何學(xué)源，李 益，任林麗，高 健，王曉娟

（南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210044）

堤防工程與其他水利工程不同，屬于“線性工程”，分布較為連續(xù)、狹長，管理范圍大。當(dāng)前，受管理機制、人力、物力等因素的影響，堤防工程管理中暴露出的問題也比較突出，主要表現(xiàn)為：堤防工程信息采集較為困難，其運行維護、監(jiān)測檢查、質(zhì)量隱患等信息不能及時共享，主管部門不能及時準(zhǔn)確了解堤防當(dāng)前的運行狀態(tài)，無法實現(xiàn)動態(tài)管理，不能及時發(fā)現(xiàn)和有效解決問題，總體上管理效率低，與水利工程管理現(xiàn)代化要求不相匹配。因而，針對堤防運行管理現(xiàn)狀，因地制宜地推進水利工程信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，是堤防工程運行管理標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化的必然要求。

1 堤防管理信息化

信息化系統(tǒng)建設(shè)主要圍繞信息進行，包括信息的采集、篩選、處理、傳遞、存儲、開發(fā)利用等一系列過程。堤防的日常運行管理主要包括檢查與檢測、養(yǎng)護與維修、管理設(shè)施養(yǎng)護維修、安全管理等主要過程。其中，檢查與檢測是信息系統(tǒng)的前端，對應(yīng)信息的采集、篩選、傳遞等過程；養(yǎng)護與維修和安全管理等過程更多的是在信息獲取進一步處理決策的基礎(chǔ)上進行的，可將此過程理解為信息的處理與開發(fā)利用。因此，堤防管理信息系統(tǒng)構(gòu)建過程可分為兩部分：一是信息的采集與篩選；二是信息的處理、開發(fā)利用、存儲和傳遞。

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空間信息技術(shù)、無線通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合[1-5]，使得無線移動信息服務(wù)平臺的產(chǎn)生成為可能。移動信息服務(wù)平臺主要由移動硬件設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、可以接入到網(wǎng)絡(luò)GIS的無線通訊設(shè)備組成。平臺具有移動性、動態(tài)（實時）性、對位置信息的依賴性、終端多樣性等特點。因此，建設(shè)基于移動終端的巡查應(yīng)用系統(tǒng)為現(xiàn)有堤防管理中存在問題的解決提供了新的思路。通過導(dǎo)航定位、移動GIS、4G網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，解決目前巡查信息化工作中存在的弊端，可進一步加強對巡查隊伍的管理及巡查任務(wù)的監(jiān)督。

巡查系統(tǒng)為信息的收集與傳遞提供了便利，在獲取信息之后需要對信息進行篩選、整理、加工利用、存儲等一系列操作。現(xiàn)有做法是依據(jù)工程師的專業(yè)知識和以往施工經(jīng)驗，將實際測量數(shù)據(jù)與國家和行業(yè)規(guī)章規(guī)范進行對比，據(jù)此來判斷堤防當(dāng)前的運行狀態(tài)和問題的類型，并在紙質(zhì)檔案中進行記錄。上述做法存在諸多弊端：由于個人工作經(jīng)驗和專業(yè)知識背景的限制，難以全面判斷問題，主觀性大，管理決策缺乏公信力；在進行數(shù)據(jù)對比時，需要翻閱大量的紙質(zhì)文檔，費時費力，時效性差，工作效率低；信息價值難以充分挖掘，重復(fù)進行數(shù)據(jù)數(shù)值的對比，未對以往數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，信息價值流失；難以實現(xiàn)遠程傳輸共享，紙質(zhì)文件不易保存，容易損毀。BIM技術(shù)的出現(xiàn)，為工程數(shù)據(jù)信息的挖掘利用和傳輸共享開辟了新的途徑，其以三維數(shù)字模型為載體，將物理模型映射到數(shù)字模型，并借助于無處不在的移動網(wǎng)絡(luò)打通二者的連接線路，為數(shù)據(jù)信息的發(fā)掘利用創(chuàng)造有利條件。

2 基于BIM的堤防管理系統(tǒng)

2.1 BIM技術(shù)概述

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，它是以建筑工程的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)筑物所具有的真實信息，具有可視化、協(xié)同性、模擬性、優(yōu)化和出圖等技術(shù)特點，可應(yīng)用于建設(shè)工程管理的各個環(huán)節(jié)。

BIM技術(shù)于20世紀70年代首先在美國被提出。進入21世紀，隨著電子信息工業(yè)的迅猛發(fā)展，BIM的應(yīng)用在工業(yè)化國家得到廣泛推廣。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：80%以上的美國建筑300強企業(yè)都已經(jīng)在應(yīng)用BIM技術(shù)進行項目設(shè)計和工程管理，歐美和日本等工業(yè)化國家也已先后出臺了BIM技術(shù)實施的國家標(biāo)準(zhǔn)。

我國的BIM技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，但國家已經(jīng)明確提出將加大對BIM技術(shù)研究的支持力度。住建部在《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確指出要加快推廣建筑信息模型（BIM）技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同應(yīng)用技術(shù)，改進傳統(tǒng)生產(chǎn)與管理模式，提升生產(chǎn)效率和管理水平，在國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建符合我國實際的BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)建設(shè)的目的是以BIM三維數(shù)字模型為載體，將水下地形、地貌、流態(tài)流場和地形掃描等信息融合到三維模型構(gòu)件中，并借助于系統(tǒng)動力學(xué)、概率學(xué)、大數(shù)據(jù)理論等數(shù)學(xué)知識，自動查詢對比數(shù)據(jù)庫中時間維度、區(qū)域緯度、類似工程維度等資料，以“所見即所得”的形式在三維模型中直觀展示潛在的問題，為防洪減災(zāi)、水文分析、管理維護等工作提供全方位立體決策支持，降低工程運營管理成本，提高工程管理效率。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)具有的主要功能

（1）堤防監(jiān)測預(yù)警

堤防監(jiān)測項目包括變形（外部變形及內(nèi)部變形）、滲透壓力、滲流量、結(jié)構(gòu)（涵閘、防滲墻或防洪墻等）應(yīng)力應(yīng)變、環(huán)境特征（包括江水位、氣溫、雨量等）、浸潤線或地下水位、堤身土含水量等。順沿河道走向，在堤防對應(yīng)部位埋設(shè)滲壓計、自動傾斜儀、應(yīng)力和位移等傳感器，為河道堤防添加“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其觀測數(shù)據(jù)實時顯示到模型中，實時感知堤防當(dāng)前的“生理狀態(tài)”，為突發(fā)事件預(yù)警。

（2）數(shù)據(jù)挖掘利用

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

對易出現(xiàn)滑坡、滲漏的部位，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對歷史同期的觀測資料進行數(shù)據(jù)挖掘，借助于力學(xué)和數(shù)值模擬知識，模擬不同工況條件下，可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，并以虛擬現(xiàn)實的形式展示滑坡的過程，為可能出現(xiàn)的險情做好準(zhǔn)備，將以往的被動式應(yīng)對改為主動式防御，最大程度的避免災(zāi)情的發(fā)生。

（3）成本測算

堤防管理維護成本的測算大多依靠工程經(jīng)驗或相關(guān)案例，借助于BIM與云計算可實現(xiàn)對預(yù)算的科學(xué)編制。通過中性數(shù)據(jù)接口將BIM模型轉(zhuǎn)化為算量模型，依靠云計算強大的計算能力，將計算工作從本地轉(zhuǎn)移至云端，由原來的串行計算改為并行計算，大大提升計算效率；基于云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠從海量互聯(lián)網(wǎng)資源和以往工程案例中采集相關(guān)數(shù)據(jù)，在經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗和轉(zhuǎn)換后存儲到數(shù)據(jù)倉庫中，通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)挖掘，分析提煉出真實準(zhǔn)確的價格信息和定額指標(biāo)，為組價工作提供準(zhǔn)確及時的信息支撐；通過提取BIM模型中各構(gòu)件的時間信息、工序信息、區(qū)域位置信息等，可快速高效拆分匯總實物量和造價的預(yù)算數(shù)據(jù)，實現(xiàn)時間維、工序維和區(qū)域維的多算比，為進行成本管控提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）安全評價

檢核系統(tǒng)中，安全評價模型是其重要組成部分[6]。有了安全評價模型，才能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評價堤防的安全。而安全評價的可靠性不僅依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更取決于評價模型的合理性。綜合各方面的考慮，建立定性與定量相結(jié)合的綜合評價指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)算法對工程運行狀態(tài)進行綜合評價，確保工程的安全運行。

（5）施工方案比選

在進行日常管理維護招標(biāo)時，需要對多種方案進行優(yōu)選。在虛擬的三維場景中，可以實時地切換不同的方案，在同一個觀察點或同一個觀察序列中感受不同的施工過程，有助于比較不同方案的特點與不足，以便決策。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)Σ煌桨高M行比較，而且可以對某個特定的局部進行修改，并實時地與修改前的方案進行分析比較。利用BIM技術(shù)建立建筑物的幾何模型和施工過程模型，可以實現(xiàn)對施工方案進行實時、交互和逼真的模擬，進而對已有的施工方案進行驗證和優(yōu)化操作，提高施工方案的實用性。

2.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）BIM 模型輕量化

基于HTML/WebGL技術(shù)的BIM模型輕量化Web瀏覽技術(shù)更契合技術(shù)發(fā)展方向，Autodesk的View and Data API技術(shù)的推出，進一步降低了對BIM模型預(yù)處理難度，使得基于HTML/WebGL技術(shù)對BIM模型的Web瀏覽、分享以及協(xié)作更簡單。

（2）數(shù)據(jù)挖掘

大數(shù)據(jù)挖掘是從體量巨大、類型多樣、動態(tài)快速流轉(zhuǎn)及價值密度低的大數(shù)據(jù)中挖掘有巨大潛在價值的信息和知識，并以服務(wù)的形式提供給用戶。

（3）云計算

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件和信息資源可以按需提供給計算機和其他終端使用。作為新一代的計算方式，云計算為BIM技術(shù)深入和擴展應(yīng)用提供了新的方法和工具。將BIM與云計算技術(shù)進行集成，利用云計算在大規(guī)模計算和數(shù)據(jù)存儲等方面的優(yōu)勢，將BIM應(yīng)用轉(zhuǎn)化為BIM云服務(wù)。基于云計算強大的計算能力，將BIM應(yīng)用中計算量大且復(fù)雜的工作轉(zhuǎn)移至云端，提升效率；基于云計算大規(guī)模存儲能力，用戶的BIM模型及其相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能夠同步至云端，方便隨時隨地的訪問與協(xié)作共享；此外，將BIM應(yīng)用轉(zhuǎn)化為BIM云服務(wù)，云計算使得BIM技術(shù)能夠走出辦公室，用戶可在現(xiàn)場通過移動設(shè)備隨時連接云服務(wù)，及時獲取所需的BIM數(shù)據(jù)和服務(wù)等。

（4）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也稱之為虛擬環(huán)境或虛擬真實環(huán)境，是一種集先進的計算機技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)等為一體的三維環(huán)境技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可產(chǎn)生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環(huán)境，形成一種虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是人們運用計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行的可視化操作，與傳統(tǒng)的人機界面及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實具有沉浸感、交互性、構(gòu)想性等特點。

2.5 系統(tǒng)的應(yīng)用

BIM是先進的信息處理工具，BIM技術(shù)的核心是對工程建筑物的三維數(shù)字化，能夠使參與人員更直觀、便捷地獲得模型所承載的信息。本文以滁河南京段最大分洪道—馬汊河為例，簡述BIM系統(tǒng)的建模過程。

（1）參數(shù)化模型構(gòu)建

根據(jù)馬汊河河道堤防平面設(shè)計圖紙以及竣工圖斷面圖紙，利用三維參數(shù)化建筑設(shè)計軟件Revit Architecture，構(gòu)建馬汊河河道堤防三維模型，模型族組成及族環(huán)境如圖2所示。

河道基礎(chǔ)模型：基于公制體量族環(huán)境構(gòu)建河道基礎(chǔ)模型，具體參數(shù)包含河道基礎(chǔ)土層、左右兩岸背水坡護坡、一至三級馬道、排水溝、護腳等。針對二、三級馬道以及混凝土護坡下的碎石墊層、石灰土等，進行專門體量建模。河道基礎(chǔ)模型族示意圖如圖3所示。

圖2 模型族組成及族環(huán)境

圖3 河道基礎(chǔ)模型族示意圖

信息參數(shù)化設(shè)計族：針對迎水坡草皮護坡、運行水位以及混凝土護坡模型，采用公制常規(guī)模型族環(huán)境分別構(gòu)建了草皮護坡族、水位族、混凝土面板族，便于后期專門進行信息參數(shù)化設(shè)計。

橋梁及其它族：針對沿河的部分路橋進行簡單的模型構(gòu)建。為使模型更貼近實際情況，對護坡防護林、道路指示牌、堤防警示牌以及其他附屬設(shè)施進行模型構(gòu)建。

（2）堤防信息參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化是BIM設(shè)計的重要思想，主要包括圖元參數(shù)化和參數(shù)引擎2個層面。

在堤防參數(shù)化模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，結(jié)合河道堤防信息化的運用需求，將堤防模型的圖元參數(shù)信息、巡查監(jiān)測信息定義到族參數(shù)中。其中模型的圖元參數(shù)信息包括河道圖元的構(gòu)造尺寸（如一至三級馬道寬度）、排水溝尺寸、護坡厚度、設(shè)計寬度等以及河道各個構(gòu)件的材質(zhì)。巡查監(jiān)測信息包括護坡及草皮破壞面積、運行水位以及混凝土裂縫等。

在模型族中創(chuàng)建相應(yīng)的圖元族參數(shù)以及巡查監(jiān)測信息族參數(shù)，并通過在參數(shù)公式中編輯布爾運算，實現(xiàn)堤防監(jiān)測信息的自動判別并關(guān)聯(lián)到模型文字中、堤防的運行狀態(tài)及時顯示在模型中。堤防信息模型族構(gòu)建完成之后，將模型族載入到馬汊河堤防建筑模板中，并對項目基礎(chǔ)信息進行設(shè)置，可得馬汊河堤防參數(shù)化信息模型。

（3）系統(tǒng)可視化設(shè)計

建立了馬汊河堤防模型后，通過信息化巡查系統(tǒng)，將檢查人員的數(shù)據(jù)輸入預(yù)先設(shè)定好的族參數(shù)里，以實現(xiàn)模型與信息動態(tài)關(guān)聯(lián)，及時了解堤防的檢查結(jié)果，運行狀態(tài)，做到管理信息的可視化、動態(tài)化。

BIM模型最基礎(chǔ)的應(yīng)用是設(shè)計效果可視化。不同于以往的2D平面圖，BIM最大的一個特點就是附帶各類信息的建筑3D模型，可以直接傳達最直觀的視覺效果，更容易對建筑物整體構(gòu)造進行把握，更容易發(fā)現(xiàn)問題，真正做到所見即所得。馬汊河河道堤防典型斷面BIM模型剖面圖如圖4所示。

圖4 馬汊河河道堤防典型斷面BIM模型剖面圖

利用軟件自帶的漫游功能，通過漫游路徑，相機視角設(shè)置，可以實現(xiàn)對堤防任意位置任意視角的模擬巡查，便于巡查檢測人員預(yù)先規(guī)劃巡查路徑，做到安全隱患之處重點檢查，保障堤防安全長久運行。堤防巡查漫游圖如圖5所示。

圖5 馬汊河堤防巡查漫游示意圖

針對堤防運行管理過程中的運行狀態(tài)問題，對河道水位模型進行了設(shè)計。在水位模型族參數(shù)中輸入不同的運行水位H，模型將更新水位高程，并根據(jù)水位是否超過臨界值，顯示“正常，預(yù)警（已超過警戒水位），危險（已超過保證水位）”三種運行狀態(tài)，分別以綠、橙、紅三種醒目字體加以區(qū)分，使得實際觀測信息能夠在模型中顯示出來，并自動判別水位運行狀態(tài)。

堤防檢查維護工作是保障堤防長期安全運行的基礎(chǔ)?；炷磷o坡是堤防防滲的主要屏障，因此及時了解混凝土護坡的運行狀態(tài)，檢查混凝土護坡是否存在破壞情況，便于管理人員掌握混凝護坡的運行狀態(tài)，并及時進行維護整修。

通過在混凝土護坡族中創(chuàng)建混凝土狀態(tài)參數(shù)（如裂縫個數(shù)、混凝土超寬裂縫個數(shù)），并通過布爾算法設(shè)計，對檢測輸入的信息進行判別，從而在模型中直接關(guān)聯(lián)顯示混凝土護坡的運行狀態(tài)，包括“正常、輕微、嚴重（存在滲漏危險）、危險（急需維護修理）”四種狀態(tài)。

此外，對迎背水坡的草皮護坡族進行設(shè)計，在族參數(shù)中創(chuàng)建草皮破壞面積（包括生物破壞等）參數(shù)。根據(jù)巡查系統(tǒng)檢查的結(jié)果，將信息輸入族參數(shù)中，生態(tài)草皮模型將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的布爾算法，將草皮護坡的檢查結(jié)果顯示在模型中，包括“正常、輕微、嚴重破壞（急需維修）”三種狀態(tài)。

基于BIM模型的堤防信息管理系統(tǒng)，通過族參數(shù)設(shè)置，將堤防信息與三維模型動態(tài)關(guān)聯(lián)。通過族環(huán)境中布爾語言設(shè)置，將堤防巡查系統(tǒng)數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)，并自動判別堤防的工作狀態(tài)。整個設(shè)計過程遵循參數(shù)化、數(shù)據(jù)化和可視化緊密結(jié)合的原則，最終實現(xiàn)了馬汊河堤防參數(shù)化信息管理，提高了馬汊河堤防信息化綜合管理水平。

3 結(jié)語

在堤防工程管理中，傳統(tǒng)的信息采集模式需要耗費大量的人力、物力、財力。同時由于人為操作的原因，信息失真、滯后現(xiàn)象較多。此外，傳統(tǒng)的依靠文字和二維圖紙來記錄信息的方式，不便于存儲、占用空間大、容易損毀、難以實現(xiàn)遠距離傳輸與共享。對于堤防工程，從工程建設(shè)到竣工驗收再到運行管理，整個過程涉及大量的信息。傳統(tǒng)的信息處理方式難以為堤防標(biāo)準(zhǔn)化管理提供服務(wù)，因而迫切需要信息化手段作為支撐。BIM技術(shù)在很大程度上契合了堤防工程管理信息化這一需求。本文針對堤防管理標(biāo)準(zhǔn)化信息系統(tǒng)構(gòu)建的需求，引進BIM技術(shù)作為信息化建設(shè)的工具，提升堤防運行管理過程中信息采集的效率和質(zhì)量，同時借助于大數(shù)據(jù)理論和云計算技術(shù)，充分挖掘數(shù)據(jù)信息所蘊含的價值，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的堤防工程管理信息系統(tǒng)，為管理部門決策提供技術(shù)支持，提升堤防安全運行管理水平，加快推進堤防運行管理標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化進程。