基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳詠悅

(廣東六脈建設(shè)工程有限公司，廣州 511340)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速推進(jìn)，我國基礎(chǔ)建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展，建筑施工隊(duì)伍不斷壯大，對建筑公司的要求逐步提升。同時，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對原始建筑工藝造成沖擊。為了在激烈的建筑市場中占有一席之地，抓住機(jī)遇得到發(fā)展，大量建筑企業(yè)通過改變原有管理模式，提升單位內(nèi)部的信息系統(tǒng)建設(shè)，將施工過程中的多環(huán)節(jié)管理系統(tǒng)整合為施工一體化集成管理系統(tǒng)，提升施工企業(yè)管理的現(xiàn)代化與智能化[1-2]。各企業(yè)根據(jù)本單位的實(shí)際要求，研發(fā)符合其發(fā)展要求的項(xiàng)目管理系統(tǒng)，采用現(xiàn)代項(xiàng)目管理技術(shù)作為核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目的信息化管理。

目前，許多水電站基礎(chǔ)設(shè)施施工企業(yè)已經(jīng)安裝水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的應(yīng)用效果并未達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)與可靠性不佳[3-4]。對該系統(tǒng)進(jìn)行全面分析后可以確定，由于施工項(xiàng)目中信息量較大且類別較多，系統(tǒng)有效的數(shù)據(jù)存儲空間以及分析技術(shù)無法支持其對水電站施工進(jìn)度進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控與分析。

因此，本文使用BIM技術(shù)對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行完善與優(yōu)化，提出基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)，以期該系統(tǒng)能夠解決施工進(jìn)度監(jiān)管中的難題，提示施工進(jìn)度監(jiān)管精度與可靠性。

1 基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

為將BIM技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)軟件模塊的研發(fā)中，需要對系統(tǒng)硬件性能進(jìn)行完善與優(yōu)化。經(jīng)多輪對比后，系統(tǒng)硬件框架設(shè)定見圖1。

圖1 基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架

在圖1中，對原有系統(tǒng)中的中央控制器、施工進(jìn)程采集設(shè)備以及通信接口進(jìn)行優(yōu)化，以保證施工進(jìn)度信息采集結(jié)果的可靠性，且該部分信息可實(shí)時傳輸?shù)较到y(tǒng)的中央控制芯片中，完成信息處理，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度監(jiān)控的實(shí)時性。

1.1 中央控制芯片優(yōu)化設(shè)計

為縮小中央控制器在系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)中的占比，將中央控制芯片設(shè)定為嵌入式結(jié)構(gòu)，在一定程度上縮小中央控制器開發(fā)板的尺寸。對比多種嵌入式芯片后，選擇DSP芯片[5]作為該系統(tǒng)的中央控制器，該控制器專注于信號處理，具有較高的信號開發(fā)以及指令計算能力。在本次研究中，中央控制芯片的基本結(jié)構(gòu)設(shè)定見圖2。

圖2 中央控制芯片基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖2中，處理器為32位處理器，采用32bit內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，融合大量可進(jìn)行圖像處理的硬件加速器，支持多類型編碼以及解碼。根據(jù)當(dāng)前移動通信要求，可對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，且存儲器系統(tǒng)較為完善。同時，該中央控制器開發(fā)板支持NADA啟動形式，以此提升控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性與處理能力。在此開發(fā)板中，安裝時鐘模塊及網(wǎng)口，支持系統(tǒng)程序調(diào)試與數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 施工信息采集設(shè)備選型

在中央控制器優(yōu)化設(shè)計完成后，根據(jù)中央控制器的圖像處理水平，對施工信息采集設(shè)備進(jìn)行二次選型，以此提升施工信息采集的可靠性。

本次施工信息設(shè)備設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)模塊，該模塊主要由3部分構(gòu)成：①圖像接收板；②圖像信息核心板；③網(wǎng)絡(luò)信息接口。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選擇光學(xué)傳感器，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號。由于該模塊電壓與系統(tǒng)中其他設(shè)備電壓不一致，為保證該模塊能在系統(tǒng)中正常運(yùn)行，需要將系統(tǒng)的電壓設(shè)定為3.5、1.2及3.3V。對比部分設(shè)備型號后，將該模塊中增設(shè)重要組件：①供能芯片；②Sensor開發(fā)板；③網(wǎng)卡芯片；④網(wǎng)卡變壓器。

將上述器件與模塊有序連接，完成施工信息采集模塊的組建，將其作為系統(tǒng)的外部設(shè)備，以獲取施工信息。

1.3 通信網(wǎng)口優(yōu)化設(shè)計

在上述設(shè)備設(shè)計完成后，對系統(tǒng)的整體通信網(wǎng)口展開優(yōu)化設(shè)計。本次設(shè)計中，為提升通信網(wǎng)口的數(shù)據(jù)存儲能力，在該網(wǎng)絡(luò)接口處增設(shè)存儲器、USB接口以及1 000M以太網(wǎng)接口。同時，加工通信芯片設(shè)定為雙片選支架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)計DDR2存儲器，該存儲器直接連接中央控制芯片。為保證連接的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵電路連接形式設(shè)定見圖3。

圖3 通信網(wǎng)口關(guān)鍵電路

在本次設(shè)計中，將上述電路安裝到網(wǎng)口電路結(jié)構(gòu)中。結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計要求，將優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)接口以及施工信息采集設(shè)備、中央控制芯片按照圖1有序安裝到系統(tǒng)硬件框架中。至此，系統(tǒng)硬件優(yōu)化完成。

2 基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 構(gòu)建水電站BIM模型

在施工前，對施工過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集與匯總，使用BIM技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到水電站BIM模型。

在模型構(gòu)建過程中，涉及部分參數(shù)轉(zhuǎn)換，需要將不同的參數(shù)整理到同一坐標(biāo)系中。則坐標(biāo)轉(zhuǎn)化模型可整理為：

(1)

其中：ΔX、ΔY、ΔZ為坐標(biāo)平移向量；βX、βY、βZ為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)參數(shù)；h為模型尺寸參數(shù)；Y1、Z1、X1為原始坐標(biāo)參數(shù)。

利用式(1)，構(gòu)建水電站施工模型。為保證模型的應(yīng)用效果，在模型構(gòu)建完成后，對其進(jìn)行降噪處理，以提升模型的應(yīng)用效果，并將該模型作為水電站施工進(jìn)度的參考條件。

2.2 實(shí)現(xiàn)水電站施工進(jìn)度監(jiān)控

在水電站施工模型構(gòu)建完成后，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，根據(jù)采集到的施工數(shù)據(jù)，對施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測。具體預(yù)測過程如下：

將輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的施工數(shù)據(jù)設(shè)定為A，計算權(quán)值設(shè)定為k，隱含層閾值設(shè)定為o，此時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出向量可以表示為：

(2)

其中：gij為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；f為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù)。

在式(2)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)BIM模型得到該周期內(nèi)的預(yù)測施工進(jìn)程，則有：

(3)

在上述計算完成后，將其與實(shí)際施工環(huán)節(jié)進(jìn)行對比，確定預(yù)測值與實(shí)測值的差異：

u=Q-V

(4)

其中：Q為實(shí)際施工工程所處環(huán)節(jié)。

根據(jù)式(4)可確實(shí)實(shí)際施工環(huán)節(jié)與預(yù)測施工環(huán)節(jié)的差距，確定當(dāng)前工程的施工進(jìn)度。在上述計算過程中，為避免不同量綱的數(shù)據(jù)對監(jiān)控結(jié)果的影響，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，則有：

(5)

式中：Cmax、Cmin分別為同一類型施工數(shù)據(jù)的最大值與最小值；α、β為計算過程中需要的數(shù)值常量。

將上述計算內(nèi)容融入到系統(tǒng)軟件模塊中，并將該軟件架設(shè)在系統(tǒng)硬件設(shè)備上。至此，基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成。

3 系統(tǒng)測試分析

針對上文中提出的基于BIM技術(shù)的水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)具有應(yīng)用價值，在系統(tǒng)硬件與軟件優(yōu)化設(shè)計完成后，構(gòu)建系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，對該系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行分析。

3.1 測試環(huán)境

為確定文中系統(tǒng)在不同的控制平臺中均具有使用效果，將系統(tǒng)測試環(huán)境設(shè)定為兩組不同的系統(tǒng)，分別為：①Windows平臺：Windows 10；②Linux平臺：Red Hat Linux。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：在上述兩平臺中分別安裝My SQL 2016數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)測試提供數(shù)據(jù)庫驅(qū)動。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：在對當(dāng)前多個施工單位與企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行分析后，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)定為JDK、Tomcat融合的方式。

客戶端：①操作系統(tǒng)：Windows 10、Windows 8；②瀏覽器：IE8.0及以上。

將上述內(nèi)容作為本次系統(tǒng)測試的基礎(chǔ)，在該測試環(huán)境中完成單元測試以及集成測試，計算相應(yīng)的測試結(jié)果，以便后續(xù)分析工作的實(shí)施。

3.2 系統(tǒng)測試指標(biāo)

在對大量的系統(tǒng)測試案例進(jìn)行分析后，確定本次系統(tǒng)測試評估指標(biāo)。文中系統(tǒng)評估性能大致可分為3類，分別為：

1)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。對系統(tǒng)施工信息的處理功能、處理速度以及響應(yīng)時間進(jìn)行測定 ，確保其符合當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行要求。為將該指標(biāo)具象化分析，將其整合為CPU占用率，以獲取該數(shù)據(jù)完成系統(tǒng)測試分析。

2)系統(tǒng)的可靠性。分析系統(tǒng)對施工信息分析的準(zhǔn)確性，確定其可在信息中存在干擾的前提下完成施工進(jìn)度的管理與控制，及時糾正錯誤信息。在本研究中，對系統(tǒng)得到的施工環(huán)節(jié)與實(shí)際施工環(huán)節(jié)進(jìn)行對比，確定系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性。

3)系統(tǒng)的可維護(hù)性。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定程度，避免出現(xiàn)被篡改的情況，不會受到外界的干擾，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

本次系統(tǒng)測試中，將上述3指標(biāo)作為評定文中系統(tǒng)應(yīng)用效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)該指標(biāo)設(shè)定合適的測試方案，以獲取測試結(jié)果，完成分析過程。

3.3 系統(tǒng)測試方案

本次系統(tǒng)測試將首先對系統(tǒng)的硬件連接展開調(diào)試，確定系統(tǒng)基礎(chǔ)功能符合系統(tǒng)設(shè)計要求。而后，對系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能進(jìn)行測定。為保證系統(tǒng)測試的真實(shí)性，在測試的過程中，選擇真實(shí)施工數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，獲取有效測試結(jié)果。選定某施工期水電站作為測試數(shù)據(jù)來源，通過分析該數(shù)據(jù)，確定水電站施工階段，并將其與真實(shí)進(jìn)行的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行比對，得到系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果的可靠性。本次系統(tǒng)測試中選定施工項(xiàng)目見圖4。

圖4 水電站施工項(xiàng)目工況

同時，在測試數(shù)據(jù)中增加干擾項(xiàng)目，確定文中系統(tǒng)不會受到數(shù)據(jù)干擾，可正常完成施工進(jìn)度監(jiān)控。對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后，得到系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

將上述數(shù)據(jù)作為本次測試的數(shù)據(jù)來源，按照預(yù)設(shè)的系統(tǒng)測試評估指標(biāo)，對文中系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行分析。在測試評估的過程中，注意計算結(jié)果的精準(zhǔn)度，避免影響測試結(jié)果。

3.4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

3.4.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試結(jié)果分析

在對系統(tǒng)硬件進(jìn)行調(diào)試之后，得到系統(tǒng)基礎(chǔ)功能測試結(jié)果。在本次系統(tǒng)測試中，將其劃分為5項(xiàng)功能進(jìn)行測定，具體結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

對上述測試結(jié)果進(jìn)行分析可以確定，文中系統(tǒng)的硬件與軟件優(yōu)化后，具有穩(wěn)定的運(yùn)行效果，且可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。表2中，測試結(jié)果確定了文中系統(tǒng)具有可行性，在本次系統(tǒng)測試中可對其進(jìn)行性能測試，確定系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的科學(xué)性。

3.4.2 系統(tǒng)軟件性能結(jié)果分析

按照上文中設(shè)定的測試方案，獲取文中系統(tǒng)的應(yīng)用性能測試結(jié)果，見圖5。

圖5 系統(tǒng)CPU占用率測試結(jié)果

在進(jìn)行測試前，通過文獻(xiàn)分析得到當(dāng)前系統(tǒng)CPU占用率的基礎(chǔ)值控制在50%左右，系統(tǒng)中大量的資源用于數(shù)據(jù)整理與分析工作，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。對圖5中進(jìn)行分析后可以看出，文中系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量較大的環(huán)境中依舊可以穩(wěn)定運(yùn)行，且在數(shù)據(jù)整理分析過程中，所占用的CPU較少。由此可見，在系統(tǒng)中使用BIM技術(shù)在一定程度上降低數(shù)據(jù)的分析難度，根據(jù)預(yù)設(shè)的施工方案可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。見表3。

表3 施工環(huán)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

對表3中測試結(jié)果進(jìn)行分析可以確定，文中系統(tǒng)所得施工環(huán)節(jié)與實(shí)際施工環(huán)節(jié)基本一致，并未出現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果異常問題。由此可以確定，文中系統(tǒng)的分析能力以及監(jiān)控可靠性較高。在該測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，可對系統(tǒng)的可維護(hù)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 數(shù)據(jù)干擾條件下施工環(huán)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

對表4中系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行分析后可以確定，在數(shù)據(jù)干擾的情況下，文中系統(tǒng)依舊可以根據(jù)已有數(shù)據(jù)對施工項(xiàng)目的實(shí)時施工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)上述測試結(jié)果可以確定，文中系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與文中分析能力。對上述系統(tǒng)基礎(chǔ)性能進(jìn)行整合可以確定，文中系統(tǒng)的應(yīng)用性能基本符合系統(tǒng)測試評估指標(biāo)的要求。為此，可將其應(yīng)用到實(shí)際工程的監(jiān)控過程中。

4 結(jié) 語

近年來，隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，水電站工程領(lǐng)域中，智慧建設(shè)概念被提出。其中，如何對水電站施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控與管理一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。根據(jù)相關(guān)的施工要求，本文構(gòu)建了水電站施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在使用過程中存在一系列應(yīng)用問題有待解決。因此，本文應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的性能優(yōu)化。新系統(tǒng)在一定程度上解決了當(dāng)前系統(tǒng)的應(yīng)用問題，且通過系統(tǒng)測試確定該系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性。該系統(tǒng)主要針對施工數(shù)據(jù)的整理部分進(jìn)行優(yōu)化，并未對系統(tǒng)的其他性能進(jìn)行完善，今后還需在不斷的應(yīng)用研究中，提升該系統(tǒng)的其他性能，確保系統(tǒng)的應(yīng)用效果與日益提升的施工要求相適應(yīng)。