BIM+GIS+IOT管理平臺主要應用功能研究

王滎桂

（上海寶冶集團有限公司建筑設計研究院，上海 200941）

0 引言

隨著BIM與GIS技術的日漸成熟，逐漸出現采用BIM+GIS技術的平臺。利用BIM+GIS的三維特性，可方便項目建設過程中的可視化管理。結合IOT設備的使用，通過對模型的融合和數據對接，實現項目宏觀和微觀兩方面的管理需求。

1 平臺系統現狀

1）目前建筑物信息模型（BIM）已廣泛應用于工程建設中，通過數字化建模方式將各專業工程生成三維工程模型，模型包含必要的工程數據。將專業圖紙可視化后可進行直觀的模型展示和實際應用。BIM模型展示能力偏向項目本身，所用軟件展示空間小，對工程項目周圍的地形數據無法有效承載分析及展示。

2）地理信息系統（GIS）以測繪、測量為基礎，該系統設計用來支持空間數據采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。因其展示數據宏觀，所以無法創建精細化、信息精確的建筑模型。

3）物聯網（IOT）是指通過各種裝置與技術，實時采集需要監控、連接、互動的物體和過程，將物與物、物與人通過網絡相關聯，實現所有物體相互聯網的一個系統概念。隨著5G新一代蜂窩移動通信技術的演進升級，其三大應用場景包括：增強移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、大規模機器類通信（massive machine type communications，mMTC）和超高可靠低時延通信（ultra-reliable and low latency communs，uRLLC），后兩項都將助力實現“萬物互聯”。

建筑信息模型（BIM）和地理信息系統（GIS）均為工程建設行業如今常用的信息技術。將BIM、GIS、IOT技術進行結合使用，可解決宏觀和微觀數據同時展示的實際需求，提升工程可視化所展現信息的廣度及豐富程度。

2 關鍵技術分析

2.1 GIS

地理信息系統即GIS（geographic information system），用來支持空間數據采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。其技術在近年內取得很大的發展，主要應用于商業金融、資源調查、災害預測、城市規劃、有點通信、交通運輸、國土管理、軍事公安、水利水電、公共設施管理、環境評估、農林牧業、統計等領域。

GIS技術主要具備數據管理及挖掘、大數據可視化、空間分析、地圖可視化表達等多種應用。其模型大部分為表面模型，只有外部輪廓信息。結合GIS信息數據后可進行宏觀層面的數據分析及展示。

2.2 WebGL輕量化模型

在BIM數據導入GIS系統時，需進行不同程度的輕量化處理。當前主流使用WebGL技術進行模型輕量化處理。

WebGL（web graphics library）是一項在瀏覽器體現3D畫面的技術。其工作原理實際上就是遍歷每一個像素點，然后給各像素點填充顏色，借助計算機硬件3D加速渲染，然后構成一幅讓使用者通過瀏覽器可流暢瀏覽的3D場景及模型。

一個合適的架構選型將提高今后平臺的使用效率，WebGL 3D引擎的選型由今后使用場景決定。當前主流架構分B/S架構（瀏覽器和服務器架構模式）和C/S架構（服務器-客戶端架構模式）。WebGL是網頁3D必須要用到的技術，而客戶端應用OpenGL。

B/S架構采用Three.js，是基于原生WebGL封裝運行的三維引擎，其程序結構包含模型幾何體信息、材質、光照的顏色和分類（環境光、點光源、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，則對使用環境的網速帶寬要求高。

C/S架構采用OpenGL，是用于渲染2D、3D矢量圖形的應用程序編程接口（API）。OpenGL非常依賴廠商提供的硬件，由顯示設備廠商提供，即對計算機顯卡有基本要求，平時辦公用計算機基本可以滿足要求。

2.3 攝影測量+LIDAR系統

通過遙感測量技術可實現模型的快速更新。

1）低空攝影測量系統的應用 利用無人機上的攝像機進行拍攝，根據拍攝出來的照片進行測繪工作并生成三維模型，再添加已有的數據資料，建立三維空間。該系統對無人機搭載的攝像機有較高的分辨率要求。

2）傾斜攝影測量的應用 傾斜攝影測量技術是一種將遙感技術、空間技術及信息技術等有機結合起來的測繪技術。通過無人機采集數據，對在空中拍攝時的照片空間位置和角度姿態進行記錄。由于航測系統飛行高度較低，可獲取地面高質量的多角度影像。經處理后生成密集點云模型，借助ContextCapture軟件，在POS數據和地面GPS-RTK采集控制點數據等技術的基礎上，對不規則三角網進行重新構建，實現被掃描物體的三維模型創建。

3）LIDAR系統的應用 集激光，全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）3種技術于一體，通過使用傳感設備對激光波段進行分析，計算激光會波信息，采取有效的方法獲得點云數據并生成精確的數字化三維模型。

2.4 5G+物聯網

近幾年，物聯網技術得到迅速發展與廣泛應用，利用物聯網技術可實現對數據信息的及時有效處理。

5G是新一代蜂窩移動通信技術，分為三大應用場景：eMBB、mMTC、uRLLC。面對不同應用場景有針對性地部署無線網絡架構，助力做大做強移動物聯網。

eMBB為增強型移動寬帶，部署方式為密集布置，需通過更大帶寬及提升基帶速率實現。mMTC為大規模機器類通信，是在NB-IOT基礎上演進，針對低時延高可靠場景，無線網可采用本地化網絡布置架構。uRLLC為超高可靠低時延通信，針對低功耗大連接場景。

工程項目平臺針對建設項目特點，宜采取mMTC模式。mMTC屬于低速率傳輸，因其可擴展性好，帶寬靈活，使其具有低功耗、大量連接的特點，填補了傳統技術無法海量連接技術的不足，可用于至少10萬用戶數量的大規模數據采集。其中窄帶物聯網（NB-IOT）因其信號更強，在mMTC 中用于遠距離傳輸，大幅提升了設備對場景的覆蓋能力，同時又因為抄底的功耗和間歇性啟動的工作原理，使其待機時長最長可達10年。

2.4.1 定位技術

針對室內定位場景，由于無線電信號在遇到障礙物（如墻壁等）會發生大幅衰減和散射，無法提供準確的定位信息，此時需要有針對性地選用適用于室內環境的定位技術完成精確定位，如無線局域網（WLAN）、藍牙、紫蜂（ZigBee）、蜂窩網絡等技術。

1）無線局域網 無線局域網（WLAN）定位技術是應用最廣泛的室內技術，部署時無需添加額外設備，而且定位精度高可滿足絕大部分使用要求，性價比高。采用RSSI距離交匯定位法（復雜環境下信號衰減嚴重）和基于RSSI指紋定位法（定位精度極度依賴于校準點密度）。目前常用的WLAN室內定位系統主要使用基于RSSI的距離交匯定位法，能實現1～3m的定位精度。

2）藍牙 藍牙定位系統穩定性差且易受到干擾，主要與無線局域網（WLAN）用于室內定位。施工現場通過安全帽對人員位置進行定位就是基于此技術。通過安全帽內加裝藍牙模塊，在施工現場位置設置藍牙感應設備，當藍牙模塊靠近感應設備時，藍牙模塊更新定位信息并發送至管控平臺。定位精度近距離可達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，使用時通過增加ZigBee的節點密度，完成定位需求。其定位精度可達1.5m。人員現場巡檢可在關鍵位置設置ZigBee節點，通過現場人員在指定位置進行簽到，該地點部署的ZigBee節點會記錄所檢測到打卡的位置和時間，并實時傳回數據后臺，從而實現管理現場人員的巡檢工作。

4）蜂窩網絡 主要依靠手機進行定位，通過測量用戶手機與多個基站的距離實現，其精度可達2～4m。

2.4.2 基于NB-IOT的火災報警

1）煙霧感應器 除具有一般煙霧感應功能外，還在內部加裝了NB-IOT無線通信模塊。IOT終端不同于手機，其絕大部分時間處于休眠狀態，按天或周間斷上報信息，上報完成后繼續休眠。不隨時監聽網絡，當觸發聲光報警的同時，報警信息也會同步發送至監控終端，同時還能與其他智能消防器材進行聯動配合使用。

2）智能消火栓 在智能消火栓出現異常情況時，其內置的監測水壓傳感器和NB-IOT模塊監測到異常數據，隨即觸發報警機制，及時提醒使用人員和維護人員。

3）“火眼”可視圖像早期火災報警系統 該系統采用先進的視頻圖像分析技術，無需更換現有攝像頭，只需在安防系統局域網下接入“火眼”軟件即可實現可視圖像早期火災報警，可在極短時間內準確發現火災早期情況，同時發出報警信號，防患于未然。

4）物聯網電氣火災預警云監控 通過及時采集加裝IOT模塊的智能消防器材數據，并上報IOT云監控平臺，實現對建筑內供電系統隱患的全天候監控。

2.4.3 電梯

電梯的應用主要體現在設備的“可視化管理”“按需維保”“安全事故應急指揮”3個方面。

利用GIS技術展現電梯在宏觀上的具體位置信息，利用BIM技術將現實中的結構、電梯構造、墻體、門窗和裝修等信息數字化展現，方便在電梯出現故障時發出故障報警信息。

平時電梯運行正常，采用NB-IOT短鏈接方式，終端的NB-IOT模組長期保持休眠狀態直到獲取電梯故障信號，NB-IOT模組喚醒并將故障信息（電梯故障代碼）發送到云平臺。之后終端將持續保持連接狀態，持續反饋故障信息到云平臺，直到工作人員完成維修工作，結束連接狀態。當電梯處于檢修、停電狀態也會通知平臺。

此外，NB-IOT具有強穿透的特點，可在網絡不良的特定場景中進行部署。又因其工作原理為短鏈接方式，可持續更長的供電時間，從而可為停電狀態下的電梯進行異常監控。

2.5 監控運維

BIM和GIS應用的均為靜態數據，平臺系統接入物聯網數據后，同時通過對獲取到的傳感器數據進行實時展示，可直觀生動地呈現物聯網數據，實現對項目的監控運維，并對發生危險情況進行預警提示，例如：攝像頭通過添加AI算法，發現人員未佩戴安全帽、未穿反光背心及進入危險區域、塔式起重機吊鉤下方有碰撞危險等，將預警信息及定位信息反饋在平臺上。日常監測數據的及時展示包括水文數據、氣象數據等。

3 結語

如今，建設項目管理需引入更多技術和應用，其中BIM、GIS、IOT技本的應用和融合使各類信息實現交互操作，同時提升了系統應用的深度和廣度，包括建筑改造、數字防災等領域。盡管BIM+GIS+IOT的應用過程中會有很多挑戰，但隨著技術進步，軟硬件的不斷迭代升級，BIM+GIS+IOT管理平臺將不斷推動建設項目在建設、管理、運維全生命周期的進步。