基于BIM技術(shù)的陶岔渠首工程運行管理研究與實踐

馮敏 馮黨 賈寧霄

摘要： BIM技術(shù)不僅能提升工程勘察設(shè)計工作質(zhì)效，更可作為貫穿工程全生命周期管理的信息載體，實現(xiàn)工程建設(shè)、運行的數(shù)字化管理。為提升南水北調(diào)中線陶岔渠首工程管理工作效率，基于樞紐工程設(shè)施設(shè)備的BIM模型和三維實景模型，集成工程已建相關(guān)運行監(jiān)控自動化系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，研發(fā)了基于BIM技術(shù)的陶岔渠首工程運行管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了樞紐工程三維場景的交互式展示，以及工程運行狀態(tài)、視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測等信息的實時查詢。BIM模型數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合，可最大程度實現(xiàn)工程運行的綜合效益，提升工程的數(shù)字化、智能化和精細化管理水平。

關(guān)鍵詞：陶岔渠首工程; 樞紐工程; 運行管理; BIM; 系統(tǒng)集成; 數(shù)字化; 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號：TV698 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.010

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0055 - 06

0 引 言

BIM是建筑物信息模型（Building Information Modeling）的縮寫。BIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，通過集成建筑工程中提供的數(shù)據(jù)信息，來模擬建筑物所具有的真實信息[1]。雖然中國BIM技術(shù)起步較晚，但得益于政策支持，BIM技術(shù)實現(xiàn)了快速普及和深度應(yīng)用[2]，特別是隨著中國城市信息化建設(shè)的推進，智慧城市“數(shù)字孿生”應(yīng)用不斷拓展，BIM技術(shù)作為數(shù)字孿生底座構(gòu)建的支撐技術(shù)，其強大的數(shù)據(jù)集成和協(xié)同管理能力[3]可為工程智慧化管理提供重要的技術(shù)支撐。

當前，BIM技術(shù)在各建筑領(lǐng)域逐步由單獨應(yīng)用向與其他先進技術(shù)或應(yīng)用系統(tǒng)集成的方向演進。數(shù)字管理系統(tǒng)基于BIM技術(shù)獲得了持續(xù)發(fā)展[4]。這類管理系統(tǒng)在展示方面優(yōu)勢明顯，并能為多類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。

對于水利水電工程的BIM集成應(yīng)用，在工程建設(shè)管理方面，向弘等[6]以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)建設(shè)“數(shù)字黃登大壩使用信息化系統(tǒng)”，實現(xiàn)了大壩混凝土從原材料、生產(chǎn)、運輸、澆筑到運行的全面質(zhì)量監(jiān)控;鄢江平等[7]在楊房溝水電站建設(shè)管理中，建設(shè)了基于多維BIM的楊房溝設(shè)計施工BIM管理系統(tǒng)，有效提升了工程總承包模式下的建設(shè)管理水平;杜燦陽等[8]基于施工階段BIM技術(shù)的集成應(yīng)用，搭建了多維度數(shù)據(jù)管理支撐平臺，實現(xiàn)精確、可視化的工程管理。

在工程運行維護管理方面，將BIM技術(shù)集成應(yīng)用在水利水電工程運維管理中的案例較少，且多聚焦于工程可視化展示，未與業(yè)務(wù)管理流程進行深度融合。

1 研究背景

南水北調(diào)中線陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣九重鎮(zhèn)陶岔村，既是南水北調(diào)中線輸水總干渠的引水渠首，也是丹江口水庫副壩、南水北調(diào)中線工程的標志性建筑物，是向中國北方京津冀豫送水的“總閥門”[9]。

陶岔渠首樞紐工程已正式建成并通水，各類設(shè)施設(shè)備的運行管理直接關(guān)系著整個中線工程運行的安全穩(wěn)定和供水效果。工程現(xiàn)有閘站監(jiān)控、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、消防聯(lián)網(wǎng)、動力環(huán)境監(jiān)控、光纜監(jiān)控等多個管理系統(tǒng)。在陶岔渠首樞紐工程運行管理過程中，由于各系統(tǒng)獨立運行，缺少互聯(lián)互通與信息共享的機制，導(dǎo)致各類監(jiān)測數(shù)據(jù)以不同的格式分散在各個系統(tǒng)之中，形成了“信息孤島”。信息孤島制約了數(shù)據(jù)的共享與應(yīng)用[10]，管理人員查看不同系統(tǒng)中信息時需到對應(yīng)系統(tǒng)中查看，不便于全面了解工程運行、日常維護管理情況，也不利于綜合管理及數(shù)據(jù)分析。

為了提升項目運營期整體管理水平，結(jié)合近年來BIM技術(shù)的發(fā)展，充分發(fā)揮BIM技術(shù)的集成拓展能力，構(gòu)建以BIM模型為基礎(chǔ)的數(shù)字資產(chǎn)，集成運維期的動態(tài)管理信息，加強業(yè)務(wù)流程優(yōu)化再造，實現(xiàn)集首頁監(jiān)控、數(shù)字模型管理、物資管理、監(jiān)控監(jiān)測及應(yīng)急管理、數(shù)據(jù)資料管理、用戶管理和移動應(yīng)用等多功能于一體的陶岔渠首樞紐工程數(shù)字管理體系，降低了工程的運行維護成本，最大程度發(fā)揮設(shè)施設(shè)備的綜合作用，提升了工程的數(shù)字化、智能化、精細化管理水平。

2 主要建設(shè)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)問題

本文旨在結(jié)合BIM技術(shù)，建設(shè)一套用于工程運行管理的可視化平臺，實現(xiàn)在一個平臺下對工程區(qū)地理空間數(shù)據(jù)、三維實景和BIM數(shù)據(jù)等可視化數(shù)據(jù)的集成管理與展示，并接入已有監(jiān)控、監(jiān)測等實時感知數(shù)據(jù)，對業(yè)務(wù)流程進行融合和再造。通過統(tǒng)一的平臺存儲和管理，在三維可視化環(huán)境中，實現(xiàn)基于BIM模型的工程信息查詢及運維狀態(tài)實時監(jiān)管，全方位掌控工程管理范圍內(nèi)的綜合態(tài)勢。

2.1 基于統(tǒng)一技術(shù)標準及規(guī)范的可視化數(shù)據(jù)資源建設(shè)

面向工程數(shù)字化管理需求，基于一致的技術(shù)標準，實現(xiàn)空間對象的管理和已有資源的匯聚整合，構(gòu)建工程數(shù)字資產(chǎn)。面向運維期工程管理進行數(shù)據(jù)資源規(guī)劃，在遵循統(tǒng)一的地理空間框架、空間對象編碼、數(shù)據(jù)模型配置的原則基礎(chǔ)上，將不同專業(yè)、不同系統(tǒng)來源中的空間地理數(shù)據(jù)（包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題地理數(shù)據(jù)）、管理區(qū)三維實景模型、三維建筑物BIM模型和其他模型數(shù)據(jù)等，納入到統(tǒng)一的框架下進行數(shù)據(jù)資源整體規(guī)劃建設(shè)，如圖1所示。

為滿足信息集成和管理需求，針對陶岔渠首樞紐工程設(shè)施設(shè)備種類多且數(shù)量大的特點，總結(jié)形成了一套按專業(yè)、功能、區(qū)域劃分的BIM模型唯一分類編碼規(guī)則，保障BIM模型數(shù)據(jù)的有效組織和管理。BIM模型創(chuàng)建完成后，通過數(shù)據(jù)交換、屬性集成、幾何輕量化等技術(shù)手段，將BIM數(shù)據(jù)與GIS、三維實景模型等數(shù)據(jù)深度融合，為后續(xù)業(yè)務(wù)模塊研發(fā)提供可視化支撐。

2.2 服務(wù)于工程數(shù)字化管理的數(shù)據(jù)庫整編與建設(shè)

在工程BIM模型和工程區(qū)三維實景模型等可視化數(shù)據(jù)資源建設(shè)的基礎(chǔ)上，收集、整編設(shè)計圖紙，設(shè)計通知，施工記錄等檔案資料并進行數(shù)字化處理;整理匯總應(yīng)急、物資等數(shù)據(jù)資料，并按照對象編碼規(guī)則整編入庫;從已建業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中抽取所需數(shù)據(jù)到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，最終形成“對下匯集數(shù)據(jù)、對上支撐應(yīng)用”的工程綜合監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，全方位服務(wù)于工程數(shù)字化管理，提高工程管理效率。

2.3 多源數(shù)據(jù)匯聚和綜合展示的信息集成管理平臺建設(shè)

系統(tǒng)需集成閘站監(jiān)控、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、安防綜合監(jiān)控等多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，實時性要求高，涉及不同廠商的設(shè)備、不同數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，涉及專業(yè)多，系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口復(fù)雜。

基于上述邊界條件，平臺建設(shè)中統(tǒng)籌考慮了已建系統(tǒng)和未來新增系統(tǒng)，在滿足已有數(shù)據(jù)和新增數(shù)據(jù)的集成需求基礎(chǔ)上，采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)設(shè)計思路，充分利用SOA粗粒度、松耦合服務(wù)架構(gòu)，構(gòu)建統(tǒng)一的信息管理平臺，以國際標準和國家標準為基礎(chǔ)，制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)標準及規(guī)范，以利于對分散的不同專業(yè)、不同專題數(shù)據(jù)進行高效整合和綜合利用，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的匯聚、分析和展示。

2.4 基于多維信息融合和業(yè)務(wù)協(xié)同體系的功能模塊建設(shè)

基于多源數(shù)據(jù)匯聚的可視化集成管理平臺和已建工程數(shù)字資產(chǎn)，實現(xiàn)多維信息的融合，按照業(yè)務(wù)管理需求，開展業(yè)務(wù)流程優(yōu)化及再造，利用高效可靠的消息傳遞機制，形成統(tǒng)一整體、協(xié)調(diào)有序的應(yīng)用集成體系。從工程運行調(diào)度、應(yīng)急管理、資產(chǎn)管理等角度，梳理業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建監(jiān)測監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)模型管理、物資資產(chǎn)管理等功能模塊，全方位服務(wù)于工程運行維護管理。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 總體架構(gòu)

為保證研發(fā)系統(tǒng)的開放性和兼容性并為后續(xù)業(yè)務(wù)擴展提供標準化支撐，研發(fā)采用先進、成熟的SOA（面向服務(wù)的體系架構(gòu)）的設(shè)計思想，基于B/S架構(gòu)，充分利用SOA粗粒度、松耦合服務(wù)架構(gòu)[11]，將不同的功能組件、不同的數(shù)據(jù)都定義為服務(wù)。系統(tǒng)和系統(tǒng)之間通過服務(wù)定義接口，以統(tǒng)一通用的方式進行交互，獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，也不涉及底層編程接口和通訊模型。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

3.2 主要功能

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能包括可視化場景與數(shù)字模型的管理、監(jiān)測監(jiān)控信息的管理、物資資產(chǎn)的管理、應(yīng)急管理、數(shù)據(jù)資料管理、用戶管理以及移動應(yīng)用系統(tǒng)，涵蓋了工程運行維護的主要管理內(nèi)容。

3.2.1 首頁監(jiān)控

系統(tǒng)首頁作為陶岔渠首運維管理的數(shù)字化門戶，其以工程區(qū)域的可視化場景為載體，展示工程運行維護管理過程中重要設(shè)施設(shè)備的運行狀態(tài)、涉及工程穩(wěn)定運行的關(guān)鍵性指標，供項目運維管理人員總覽。首頁中，重要設(shè)施設(shè)備主要有運行閘門、電廠機組以及一系列安全監(jiān)測儀器，關(guān)鍵性指標主要有相關(guān)水雨情信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警指標等，如圖3所示。

3.2.2 數(shù)字模型管理

數(shù)字模型管理功能模塊（圖4）是本研究的核心開發(fā)模塊，主要對工程管理范圍內(nèi)的基礎(chǔ)地理要素、傾斜攝影模型、地形地質(zhì)、建筑物、設(shè)施設(shè)備BIM模型等工程可視化模型數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化管理，通過動態(tài)交互的可視化手段，解決宏觀微觀、地上地下、室內(nèi)外一體化漫游，實現(xiàn)對工程管理范圍內(nèi)設(shè)施設(shè)備BIM模型、三維地質(zhì)模型、安全監(jiān)測模型及其他建筑模型數(shù)據(jù)等在系統(tǒng)中的屬性信息查詢、掛接、編輯、修改和輸出等功能，以及設(shè)施設(shè)備BIM模型和安全監(jiān)測模型的空間分布管理和空間定位等，同時以BIM模型為基礎(chǔ)，集成運維管理過程中的管理信息，便于用戶查找模型和了解模型相關(guān)屬性、文檔。

3.2.3 監(jiān)控監(jiān)測管理

監(jiān)控監(jiān)測管理模塊，如圖5所示，主要以工程運維期BIM模型為載體，實現(xiàn)陶岔渠首樞紐工程現(xiàn)有監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)（閘站監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工程巡查實時監(jiān)管系統(tǒng)等）在一個平臺下的統(tǒng)一管控，即根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)用接口、視頻通訊標準和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議等，實現(xiàn)對各已有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的單點登錄;實現(xiàn)工程運行維護管理系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的傳輸集成和綜合利用;通過顯示板監(jiān)控界面，靈活安排并集中監(jiān)控各種設(shè)備;對于開放控制權(quán)限的設(shè)備，可以直接通過鼠標點擊相應(yīng)圖標或三維模型的方式來控制各種設(shè)備;預(yù)留了擴展接口，滿足后續(xù)子系統(tǒng)的接入和集成。此外，還能實現(xiàn)工程實時監(jiān)控、預(yù)警預(yù)報、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表輸出打印等。

3.2.4 物資資產(chǎn)管理

物資管理模塊主要對物資采購、庫存、入庫、出庫方式進行標準化和數(shù)字化管理，解決傳統(tǒng)非自動化、以紙張文件為基礎(chǔ)的人工記錄管理方式管理效率低下的問題，使管理員能夠方便地追蹤物資動態(tài)，迅速獲取庫存信息，提高工作中物資管理的效率及水平。

3.2.5 應(yīng)急管理

應(yīng)急管理模塊主要將工程應(yīng)急預(yù)案中的適用范圍、組織體系與職責分工、分級標準、應(yīng)急資源、處置方法等應(yīng)急相關(guān)信息、應(yīng)急流程信息進行數(shù)字化存儲，形成預(yù)案庫，為預(yù)案啟動的數(shù)字方案生成提供信息要素。該模塊包括應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急物資及設(shè)施管理、應(yīng)急組織機構(gòu)及人員管理、應(yīng)急處置流程管理、應(yīng)急響應(yīng)調(diào)度管理等功能。

3.2.6 數(shù)據(jù)資料管理

數(shù)據(jù)資料管理可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)資料和BIM模型的編輯掛靠，從而實現(xiàn)對渠首工程管理過程中的歷史文檔、視頻、影像、圖表等數(shù)據(jù)資料的管理。系統(tǒng)提供資料的上傳、查詢、增加、刪除、下載或打印功能。用戶可以根據(jù)自己的需要按文檔名稱、文檔類型、上傳時間、上傳單位等條件對數(shù)據(jù)資料進行檢索，快速找到所需文檔。

4 主要創(chuàng)新點

（1） 多物理、多尺寸數(shù)據(jù)建模與融合技術(shù)。由于水利水電工程運行環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，需要對工程中的物理對象進行忠實反映，因此虛擬模型需具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時感知和互聯(lián)能力。本項目面向水利水電工程數(shù)字化管理需求，分別構(gòu)建了工程區(qū)域傾斜攝影模型、設(shè)施設(shè)備BIM模型等不同尺度數(shù)據(jù)模型，基于3DGIS-Ark（方舟）系統(tǒng)[12]，以O(shè)penGL為基礎(chǔ)，采用了OSG技術(shù)，解決了包括點云數(shù)據(jù)在內(nèi)的海量地理數(shù)據(jù)集成與調(diào)度、水工建筑與三維地形無縫鑲嵌、BIM模型和地質(zhì)模型集成與融合等問題。

（2） 全要素、全流程、全業(yè)務(wù)集成與融合。經(jīng)過物理融合、模型融合和數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的運行維護管理系統(tǒng)，對管理過程中的要素進行梳理和融合，對業(yè)務(wù)流程進行優(yōu)化和再造，對已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行集成和整合，將智能運行、精準管控和可靠的運維服務(wù)以更直觀、更便捷、更全面的方式提供給用戶，實現(xiàn)資源的合理配置，提高運行管理的效率。

5 結(jié) 語

隨著“十四五”期間新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐漸深入，信息技術(shù)與水利水電工程傳統(tǒng)運行管理的融合將進一步加快，傳統(tǒng)運行過程中存在的人工依賴度高、數(shù)據(jù)共享分析難、利用率低等一系列問題都逐步具備了解決方案。

將BIM，GIS等新一代信息技術(shù)運用于水利水電工程建設(shè)與運行管理，實現(xiàn)以水利信息化驅(qū)動水利現(xiàn)代化發(fā)展，是新時代創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的需要。該研究立足于已建樞紐工程運維期管理需求，基于BIM技術(shù)開發(fā)了一體化運維管理平臺，對已建工程進行信息化改造及升級應(yīng)用，可為同類已建水利樞紐工程信息化改造提供參考與借鑒。

系統(tǒng)建成后將部署于陶岔管理處，實現(xiàn)集監(jiān)控、監(jiān)測及樞紐工程主要運行管理數(shù)據(jù)為一體的“一張圖管理”，運維管理人員可基于三維可視化場景進行工程歷史資料的追溯、實時感知信息的查詢、分析及預(yù)判，全方位掌握工程管理范圍內(nèi)的綜合態(tài)勢，從而提高工程運維管理的運行效率。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on operation and management of Taocha canal head operation

based on BIM technology

FENG Min1， FENG Dang2， JIA Ningxiao1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Canal Head Sub-bureau of Main Canal Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， Nanyang ?473000， China）

Abstract： BIM can not only be adopted to improve quality and efficiency in engineering survey and design stage， but also be as an information carrier for realizing the digital management during construction and operation stage for the whole project life cycle. In order to improve the management efficiency for Taocha canal head of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion ， using BIM model and three-dimensional landscape model of constructing facilities and equipment of Taocha canal head， and integrating the information of the established operation and monitoring automation systems， the operation and management system of Taocha canal head is developed based on BIM technology. By this system， interactive exhibition of three-dimensional scene is realized， and engineering operation， monitoring information can be found in real time. The combination of BIM model and operation data can maximize the comprehensive benefits of facilities and equipment， improve the digital， intelligent， and fine management level of the canal head.

Key words： Taocha canal head project; water control engineering; operation management; BIM; system integration; digital management; Middle Route Project of South-toNorth Water Diversion