高 英，趙亞永，屈志剛，崔航飛，薛向華

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

BIM（Building Information Modeling）是以三維圖形為基礎(chǔ)的數(shù)字化信息集成技術(shù)，采用數(shù)字信息仿真模型可以模擬建筑物的真實(shí)信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，在基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域中得到了大力推廣應(yīng)用［1－2］。 在水利工程行業(yè)中［3－4］，BIM 技術(shù)應(yīng)用主要集中在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段［5－8］和施工階段［9－11］，在運(yùn)維管理階段相對(duì)較少［12－13］。 然而，通常情況下水利工程運(yùn)維管理階段的時(shí)間跨度占全生命周期的比重最大，管理工作中所涉及的信息最為龐雜。 鑒于BIM 技術(shù)在信息整合方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可將其作為運(yùn)維管理效率提升的重要技術(shù)手段。

穿黃工程位于河南省滎陽(yáng)市，是南水北調(diào)中線的關(guān)鍵性工程之一，輸水線路總長(zhǎng)約19.3 km，設(shè)計(jì)流量265 m3／s，加大流量320 m3／s。 目前，穿黃工程運(yùn)維涉及10 余種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間基本獨(dú)立，信息繁雜共享難，運(yùn)行管理難度大。 筆者開發(fā)了一種基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)，在形象展示工程全貌的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多專業(yè)信息的集成，為管理決策提供多方位的信息支撐，以全面提升穿黃工程數(shù)字化管理水平。

2 基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于B／S 架構(gòu)的水利工程管理系統(tǒng)跨平臺(tái)性能良好，系統(tǒng)部署和應(yīng)用較為便捷；基于C／S 架構(gòu)的系統(tǒng)可充分利用計(jì)算機(jī)硬件資源渲染場(chǎng)景，在三維場(chǎng)景展示方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。 為充分發(fā)揮2 種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，采用二者相結(jié)合的方式研發(fā)了基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用層和客戶層（見圖1），其中：數(shù)據(jù)庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，包含采集層、存儲(chǔ)層和訪問(wèn)層；應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的處理，包含基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯和控制層；客戶層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和交互，通過(guò)瀏覽器和桌面端執(zhí)行。

圖1 基于BIM 的數(shù)字綜合管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

該系統(tǒng)融合了三維實(shí)景模型和多專業(yè)BIM 模型，可實(shí)現(xiàn)工程區(qū)的三維全景展示和動(dòng)態(tài)交互展示。 具體地，通過(guò)將工程屬性信息與對(duì)應(yīng)的BIM 模型掛接，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的展示和屬性查詢；通過(guò)數(shù)據(jù)接口方式獲取閘站監(jiān)控、視頻監(jiān)控、消防監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)并與響應(yīng)三維模型進(jìn)行結(jié)合，可以形象直觀地展示監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警預(yù)報(bào)信息；通過(guò)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)對(duì)用戶管理、文檔管理、物資管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理和傳輸分發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。

3 系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 BIM 模型構(gòu)建

系統(tǒng)中BIM 模型構(gòu)建通過(guò)三維BIM 設(shè)計(jì)軟件完成，主要包括土建、電氣、金屬結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械等模型。土建模型依據(jù)工程竣工圖紙進(jìn)行構(gòu)建，電氣、金屬結(jié)構(gòu)和水力機(jī)械模型依據(jù)設(shè)備參數(shù)及工程現(xiàn)場(chǎng)圖像資料進(jìn)行構(gòu)建。 模型構(gòu)建完成后，首先運(yùn)用紋理重映射技術(shù)對(duì)各專業(yè)模型進(jìn)行處理，添加相應(yīng)光照信息以增強(qiáng)模型的視覺(jué)效果；之后根據(jù)《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 51269—2017）對(duì)各專業(yè)模型進(jìn)行分類編碼，使用簡(jiǎn)單的模型編碼可以方便查找各專業(yè)的相關(guān)屬性信息；最后以FBX 或OBJ 等通用數(shù)據(jù)格式將各專業(yè)模型導(dǎo)出并將其作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)景模型構(gòu)建

依據(jù)無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)可以直接生成實(shí)景模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而真實(shí)直觀地展現(xiàn)工程區(qū)的地形地貌情況。 然而，穿黃管理系統(tǒng)中實(shí)景模型的區(qū)域面積約25 km2，生成的實(shí)景模型數(shù)據(jù)量較大，造成系統(tǒng)負(fù)載急劇增加。此外，實(shí)景模型中包含建筑結(jié)構(gòu)外形相關(guān)數(shù)據(jù)，若直接將其與構(gòu)建的BIM 模型進(jìn)行融合，會(huì)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)BIM 模型與實(shí)景模型數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換。 筆者通過(guò)對(duì)計(jì)算所得數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行抽析，將其與正射影像重新結(jié)合生成輕量化地形模型，對(duì)冗余的實(shí)景模型數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，不僅可以使模型保持原有基本性能，還可以簡(jiǎn)化網(wǎng)格信息、減少系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度和穩(wěn)定性。

3.3 數(shù)據(jù)安全防護(hù)

采用以下4 種安全機(jī)制確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全：①在身份驗(yàn)證與準(zhǔn)入方面，登錄系統(tǒng)時(shí)采用密碼和驗(yàn)證碼方式進(jìn)行身份驗(yàn)證，繼續(xù)訪問(wèn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)啟用加密token 機(jī)制進(jìn)行二次驗(yàn)證。 ②在用戶管理與授權(quán)方面，設(shè)置管理員身份對(duì)用戶信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行分類，運(yùn)用分權(quán)分域方式對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理。 ③在安全存儲(chǔ)方面，采用雙機(jī)熱備和磁盤陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，快速響應(yīng)控制權(quán)交接，同時(shí)對(duì)各業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行隔離，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦，保障了系統(tǒng)的可用性和可靠性。 ④在數(shù)據(jù)傳輸方面，對(duì)用戶訪問(wèn)行為建立日志檔案并定期進(jìn)行審查。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 可視化交互展示

實(shí)景模型包含南岸明渠段、邙山隧洞段、過(guò)河隧洞段和北岸明渠段，為便于場(chǎng)景的整體展示，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、飛行漫游等功能。 對(duì)于多專業(yè)BIM 模型，為便于設(shè)施設(shè)備的展示和屬性查詢，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了隔離、獨(dú)立顯示、透明選項(xiàng)、第一人稱漫游等功能。 桌面端系統(tǒng)中場(chǎng)景和設(shè)施設(shè)備展示效果見圖2。

圖2 桌面端系統(tǒng)的場(chǎng)景和設(shè)施設(shè)備展示頁(yè)面

4.2 模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)

穿黃工程中閘門開度是調(diào)節(jié)流量和水位的控制性參數(shù)，直接影響南水北調(diào)中線工程的供水量。 為實(shí)現(xiàn)水情信息的及時(shí)更新，在系統(tǒng)中加入了一種實(shí)時(shí)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，具體驅(qū)動(dòng)流程為：將閘控狀態(tài)數(shù)據(jù)和水情數(shù)據(jù)定時(shí)更新至閘站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)；系統(tǒng)以指定的時(shí)間間隔向閘站監(jiān)控服務(wù)端發(fā)送時(shí)間參數(shù)；服務(wù)端對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證以保證數(shù)據(jù)安全；數(shù)據(jù)驗(yàn)證通過(guò)后服務(wù)端再將指定時(shí)間段的閘控狀態(tài)數(shù)據(jù)和水情數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)；系統(tǒng)客戶端獲取數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)換為模型所需轉(zhuǎn)動(dòng)弧度參數(shù)，通過(guò)閘門開度和轉(zhuǎn)動(dòng)弧度關(guān)系更新閘控模型和水情信息。

4.3 信息查詢管理

系統(tǒng)整合了設(shè)施設(shè)備信息、消防等多源數(shù)據(jù)，通過(guò)瀏覽器或桌面端系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的快速查詢。其中瀏覽器系統(tǒng)表達(dá)直觀高效，更適合業(yè)務(wù)流程和信息管理；桌面端系統(tǒng)渲染效率高，更適合大數(shù)量設(shè)施設(shè)備模型條件下的信息查詢。 以消防數(shù)據(jù)展示為例，桌面端系統(tǒng)的展示效果見圖3。

圖3 桌面端系統(tǒng)的消防數(shù)據(jù)展示頁(yè)面

4.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)

系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)等監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)信息的預(yù)警預(yù)報(bào)。 視頻監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的調(diào)取、捕捉、監(jiān)視等，消防監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警等，安全監(jiān)測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、預(yù)警、分析等。

安全監(jiān)測(cè)模塊涉及滲壓計(jì)、鋼筋計(jì)、測(cè)縫計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)力計(jì)和土壓力計(jì)等大量監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多、測(cè)點(diǎn)分布廣、可視化程度低，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理不易［14－15］，結(jié)合BIM 模型的安全監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間位置的快速定位和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析展示，展示效果見圖4。

圖4 系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)信息預(yù)報(bào)頁(yè)面

5 結(jié)語(yǔ)

筆者研發(fā)了B／S 和C／S 架構(gòu)相結(jié)合的穿黃工程數(shù)字綜合管理系統(tǒng)，以三維實(shí)景模型和多專業(yè)BIM 模型為基礎(chǔ)，融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，直觀形象地展示了工程全貌，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)、多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢功能，可為水利工程運(yùn)行管理決策提供多方位信息支撐，以期提升穿黃工程管理的現(xiàn)代化和智能化水平。