基于BIM模型的水利灌區用水信息集成管理系統

楊立疆

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利灌區承擔著大量的用水任務，而由于各個灌區基本情況、影響因素、用水目標以及灌溉工藝等的不同，會產生大量的差異性數據，因此對不同水利灌區內的用水信息、同一灌區內的用水信息進行集成管理，成為目前水利灌溉工作的重點[1]。因此，根據文獻[2]和文獻[3]的研究內容，傳統系統利用數據挖掘算法和決策樹算法，設計一個信息控制模型，以此獲取水利灌區用水信息，實現對信息的集成管理[2-3]。但通過大量的實驗測試結果發現，兩組傳統信息集成管理系統的應用效果并不理想。因此，本文研究基于BIM模型的水利灌區用水信息集成管理系統。近年來，數字化技術、3D技術成為各個研究領域中備受追捧的一項技術，通過數字化和3D顯示技術，模擬不同領域內的物品、建筑等實體結構模型，以此加強數據整體的完整度，為系統的實用性與可靠性提供了更強大的技術支持[4]。

1 設計水利灌區用水信息集成管理系統硬件

1.1 設計萬兆交換機XAUI接口

交換機為各個接入節點提供獨享的通路，而交換機是由集線器發展而來，可以無損放大線路上存在損耗的信號，然后將這些數據發送到各個模塊的端口，智能地輔助系統分析數據包中包含的信息內容。但傳統系統中的集線器僅為一臺，進行數據傳輸時需要給所有與該設備連接的主機發送信號，導致網絡的負擔變得極為沉重，從而影響系統對海量數據的傳輸[5]。因此，按照IEEE 802.3的標準，對物理層進行重新定義：首先在媒體相關接口MDI處，進行機械和電氣標準規范處理；其次在物理媒體相關PMD子層，對傳輸媒體之間的接口進行規范；然后在物理媒體附加PMA子層，對發送與接收、定時恢復與相位對準等參數進行重新定義；同時在物理編碼PCS子層進行物理編碼，將數據比特編碼進行轉換；最后在協調子層RS中，調整信號映射功能。選擇一個萬兆交換機，將新定義的協議投入使用，該協議重新規定了各個接口的使用功能。將交換機與兩個千兆網口連接，通過SGMII和RGMII接口，將兩個PHY芯片與交換機之間建立通信。根據SGMII和RGMII的接口結構可知，理想狀態下的數據速率為1.25 Gbps，因此簡化萬兆交換機的千兆位媒體獨立接口，要求信號線數量為14根，同時將TX/RX的數據寬度設置為4，設置時鐘頻率為125 MHz，讓新的接口能夠兼容10和100 Mbps兩種速率，一次設計萬兆連接單元接口XAUI，見圖1[6]。

圖1 XAUI接口

該接口的背板走線允許最大傳輸距離為0.07 m。XAUI接口設計完畢后，設計萬兆交換機的交換模塊。

1.2 設計萬兆交換機交換模塊

萬兆交換機支持8個計算單元之間的通信，同時還支持計算單元與服務器之間的外通信。根據交換板的硬件組成，將其分為配置和交換兩個模塊，將配置模塊與管理單元的網絡相連，而交換模塊則轉發所有數據包，然后利用PCIE總線將二者之間連接起來。設置的配置模塊采用BCM53003作為CPU芯片，對交換機的初始化操作、網絡管理以及配置等功能進行控制。其中兩個PHY的芯片提供與服務器管理單元連接的不同的網口，并通過XAUI接口與芯片之間建立通信信道，從而系統根據芯片提供的網口配置交換機。此次設計采用BCM56334作為交換模塊芯片，通過SerDes的形式將端口連接到服務器單元，然后利用BMC將時序信號連接到管理單元中。圖2為交換模塊的基本設計結構[7]。

圖2 交換模塊

CPU是實現交換機智能化控制的核心，而交換數據的發送，也是通過交換機的交換芯片來實現的。至此，萬兆交換機交換模塊設計完成，實現對水利灌區用水信息集成管理系統硬件的功能設計。

2 基于BIM模型設計水利灌區用水信息集成管理系統軟件

2.1 BIM技術構建用水模型框架

利用BIM技術構建用水模型框架，完成對水利灌溉過程中各個環節信息的捕捉與集成，以結構化工藝信息的方式，表達水利灌溉區的用水信息。根據整個水利灌溉過程，預設構建的模型需要具備基本園區信息、灌溉結構、灌溉技術特征、其他信息以及其他工藝信息，以一個結構樹的方式，對這些信息按照不同的層次進行關聯，形成一個具有一定邏輯關系的整體結構，便于系統的智能化集成管理[8]。根據預設的模型構建邏輯，可知水利灌溉區用水模型的基本內容，是由3組數據共同組成的，因此該模型中的結構以下列的形式進行描述：

B=U∪V∪W

(1)

式中：U為構建的用水模型，通過詳細的灌溉渠數據得到；V為灌溉工藝，是灌溉過程中所有與灌溉和用水相關的信息集合；W為其他工藝信息集合，包括監控視頻等內容。

上述3組參數共同構建了用水模型的基本框架結構，根據該結構可以實現對系統集成管理功能的開發，設計用水模型的基本框架[9]。灌溉工藝中包含大量的子數據，因此根據該結構框圖，利用下列方程描述灌溉工藝所包含的基本內容：

V=G1∪G2∪G3

(2)

式中：G1為灌溉工藝結構；G2為灌溉工藝特征；G3為其余灌溉工藝相關信息。

通過上述過程，采用BIM技術構建完整的用水模型框架，實現對整個灌溉用水信息的捕捉[10]。

2.2 基于BIM模型模擬水利灌區用水

在上述研究的基礎上，管理系統自動生成水利灌溉區用水的BIM模型，基于BIM模型模擬水利灌區用水。用水模擬就是基于BIM模型，通過增加時間維度模擬灌區的整個灌溉過程，其中需要根據相應的進度計劃，才能控制模型的信息反饋時間，也就是每一個灌溉周期。因此在應用BIM模型的過程中，利用Microsoft Project 編制一個進度計劃表，然后將BIM模型與該計劃表之間建立鏈接，按照設計好的流程模擬整個用水灌溉過程。因此，需要對整個過程中的所有步驟進行細化處理，包括園區位置確定、灌溉區域劃分、灌區用水總量統計、灌溉時間統計、灌區面積等等。因此，根據上一節的框圖構建用水模型，通過系統工具編制灌溉進度計劃，然后在一個技術平臺上，通過鏈接技術建立二者之間的相關關系，實現對整個水利灌區用水過程的4D模擬。這一模擬主要依靠Navisworks Manage軟件進行，在編制的計劃上添加一個時間維度[11]。這一過程中，該軟件中的Timeliner工具通過3種不同的方法創建任務，而此次研究考慮系統的性能，只利用該工具的兩種方法進行任務創建，見圖3。

圖3 Timeliner工具創建系統任務

灌溉模擬過程中，影響模擬效果的因素存在獨立性或者關聯性特征，以獨立影響或者相互影響的方式制約系統的信息生成模擬過程。因此，設計的系統根據上述開發過程，建立一個4D的BIM模型，然后利用系統內部工具，模擬水利灌區的用水灌溉過程，從而通過管理模塊導出灌溉進度信息[12]。在該模擬過程中，利用下列公式描述各個信息之間的關聯：

(3)

式中：Kn為n組信息之間的關聯指標；kmn為灌溉數據Bm和Bn之間的約束關系。

利用該公式確定用水灌溉工序是否合理，工期是否正常，為用水信息集成管理提供有效的數據分配信息分類組，以此便于系統對用水數據迅速劃分類別[13]。

2.3 優化水利灌區用水信息集成管理流程

根據模擬的水利灌區用水進度，結合《多信息系統集成管理標準化流程》中提到的研究內容，優化用水信息集成管理流程。首先將需求發起入口進行統一處理，根據實際灌溉業務整理原始文件，然后在系統中提出信息集成申請，通過預設流程反饋給查詢頁面。然后對預設流程單元進行重新定義，通過制定信息集成類別，對所有用水數據進行進一步完善，形成多個不同的數據集成方案，根據每一次水利灌溉用水業務的所有內容，考慮系統在進行信息集成管理時，是否需要考慮集成條件，通過系統的管理中心，對所有集成內容進行確認，防止出現描述不精準或者數據不完善的情況。同時對集成管理進行了更加清晰的業務定義，也就是重新編制水利灌溉用水信息的各項內容，嚴格把控每一用水環節，按照條件將所有信息按照不同的屬性進行類別劃分，避免多個信息造成擁堵或混亂，給系統的數據分配工作帶來壓力。同時對水利灌區用水的系統驗收環節，進行集成管理流程優化[14]。首先明確系統的驗收條件，保證所有項目進行信息集成時，都有一個完整的用水數據集；其次加強系統對各項文檔內容的審核，包括水利灌區的灌溉目標、設備使用情況、灌溉進度、用水效果等，將這些數據以表格的形式保存到數據庫中，通過加強系統的管理功能，防止出現數據丟失、內容模糊的情況。而系統在驗收各項用水信息時，最關鍵的步驟就是對驗收評價指標與權重的確認，其中缺陷關閉率通過下列公式進行數據反饋：

(4)

式中：p為缺陷關閉率；s1與s2分別為關閉缺陷數和有效缺陷數。

系統根據上述公式的反饋結果，確定每一集成數據組的信息集成效果，并按照下列公式設定管理扣分評定規則：

f=p×10

(5)

式中：f為扣分評定規則下得到的實際得分。

但若p<85%時，則不再通過式(5)確定得分，系統直接將f值默認為0，即用水信息的集成管理不合格，需要重新進行數據集成。反之，則系統根據p的實際結果輸出f值，顯示界面直接給出信息集成管理數據[15]。至此在BIM模型應用的條件下，水利灌區用水信息集成管理系統設計完畢。

3 系統質量測試

3.1 響應時間測試

響應時間作為一項重要的參數，是系統質量的衡量標準之一，因此進行系統質量測試時，離不開對相應時間的測試。選擇若干臺PC Server，分別作為應用服務器和數據庫服務器，該服務器的CPU型號為Intel Xeon 3.0 GHz*4，共有16 G內存和500 G硬盤，支持Windows Server 2018操作系統。實驗共選擇2個對照組，將此次開發設計的系統作為實驗組，分別利用不同的系統，對水利灌區的用水信息進行集成管理。為了讓實驗結果更具備說服性，分別對信息集成系統進入信息集成首頁、進入水利灌區管理頁面、進入灌溉技術管理頁面、進入用水管理頁面的響應時間進行測試。圖4為系統響應時間測試結果。

圖4 系統響應時間測試結果

根據4組測試曲線可以明顯看出，文中系統的響應時間要低于傳統系統。因此，導出4組系統的總響應用時，并匯總到表1中。

表1 系統平均響應時間統計結果 /s

根據表1中的測試結果可知，文中系統的響應時間明顯要少于兩組傳統系統。因此，進行下一階段的系統質量測試任務。

3.2 質量控制測試

選擇一塊水利灌區作為測試基本背景，分別利用3組系統對該區域的用水信息進行集成管理，比較系統反饋數據的真實性和完整性。表2為該測試區域中，存在的用水灌溉問題。

根據表2中的統計數據可知，該水利灌區各個項目的問題發生頻率較高，因此會產生大量的用水信息。利用3個測試組，對該測試條件下的用水信息進行集成管理，利用統計報表中的條形圖，統計每組系統的信息集成效果，并通過用水信息的類別劃分結果，計算數據比重。見圖5。

表2 水利灌區用水問題統計

圖5 用水信息類別劃分結果

根據圖5中的測試結果可知，3組系統下各個類別顯示的集成數據比重，合計值分別為99.16%、90.19%及92.15%。經計算，兩組傳統系統的集成數據比重，比文中系統分別低8.97%和7.01%。由此可見，此次開發的信息集成管理系統在反饋集成數據時，能夠顯示99%以上的用水數據。綜合上述兩組測試結果，驗證了文中系統的管理質量更佳。

4 結 語

此次研究在兩組傳統集成管理系統的基礎上，將BIM模型應用到信息集成管理系統中，通過實驗分析，證實了此次研究的系統取得了重大進步。但根據實驗測試結果可知，盡管系統將99%左右的數據均進行了有效集成，但還存在約1%的數據遺失問題。今后的研究工作可以將數據的完整度作為研究重點，對系統進行優化升級，為復雜海量的數據處理工作提供更加先進的技術支持。