大型水庫工程建設期管理系統設計與應用

皇甫澤華 史亞軍 張玉明 王新民 張賽

摘要：大型水庫工程建設期具有參建單位多，涉及人員及專業多，建設期間產生的資料價值高等特點，但目前其信息化程度相比運行期有較大差距。為了提高大型水庫工程在建設期的信息化管理水平，高效管理工程積累的資料及數據，結合當前先進的BIM技術、GIS技術、Web技術、移動應用、通信及計算機網絡技術等建設大型水庫工程建設期管理系統，用信息化手段全面掌握建設期信息，提高水庫建設期管理水平。將管理系統應用于前坪水庫工程，各參建單位在建設信息管理中不僅降低了時間成本，而且參建各方的工作交流更加直觀、方便。該大型水庫工程建設期管理系統成功解決了工程建設期存在的質量、進度、投資等管理手段落后、信息查詢困難等問題，取得了顯著效果。

關鍵詞：BIM技術;信息化管理系統;土石壩;工程建設期;GIS技術

中圖分類號：TP697;TP311

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.023

水庫作為水利工程完整體系中一個重要組成部分，在發電、灌溉、供水、防洪、水生態環境等方面發揮著重要作用，同時關系到廣大下游人民的生命財產安全和經濟的可持續發展[1].水庫信息化技術經過多年發展已大量應用于水庫工程[2]。目前，國內外對水利信息化的探索[3-7]及存在的問題主要集中在以下方面：①國內外一些水庫工程在運行期進行了信息化建設[8-9]，但鮮有水庫工程自工程建設期就運用信息化手段進行建設管理。②實現了水利工程信息化具體業務功能建設[10-12]，但僅限于水利工程的具體業務功能，還沒有充分利用信息技術的優勢[13-15]，如建立水庫洪水預報調度系統[16-17]。③基于C/S模式的信息化建設。這類水利信息化建設缺少便利性，每臺需要訪問該信息化系統的終端均需要安裝客戶端。如文獻[18]基于C/S的水庫群信息管理系統等。很多水庫工程信息化技術較單一，沒有采用最新的Web、GIS及BIM技術等[19-22]，因此自建設期將新興技術多種應用需求通過一個統一的信息化管理平臺進行實現，是提升水庫管理信息化、現代化和科學化發展的必然方向[23]，即有必要建立利用信息化手段及技術搭建滿足業務發展需要的資源共享、協同設計和協同管理的管理體系。信息化管理的意義：①提高參建各方溝通、協調的效率：②為類似工程建設提供更友好的資源交流方式。信息化管理的目的：①降低工程建設管理的成本;②提升管理質量與效率;③加大信息的利用與分享。本文采用現代高新技術革新水利監控、監測體系和管理手段，以前坪水庫工程建設為例，利用Web技術、通信及計算機網絡技術、GIS技術等，建立前坪水庫工程信息化建設期管理系統，實現對前坪水庫建設期的全業務信息化管理，并隨著工程建設逐步演變為水庫運行期管理系統，貫穿前坪水庫的全生命周期。

1 系統設計

前坪水庫建設期視頻監控系統可在建設期對水庫主要建筑物和重要施工過程進行實時監控，且施工完畢后監控設備可根據建設管理單位需要應用于運行期監控，做到永臨結合、遠近結合、建管結合。

1.1 建設目標

（1）實現覆蓋全面的基礎設施體系建設。包含前端監測感知、會商中心、機房及配套軟硬件等，為業務應用平臺提供基礎數據及硬件環境支撐，為水庫管理局實現“一屏看水庫”的目標做基礎準備。

（2）建設水庫建設期管理信息系統平臺，統籌工程建設期間的進度、質量、安全管理、防洪度汛等重要信息。

（3）推進互聯網+水利。廣泛采用高新技術進行前坪水庫建設期管理信息系統建設，形成水庫獨特的業務應用技術體系，提升水庫工程建設期管理的效率與水平。

1.2 邏輯框架

（1）采集傳輸層。通過智能傳感器，實現水文、視頻監控等信息采集，并輔助人工填報以及相關系統接人，全方位采集各類涉水基礎信息。

（2）網絡通信層。網絡通信層提供了通過不同方式采集的數據上傳匯集的網絡環境。主要包括有線和無線傳輸方式，無線傳輸有GPRS、WLAN等，有線方式包括水利專網和公共互聯網通信方式。

（3）數據資源層。數據資源層是系統中所需的所有基礎數據信息存儲和管理的邏輯表現，可實現對各類基礎數據資源的統一分類存儲和管理，為業務應用程序服務層提供數據支持環境。

（4）應用支持層。應用程序支持層利用各種通用平臺，實現不同基礎架構層和應用程序層之間的互通。

（5）業務應用層?；趲靺^地理信息服務構建了前坪水庫建設信息管理系統。

（6）用戶層。涵蓋前坪水庫管理局、建設期參建各方及河南省水利廳。

（7）安全及運行維護體系。運行維護管理系統提供了科學有效的、集成了組織及流程的IT管理技術。

（8）標準規范體系。標準規范體系是系統設計、建設和運行的相關技術標準。

1.3 數據庫建設

數據庫作為數據支持層，是水庫信息服務的信息源頭和基礎，通過對現有水雨情信息、工情、視頻監控信息以及其他資料信息等進行收集、整合與完善，建設實用、可靠、先進、標準、兼容的水庫綜合數據庫，滿足水庫信息服務要求。部分數據庫如下：①基礎數據庫，主要包括工程與設施對象等數據，如水文測站基本信息、水庫基本情況等;②業務數據庫，主要包括工程建設管理業務、防汛抗旱預案管理等數據，如審批信息、招標投標信息、雨情信息及水情信息等;③監測數據庫，主要包括測站設備等數據，如傳感器信息等;④其他數據庫，主要包括空間數據庫及非結構化數據庫等。

1.4 建設期管理系統

系統主要分為技術資料管理、電子沙盤、建設信息、進度及投資管理、質量管理、安全管理、防洪度汛、系統管理等若干個模塊，其中部分模塊數據為一次性錄入，部分模塊數據為階段性錄入。

（1）電子沙盤。二維沙盤模塊采用0.5 m精度的河南省遙感影像底圖通過GIS軟件添加一定的圖層信息發布至Web端，附加信息包括水庫工程簡介、流域概況、水雨情信息、移民征地、主要建筑物布置及工程料場布置。

三維沙盤功能主要展示前坪水庫完建后整個工程全貌，通過三維設計軟件構建各主要建筑物的三維模型，疊加壩址區三維地理模型，整體導出中間格式至三維引擎，經二次開發發布至Web端。還可以通過點擊不同的建筑物來查詢主要設計信息，如圖1所示。

（2）視頻監控。視頻監控模塊用于實時監控現場施工情況，具有實時預覽、實時錄制、回放、視頻圖像多方位瀏覽、放大縮小等功能。視頻監控模塊界面見圖2。

（3）進度及投資。為使參建各方定期掌握各施工標段進度及投資情況，施工單位以月為單位按招標工程量清單格式定期上傳該月完成的工程量。工程進度及投資情況以表格及橫道圖顯示各標段投資及進度。工程某標段的進度及投資情況橫道圖見圖3。

（4）質量管理。質量管理模塊主要由質量體系、質量評定和質量管理活動組成。每個標段的質量評定可以在線填報。

（5）安全管理。安全管理模塊提供現行有關施工安全的法律、法規在線瀏覽、查詢、打印及搜索功能;將水庫各主要建筑物各監測斷面安全監測儀器布置在BIM模型上，通過定期在線填寫各監測儀器數據，提供在線查詢、趨勢分析及對比分析等，見圖4。

（6）防洪度汛。防洪度汛模塊目標是基于水庫控制流域實時的雨水情信息，預報壩址處人流過程及其特征信息，以此作為防洪度汛決策的依據。產流模型采用P-Pa-R模型，匯流模型采用經驗單位線。圖5為2016年8月1-3日前坪水庫的洪水預報。

（7）微信服務號。微信服務號是前坪水庫建設期綜合信息管理平臺的創新內容，用戶可以用微信查看和管理工程建設情況。

（8）其他模塊。其他模塊包括平臺首頁綜合信息查詢，平臺各模塊主要內容的宏觀展示，各參建單位建設信息文檔資料管理，系統管理其余各功能模塊的編輯、用戶錄入、用戶資料修改、權限分配、上傳進度及投資標準工程量清單模板、上傳控件等內容。

2 系統關鍵技術

2.1 基于組件的三層/多層應用程序軟件體系結構

建設期管理系統軟件體系結構使用基于組件的三層/多層應用程序體系結構。從系統結構來看，它分為客戶端表示層、應用服務層和數據服務層3個獨立的層。重要業務的對象化是保證系統可繼承性的重要保證。

2.2 WebOS技術

前坪水庫信息化綜合管理系統建設涉及的業務模塊較多，類型多樣，不便于統一管理，并且不同的用戶根據自身業務范圍的不同往往只需要關注自身業務相關的功能子系統，要求系統具有按需定制服務的功能。因此，采用WebOS技術構建整個水庫安全監控平臺，通過瀏覽器方式“一站式”管理各個子系統，實現各類業務系統的無限擴展集成、按需個性化定制、便捷應用管理，為水庫管理人員創建便捷的電子化辦公環境等。2.3 基于HTML5的多終端支持技術

該系統同時根據計算機技術發展趨勢，采用最新的HTML5開發標準進行設計和架構，在未來較長時間內可保持技術的先進性。系統支持多設備、跨平臺，可通過PC、平板電腦、智能手機等設備訪問，方便移動辦公，同時適用于所有最新的操作系統平臺，包括Windows 8、Mac OS、Linux等。

2.4 組件開發技術

組件（ Component）是對數據和方法的簡單封裝，為應用程序、操作系統和其他組件提供服務。開發自定義的組件即開發動態的、低耦合的、面向對象的API。可以將多個組件鏈接在一起形成應用程序模型或組件系統，并且可以在運行時刪除或替換組件而無需重新鏈接或編譯。

2.5 微信公眾平臺技術

微信公眾平臺是運營者通過公眾號為微信用戶提供資訊和服務的平臺。該系統把前坪水庫工程建設期參建各方關心的業務場景，通過微信公眾平臺技術開發為服務號，為用戶提供更便捷的管理方式。開發流程見圖6。

2.6 BIM技術

該系統把前坪水庫工程建設過程中的工程信息和資源集成到三維模型中，各參建單位可通過操控模型實現資源信息的查詢與管理：將水庫各主要建筑物各監測斷面安全監測儀器布置在三維模型上，通過定期維護各監測儀器數據，提供在線查詢、趨勢分析及對比分析等。

3 系統應用情況

前坪水庫位于淮河流域，是我國“十三五”期間172個節水和供水重點工程之一，總庫容5.84億m，控制流域面積1 325 km，水庫工程總建設周期為60個月。前坪水庫工程具有規模大、投資大、工期長、參建單位數量多等特點，應用該系統后，各參建單位在建設信息管理中時間成本降低了5%～ 10%，領導對工程建設信息的管理更直觀、方便，參建各方通過在統一的平臺上溝通、協調，工作效率高且規范，綜合提高了水庫工程建設的信息化管理水平。前坪水庫應用建設期管理系統前、后對比見表l。

4 結語

在水利行業信息化建設的新形勢下，河南省前坪水庫工程被列為國家重點水利項目。在工程建設過程中，有效地管理建設過程中的每一步是保證工程順利進行的關鍵。如何實時對施工進度、質量以及安全等相關信息進行宏觀把控，對于保障工程建設順利進行具有重要的意義。水庫工程建設期管理系統采用HT-ML5技術支持多終端使用，微信公眾平臺技術實現了工作交流和建設信息實時監管，BIM技術實現了建設信息統一化管理等。主要解決了工程建設期存在的質量、進度、投資管理手段相對落后、信息查詢困難等問題。用信息化手段全面掌握建設期信息，不僅提高了水庫建設期管理水平，而且為工程運行維護期管理積累了數據，可供其他類似工程借鑒和參考。不足在于還沒有對管理系統的APP版本進行開發，接下來需要繼續研發APP版本。

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