水利工程運維管理系統的應用

趙亞永 崔航飛 鄭秋靈

摘 要：水利工程管理方式直接影響工程的安全穩定，關系著工程效益的發揮。本文探討了一種水利工程管理系統建設方案，即以BIM和GIS技術為基礎，整合運行管理過程中的多源數據，實現智慧化信息管理。實踐證明，所設計的系統可提高運行管理效率，充分發揮設施設備綜合效益，為水利工程管理提供重要技術支撐。

關鍵詞：水利工程;運維管理系統;BIM技術;GIS技術

中圖分類號：TV91文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0079-03

Abstract： The management mode of water conservancy project directly affects the safety and stability of the project， and is related to the exertion of the project benefits. This paper discussed a construction scheme of water conservancy project management system， which was based on BIM and GIS technology， integrates multi-source data in the process of operation management， and realized intelligent information management. Practice shows that the designed system can improve the efficiency of operation and management， give full play to the comprehensive benefits of facilities and equipment， and provide important technical support for water conservancy project management.

Keywords： water conservancy engineering;operation and maintenance management system;BIM Technology;GIS technology

水利工程在抗旱、防洪和水資源的綜合利用方面發揮著重要作用。隨著信息技術快速發展，運維管理系統在水利工程中的應用逐漸深入，有效促進了信息化管理水平的提升。通常情況下，水利工程中運維管理系統架構主要包括B/S模式和C/S模式。在系統設計階段，系統應滿足對適用性、易維護性和擴展性的要求，同時，應充分合理利用軟硬件資源。在統一平臺框架下，借助BIM技術、GIS技術、三維實景建模技術實現跨平臺多端聯合應用。系統也可與相關信息采集系統共享數據資源，實現工程全要素信息的可視化管理與動態監控。

1 系統架構

1.1 采集和傳輸層

通過已建采集監測站點，實現監控監測信息采集傳輸。結合工程區三維實景模型及設施設備BIM模型，整合各類基礎數據信息，必要時可新建基礎信息采集設備。通過業務內網、控制專網及業務外網，實現信息數據的上傳匯集[1]。

1.2 數據資源層

數據資源層是系統中所有數據信息存儲與管理的邏輯表現，實現對各類數據資源的統一存儲、統一管理，以構成業務應用層的數據資源支撐環境[2]。在充分利用各類監控監測信息的基礎上，結合實際需要，建設基礎數據庫、業務數據庫、監測數據庫、空間數據庫和非結構化數據庫等。

1.3 業務邏輯層

業務邏輯層是一個承上啟下的開放性基礎平臺，利用各類通用性平臺實現不同基礎設施層與應用層之間互通[3]。系統中設施設備三維模型通過BIM軟件平臺構建，三維實景地形模型通過無人機傾斜攝影技術獲取，業務數據則通過工程運維業務系統數據接口和相應自建數據庫獲取。

1.4 用戶層和體系支撐

管理系統的服務對象主要為水利工程運行維護管理人員，用戶層的形式包括瀏覽器和桌面端應用。安全及運維體系為系統建設提供統一的信息安全服務和科學組織管理。標準規范體系是系統設計、建設和運行的相關技術標準，為系統建設提供標準的理論與實踐指導。

整體上，系統的整體架構圖如1所示。

2 系統關鍵技術

2.1 模型分類編碼

數字模型分類編碼是系統建設的關鍵技術之一，制定科學、系統、可擴展、兼容、實用的分類編碼體系是必要的。水利工程涵蓋的設施設備種類多、數量大，在分類編碼過程中，應滿足模型編碼在系統中的唯一性、合理性、適用性、可擴充性和簡明性等特征，保證設施設備BIM模型的有效管理。在具體系統建設中，可依據《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB/T 51269—2017）對模型進行分類編碼，實現模型資源唯一可用，具體編碼可參考圖2。

2.2 模型輕量化

基于無人機航拍的三維實景模型及設施設備BIM模型建立后，模型總裝后數據量大，直接加載會降低顯示效率，甚至造成系統崩潰[4]。為實現模型快速加載、流暢操作及應用，對模型進行輕量化處理是必要的。

依托模型分類及編碼規則，在滿足需求的條件下，實現不同層級對應模型精度的轉換，避免無價值模型重復構建。基于便捷高效的WEBGL輕量化平臺，采用圖元合并、模型文件壓縮算法、幾何對象構件對象化和分級加載等手段進行處理[5]。數據轉換技術應在不丟失模型信息的前提下，實現實景模型和BIM實體模型的輕量化處理，保證模型應用的高效性。

2.3 BIM+GIS

三維GIS可為BIM模型提供各種空間查詢及分析等功能。對于GIS技術，BIM模型是管理數據的基礎，實現對建筑構件的精細化管理。三維GIS技術可以實現地理信息展示，對于工程地下部分及建筑物內部信息，需要借助于BIM技術。通過將BIM與GIS融合，可充分發揮BIM和GIS技術各自的優勢。

通過數據格式交換，在數據對接層面將BIM模型導入三維GIS平臺，以關鍵字段為媒介確保模型與屬性之間的關聯，實現從BIM軟件到三維GIS平臺無縫對接和無損集成，工程空間位置與內容的緊密融合;實現工程空間維度中大與小、管理維度中概與細的有機結合，滿足全方位服務工程管理的需要[6]。

2.4 場景交互

系統采用輕量化技術、BIM實例化技術、LOD技術和瓦片技術減少三維場景實時瀏覽數據流量，提高交互流暢度;通過高畫質渲染和烘焙技術，對BIM模型進行燈光、材質設置后，進行渲染和烘焙，從而輸出高畫質單體三維模型;通過在場景中添加天空背景、光照和陰影、配景樹等提升整體三維場景畫質[7]。

由于三維場景模型量龐大，系統將通過“模型目錄樹+圖層”的方式對三維模型進行有序組織和管理。對于單體三維模型，綜合采用實景模式、半透明模式、線框模式等多種方式進行模型交互，采用模型剖切、視圖剖切、模型定位等多種技術實現對模型的細節展示。

2.5 數據整合

對現有系統進行深入調研，梳理現有系統數據接口方式及存儲形式，根據數據管理需求，對每個系統進行數據管理與整合。數據管理與整合內容包含元數據整合、數據質量管理、數據交換處理和數據安全管理等。通過數據整合，能實現不同系統數據的可知可用，完善基礎數據信息，提升數據質量，實現數據共享，保證現有系統的接入和集成。

水利工程中，各類監測設備產生的數據量巨大、數據格式不統一、存儲結構不一致，并且缺少數據的統一交換機制，導致數據利用率較低，加之空間地理信息、遙感信息、管理信息等數量大，因此，加強數據有效集成十分必要。針對工程中多源異構數據的特點，建立數據資源目錄，采用多源異構數據集成技術，以大數據分析與挖掘技術為核心，利用標簽技術、非結構化數據庫技術、數據總線技術，實現多源異構數據協同管理、高速緩存、匯聚存儲以及分析挖掘。

2.6 系統安全

在數據接入方面，針對系統接入和集成需求，詳細梳理所需集成和接入的數據列表清單，通過建設中間數據庫的形式存儲和管理必要數據，避免直接讀取原有系統數據庫，保證原有系統數據安全[8]。新建數據依托現有安全體系和技術，包含防火墻、網閘、漏洞掃描等技術，并在系統平臺設計時，采用成熟的平臺架構，對信息傳輸進行加密處理，確保數據及系統安全，具體系統防護流程圖如圖3所示。

2.7 數據存儲

水利工程中的監控檢測設備種類多、數據量大，因此，要利用非結構化存儲技術，研究實現多源異構數據匯聚存儲、高速緩存、協同管理，解決海量數據環境下存儲效率低及不同平臺間數據格式差異大的問題，以從大數據中提取有價值的信息，為水利工程運維管理系統提供高效的數據支撐。

3 結語

為保證水利工程安全穩定運行，充分發揮工程效益，本文探討了集成性水利工程管理系統的建設思路。該系統以BIM和GIS技術為基礎，融合了多源管理數據，實現了水利工程數字化運維管理。實踐證明，所研究的系統可降低運行維護成本，有利于充分發揮設施設備綜合效益，有效提升水利工程信息化管理水平。

參考文獻：

[1]高英.“BIM+”跨界應用開拓智慧水利[J].水利規劃與設計，2017（9）：154-157.

[2]陳功軍，張金輝，高英.實施水利工程三維協同設計的探索[J].人民長江，2013（16）：105-108.

[3]皇甫澤華，史亞軍，張玉明，等.大型水庫工程建設期管理系統設計與應用[J].人民黃河，2019（2）：111-114，118.

[4]唐鴻儒，趙林章，錢福軍，等.水利工程管理數據和流程規范研究[J].水利信息化，2019（1）：25-30.

[5]張睿，秦書霞.探究水利管理信息化建設[J].河南科技，2013（17）：257.

[6]鄭振浩，王金龍.基于標準化管理的水利工程運行管理系統建設研究[J].浙江水利科技，2019（2）：79-81.

[7]孫琳.北京市南水北調配套工程信息分類編碼研究[C]//中國水利學會.中國水利學會2015學術年會論文集（下冊）.2015.

[8]傅蜀燕，趙志勇，楊碩文，等.基于三維BIM+WebGIS技術的區域數字水庫構建[J].長江科學院院報，2018（4）：134-136，142.