基于BIM+GIS的水利水電工程綜合應用平臺設計與實現

補舒棋，毛擁政，史宏波，張 偉，劉 冬

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

0 引言

近年來BIM技術在大型水利水電工程的應用已基本形成了相應的解決技術方案，隨著工程數字化技術、BIM+GIS、物聯網、云計算、大數據、可視化技術等技術在智慧水利、智慧交通、智慧城市等行業領域的不斷深入應用，使項目參建各單位能夠基于以上技術在工程設計階段、建設期和運維管理期實現項目全生命周期的決策和管理，形成資源共享、協同管理，如“數字那棱格勒河”研發了基于BIM+GIS建設管理的通用APaaS可視化開發平臺及其引擎體系，實現了BIM+GIS數據與業務邏輯的深度融合[1]，王煌等[2]等以BIM+GIS研究為基礎，打造了茜坑水庫智慧庫區平臺，輔助管理者進行庫區全方位全要素的管控；張社榮[3]等以BIMSer-ver和Cesium3DGIS平臺為依托開發了基于BIM+GIS的水電工程施工期協同管理系統，研究依托實際工程及業務拓展需求基于B/S模式結合BIM+GIS技術建立了融合多源建筑模型信息及地理空間信息的可用于工程建設期及運維期的水利水電工程BIM+GIS可視化綜合管理平臺，具有通用性和擴展性，可為工程數字化建設和管理的不同階段提供基本解決方案。

1 需求分析及平臺框架

1.1 需求分析

水利水電工程BIM+GIS可視化綜合管理平臺的建設主要是為水利水電工程在設計、建設和運維期提供數據管理、查詢和可視化等功能。平臺需以BIM模型、GIS信息、傾斜攝影、地形等融合的基礎空間數據為基礎，融合工程施工建設信息、監測監控信息、運維信息、實現工程在建設階段、運維階段的數據管理、查詢、可視化以及GIS空間分析等，平臺需具備通用性、可擴展性等特點，可為多個項目工程服務。具體而言，從功能上主要包括以下方面的需求：

(1)工程設計階段的需求：通過構建項目BIM模型，并將BIM模型與GIS信息融合，以便對地形、地貌等進行準確的分析和計算，幫助工程師更好地進行協同設計；

(2)工程建設階段的需求：通過BIM模型、傾斜攝影等技術，對施工現場進行實時監測、監控和管理，檢查施工質量、進度和安全情況，及時發現問題并進行處理；

(3)工程運維階段的需求：定期根據工程設備維護信息對工程進行維護和檢修，及時記錄維護日志和實時監測數據，對工程設施進行GIS空間分析和可視化，確保工程的長期穩定運行；

(4)工程管理需求：對工程所有數據進行統一管理，包括基礎數據、進度數據、監測數據和維護數據等。同時，還需要對軟硬件進行維護，確保其高效穩定地運行。

基于以上需求，該平臺系統主要分為4個業務應用部分：

(1)BIM+GIS可視化系統：具備BIM模型、GIS信息、傾斜攝影、地形等數據的融合和可視化分析功能，提供工程設計、建設和運維階段所需的數據查詢和分析；系統需要融合BIM模型、GIS信息、傾斜攝影、地形等數據的技術，以及提供可視化分析的技術，采用Java等編程語言，通過WebGIS技術將BIM模型、GIS信息、傾斜攝影、地形等數據進行可視化分析效果。

(2)基礎數據管理系統：對工程基礎數據進行統一管理，包括工程圖紙、文檔、圖片、監測數據、視頻、設備運維數據等資料，以及施工單位、材料供應商等相關信息；系統需要采用Java語言，通過數據庫管理系統將工程圖紙、文檔、圖片等資料進行統一管理。

(3)進度數據管理系統：對工程施工進度進行實時監控，記錄施工進度和問題，以便及時發現和解決；系統需要實時監控和記錄工程施工進度和問題，需要數據采集和處理技術。

(4)平臺管理系統：對平臺系統進行管理和維護，包括數據備份、安全管理、用戶管理、問題反饋等。

1.2 平臺框架及技術路線

1.2.1平臺框架

平臺系統采用B/S架構進行設計，如圖1所示，平臺框架自下而上分為物聯感知層、通信網絡、硬件平臺層、數據層、業務應層、服務門戶層、運行環境，采用B/S架構可以實現分布式部署、跨平臺訪問和統一管理的優勢。

圖1 平臺框架架構

物聯感知層：物聯感知層是整個系統的底層，主要負責接收和感知來自物理世界的數據。它可以包括傳感器、監測設備、智能設備等硬件設施，通過收集環境參數、設備狀態等數據，并將其發送到系統上層進行處理，平臺里對項目主要對接了氣象、水位視頻等接口，根據項目需要留有數據接口。

通信網絡：通信網絡層建立了物聯感知層與其他層之間的連接。通過5G、衛星、微波、光纖、短距離無線通訊等技術負責數據的傳輸和通信，確保各個層之間的數據傳遞穩定和可靠。

硬件平臺層：硬件平臺層工作在通信網絡層之上，用于管理和控制物聯感知層的硬件設備。該層可以包含嵌入式設備、單片機、工控機等，對物聯感知層的硬件進行管理、監控和控制，確保硬件的正常運行。

數據層：數據層是系統的核心層，用于存儲、處理和分析從物聯感知層獲取的數據。它可以包括數據庫、數據倉庫、大數據平臺等，對接收到的數據進行存儲、清洗、轉化、計算和分析，為上層業務提供可靠的數據支持。

業務應用層：業務應層是系統的重要組成部分，負責實現4項業務的邏輯和功能。根據需求對從數據層獲取的數據進行進一步處理和應用，實現系統的核心功能。

服務門戶層：根據不同角色的用戶設置不同界面及權限，通過服務門戶層與系統進行交互、查詢、配置等，實現對平臺系統的控制和管理。

運行環境：運行環境是整個系統的執行環境，包括操作系統、服務器、容器等基礎設施。它提供了系統運行所需的計算資源和軟件支持，保證平臺系統能夠穩定、高效地運行。

1.2.2技術路線

平臺研發主要基于三維GIS軟件超圖Supermap，其作為具有國內領先水平的GIS平臺，提供企業級GIS服務器以及開發三維應用的工具包，具有高性能、高穩定性、高可靠性的特點，能夠支持用戶快速高效地開發特定的Web三維GIS應用[4]。整體開發需要用到supermap idesktop、supermap iserver和SuperMap iClient 3D for Cesium。supermap idesktop桌面端GIS處理軟件可提供地圖編輯、屬性數據管理、分析于決策輔助處理、三維建模等方面功能；supermap isever提供了強大的空間大數據、GeoAI和三維等相關的Web服務，支持海量的矢量、柵格數據“免切片”發布；SuperMap iClient 3D for Cesium是一款在服務式GIS架構體系中無任何插件，跨瀏覽器的客戶端產品，平臺設計是基于Cesium開源框架，面向HTML5的三維應用開發，快速構建內容豐富、響應迅速、體驗流暢的三維真空間應用。Cesium是一款開源的Web端三維GIS開發包，基于WebGL技術和3D-Tiles數據標準實現海量二三維空間數據的跨平臺繪制展示[5]。平臺開發主要采用了Java語言，同時使用了JavaScript相關語言，重點使用了js中的jQuery庫，系統前端使用了Cesuim庫，編譯器使用Eclipse，數據庫使用MySQL，平臺采用瀏覽器/服務器模式(browser/server，B/S)搭建模式運行，通過對工程建設業務管理數據及運維數據的梳理整合，涵蓋了工程建設項目的空間管理、檔案資料管理、進度管理、質量管理、視頻監控管理、項目管理、圖紙管理、圖層管理、標段管理、GIS分析、用戶管理、角色管理、菜單管理、部門管理、崗位管理、字典管理、參數設置、日志管理、平臺運行監控等功能，構建了工程數據“一張圖”展示系統、基礎數據管理系統、平臺管理系統、進度管理系統為一體化的項目數據綜合可視化的解決方案。基于超圖的具體的開發路線為：

(1)明確空間數據組織結構，在idesktop對多源數據處理及編輯，按照要素類的不同建立相應的圖層并添加屬性從而建立系統信息數據庫，對二維gis數據進行效果設置并完善數據屬性表，傾斜攝影單體化處理以及模型輕量化處理，完成數據準備工作。

(2)在iserver端進行空間數據服務的發布及管理，包括地圖服務、數據服務、量算服務、查詢服務、空間關系服務、專題圖服務、動態標繪服務、空間分析服務類；

(3)使用SuperMap iClient3D for Cesium開發時，首先需要引入SuperMap iClient3D for Cesium。其中包括必備的CSS文件和JS文件。創建HTML文件，引入Ceisium.js文件，同時根據需要引入SuperMap iClient3D for Cesium的其他css文件和js文件，編寫前端代碼，從而在創建好的三維場景中添加iserver端發布的多種服務以及其他的第三方服務以及種類豐富的數據圖層，包括地形圖層、影像圖層、S3M圖層、MVT圖層，并根據功能需求調用發布過的服務和實現所需功能的接口，實現BIM+GIS的可視化展示查詢、交互以及基于模型和實景的多種三維空間模擬分析功能。利用SuperMap iClient3D for Cesium所提供的多種接口，對場景進行個性化設置，如顏色設置、泛光效果設置、分屏顯示、場景出圖。

2 功能模塊設計

2.1 BIM+GIS可視化管理

BIM+GIS平臺的可視化管理功能是指通過平臺提供的圖形化界面和可視化工具，對多個項目進行管理和監控的能力。主要包含項目概覽、空間管理、圖層管理、BIM樹管理、視圖管理、空間漫游、區域規劃、通用功能及gis空間分析工具類管理、檔案資料管理、進度管理、質量管理、監控管理、計量管理、運維管理功能。通過以上功能實現項目數據集成場景的三維可視化展示和整體概覽，以圖形化的方式展示各個項目的空間布局、位置、結構和關聯關系。用戶可以通過平臺的界面直觀地了解項目的整體情況，根據項目的進度計劃和實際進展情況，生成可視化的進度圖表和甘特圖，以直觀的方式展示項目的進度狀態，及時監控項目的進度，并進行進度分析和調整，采用通用功能及gis空間分析工具可以對項目進行圖上量算、空間分析，空間分析中較為特色的實用功能是可以進行剖面分析、地形開挖、傾斜壓平、可視域分析等。

2.2 基礎數據管理

BIM+GIS平臺基礎數據管理包括項目管理、安全管理、配置管理、模型數據管理和技術管理功能。功能的具體內容如下：

(1)項目管理功能涵蓋項目圖層管理、項目圖紙管理、圖層管理和飛行漫游管理，用于組織和展示項目數據，方便查找和共享圖紙文件，并通過虛擬飛行瀏覽項目區域以獲取全面的視角。

(2)安全管理功能包括視頻監控、人員定位、有害氣體監測和氣象監測等。視頻監控實時監控項目區域，人員定位追蹤和監控人員位置，有害氣體監測檢測潛在的有害氣體濃度，氣象監測提供實時氣象數據和預警信息。

(3)配置管理功能用于管理圖紙數據配置、檔案資料配置、顏色配置和計量數據配置。用戶可以設置和管理圖紙屬性和標準，存儲、分類、檢索和共享項目檔案資料，定義和配置元素的顏色和樣式，以及管理計量數據的標準、參數和規則。

(4)模型數據管理功能涉及工程實體管理、設備管理和設備維修記錄。用戶可以管理建筑物、設施、構件等工程實體，記錄和跟蹤設備信息以支持設備的維護和管理，并記錄設備的維修歷史和情況，如圖2所示。

圖2 圖紙配置管理與設備維護管理

(5)技術管理功能主要用于存儲和管理項目相關的視頻資料，方便查看和回放。

2.3 施工進度數據管理

通過將BIM模型與施工進度計劃進行鏈接和整合，可以實現空間信息和時間信息的融合，創建一個可視化的4D模型(3D+Time)。這樣可以通過顏色變化等方式直觀地了解項目的在建情況、超前情況和逾期情況。進度管理模塊提供了多種功能來支持進度管理。其中包括三維形象進度展示，可以將實際施工進度與計劃進度在3D模型中進行對比展示，以便更好地了解項目的進展情況。通過這種可視化的展示，可以快速發現進度偏差和延遲，并及時采取措施進行調整。此外，進度管理模塊還提供報表功能，可以生成詳細的進度報表，用于項目管理人員進行分析和決策。進度管理模塊還包括計劃進度功能，并與BIM模型進行關聯，可以幫助用戶創建和管理項目的施工進度計劃，并與實際進度進行對比和分析。

2.4 平臺管理

平臺管理模塊提供了用戶管理、角色管理、用戶權限管理、菜單管理、組織機構管理、字典管理、平臺日志管理、系統監控等功能，為管理人員提供了對整個平臺的全面管理和監控能力，確保平臺正常運行，并保障用戶數據的安全和可靠性。

3 平臺數據處理流程

項目一般平臺空間數據主要包括BIM模型、傾斜攝影、GIS信息、DEM地形、影像數據、地圖、圖紙等數據信息，基于超圖的數據發布前處理工作及數據發布后如何上傳至BIM+GIS平臺的工作流程如圖3所示，通過平臺可以對項目數據進行維護、修改和擴展。

圖3 數據發布前處理及數據上傳平臺工作流程

4 應用案例分析

項目案例：西安市斗門水庫樞紐項目基本資料：水庫距西安市中心約20km，是以供水、改善生態環境為主，兼顧防洪等綜合利用的平原水庫，總庫容5052萬m3，庫周總長14.9km，相當于繞西安明城墻一周，庫區總面積達到10.4km2，相當于1.6倍的西湖大小，總投資80.93億元。

為合理進行項目工程規劃設計、提升溝通交流效率、工程建設管理等，工程以BIM協同設計為起點，結合先進的GIS技術、物聯網、數據采集和數字化分析模擬手段，通過實際項目應用對平臺進行測試和優化，保證平臺的穩定性和可用性，同時根據用戶反饋進行調整和完善。該項目工程具有以下特點：

(1)項目參與單位多、需多方協調：項目施工面積大且分散、參與單位多，信息資料多，難以及時互通。

(2)項目功能多：景觀和效果要求高、工程在滿足供水防洪、生態環境保護、兼顧蓄滯洪水功能的基礎上安全和美觀。

(3)古文物保護區域多：文物保護點多、朝代久遠，古文物保護價值高，方案需要根據考古結果要求避讓及調整方案設計內容、施工進度。

通過平臺應用，帶來以下實際效益：

(1)數據安全性保障：采用私有化部署方式，可以有效保護項目數據的安全性，防止未經授權的訪問和數據泄露。

(2)效率提升：通過可視化管理系統結合GIS，能夠方便地對項目關鍵設計節點和問題進行標注和決策。減少了人工處理數據的時間和工作量，提高了工作效率。

(3)數據融合集成：平臺可以對地形、地貌等進行空間分析和判斷，并將項目BIM模型、傾斜攝影、DEM、GIS信息等地理空間信息進行數據融合集成，如圖4所示，平臺成果如圖5所示。這種數據融合集成可以提供更全面和準確的數據支持，有助于項目管理和決策。

圖4 數據集成應用

圖5 平臺應用成果

(4)可視化管理和決策支持：平臺提供了圖層視圖管理、空間漫游和區域規劃等功能，使得項目管理人員可以直觀地查看和管理項目數據。同時，通過空間分析工具進行剖面分析、等高線分析、地形開挖、傾斜壓平、平臺裁剪、可視域分析、面積距離、坐標定位等操作，為重難點設計部分提供了空間分析和施工進度管理的輔助，有助于項目方案的分析和決策。

(5)提高質量和效益：通過綜合應用平臺的功能和分析工具，可以更好地監測和管理項目進度和質量。及時發現和解決問題，減少錯誤和返工，從而提高項目的質量和效益。

(6)施工階段需要根據變更資料更新地理空間信息，模型精細度和交付深度參照T/C WHIDA 0006—2019《水利水電工程設計信息模型交付標準》執行，精細度等級為LOD4.0，編碼標準參照單位創建的SWEI-001-2021《水利水電工程設計信息模型分類和編碼標準》執行，通過施工單位提供的項目劃分表和計劃表，將施工進度信息編輯成表，導入平臺，與同ID構件相關聯，實現施工進度、質量管理可視化。

為測試項目平臺的多項目擴展性應用，平臺測試在建的相關工程，涉及水庫樞紐、建筑、引水工程等，如圖6所示，通過具體的項目應用以及項目擴展應用發現以下問題：

圖6 項目拓展應用測試

(1)集成平臺的性能和穩定性：當多個工程并行進行測試時，對于平臺的性能和穩定性提出了更高的要求。可能面臨的問題包括處理大量數據的效率、并發訪問的管理和響應速度等。

(2)發生變更模型更新時效性滯后：在BIM+GIS平臺系統中，當項目發生變更時，確實需要對模型進行更新處理。與傳統方式相比，這可能會引發一些時效性上的差異。傳統方式下，當項目發生變更時，可能需要手動修改和更新各種相關文檔和圖紙，這可能會耗費較多的時間和人力資源，而在BIM+GIS平臺系統中，通過更新BIM模型和GIS數據的集成，可以快速反映變更，并及時在系統中顯示最新的模型狀態，然而，BIM+GIS平臺系統仍然需要時間來完成更新過程，這涉及到收集變更信息、更新模型、進行數據融合等步驟，可能不可避免地需要花費一定的時間。因此，在某些情況下，相對于傳統手動方式可能仍然存在一定程度的時效性滯后。這需要建立規范的變更管理機制，確保變更信息能夠及時收集和傳達給相關責任方，以便快速響應和處理變更。通過平臺系統實現實時協作和通信，促進各項目參與方之間的溝通和協調，以減少變更處理所需的時間和資源。確保BIM模型和GIS數據的同步更新，并將其進行一體化管理，以減少數據更新的時間差異，但在實際中與各方去解決這個問題較為困難和棘手。

(3)數據處理、融合：在BIM+GIS平臺系統中，數據的處理融合是至關重要的。對于水庫樞紐、建筑和引水工程等不同類型的工程，在進行數據處理融合時，需要使用相應精度的影像數據、DEM等數據，以確保數據能夠很好地融合到一起，應當確保所有使用的數據來源是可靠和準確的，數據處理融合需要使用適當的方法來進行數據匹配、坐標轉換等，數據處理在配合施工進度質量管理時需要批量對模型數據進行施工單元劃分，并給予屬性信息，這需要在模型平臺上進行二次開發來提高數據處理效率。

(4)數據收集處理：在多項目擴展應用中，數據的收集和處理是一個具有挑戰性的任務。需要建立統一的數據標準和規范，確保各項目收集到的數據具有一致性和可比性。這包括數據格式、數據命名規則、數據字段定義等方面的統一。其次，采用自動化的數據收集工具，如傳感器、監測設備等，以減少人工收集數據的工作量，并提高數據收集的效率和準確性

(5)管理和權限控制：對于多個項目的管理和權限控制是一個挑戰。確保不同項目之間的信息安全性，并為不同角色的參與者提供適當的權限設置，以保證數據的保密性和正確的訪問權限。

5 結語

本文完成了水利水電工程BIM+GIS可視化綜合管理平臺的設計與實現方法，闡述了平臺建設目標、框架、功能以及關鍵技術，實現了工程建設期及運維期的管理信息可視化，解決了工程建設管理中存在的信息共享交流困難等問題。平臺建設后，獲得相關的軟著證書及專利，取得了如下幾點應用成效：一是基于BIM+GIS技術形成了解決工程各類多源多維數據的融合集成技術并進行了實際工程應用；二是對建設期施工管理提供了服務，三是平臺系統對不同類型工程有一定的兼容性、擴展性、可更新性，利于項目拓展、擴容、數據更新等。隨著水利水電工程BIM+GIS技術的蓬勃發展，進一步的大數據分析和以數據底板為研究體的各類水利模型分析應用將成為工程智能信息化的發展方向。