離短，適用于短距離和低速率的情況，使用時(shí)通過增加ZigBee的節(jié)點(diǎn)密度，完成定位需求。其定位精度可達(dá)1.5m。人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢可在關(guān)鍵位置設(shè)置ZigBee節(jié)點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)人員在指定位置進(jìn)行簽到，該地點(diǎn)部署的ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄所檢測(cè)到打卡的位置和時(shí)間，并實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)管理現(xiàn)場(chǎng)人員的巡檢工作。

4）蜂窩網(wǎng)絡(luò) 主要依靠手機(jī)進(jìn)行定位，通過測(cè)量用戶手機(jī)與多個(gè)基站的距離實(shí)現(xiàn)，其精度可達(dá)2～4m。

2.4.2 基于NB-IOT的火災(zāi)報(bào)警

1）煙霧感應(yīng)器 除具有一般煙霧感應(yīng)功能外，還在內(nèi)部加裝了NB-IOT無線通信模塊。IOT終端不同于手機(jī)，其絕大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，按天或周間斷上報(bào)信息，上報(bào)完成后繼續(xù)休眠。不隨時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)觸發(fā)聲光報(bào)警的同時(shí)，報(bào)警信息也會(huì)同步發(fā)送至監(jiān)控終端，同時(shí)還能與其他智能消防器材進(jìn)行聯(lián)動(dòng)配合使用。

2）智能消火栓 在智能消火栓出現(xiàn)異常情況時(shí)，其內(nèi)置的監(jiān)測(cè)水壓傳感器和NB-IOT模塊監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)，隨即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，及時(shí)提醒使用人員和維護(hù)人員。

3）“火眼”可視圖像早期火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用先進(jìn)的視頻圖像分析技術(shù)，無需更換現(xiàn)有攝像頭，只需在安防系統(tǒng)局域網(wǎng)下接入“火眼”軟件即可實(shí)現(xiàn)可視圖像早期火災(zāi)報(bào)警，可在極短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火災(zāi)早期情況，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防患于未然。

4）物聯(lián)網(wǎng)電氣火災(zāi)預(yù)警云監(jiān)控 通過及時(shí)采集加裝IOT模塊的智能消防器材數(shù)據(jù)，并上報(bào)IOT云監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)供電系統(tǒng)隱患的全天候監(jiān)控。

2.4.3 電梯

電梯的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)備的“可視化管理”“按需維保”“安全事故應(yīng)急指揮”3個(gè)方面。

利用GIS技術(shù)展現(xiàn)電梯在宏觀上的具體位置信息，利用BIM技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的結(jié)構(gòu)、電梯構(gòu)造、墻體、門窗和裝修等信息數(shù)字化展現(xiàn)，方便在電梯出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信息。

平時(shí)電梯運(yùn)行正常，采用NB-IOT短鏈接方式，終端的NB-IOT模組長(zhǎng)期保持休眠狀態(tài)直到獲取電梯故障信號(hào)，NB-IOT模組喚醒并將故障信息（電梯故障代碼）發(fā)送到云平臺(tái)。之后終端將持續(xù)保持連接狀態(tài)，持續(xù)反饋故障信息到云平臺(tái)，直到工作人員完成維修工作，結(jié)束連接狀態(tài)。當(dāng)電梯處于檢修、停電狀態(tài)也會(huì)通知平臺(tái)。

此外，NB-IOT具有強(qiáng)穿透的特點(diǎn)，可在網(wǎng)絡(luò)不良的特定場(chǎng)景中進(jìn)行部署。又因其工作原理為短鏈接方式，可持續(xù)更長(zhǎng)的供電時(shí)間，從而可為停電狀態(tài)下的電梯進(jìn)行異常監(jiān)控。

2.5 監(jiān)控運(yùn)維

BIM和GIS應(yīng)用的均為靜態(tài)數(shù)據(jù)，平臺(tái)系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)后，同時(shí)通過對(duì)獲取到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，可直觀生動(dòng)地呈現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的監(jiān)控運(yùn)維，并對(duì)發(fā)生危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警提示，例如：攝像頭通過添加AI算法，發(fā)現(xiàn)人員未佩戴安全帽、未穿反光背心及進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、塔式起重機(jī)吊鉤下方有碰撞危險(xiǎn)等，將預(yù)警信息及定位信息反饋在平臺(tái)上。日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)展示包括水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。

3 結(jié)語(yǔ)

如今，建設(shè)項(xiàng)目管理需引入更多技術(shù)和應(yīng)用，其中BIM、GIS、IOT技本的應(yīng)用和融合使各類信息實(shí)現(xiàn)交互操作，同時(shí)提升了系統(tǒng)應(yīng)用的深度和廣度，包括建筑改造、數(shù)字防災(zāi)等領(lǐng)域。盡管BIM+GIS+IOT的應(yīng)用過程中會(huì)有很多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，軟硬件的不斷迭代升級(jí)，BIM+GIS+IOT管理平臺(tái)將不斷推動(dòng)建設(shè)項(xiàng)目在建設(shè)、管理、運(yùn)維全生命周期的進(jìn)步。