基于BIM技術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技術不僅能提升工程勘察設計工作質效，更可作為貫穿工程全生命周期管理的信息載體，實現工程建設、運行的數字化管理。為提升南水北調中線陶岔渠首工程管理工作效率，基于樞紐工程設施設備的BIM模型和三維實景模型，集成工程已建相關運行監控自動化系統中的業務數據，研發了基于BIM技術的陶岔渠首工程運行管理系統，實現了樞紐工程三維場景的交互式展示，以及工程運行狀態、視頻監控、安全監測等信息的實時查詢。BIM模型數據和業務數據的融合，可最大程度實現工程運行的綜合效益，提升工程的數字化、智能化和精細化管理水平。

關鍵詞：陶岔渠首工程; 樞紐工程; 運行管理; BIM; 系統集成; 數字化; 南水北調中線工程

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以三維數字技術為基礎，通過集成建筑工程中提供的數據信息，來模擬建筑物所具有的真實信息[1]。雖然中國BIM技術起步較晚，但得益于政策支持，BIM技術實現了快速普及和深度應用[2]，特別是隨著中國城市信息化建設的推進，智慧城市“數字孿生”應用不斷拓展，BIM技術作為數字孿生底座構建的支撐技術，其強大的數據集成和協同管理能力[3]可為工程智慧化管理提供重要的技術支撐。

當前，BIM技術在各建筑領域逐步由單獨應用向與其他先進技術或應用系統集成的方向演進。數字管理系統基于BIM技術獲得了持續發展[4]。這類管理系統在展示方面優勢明顯，并能為多類型業務數據融合提供數據基礎[5]。

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

在工程運行維護管理方面，將BIM技術集成應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，未與業務管理流程進行深度融合。

1 研究背景

南水北調中線陶岔渠首樞紐工程位于河南省淅川縣九重鎮陶岔村，既是南水北調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，各類設施設備的運行管理直接關系著整個中線工程運行的安全穩定和供水效果。工程現有閘站監控、安全監測、視頻監控、消防聯網、動力環境監控、光纜監控等多個管理系統。在陶岔渠首樞紐工程運行管理過程中，由于各系統獨立運行，缺少互聯互通與信息共享的機制，導致各類監測數據以不同的格式分散在各個系統之中，形成了“信息孤島”。信息孤島制約了數據的共享與應用[10]，管理人員查看不同系統中信息時需到對應系統中查看，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據分析。

為了提升項目運營期整體管理水平，結合近年來BIM技術的發展，充分發揮BIM技術的集成拓展能力，構建以BIM模型為基礎的數字資產，集成運維期的動態管理信息，加強業務流程優化再造，實現集首頁監控、數字模型管理、物資管理、監控監測及應急管理、數據資料管理、用戶管理和移動應用等多功能于一體的陶岔渠首樞紐工程數字管理體系，降低了工程的運行維護成本，最大程度發揮設施設備的綜合作用，提升了工程的數字化、智能化、精細化管理水平。

2 主要建設內容及關鍵技術問題

本文旨在結合BIM技術，建設一套用于工程運行管理的可視化平臺，實現在一個平臺下對工程區地理空間數據、三維實景和BIM數據等可視化數據的集成管理與展示，并接入已有監控、監測等實時感知數據，對業務流程進行融合和再造。通過統一的平臺存儲和管理，在三維可視化環境中，實現基于BIM模型的工程信息查詢及運維狀態實時監管，全方位掌控工程管理范圍內的綜合態勢。

2.1 基于統一技術標準及規范的可視化數據資源建設

面向工程數字化管理需求，基于一致的技術標準，實現空間對象的管理和已有資源的匯聚整合，構建工程數字資產。面向運維期工程管理進行數據資源規劃，在遵循統一的地理空間框架、空間對象編碼、數據模型配置的原則基礎上，將不同專業、不同系統來源中的空間地理數據（包括基礎地理數據、專題地理數據）、管理區三維實景模型、三維建筑物BIM模型和其他模型數據等，納入到統一的框架下進行數據資源整體規劃建設，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施設備種類多且數量大的特點，總結形成了一套按專業、功能、區域劃分的BIM模型唯一分類編碼規則，保障BIM模型數據的有效組織和管理。BIM模型創建完成后，通過數據交換、屬性集成、幾何輕量化等技術手段，將BIM數據與GIS、三維實景模型等數據深度融合，為后續業務模塊研發提供可視化支撐。

2.2 服務于工程數字化管理的數據庫整編與建設

在工程BIM模型和工程區三維實景模型等可視化數據資源建設的基礎上，收集、整編設計圖紙，設計通知，施工記錄等檔案資料并進行數字化處理;整理匯總應急、物資等數據資料，并按照對象編碼規則整編入庫;從已建業務系統的數據庫中抽取所需數據到本系統數據庫中，最終形成“對下匯集數據、對上支撐應用”的工程綜合監控監測數據庫，全方位服務于工程數字化管理，提高工程管理效率。

2.3 多源數據匯聚和綜合展示的信息集成管理平臺建設

系統需集成閘站監控、安全監測、視頻監控、安防綜合監控等多個系統的數據資源，實時性要求高，涉及不同廠商的設備、不同數據格式和協議，涉及專業多，系統數據接口復雜。

基于上述邊界條件，平臺建設中統籌考慮了已建系統和未來新增系統，在滿足已有數據和新增數據的集成需求基礎上，采用面向服務的體系架構設計思路，充分利用SOA粗粒度、松耦合服務架構，構建統一的信息管理平臺，以國際標準和國家標準為基礎，制定相應的數據標準及規范，以利于對分散的不同專業、不同專題數據進行高效整合和綜合利用，實現多源數據的匯聚、分析和展示。

2.4 基于多維信息融合和業務協同體系的功能模塊建設

基于多源數據匯聚的可視化集成管理平臺和已建工程數字資產，實現多維信息的融合，按照業務管理需求，開展業務流程優化及再造，利用高效可靠的消息傳遞機制，形成統一整體、協調有序的應用集成體系。從工程運行調度、應急管理、資產管理等角度，梳理業務流程，構建監測監控管理、數據模型管理、物資資產管理等功能模塊，全方位服務于工程運行維護管理。

3 系統主要功能

3.1 總體架構

為保證研發系統的開放性和兼容性并為后續業務擴展提供標準化支撐，研發采用先進、成熟的SOA（面向服務的體系架構）的設計思想，基于B/S架構，充分利用SOA粗粒度、松耦合服務架構[11]，將不同的功能組件、不同的數據都定義為服務。系統和系統之間通過服務定義接口，以統一通用的方式進行交互，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，也不涉及底層編程接口和通訊模型。系統總體架構如圖2所示。

3.2 主要功能

系統實現的主要功能包括可視化場景與數字模型的管理、監測監控信息的管理、物資資產的管理、應急管理、數據資料管理、用戶管理以及移動應用系統，涵蓋了工程運行維護的主要管理內容。

3.2.1 首頁監控

系統首頁作為陶岔渠首運維管理的數字化門戶，其以工程區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施設備的運行狀態、涉及工程穩定運行的關鍵性指標，供項目運維管理人員總覽。首頁中，重要設施設備主要有運行閘門、電廠機組以及一系列安全監測儀器，關鍵性指標主要有相關水雨情信息、監測數據預警指標等，如圖3所示。

3.2.2 數字模型管理

數字模型管理功能模塊（圖4）是本研究的核心開發模塊，主要對工程管理范圍內的基礎地理要素、傾斜攝影模型、地形地質、建筑物、設施設備BIM模型等工程可視化模型數據進行結構化管理，通過動態交互的可視化手段，解決宏觀微觀、地上地下、室內外一體化漫游，實現對工程管理范圍內設施設備BIM模型、三維地質模型、安全監測模型及其他建筑模型數據等在系統中的屬性信息查詢、掛接、編輯、修改和輸出等功能，以及設施設備BIM模型和安全監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，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屬性、文檔。

3.2.3 監控監測管理

監控監測管理模塊，如圖5所示，主要以工程運維期BIM模型為載體，實現陶岔渠首樞紐工程現有監控監測系統（閘站監控系統、安全監測系統、視頻監控系統、安防視頻監控系統、工程巡查實時監管系統等）在一個平臺下的統一管控，即根據現有監控監測系統的數據調用接口、視頻通訊標準和網絡傳輸協議等，實現對各已有監測監控系統的單點登錄;實現工程運行維護管理系統所需數據的傳輸集成和綜合利用;通過顯示板監控界面，靈活安排并集中監控各種設備;對于開放控制權限的設備，可以直接通過鼠標點擊相應圖標或三維模型的方式來控制各種設備;預留了擴展接口，滿足后續子系統的接入和集成。此外，還能實現工程實時監控、預警預報、歷史數據查詢和報表輸出打印等。

3.2.4 物資資產管理

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字化管理，解決傳統非自動化、以紙張文件為基礎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，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 應急管理

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

3.2.6 數據資料管理

數據資料管理可實現多種數據資料和BIM模型的編輯掛靠，從而實現對渠首工程管理過程中的歷史文檔、視頻、影像、圖表等數據資料的管理。系統提供資料的上傳、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據資料進行檢索，快速找到所需文檔。

4 主要創新點

（1） 多物理、多尺寸數據建模與融合技術。由于水利水電工程運行環境的復雜性和多變性，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數據的實時感知和互聯能力。本項目面向水利水電工程數字化管理需求，分別構建了工程區域傾斜攝影模型、設施設備BIM模型等不同尺度數據模型，基于3DGIS-Ark（方舟）系統[12]，以OpenGL為基礎，采用了OSG技術，解決了包括點云數據在內的海量地理數據集成與調度、水工建筑與三維地形無縫鑲嵌、BIM模型和地質模型集成與融合等問題。

（2） 全要素、全流程、全業務集成與融合。經過物理融合、模型融合和數據融合，構建了基于BIM技術的運行維護管理系統，對管理過程中的要素進行梳理和融合，對業務流程進行優化和再造，對已有業務系統進行集成和整合，將智能運行、精準管控和可靠的運維服務以更直觀、更便捷、更全面的方式提供給用戶，實現資源的合理配置，提高運行管理的效率。

5 結 語

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

將BIM，GIS等新一代信息技術運用于水利水電工程建設與運行管理，實現以水利信息化驅動水利現代化發展，是新時代創新驅動發展的需要。該研究立足于已建樞紐工程運維期管理需求，基于BIM技術開發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。

系統建成后將部署于陶岔管理處，實現集監控、監測及樞紐工程主要運行管理數據為一體的“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、分析及預判，全方位掌握工程管理范圍內的綜合態勢，從而提高工程運維管理的運行效率。

參考文獻：

[1] 高來先，張永炘，張建寧，等. 關于BIM技術在電力工程應用落地的思考[C]//中國圖學學會BIM專業委員會. 第二屆全國BIM學術會議論文集. 北京：中國建筑工業出版社， 2016：110-114.

[2] 國萃. 基于BIM的民用建筑設計一體化服務策略研究[D]. 北京：清華大學，2016.

[3] 王建翔，胡蔚. BIM技術在智慧城市“數字孿生”建設工程的應用初步分析[J].智能建筑與智慧城市， 2021（1）： 94-95，98.

[4] 韓莎莎，吳鑫淼，郄志紅，等. 基于BIM技術的大型渡槽管理信息系統研究[J]. 水電能源科學， 2018， 36（6）： 96-99.

[5] 陳志明， 李鵬， 胡小梅， 等. 漳河水庫三維仿真管理信息系統設計[J]. 人民長江， 2016， 47（12）： 104-107.

[6] 向弘，楊梅，鄭愛武，等. 數字黃登·大壩施工管理信息化系統的研發與應用[C]//中國大壩協會、西班牙大壩委員會.水電可持續發展與碾壓混凝土壩建設的技術進展：中國大壩協會2015學術年會論文集. 北京：中國大壩協會， 2015：70-77.

[7] 鄢江平，翟海峰. 楊房溝水電站建設質量智慧管理系統的研發及應用[J].長江科學院院報，2020，37（12）：169-175，182.

[8] 杜燦陽，張兆波，劉丹，等. BIM技術在珠三角水資源配置工程中的集成應用[J]. 水利信息化，2021（3）：1-7.

[9] 謝波，敖昕，鄧迎. 南水北調中線一期工程陶岔渠首樞紐設計研究[J]. 人民長江，2010，41（16）：24-27.

[10] 張莉，馬廣利. 水利工程信息化管理探析[J]. 城市建設理論研究，2016（10）：792.

[11] 賈佳，苗彥濤. 一種基于SOA的安全管理框架設計[J]. 通信技術，2020， 53（7）：1774-1779.

[12] 唐湘茜，馬瑞，楊喆. 三維地理信息平臺——方舟[J]. 水利水電快報， 2019，40（7）：6-7.

（編輯：高小雲）

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