夏松林,陳 慧,王德美,李 偉,范淑倩,崔常輝

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

隨著城市人口數(shù)和建設(shè)整體規(guī)模的擴大,市政管網(wǎng)的建設(shè)會顯現(xiàn)出量化擴張和單線條建設(shè)的特征,缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的地下管網(wǎng)系統(tǒng)一定會在快速的城市擴張中出現(xiàn)問題[1]。BIM 技術(shù)已滲透至建筑工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等全生命周期,尤其是在設(shè)計[2]、施工階段[3]研究應(yīng)用得更為深入和成熟。當前智慧城市建設(shè)已成為全球城市競爭的制高點[4],智慧管網(wǎng)作為智慧城市的生命線,如何使用BIM工具整合各類管網(wǎng)建設(shè)信息,并實時同步運維數(shù)據(jù),實現(xiàn)信息可視、權(quán)責分明、工作協(xié)同的運維管理需求,是急需解決的問題。

本文對校園管網(wǎng)運維的共性需求和個性化需求進行調(diào)研分析,探究地下管網(wǎng)參數(shù)化建模過程,同時構(gòu)建校園地下管網(wǎng)運維管理數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)B/S模式下的BIM模型輕量化,以及外部動態(tài)運維數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)、內(nèi)部靜態(tài)BIM數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)連接。詳細介紹平臺系統(tǒng)框架各組成部分,根據(jù)梳理完善后的運維管理需求,對平臺功能模塊進行設(shè)計和實現(xiàn),旨在為實現(xiàn)校園管網(wǎng)智慧運維提供新思路和方法。

1 校園地下管網(wǎng)運維管理需求分析

地下管網(wǎng)運維管理平臺的使用對象主要是以校園為主體的管網(wǎng)權(quán)屬單位，用于地下管網(wǎng)的運營和維護。校園需要定期進行管網(wǎng)運行狀態(tài)評估,做好對附屬設(shè)施的檢查、養(yǎng)護、維修、更新工作[5],此外還要進行安全預(yù)案管理,保障發(fā)生事故后能夠按照預(yù)案實施組織搶修[6]。通過對煙臺某高校后勤能源管理中心負責人進行調(diào)研,結(jié)合當前地下管網(wǎng)運維存在問題和校園在管網(wǎng)運行維護所要承擔職責,對校園管網(wǎng)運維管理的一般性功能需求進行梳理總結(jié),包括以下需求:

(1)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成,能夠支持多種格式的文件導(dǎo)入,特別是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之間會出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享的需求[7]。

(2)管網(wǎng)的參數(shù)化和可視化,將地下管網(wǎng)的建設(shè)信息及運維信息進行參數(shù)化存儲和可視化展示,提升信息的可讀性。

(3)信息查詢和篩選,包括通用查詢、區(qū)域查詢、字段查詢,可根據(jù)系統(tǒng)類型、管徑、材質(zhì)等自定條件,批量獲取符合要求構(gòu)件的屬性信息[8]。

(4)管網(wǎng)數(shù)據(jù)實時更新,各類管網(wǎng)的幾何信息和屬性信息能夠根據(jù)維修情況和改擴建情況實時更新。

(5)具備合理有效的維護管理工作流,平臺能處理管網(wǎng)運維的日?；顒?如巡檢、報修、維修等工作,具有完善的設(shè)計流程,且能著實為管網(wǎng)運維提高效率。

(6)維護活動的記錄存檔,日常巡檢記錄,管道維修記錄,機械設(shè)施設(shè)備保養(yǎng)記錄自動保存,支持按時間等條件分析查詢。

平臺除滿足以上一般功能外,還可以根據(jù)不同校園的地處環(huán)境、管網(wǎng)特點以及運行模式滿足其管網(wǎng)運維的特殊性需求。

2 地下管網(wǎng)運維管理平臺系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺提出了基于BIM的校園管網(wǎng)運維管理框架,圖1為平臺系統(tǒng)架構(gòu)。所開發(fā)的系統(tǒng)具有四層體系結(jié)構(gòu),即支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)接口層和應(yīng)用層。支撐層主要負責布設(shè)傳感數(shù)據(jù)的采集、傳感數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸,以及服務(wù)器的存儲和軟件搭載,用以建立和存儲地下管網(wǎng)各種管線和設(shè)備的信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過支撐層,可以快速創(chuàng)建、組裝、部署和管理動態(tài)的健壯的應(yīng)用邏輯[9]。數(shù)據(jù)層通過使用SQL數(shù)據(jù)庫收集BIM模型數(shù)據(jù)、二維圖紙數(shù)據(jù)、設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)及部分文檔影像數(shù)據(jù),并將部分數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián),形成管網(wǎng)運維數(shù)據(jù)庫。運維平臺的權(quán)限設(shè)置、各模塊業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系、維護管理活動的工作流也在SQL數(shù)據(jù)庫中編寫[10]。服務(wù)接口層可進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn),包括地下管網(wǎng)及設(shè)備的可視化管理，運維管理活動的實時記錄、可視化分析和智能預(yù)警、可追溯查詢及統(tǒng)計分析等。應(yīng)用程序?qū)訉⑵脚_功能整合分類后面向用戶,主要包括三維模型和平臺管理界面、部分流程交互功能和運行環(huán)境等,為管理者提供基于BIM技術(shù)并采用B/S架構(gòu)的地下管網(wǎng)運維管理方式。

圖1 運維系統(tǒng)框架

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

完整的地下管網(wǎng)運維過程包括屬性信息、傳感信息和活動信息3種數(shù)據(jù)類型。這些信息數(shù)據(jù)量大、缺乏邏輯關(guān)系,建立管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫,完成必備信息的擴展和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),可以提升信息的使用性。依照數(shù)據(jù)性質(zhì)和更新頻次,將數(shù)據(jù)分為靜態(tài)類數(shù)據(jù)和動態(tài)類數(shù)據(jù)兩類,圖2是數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。

圖2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

2.2.1 BIM數(shù)據(jù)的擴展 模型的數(shù)據(jù)擴展一般有3種方式:基于IFCProxy實體、增加實體對象類型、擴展屬性集[11]。本平臺選用增加實體對象類型的方式,完成運維信息的添加,根據(jù)管網(wǎng)實際情況,對構(gòu)件添加屬性信息(如設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)備投運日期等),這些附加的屬性字段也可表達維護管理的業(yè)務(wù)邏輯,并有助于維護管理系統(tǒng)中對構(gòu)件的分類查詢[12]。將擴展屬性信息同壓力、流量等傳感信息以及在運維過程中產(chǎn)生的維護活動信息(如巡檢次數(shù)、維修次數(shù))進行關(guān)聯(lián),完成數(shù)據(jù)擴展。

擴展屬性添加完成后,擁有足夠?qū)傩缘腂IM模型即可用于維護管理。將數(shù)據(jù)進行輕量化處理,通過API導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫,以供前臺調(diào)用。

2.2.2 BIM數(shù)據(jù)和維護管理數(shù)據(jù)的鏈接 維護管理數(shù)據(jù)是隨管網(wǎng)運維過程不斷變動的,BIM模型是一個包含n-D信息的綜合信息平臺[13]。在數(shù)據(jù)庫中,為每個維護管理活動設(shè)置唯一的ID,在編寫維護管理活動的業(yè)務(wù)邏輯時,將BIM構(gòu)件ID和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)聯(lián),這樣即可在BIM信息和維護管理信息之間建立對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)不同的查詢條件就能查詢到相對應(yīng)產(chǎn)生變化的構(gòu)件信息,從而輔助校園完成管道合格性分析、人員工作質(zhì)量評估等活動。圖3為BIM模型和運維管理活動的鏈接及應(yīng)用。

圖3 BIM模型和管理活動的鏈接及應(yīng)用

3 運維平臺的功能設(shè)計

3.1 可視化管理和專業(yè)分析系統(tǒng)

基于BIM模型進行三維視角下管網(wǎng)的專業(yè)分析,輔助運維人員管理決策。當前地下管網(wǎng)的運維管理仍以人為管理為主,實現(xiàn)在三維視角上的專業(yè)分析,可提高運維人員在應(yīng)對突發(fā)情況時決策的響應(yīng)和預(yù)判能力,增強運維可視性。平臺實現(xiàn)從“源”到“端”管網(wǎng)分析過程以及從“端”到“源”的反向追溯,設(shè)置了基于BIM模型的管網(wǎng)連通性分析模擬、設(shè)施控制分析模擬。

3.1.1 管網(wǎng)連通性分析 在BIM模型中選取樓宇,可對指定樓宇所關(guān)聯(lián)的水專業(yè)管道高亮顯示,管道也可添加水流效果,進行動態(tài)的管道流向模擬。點擊任意管段,與該管段相連接的上下游主支干管、合流管道、分流管道也會定位并顯示詳細信息,從而判斷管段的上下游影響范圍。

3.1.2 設(shè)施控制分析 通過在BIM模型上點選、框選指定區(qū)域的方式選定設(shè)備,進行設(shè)備的控制分析,包括對源網(wǎng)端的建筑停水、停電、停暖等仿真模擬,從而合理規(guī)劃維護活動,幫助管理員進行區(qū)域化的設(shè)備更新和維護,使得設(shè)備設(shè)施保持較高運維功能。

3.2 檢修管理系統(tǒng)

以實現(xiàn)基于BIM的工作協(xié)同為目的,對所包含的運維流程進行重新設(shè)計,實現(xiàn)管理扁平化。當前管網(wǎng)運維常由于參與方協(xié)調(diào)機制的不健全,導(dǎo)致運維過程中相互推諉、難以界定主體責任等問題經(jīng)常發(fā)生。本系統(tǒng)對巡檢工作流、維修工作流,以及工單統(tǒng)計分析等工作流程進行設(shè)計和開發(fā)。巡檢管理模塊結(jié)合BIM模型實現(xiàn)高效巡檢,為增強運維人員的工作溝通和信息交換,巡檢任務(wù)下發(fā)的同時,管理員可在BIM模型中指定巡檢區(qū)域和構(gòu)件,以及故障設(shè)施的關(guān)聯(lián)分析,巡檢員從而獲得更清晰的任務(wù)描述。在發(fā)現(xiàn)問題后巡檢員可跳轉(zhuǎn)維修管理模塊進行報修,除巡檢員外,學校下屬各學院以及各部門在發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)問題后,也可在平臺發(fā)起報修流程。平臺管理員審核報修問題后即可開始下達維修任務(wù),在下達維修任務(wù)時,管理員也將事故地點的大體故障描述、損壞程度傳達維修人員,用以指導(dǎo)維修人員維修工作。維修活動發(fā)生后,管理員可在BIM模型中指定構(gòu)件維修狀態(tài),包括“維修中”“延期”“已完成”,對構(gòu)件指以不同的顏色。

3.3 設(shè)備運行管理系統(tǒng)

供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)也成為目前供水管網(wǎng)中的流量和壓力等狀態(tài)信息監(jiān)控的主要手段[14-15]。將BIM屬性數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)進行綁定,實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的可視化和管道設(shè)備的智能管控。同時對超出閾值的設(shè)備進行智能預(yù)警,管理人員可根據(jù)告警信息及時了解相關(guān)設(shè)備的屬性和監(jiān)測信息,提升應(yīng)急決策的響應(yīng)速度。

4 案例項目平臺功能應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)開發(fā)

本案例為煙臺地區(qū)某校園地下管網(wǎng)運維項目, 該項目以Revit進行地下管網(wǎng)BIM模型的參數(shù)化建模,此模型也是相關(guān)設(shè)施設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源。選用BIMFACE作為BIM模型輕量化引擎,系統(tǒng)將對輕量化后的BIM模型進行功能設(shè)計和開發(fā),圖4為BIM模型在平臺中的應(yīng)用展示。

圖4 管網(wǎng)模型及構(gòu)件信息展示

平臺同時包含設(shè)備、管道、樓宇的顯示隱藏、隔離定位、二三維聯(lián)動以及部分基于模型的專業(yè)分析功能?；贐/S架構(gòu)下的地下管網(wǎng)運維管理系統(tǒng)以HTML、CSS以及JavaScript進行前端開發(fā)應(yīng)用,而BIM模型信息與管理活動的數(shù)據(jù)鏈接底層邏輯以數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成。通過SQL語句進行數(shù)據(jù)庫表間關(guān)系的映射,建立BIM靜態(tài)數(shù)據(jù)和運維活動動態(tài)數(shù)據(jù)相連接的應(yīng)用體系。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

該項目添加了巡檢員、維修員以及部分學院單位角色。管理員具有最高權(quán)限范圍,可進行整個校園巡檢、維修活動的計劃制定、任務(wù)派發(fā)及結(jié)果審核?？筛鶕?jù)運維方案對BIM模型分析模擬,同時在后期運維中,可協(xié)同其他管理者進行管網(wǎng)維修造價分析、運維人員工作質(zhì)量評估及管道廠家合格性分析等。圖5為部分管網(wǎng)專業(yè)分析功能運行效果。

圖5 管網(wǎng)專業(yè)分析運行效果

巡檢管理流程的設(shè)計開發(fā)包含2種應(yīng)用情況,一種是管網(wǎng)巡檢無問題,一種是巡檢結(jié)果異常。巡檢結(jié)果正常時,系統(tǒng)自動儲存工作記錄。若結(jié)果異常,具體流程如表1。

表1 巡檢管理過程

維修管理過程如表2,管理員無須進入現(xiàn)場,在BIM模型中即可進行故障分析和故障點的標注。維修工作結(jié)束后員工在平臺進行維修反饋,由管理員審核。

表2 維修管理過程

通過設(shè)備運行管理系統(tǒng)對給水、污水、熱力管道進行監(jiān)控,測點選擇管網(wǎng)的不利供水點等重要的管段節(jié)點,相關(guān)壓力、流量數(shù)據(jù)可在平臺展示,并同設(shè)備型號、管段信息、檢修記錄等關(guān)聯(lián),提高問題解決效率。圖6為傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測界面。

圖6 數(shù)據(jù)分析監(jiān)測界面

5 小 結(jié)

(1)設(shè)計并開發(fā)了基于BIM技術(shù)的校園地下管網(wǎng)運維管理系統(tǒng),結(jié)合BIM技術(shù)的三維可視化特性,以地下管網(wǎng)空間模型為載體,重點實現(xiàn)了管網(wǎng)信息、傳感數(shù)據(jù)、管理過程的數(shù)據(jù)集成,建立了實時更新的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了靜態(tài)模型信息和動態(tài)設(shè)備信息的虛實結(jié)合,改變了以往查閱繁瑣、數(shù)據(jù)存儲分散的低效問題。

(2)對運維工作流程進行再梳理,使平臺融合運維管理流程+數(shù)據(jù)分析功能+信息管理功能,建立一體化的地下管網(wǎng)運維管理平臺。同時實現(xiàn)三維視角下的管網(wǎng)專業(yè)分析功能,使數(shù)據(jù)分析不再僅僅局限于二維視角。

(3)軟件平臺的發(fā)展是一個不斷更新的過程,信息數(shù)據(jù)的互通將會不斷被完善,BIM技術(shù)在信息表達和工程管理中具有良好的完整性和協(xié)同性,這很符合智慧管網(wǎng)這一理念的發(fā)展,未來在地下管網(wǎng)的建設(shè)到運維中將會得到大范圍應(yīng)用。