基于BIM 和GIS 的三維實景智慧港口研究與應用

黃 洋，劉華山，亢保軍

（1.連云港港口工程設計研究院有限公司，222042；2.連云港港口控股集團技術研發中心，222042；3.連云港港口控股集團贛榆有限公司，222100；4.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，300220）

引言

傳統港口企業在發展中遇到建設規劃不夠精細、人力資源成本高、安全風險管控難、運營管理效率低等問題，促進傳統港口向智慧港口轉型升級，智慧港口體系的構建已然成為各港口企業數字化轉型中非常重要的內容。

“智慧港口”這個概念由來已久，系統創建所用的核心技術也從最初的二維GIS 全面升級到三維GIS，并融入地方CIM 級城市管理系統。隨著信息技術的發展，不斷有諸如傾斜攝影測量、激光三維掃描、建筑信息模型（BIM）、物聯網等新技術加入到智慧城市框架之中，推動智慧城市與城市各要素深度融合，作為智慧城市的衍生物，這些新技術的加入也推動著智慧港口的體系迭代。智慧港口以物聯網為核心，通過一系列技術工具，在全生命周期的時間維度上，在完整覆蓋港區范圍的空間維度上，實現多源信息的整合和管理，輔助分析和決策，提升港口各部門的協同配合。

交通運輸部等多部委聯合印發的《智慧航運發展指導意見》中對港口碼頭和航運基礎設施的信息化智能化水平都提出了新的要求，要求推廣建筑信息模型（BIM）技術在港口和航道工程設計、施工、運維等方面的應用，提升港口工程建設安全、效率、質量和經濟性。

贛榆港區作為連云港港口基礎設施建設的重點區域，迫切需要信息化技術解決項目空間規劃和項目建管問題，從項目可研階段的三維場景應用，到設計階段的BIM 應用，再到項目實施階段的精細化管控，最后到工程竣工交付后的智慧運維應用[1]，項目信息在不同階段有不同的表現形式和信息深度，方便各參與方基于共同的平臺開展工作，向上與城市級CIM 平臺對接，向下與施工管理平臺和智慧工地平臺對接，橫向與運維平臺和生產運營平臺對接，形成協同應用環境，為贛榆港區今后的生產運營和基礎設施維護奠定信息化基礎和數字底座。

港口工程項目建設周期緊，建設管理數據繁雜，數字化的管理手段對數據本身的質量也提出了更高的要求。連云港港口自2018 年在工程項目建設中展開BIM 技術應用，大多局限于階段性的BIM應用，BIM 與GIS 的融合深度較低，工程項目工可決策階段很少應用三維可視化技術，缺乏能夠整合各方數據的統一應用平臺。

1 系統總體設計

本文以連云港贛榆港區三維實景智慧港口系統開發為例，提出一種基于BIM-GIS 技術的智慧港口系統構建的思路及總體框架。

1.1 設計思路

BIM（建筑信息模型）的本質是一種滿足設計成果表達效果和具有三維視覺體驗的工程信息數據庫[2]。隨著數字孿生技術（DT）和城市信息模型（CIM）在城市管理中的不斷深入應用，以三維GIS平臺為基礎的多源數據融合優勢愈發明朗，BIM 和GIS 技術的結合將是智慧港口建設的主流方向。

GIS（地理信息系統）本質是一種依托空間基準對具有空間屬性信息的二維三維進行管理的數據庫。三維GIS 可為BIM 在項目整個生命周期的實施提供三維表現的基礎、空間分析的能力以及模型溝通的平臺[3]，BIM 模型作為三維GIS 重要的數據來源，富含微觀信息的BIM 模型能夠和宏觀領域的GIS 信息完美互補[4]。

通過BIM 與三維GIS 的結合，把港口的規劃評估、工程項目管理、基礎設施管理、動態監測的數據資料進行歸集管理，以三維實景智慧港口系統的形式為不同階段、不同需求的決策提供服務。

平臺選型。目前主流GIS 開發平臺有ArcGIS、SuperMap、Skyline、CityMaker 等[5]。各平臺的信息管理功能均滿足要求，主要考慮大場景下的精細BIM 模型、傾斜攝影模型以及激光點云在GIS 平臺的運行效率。綜合考慮平臺性能及建設成本，最終選用Skyline 作為三維實景智慧港口的開發平臺。

BIM 和GIS 的多源數據融合。整合港區的各種數據，數據按類別分類管理，并按照業務需求合理分層，相同類型的要素應按同一圖層組織，依托GIS 系統強大的信息管理能力，以目錄樹的形式分類管理。

三維GIS 數據包括：遙感數據、DEM 數據、無人機航拍正射影像、DSM 數據、傾斜攝影測量模型、三維激光掃描模型。

BIM 模型數據包括：項目全生命周期各階段不同LOD 等級的模型數據[6]。

專題業務數據包括：港口房屋設施、碼頭泊位、岸線、管廊、鐵路、疏港公路、港池、地下管線、航道、堆場、供電、通訊等的矢量圖、規劃數據、建設項目數據、建設項目審批數據、施工數據等靜態數據，還有物聯網傳感器、攝像頭采集的各類動態數據。

平臺構建。基于.NET framework 和Skyline 二次開發，采用C#編程語言，后臺數據庫采用Oracle。

1.2 系統架構

本系統采用COM 和SOA 架構，共分為五層：感知層負責收集港口動態監測信息；基礎設施層負責為平臺提供數據存儲、管理、傳輸的軟硬件基礎；數據層負責各類數據的存儲；服務支撐層提供圖形、流程、搜索、數據交換等工作引擎，承上啟下支撐數據層與業務應用；應用層實現應用邏輯及各類專題功能。如圖1 所示。

圖1 總體架構圖

2 系統功能實現

2.1 基礎功能

平臺在三維環境中添加港口底圖數據和基礎標注數據，便于用戶進行全局查看。為方便用戶系統操作，快速瀏覽興趣點，系統囊括了GIS 系統具備的空間分析功能，包括:搜索、基本的縮放、平移、漫游及旋轉功能，用戶可自由定位并選擇合適的視角進行興趣點查看。

2.2 港口規劃評估

BIM 模型提供規劃建筑物包含內部信息的精細化模型，而GIS 技術重點實現港口規劃模型在大場景、大尺度下的宏觀展現與集成，以及與國土空間規劃的有效銜接。因此，在傳統基于GIS 技術的規劃框架中引入BIM 模型數據，可以更好地處理好不同部門之間的數據傳遞共享問題。

2.3 工程項目管理模塊

依靠傳統的項目管理手段和人力資源使用方式已經無法滿足現實需要和建筑行業信息化發展趨勢的要求。基于GIS 系統所構建的三維可視化的空間信息基礎，給工程項目管理帶來了全新的體驗和組織方式。基于BIM 模型蘊含的大量項目屬性信息資源，可以做到工程進度、物料、人力、資金、安全、質量等一系列多維度信息的高度融合。項目現場的三維實景可視化場景又是“智慧工地”的重要基礎。如圖2 所示。

圖2 項目管理模塊

2.4 基礎設施管理模塊

數字孿生技術可為港口構（建）筑物提供完整的設施設備管理框架，疊加諸如設施設備動態監測信息、設備巡檢維護信息等數據，實現更精細化更智能的動態管理。港口分散的設施設備被分配獨一無二的ID 信息，并納入數字孿生平臺與地理空間信息深度綁定，基于數據中臺的算力，能夠實時監測狀態信息，并對狀態做出判斷，為維護巡檢提供動態指令。

2.5 地下管線綜合管理

連云港贛榆港區仍處于開發建設階段，既有管網存量較少，在建設期中同步積累地下管線數據，既可以省去后期重新做管線探測的巨額投入，又可以為建設項目提供數據支持，從實用性和經濟效益兩個層面考慮，都具有巨大的價值和意義。如圖3所示。

圖3 管線綜合管理模塊

2.6 港區動態監測

通過物聯網和5G 技術鏈接港區現場環境監測設備，可實時查看各種氣象和環境監測指標，如果超過預警值，則自動提醒管理人員進行人工干預。使用環境監測系統，可對港區施工作業區和生產運營區的粉塵、噪聲、溫濕度、可燃和有毒有害氣體濃度進行精準監控，輔助危化品風險識別與響應。通過安裝在設施設備上關鍵節點的傳感器，數據中心可以不間斷獲取設施設備狀態信息，評估設施設備健康度，在達到危險區間時，自動反饋給維保人員，并可以集成維護保養計劃，提醒作業人員按時維護。如圖4 所示。

圖4 動態監測模塊

3 效益分析

1）地形圖測繪及土方量計算：由傳統測量方式轉變為無人機傾斜攝影測量的方式，每平方公里可節約15 萬元。

2）港區航道和港池水深測量：利用三維數字海底地形建模技術和歷史回溯大數據，建立航道和港池回淤分析模型，可以減少航道和港池水深測量的頻率，每年各節約40 萬元和100 萬元。

3）檔案管理：通過孿生平臺強大的數據管理能力，可用于檔案管理工作，每年節省30 萬元。

4）管線管理：在項目建設過程中維護和完善地下管網數據，可為未來節省管線探測的費用，并降低新項目建設中可能的管網破壞風險。

5）地質信息管理：利用零散項目的三維地質信息集成為港區整體的三維地質模型，減少項目前期重復的勘察費用。

6）效率提升：通過三維實景數字孿生平臺做會議匯報，增強了匯報的直觀性和空間量測準確性，節約了匯報時間，大大提高了參會者的認知效率，提升決策科學性。

4 結語

本文論述了基于BIM 和GIS 技術的三維實景智慧港口實現的關鍵技術和建設思路，實現了多源異構數據融合下的各種業務功能[7]。搭建的基于BIM和GIS技術的智慧港口系統為港口管理人員提供了一個三維實景可視化的綜合管控集成平臺，為港口數字化轉型奠定了數字基底，提高了港口規劃管理運營的管理效能。