排澇泵站智慧運維BIM可視化平臺應用實踐與思考

彭木站，臧沛淵，任威旭，高 婷，許澤鈿

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518021)

智慧水務是智慧城市建設的重要組成部分，貫穿于城市防洪減災、水資源調配、水環境保護與水管理服務等體系，具體體現為“物聯感知、互聯互通、科學決策、智能管理”，是促進水治理體系和治理能力現代化的新理念和新模式。如何從根本上轉變思維模式，建立信息化觀念，利用不斷更新的信息技術，提升智慧水務的建設水平亟待深入探討和研究[1]。

傳統的水利行業強調建筑物設計的安全，普遍存在“重建輕管”的現象。管理手段落后、監督機制缺位、人員業務素質參差不齊等短板更有待智慧水務進一步建設補齊。近年來，深圳市在水務業務工作中大力推行智慧水務應用體系，在各方面工作的信息化管理上取得了一定成效[2]。同時，國內其他智慧水務建設的工程案例也相繼引入信息領域中的各類新興技術，如智能感知技術在水文水質信息采集、視頻監控識別、設備運行狀態監測等方面的應用；大數據技術結合城市洪澇模型，在城市降雨中對未來水庫、河道超警情況及城區內澇積水情況進行預測，為湖庫河閘泵的水資源優化調度提供科學依據；BIM+GIS技術，能夠為管理人員在地理空間平臺上展現專業數據和工程項目的可視化模型[3-4]，結合可視化與城市洪澇模型，生成內澇淹沒分析，直觀展現影響范圍，輔助迅速決策；構建智慧水務平臺，為解決城市水問題提供必要的決策和支持[5-6]。

隨著智慧水務應用體系的不斷發展，單純的一項技術已經不能滿足應用需要。因此，本文以深圳市沙井排澇泵站智慧運維BIM可視化平臺建設為例，借助智慧運維平臺，整合前端感知、城市水務模型、BIM+GIS等技術，構建水務設施智慧化運維體系，為水務業務與信息技術結合提供了一個較好的示范案例，相信能在其他智慧水務工程和水利信息化建設中有所助益。

1 工程背景

沙井排澇泵站是解決深圳市寶安區沙井河沿線低洼區內澇的重要控制性工程，也是深圳市最大的排澇泵站，片區流域面積72.83 km2。整個工程由泵站，進、出水構筑物，河口水閘4部分組成，最大抽排規模為170 m3/s，最大揚程為2.23 m。

泵站日常運維工作內容包括泵站值守、機組巡檢、設備日常運行監控及管理、反饋缺陷信息、啟閉機組、調試設備等。目前，日常運維信息的采集、核對、歸檔等基本采用人工作業方式，通過運維人員徒步巡視、手工抄錄、電子化填寫、逐級核對后存檔。人工上報難以避免的上報延遲、信息錯漏等等情況一方面拖慢了泵站日常工作的進展，變相提高泵站運維成本，還可能因設施設備故障處理不及時導致停機事故，造成重大損失；此外，信息存儲效率低下，紙質檔案存放時間過長導致丟失，編寫報告或檢索事故記錄支持時，需要耗費大量人工提檔歸檔，難以做到信息整合和高效調用；泵站備品備件出入庫記錄缺失，備件庫存不明朗，無法根據儲存時長和使用頻率進行采購，易導致設備停用等運維事故，造成設施養護時間成本居高不下。日常運維中存在的種種問題在很大程度上制約泵站運維的高效化、精細化和智能化進展，導致泵站難以達到智慧運維的要求。

2 平臺架構及功能

針對泵站運維管理的痛點，本平臺充分發揮BIM可視化技術在工程項目全生命周期管理的優勢，尤其是在運維管理方面的優勢，結合物聯感知、大數據、GIS等關鍵技術，建設多元立體的監測體系，構筑多維度信息服務平臺。具體而言，平臺依托BIM+GIS技術，實現沙井排澇泵站構筑物精細化建模和地理信息數據的三維場景調用及展示[7]，并利用物聯網技術將泵站自動化監測數據實現即時傳輸和表征。其次，采用大數據及云計算技術[8]，對涉水數據進行跟蹤、收集、處理，為泵站管養及綜合調度應用模型提供數據支持，為泵站日常運維、汛期預報和聯合調度提供決策依據。

2.1 平臺架構

本平臺是圍繞泵站管理的業務流程而建立的大型工作平臺。建立在完善的標準規范體系和信息安全體系基礎上，平臺架構見圖1，系統自下而上構筑了基礎層、支持平臺層、信息采集層、業務應用層，下層提供服務基礎，上層發揮服務應用[9-10]。所有用戶采用單點登錄的模式，經過系統身份認證和授權后進入系統。

圖1 平臺架構

基礎層是平臺進行開發和數據存儲的根本，是支撐各上層架構的核心。數據集成層包括模型構件庫、業務數據庫和文檔庫。其中，構件庫支持三維模型及其構件信息的導入和匹配，為BIM可視化模塊提供支持；業務數據庫接入平臺采集的數據并進行歸檔調用，為實現智能調度方案和泵組運行調節提供算法支持；文檔庫集成日常運維任務單、上報表單及日常管理文檔等表單文件，按分類及關鍵字進行歸檔存儲，以供調用。支持平臺層按不同管理人員使用權限及需求分為泵站管養信息維護平臺、數字化移交平臺、文檔協同管理平臺，做到平臺專項使用，保證了泵站系統的統一與協調管理[11]。信息采集層中，監測數據采集模塊接收前端感知設備信息、泵站監測設備信息和外源水文預報等信息，進行初步篩分并轉入業務數據庫；數字化移交數據模塊為管理人員信息錄入提供接口；構件結構化數據模塊為后續BIM模型細化和屬性添加提供接口。業務應用層承擔門戶功能，舉例而言，管理人員通過日常工作管理模塊進行巡檢任務錄入，平臺識別后生成任務單，派發至相應運維人員，巡檢完成后巡檢單上傳確認并存檔，同時報送至管理人員處。

該架構優勢在于實現了平臺專項使用，不同職能權限的人員對應操作平臺的不同模塊，從根本上杜絕權限混亂和錯誤操作事故。同時，數據存儲和計算在下層，平臺上層應用代碼輕量化，便于維護和進行新功能開發。合理的架構設計大大增加了平臺開發速度、實用性，降低了維護和更新的成本。

2.2 功能模塊

2.2.1BIM可視化

為實現設備設施模型、建筑模型和工程地理信息的可視化展示與管理，同時也為了模型格式的統一和后續操作的便利，平臺對建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和地理信息系統(Geographic Information System，GIS)進行了整合研究。通過BIM領域的標準格式(Industry Foundation Classes，IFC)將建筑和設備模型數據映射到GIS領域的標準格式城市地理標記語言(City Geographic Markup Language，CityGML)，以GIS為基礎實現了建筑信息模型和地理數據信息的集成[12]。

平臺的核心是三維可視化管理模塊的開發：搭建基于Java框架的平臺，將集成后的BIM+GIS輕量化模型上傳至平臺中進行管理和展示(圖2)，直觀反映泵站設施設備的空間位置信息；泵站物聯感知數據接入平臺，依托模型進行可視化直觀展示；同時，嵌入業務模塊、管理模塊以及數據分析模塊等模塊的快捷導航，為泵站管理提升效率。

圖2 三維可視化模塊

通過BIM圖形與可視化技術，平臺得以展示廠區的真實情景。具有唯一編碼的BIM模型可與資產的生產廠商、安裝時間、設計圖紙等靜態數據掛接在一起；也支持管理人員對廠區設備信息的實時瀏覽查閱，設備模型與檢修記錄、報警記錄等動態數據關聯在一起，實現交互式快速檢索及查詢。

2.2.2運行狀態監測

平臺接入現場SCADA系統，實時呈現設備狀態監控數據。泵站運行的各個系統數據，如泵組運行系統、水機參數系統、電氣參數系統、高低壓柜狀態系統及閘門工況系統等，均依托于BIM模型進行展示(圖3)。此外，本模塊下還可查看機組的實時運行數據和報警情況。

圖3 運行狀態監測模塊

2.2.3設備物資管理

平臺開發時對沙井泵站進行了系統化資產梳理、管理邏輯梳理，形成了一套可行的資產編碼體系，在BIM模型的基礎上，以編碼為基礎進行設備及備品備件的查漏，并確保泵站實物資產均構建相對應的高精度BIM模型，編碼與模型結合形成一套完整的資產管控體系。

泵站日常運維及檢修過程涉及備品備件出入庫，傳統的備件管理采用人工手寫記錄，容易因為人員疏忽產生漏填錯填等情況，也無法做到備件數量及狀態的實時查看。針對該問題，項目組對泵站設備零件及其備品備件信息整合統計，結合設備部件編碼，備件入庫時經項目基礎數據、產品屬性和存放要求等信息錄入，審批完成后生成二維碼，出庫進行掃碼登記，后臺實時記錄備件狀態及出入庫信息[13]。

本模塊下，泵站各資產條目與資產的生產廠商、安裝時間、設計圖紙等靜態數據掛接在一起。同時，泵站的設備資產關聯檢修記錄、報警記錄等歷史數據，方便管理人員進行交互式快速檢索及查詢。平臺也提供移動端資產數據查詢模式，助力全面提升泵站信息管理水平。

2.2.4運維記錄留檔

該模塊支持巡視計劃及巡視結果的平臺化管理，方便現場巡視工作的留痕化、精細化，系統自動過濾統計下一周期的維保任務，并將統計好的維保任務推送給相應維保負責人。

2.2.5預警管理

泵站前池、各進水閘門及出水口處布設有液位計，河口水閘上下游左右岸各布設有流量計及浮子液位計，滿足泵站日常運維需要。平臺開發及投入使用過程中，在泵站片區內重點易澇區域(圖4)加裝氣泡水位計、雨量計和雷達波測速儀(圖5)，通過遙測終端機(RTU)及相應通訊模塊進行數據的采集和傳輸，有效保證汛期泵站片區內各內澇點流量和水位的實時獲取。

圖4 沙井片區重點易澇區

圖5 前端感知設備

根據深圳市防汛預案的要求，平臺相應開發了預警管理模塊。根據獲取信息進行事件生成、確認及分類，如積水內澇、設施設備損壞、人員入侵、設備超限運行等等基礎事件，再將其分級并推送，具體流程見圖6。

圖6 預警事件分級流程

積水內澇預警模塊中，平臺將綜合前端感知信息及天氣預報，對監測點水位進行模擬計算。當監測判斷易澇點積水時間超過30 min，積水深度超過0.15 m，給水范圍超過1 000 m2或下凹橋區域積水時間超過30 min，積水深度超過0.27 m時進行內澇水情預警。對于水情預警或設備超限運行情況，平臺實時報警并推送相關歷史報警記錄及處理方式，并對處理過程進行全程跟蹤，問題與處理結果在平臺流程中形成閉合的環，確保警報事故無遺漏，避免災害發生。

2.2.6監測監控

視頻監控系統的網絡環境分為VPN網和內網，集成現有視頻監控系統，通過內外網的代理服務器完成數據的轉發，保證視頻數據對平臺的安全接入[14]。通過攝像頭模型、標簽及透明度變化等方式，實現現場監控攝像頭的快速布局查看及定位查找。借助場景定制視頻監控設備，對人員出入站、日常巡視等情況進行智能識別，陌生人入侵、人員未正確穿戴防護用品時進行告警并推送至安全生產負責人處。

2.2.7知識庫

該模塊錄入泵站運維相關的管理制度、巡檢方法、調度操作、機組運行操作、日常維護、防汛搶險、應急管理等規章制度及技術標準，進行知識資源統一管理，方便工作人員調閱。

2.2.8歷史數據

以數據“留痕”為出發點，詳盡梳理平臺監測到的設備、設施狀態，調度運行數據、管理流程文件等數據，并對其是否具有歷史“歸檔”進行篩選，形成完備的沙井泵站“檔案庫”。

2.2.9三維模型應用拓展

平臺結合虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)開發了系列培訓軟件(圖7)。支持新入職員工進行設備原理、施工工序等科普，同時對各種安全應急狀況進行真實模擬，對員工進行應急培訓。

圖7 VR培訓軟件

3 功能外延

3.1 信息集成和共享

利用BIM技術的特性，在運維階段將設計和施工階段的各種相關工程信息進行整合，實現建設信息在全生命周期的共享和使用。此外，基于BIM模型，平臺得以將這些信息與設備管理相結合，形成模型-圖紙-文檔-設備的信息整體，為管理管養人員提供數據查詢的便利。

3.2 設施可視化管理

平臺構建的可視化模塊，提升了交付圖紙的維度，形成泵站管理的有力支持；為泵站應急輔助決策、設施設備運行信息查詢、各關鍵段水位信息等提供可視化載體，實現泵站基于BIM模型的管理；可視化窗口有助于管理人員直觀定位設備或構件，展示其周圍情況，協助維修計劃制定。在人員培訓及展示方面，可視化模塊提供更加貼近廠區真實的情景模擬，提升人員對泵站的整體認知水平。

3.3 泵站智慧化管理

平臺通過多源信息融合應用、運行安全智能化、運行管理智能化等手段協助泵站實現智慧化管理[15]。

平臺集成前端感知、泵站運行狀態實時監控、精細化降雨預報成果等信息，實現多源信息融合應用，優化泵站運行、設備故障診斷和片區水雨情智能監測監控。通過信息接入和模擬，輔助機組運行調節，使機組能夠持續處在最優工況下運作，能夠顯著提升泵組運行效率，整體提升泵站效益。

基于編碼體系的信息管理，管理人員得以在平臺上對精細到部件進行信息查閱和調用，為泵站管理提供了全掌握的視野。泵站管理的制度信息、維修巡檢日志在平臺存檔，管理和運行操作人員都能便利地獲取所需的幫助信息，實現泵站的精細化、精準化管理。此外，平臺定期評估泵組運行各項參數并生成運行狀態及性能分析報告，有助消除泵組潛在故障和隱患，實現泵組運行安全管理智能化。

通過平臺，將泵站的工作流程、人員、制度等進行系統化管理。巡檢人員使用移動設備對機組運行狀態進行巡查管理并生成運行記錄、故障記錄等信息，實時通過移動端App上傳至管理平臺，并根據生成的保養計劃自動提示到期需保養的設備，實現泵站技術管理及辦公的數字化、智能化；形成設備故障的系統化管理，從設備故障預警、設備維修申請到驗收等一系列流程的規范化；此外，管理人員還可以在客戶端進行對運維人員每日工作的確認和檢查，提高泵站管理者對泵站日常流程管理的能力，降低管理成本，有效規范日常管理行為，實現符合水利現代化建設要求的泵站管理。

3.4 設備實時監控

平臺接入的視頻監控設備支持工作人員在平臺的不同客戶端(網頁端或移動設備端)上實時監控泵站內所有設備的運行狀態，得知設備是否正常工作并記錄運行日志；此外，通過點選不同位置的監控攝像頭獲取該區域實時的監控畫面，閘門啟閉情況，各種管道壓力計實時讀表數據以及泵站進水和出水水位等等信息。

3.5 輔助綜合調度

基于泵站設備運行記錄以及歷史水文氣象觀測數據，再結合項目執行期內現狀數據的實時監測和動態分析，通過物聯網技術將降雨、水位、流量、視頻監控、閘門開度、位移監測等數據傳輸至管理云平臺，并形成數據庫進行分析管理。依據分析成果和算法綜合[16-17]為泵站管理者提供可靠的綜合調度建議，并可以為未來汛期來臨前的準備以及相關流域的建設提供基礎數據和科學依據。

4 結語

平臺開發的部分功能，如大數據技術支持下的平臺調度，需結合布設前端感知設備。目前而言，泵站智慧運維BIM可視化平臺成本較高，適用面還較窄：即平臺需要基于泵站原有自動化設備基礎建設，或有賴于新增相關設備的小型化、性價比的進一步提升。此外，目前平臺預警模塊僅針對內部管理及運維人員，后續隨著片區預警信息屏和電子警示牌等硬件設施完善，平臺部分預警信息對公眾和下游船只開放，形成區域監測預警網絡，能夠更好保障片區人民的生命財產安全。

針對沙井泵站智慧管理的要求，探索性研究各功能模塊具體實現途徑和目標，已在現場實地布置并投入使用，取得了較好的應用的成果。將其作為試點，積極探索“互聯網+”現代水利和智慧水利建設，為管理的高效性、即時性提供平臺建設思路，對其他水利設施管理也具有推廣意義。