BIM+GIS技術在茜坑水庫智慧庫區建設中的應用研究

王 煌，吉衛舟

(1．深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000； 2．上海寶冶集團有限公司 建筑設計研究院，上海 200941)

1 概 述

1.1 茜坑水庫概況

茜坑水庫位于深圳市觀瀾河支流茜坑水上游，屬東江水系，隸屬于深圳市北部水源工程管理處，是深圳市北線引水工程的重要節點。茜坑水庫建成于1993年，原總庫容為922×104m3，于2000年在原有水庫基礎上進行擴建。擴建后屬中型水庫，集雨面積4.98 km2，正常庫容1 857×104m3，總庫容1 917×104m3，水庫主體工程主要由主壩、4座副壩、溢洪道和輸水涵管等組成[1]。

由于茜坑水庫建成較早，目前信息化系統運行存在諸多問題，主要如下：①水務基礎數據分散，數據共享程度低，缺乏數據的統一標準、有效整合和整體呈現；②水務監測感知體系有死角，網絡不健全，遠程傳輸困難，感知數據不連通；③管理系統多為獨立的業務功能系統，集成化程度低，未形成跨部門、跨區域、上下游協同聯動工作機制；④對感知和業務數據缺乏綜合分析能力，運行管理和調度控制的智慧化程度有待提升。以上問題不僅存在于茜坑水庫，深圳市部分已建水庫特別是老舊水庫，基本都存在上述類似問題。

2019年6月，茜坑水庫被列為深圳市水務局BIM應用試點范圍，開展了BIM+GIS技術運用到“智慧庫區”建設中的研究。通過水務設施智能化管理，提升茜坑水庫運行管理質量與水平，讓老舊水庫煥發新活力，實現水務現代化發展和管理轉型升級。

1.2 研究目標

立足于深圳茜坑水庫現狀實際情況，以BIM+GIS技術為基礎，結合IoT、遙感技術、計算機技術、數據庫技術、網絡及通信技術等先進技術，打造統一信息協同平臺即“茜坑水庫BIM+GIS智慧庫區平臺”。平臺開發主要采用松耦合架構模式，賦能水務工程管理，達到統一空間數據底板、空間數據資源共享、規范提升管理水平三大實施目標：

1) 統一空間數據底板。以地理空間信息為基準，整合水庫BIM+GIS空間數據，構筑茜坑水庫BIM應用平臺。

2) 空間數據資源共享。加強水庫所屬部門空間數據共享和開發利用，從而節省財政資金，充分體現本項目的經濟和社會效益。

3) 規范提升管理水平。通過促進高效管理、科學決策，提升管理水平、規范管理行為、促進管理創新，處理好水庫信息化“建”、“管”、“養”三者的關系，從而總體上加強監管和確保安全的主動性、科學性，做到茜坑水庫管理范圍內全要素狀況“一覽無余”，固定資產“心中有數”。

2 項目實施技術研究及成果

2.1 構建系統技術框架

茜坑水庫BIM+GIS智慧庫區平臺開發主要包含水庫運行、養護、安全三大塊內容，采用“1+1+N”架構展開建設，即形成1個茜坑水庫BIM數據中心、1個智慧庫區BIM+GIS綜合管控中心以及N個水庫管理業務應用點。

茜坑水庫BIM+GIS智慧庫區平臺系統建設基于SOA松耦合架構，該架構具有提高信息資源復用性、降低開發投入和保障系統的可維護可拓展性能等優點。見圖1、圖2。

圖1 1+1+N系統架構

圖2 系統技術框架

2.2 主要技術應用

平臺開發主要應用的技術為BIM、GIS、遙感技術、IoT、三維掃描技術、計算機技術、數據庫技術、網絡及通信技術、云計算技術等，各種技術的應用點及使用的主要軟件見表1。

表1 技術應用點及使用的主要軟件

2.3 “1”個數據中心

針對茜坑水庫現狀水務基礎數據分散，數據共享程度低，缺乏數據的統一標準、有效整合和整體呈現的具體情況，平臺開發的基礎則是建立一個統一標準、高效共享的數據中心作為底板。

1) BIM技術建模。BIM以工程的各種相關信息數據作為基礎，通過構建虛擬建筑工程三維模型，利用數字化技術、信息化技術為模型提供與實際結構一致的信息庫[2]。BIM運營管理的優勢主要在于數據集成共享與管理可視化[3]。本次通過收集檔案室紙質、CAD圖紙以及現場激光掃描等手段獲取準確有效的水工基礎資料，對庫區范圍內重點管控的水工建筑物及其附屬設施設備采用BIM軟件進行精細化BIM建模，并對BIM模型賦予相應的屬性信息。

2) GIS基礎環境數據采集。GIS技術具有虛擬現實技術和空間分析功能，可將現實世界中對象的空間位置與相關屬性有機結合起來，從而為空間決策提供技術支持，實現可視化表達[4-5]。本次GIS基礎環境數據主要采用無人機對茜坑水庫庫區影像數據進行采集，通過不同視角同步采集影像，獲取到多維度水工建筑物頂面及側視的高分辨率紋理，真實反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息[6]，再通過先進的定位、融合、建模等技術，最終生成仿真的三維水庫GIS模型。見圖3、圖4。

圖3 水工建筑物BIM成果

圖4 庫區環境GIS數據采集

3) 運行感知數據采集。茜坑水庫現有感知設備主要為壩下底涵流量計、閥門流量傳感器、水雨情傳感器、水質監測點、供水主管流量傳感器、大壩滲流量水堰、遠程抄表及大壩變形監測點等，主要的配套感知系統為水雨情測報系統、遠程抄表系統、管道壓力報警系統、大壩滲壓滲流觀測系統、移動巡檢系統和庫區視頻監控系統等。本項目對茜坑水庫現有的運行感知設備及產生的數據進行梳理，收集各類感知硬件參數與采樣頻次等信息，收集后對水庫現有散亂感知系統進行調試與整合，校核數據時效性及有效性，為后續的數據接入與系統集成做準備。

4) 數據集成。通過前一階段對茜坑水庫主壩、副壩、溢洪道、底涵等所有水工結構及其附屬設施設備BIM數據的逆向采集與生產，以及水庫周邊約7 km2內的基礎環境數據采集，在數據集成階段，通過逆向設計整合形成茜坑水庫BIM+GIS綜合模型，模型既保留了茜坑水庫水工建筑及附屬設施設備數據的屬性結構，又整合了地理空間、專題屬性信息等數據，通過分布式文件存儲數據庫MongDB[7]進行統一管理，最終形成茜坑水庫完整統一的數據中心，達到運管理數據三維可視化。

2.4 “1”個智慧庫區BIM+GIS綜合管控中心

茜坑水庫BIM+GIS智慧庫區平臺集成“一張圖”綜合展示系統、監測管理系統、遠程控制系統和三維可視化系統等，聯動智能感知網，實現供水調度以及通過指揮中心遠程監控水庫的運行狀況，保證茜坑水庫的科學、安全運行。見圖5。

圖5 茜坑水庫BIM+GIS綜合管控中心

1) “一張圖”綜合展示系統：提供全要素“一張圖”綜合展示頁面，所有用戶可以在上面獲得統一發布的地圖內容或動態監測與統計信息。

2) 感知監測管理：主要包括供水調度監測、水庫監測系統、泵站監測系統、管線監測系統、視頻監測系統、水質監測系統。

3) 遠程控制系統：主要實現水庫、泵站相關閘門的控制，保證在出現預警報警情況時，水源管理處能通過遠程控制系統，及時處理相關經濟事件。

4) 三維可視化系統：對水庫、管線、泵站進行精細化建模，建立三維立體圖形，直觀地管理水庫、管線、泵站，提供了統計、查詢、專題應用等多工況分析功能。

2.5 “N”個管理應用

茜坑水庫BIM+GIS智慧庫區平臺目前已完成的管理應用模塊主要包括二維碼資產設備管理模塊和水庫智能移動巡查模塊。

二維碼資產設備管理模塊在智慧庫區綜合管控中心界面中設置模塊入口，該模塊可將資產設備的購買、借用歸還、維修及報廢等環節中產生的信息與BIM模型進行關聯與耦合。二維碼資產設備管理同時也可實現通過二維碼將虛擬數據與現實中設備資產進行關聯，手機掃碼，快速識別，實現移動終端掃碼可快速查看設備運行狀態、運維記錄、監測數據等功能。運行過程中發現故障時，填寫故障現象、發生時間、已經采取的措施，提交給相關的故障處理人員[8]。

水庫智能移動巡查模塊以數據庫和云計算技術作為基礎，分為云平臺和云終端，實現水庫日常巡查的云端應用。按照不同使用場景，為水庫日常巡查管理人員配備智能巡查終端、智能手環以及智能手機等設備，可實現水庫日常巡查工作的智能部署、狀態監控、巡查定位、事件上報、人員考勤以及自動統計等功能。巡查路線和位置實時在線監控，用戶網格化管理，實現分組、分時段管理，同時巡查工作人員隱私保護功能(僅在工作范圍內記錄軌跡)，最終有效提高了水庫巡查工作效率，降低管控風險。見圖6、圖7。

圖6 巡查路線及定位

3 結 論

BIM技術主要應用于管理庫區水工建筑物全生命周期的信息，GIS技術則是應用于整合外部環境信息，利用BIM與GIS互補關系建設數字孿生水庫，從微觀到宏觀，目前已實現從工程安全、設備狀態、實時告警、泵閘工況、水情水質等方面總體展示茜坑水庫工情和管理情況，幫助茜坑水庫管理所通過BIM+GIS“一張圖”快速從全局掌握水庫運行全部信息，實現水庫安全管理“可視化”，賦能水務工程管理，輔助管理者進行庫區全方位全要素的管控，極大提高工程管理效率，特別是給老舊水庫帶來新的活力，并作為水庫標準化管養的重要組成部分，值得在深圳市水庫運維管養中推廣。

深圳市的水庫管理需求已由“傳統功能型”轉向“都市服務型”，因此水務設施運行維護智能化管理是水務現代化發展和管理轉型升級的必然趨勢[9]。在茜坑水庫試點建設BIM+GIS智慧庫區平臺中，通過數據中心大數據的積累，后期結合大數據、云計算技術以及日漸成熟的水文水資源預測調度模型，對服務范圍內的水務設施、重點河流、防洪城區等保護對象進行全面、多元、動態的數據采集分析及對洪水災情及時預警、科學調度，保障汛情信息能監控、能發布、有反饋、有響應，形成防汛指揮各環節的全覆蓋[10]。