基于BIM 的數字綜合管理系統在穿黃工程運維中的應用

高 英，趙亞永，屈志剛，崔航飛，薛向華

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）是以三維圖形為基礎的數字化信息集成技術，采用數字信息仿真模型可以模擬建筑物的真實信息，具有可視化、協調性、優化性等特點，在基礎工程建設領域中得到了大力推廣應用［1－2］。 在水利工程行業中［3－4］，BIM 技術應用主要集中在項目設計階段［5－8］和施工階段［9－11］，在運維管理階段相對較少［12－13］。 然而，通常情況下水利工程運維管理階段的時間跨度占全生命周期的比重最大，管理工作中所涉及的信息最為龐雜。 鑒于BIM 技術在信息整合方面具有獨特優勢，可將其作為運維管理效率提升的重要技術手段。

穿黃工程位于河南省滎陽市，是南水北調中線的關鍵性工程之一，輸水線路總長約19.3 km，設計流量265 m3／s，加大流量320 m3／s。 目前，穿黃工程運維涉及10 余種業務管理系統，各系統之間基本獨立，信息繁雜共享難，運行管理難度大。 筆者開發了一種基于BIM 的數字綜合管理系統，在形象展示工程全貌的基礎上實現多專業信息的集成，為管理決策提供多方位的信息支撐，以全面提升穿黃工程數字化管理水平。

2 基于BIM 的數字綜合管理系統整體架構

基于B／S 架構的水利工程管理系統跨平臺性能良好，系統部署和應用較為便捷；基于C／S 架構的系統可充分利用計算機硬件資源渲染場景，在三維場景展示方面具有明顯優勢。 為充分發揮2 種架構的優勢，采用二者相結合的方式研發了基于BIM 的數字綜合管理系統。 該系統整體架構主要分為數據庫、應用層和客戶層（見圖1），其中：數據庫主要實現數據的存儲和傳輸，包含采集層、存儲層和訪問層；應用層主要實現業務邏輯的處理，包含基礎服務層、業務邏輯和控制層；客戶層主要實現數據的展示和交互，通過瀏覽器和桌面端執行。

圖1 基于BIM 的數字綜合管理系統整體架構

該系統融合了三維實景模型和多專業BIM 模型，可實現工程區的三維全景展示和動態交互展示。 具體地，通過將工程屬性信息與對應的BIM 模型掛接，可以實現設施設備的展示和屬性查詢；通過數據接口方式獲取閘站監控、視頻監控、消防監控、安全監測等數據并與響應三維模型進行結合，可以形象直觀地展示監控監測數據及預警預報信息；通過結構化數據存儲和網絡通信等技術對用戶管理、文檔管理、物資管理等業務數據進行綜合管理和傳輸分發，可以實現業務流程的標準化和數字化。

3 系統構建

3.1 BIM 模型構建

系統中BIM 模型構建通過三維BIM 設計軟件完成，主要包括土建、電氣、金屬結構、水力機械等模型。土建模型依據工程竣工圖紙進行構建，電氣、金屬結構和水力機械模型依據設備參數及工程現場圖像資料進行構建。 模型構建完成后，首先運用紋理重映射技術對各專業模型進行處理，添加相應光照信息以增強模型的視覺效果；之后根據《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB／T 51269—2017）對各專業模型進行分類編碼，使用簡單的模型編碼可以方便查找各專業的相關屬性信息；最后以FBX 或OBJ 等通用數據格式將各專業模型導出并將其作為系統的基礎數據。

3.2 實景模型構建

依據無人機航拍數據可以直接生成實景模型數據，進而真實直觀地展現工程區的地形地貌情況。 然而，穿黃管理系統中實景模型的區域面積約25 km2，生成的實景模型數據量較大，造成系統負載急劇增加。此外，實景模型中包含建筑結構外形相關數據，若直接將其與構建的BIM 模型進行融合，會導致部分數據出現重疊現象，從而無法實現BIM 模型與實景模型數據的直接轉換。 筆者通過對計算所得數字高程模型（DEM）進行抽析，將其與正射影像重新結合生成輕量化地形模型，對冗余的實景模型數據進行裁剪，不僅可以使模型保持原有基本性能，還可以簡化網格信息、減少系統負載，進一步提高系統運行的流暢度和穩定性。

3.3 數據安全防護

采用以下4 種安全機制確保系統數據安全：①在身份驗證與準入方面，登錄系統時采用密碼和驗證碼方式進行身份驗證，繼續訪問關鍵業務數據時系統啟用加密token 機制進行二次驗證。 ②在用戶管理與授權方面，設置管理員身份對用戶信息進行統一管理，同時對用戶進行分類，運用分權分域方式對用戶權限進行管理。 ③在安全存儲方面，采用雙機熱備和磁盤陣列技術實現容錯，快速響應控制權交接，同時對各業務模塊進行隔離，可以實現數據解耦，保障了系統的可用性和可靠性。 ④在數據傳輸方面，對用戶訪問行為建立日志檔案并定期進行審查。

4 系統應用

4.1 可視化交互展示

實景模型包含南岸明渠段、邙山隧洞段、過河隧洞段和北岸明渠段，為便于場景的整體展示，在系統中設計了旋轉、縮放、平移、飛行漫游等功能。 對于多專業BIM 模型，為便于設施設備的展示和屬性查詢，在系統中設計了隔離、獨立顯示、透明選項、第一人稱漫游等功能。 桌面端系統中場景和設施設備展示效果見圖2。

圖2 桌面端系統的場景和設施設備展示頁面

4.2 模型實時驅動

穿黃工程中閘門開度是調節流量和水位的控制性參數，直接影響南水北調中線工程的供水量。 為實現水情信息的及時更新，在系統中加入了一種實時參數驅動模型，具體驅動流程為：將閘控狀態數據和水情數據定時更新至閘站監控數據庫；系統以指定的時間間隔向閘站監控服務端發送時間參數；服務端對請求進行驗證以保證數據安全；數據驗證通過后服務端再將指定時間段的閘控狀態數據和水情數據返回給系統；系統客戶端獲取數據后對數據進行解析并轉換為模型所需轉動弧度參數，通過閘門開度和轉動弧度關系更新閘控模型和水情信息。

4.3 信息查詢管理

系統整合了設施設備信息、消防等多源數據，通過瀏覽器或桌面端系統均可實現相關信息的快速查詢。其中瀏覽器系統表達直觀高效，更適合業務流程和信息管理；桌面端系統渲染效率高，更適合大數量設施設備模型條件下的信息查詢。 以消防數據展示為例，桌面端系統的展示效果見圖3。

圖3 桌面端系統的消防數據展示頁面

4.4 監測預警預報

系統集成了視頻監控、安全監測等監控監測數據，可實現對應信息的預警預報。 視頻監控模塊主要實現監控畫面的調取、捕捉、監視等，消防監控模塊主要實現設施設備運行狀態的預警等，安全監測模塊主要實現監測數據的查詢、預警、分析等。

安全監測模塊涉及滲壓計、鋼筋計、測縫計、應變計、測力計和土壓力計等大量監測儀器，監測項目多、測點分布廣、可視化程度低，對監測數據的查詢、分析和處理不易［14－15］，結合BIM 模型的安全監測模塊可實現監測點空間位置的快速定位和監測數據的實時分析展示，展示效果見圖4。

圖4 系統安全監測信息預報頁面

5 結語

筆者研發了B／S 和C／S 架構相結合的穿黃工程數字綜合管理系統，以三維實景模型和多專業BIM 模型為基礎，融合多源異構數據，直觀形象地展示了工程全貌，實現了多專業、多業務數據的查詢功能，可為水利工程運行管理決策提供多方位信息支撐，以期提升穿黃工程管理的現代化和智能化水平。