魏志杰，翟國(guó)師

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200120）

引言

隨著國(guó)務(wù)院發(fā)布“水污染防治行動(dòng)計(jì)劃”（即“水十條”），以及迫在眉睫的“碳達(dá)峰”和“碳中和”任務(wù)，以流域綜合治理和生態(tài)環(huán)境修復(fù)為代表的水環(huán)境治理成為實(shí)現(xiàn)區(qū)域綠色協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。濕地建設(shè)、流域治理等水環(huán)境項(xiàng)目具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣、邊界開放等特點(diǎn)，此類項(xiàng)目技術(shù)集成度高、資源整合困難、安全管理嚴(yán)苛，以上都對(duì)項(xiàng)目管理提出了新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，“智慧城市”的理念在國(guó)內(nèi)也得到廣泛認(rèn)同[1]。當(dāng)前在智慧城市建設(shè)大背景下，智慧水務(wù)的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了積極的探索，將其作為水務(wù)事業(yè)發(fā)展、優(yōu)化行業(yè)管理與提升服務(wù)水平的重要支撐和保障[2]。智慧水務(wù)的蓬勃發(fā)展為在水環(huán)境項(xiàng)目管理過程中應(yīng)用智慧化解決方案提供了借鑒和參考，關(guān)鍵在于如何搭建可靠的系統(tǒng)平臺(tái)，利用好智能化、信息化設(shè)備，提出整套的水環(huán)境項(xiàng)目智慧化管理方案。

在勘察設(shè)研公司承建的南湖生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程設(shè)計(jì)施工總承包項(xiàng)目中，以項(xiàng)目管理存在的問題為導(dǎo)向，構(gòu)建基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)及AI 人工智能的智慧水務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理的信息化和智慧化。

1 工程概況

1.1 工程背景

南湖位于浙江省嘉興市區(qū)，湖體南北長(zhǎng)、東西狹，常年水面面積為0.52 km2，是嘉興市各主要河流蓄泄的樞紐，是海鹽塘、平湖塘、嘉善塘等多條河流的起點(diǎn)、終點(diǎn)交匯處。南湖水體懸浮物（SS）含量較高，透明度較低，總磷（TP）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水環(huán)境功能區(qū)考核的III 類標(biāo)準(zhǔn)。本工程的實(shí)施主要是為改善南湖水體質(zhì)量，恢復(fù)湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)南湖水質(zhì)、生態(tài)及景觀的全面提升。

1.2 工程內(nèi)容

圖1 工程總平面布置

表1 主要工程量

1.3 工程目標(biāo)

工期目標(biāo)：開工日期為2020 年11 月3 日，計(jì)劃完工日期為2021 年5 月15 日；

質(zhì)量目標(biāo)：湖區(qū)透明度達(dá)到0.8～1.0 m，沉水植物覆蓋率達(dá)25 %。

2 項(xiàng)目管理難點(diǎn)及問題

2.1 專業(yè)種類多，現(xiàn)場(chǎng)施工把控難

本工程施工范圍包括南湖湖區(qū)及主要入湖河道，點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，而且所涉及的施工隊(duì)伍及專業(yè)類型眾多，包括水工、金工、土建、水生態(tài)、安裝等專業(yè)。從現(xiàn)場(chǎng)工作量和技術(shù)專業(yè)性上都對(duì)總承包方的項(xiàng)目管理水平提出了挑戰(zhàn)，管理信息傳達(dá)時(shí)容易層層剝離，執(zhí)行力度轉(zhuǎn)移到末端所剩無幾。

2.2 核心區(qū)施工，管線交叉影響大

本工程施工區(qū)域位于嘉興市的核心區(qū)域，湖區(qū)及主要入湖河道下方管道密布，根據(jù)前期委托的專業(yè)資質(zhì)物探單位對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的全方位探摸，初步探查發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域內(nèi)有近40 根管線。管線與施工的交叉影響，直接導(dǎo)致湖區(qū)疏浚、鋼壩深基坑等施工難度倍增。

2.3 危大工程多，安全管控要求高

本工程鋼壩、橡膠壩、過渡設(shè)施取水池和調(diào)蓄池基坑深度均超過3 m，屬于危大工程，其中5 處鋼壩基坑深度超過5 m，屬于超過一定規(guī)模的危大工程。深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，一旦發(fā)生基坑透水、坍塌事故，極易造成人員群死群傷。

2.4 景區(qū)內(nèi)施工，文明環(huán)保要求高

南湖景區(qū)為5A 級(jí)景區(qū)，且為革命圣地，湖區(qū)主管部門多，包含轄區(qū)派出所、港航處、海事局、管委會(huì)、紀(jì)念館、城管、城投、旅游發(fā)展公司等近十家主管單位。景區(qū)內(nèi)人流密度大、湖區(qū)游船眾多，以上因素都使得本工程的文明施工、環(huán)境保護(hù)工作上升到前所未有的高度。

2.5 工期壓力大，高效管理手段少

本工程工期緊、任務(wù)重、壓力大，需要在六個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)完成施工準(zhǔn)備、前期協(xié)調(diào)、工程實(shí)施、試運(yùn)行及驗(yàn)收等工作，目前項(xiàng)目管理的手段和技術(shù)水平已無法與項(xiàng)目建設(shè)需求相匹配，高效的項(xiàng)目管理手段和技術(shù)緊缺。

3 智慧化解決方案

3.1 GIS+BIM 技術(shù)

GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計(jì)算機(jī)的工具，三維GIS 不僅能表達(dá)空間對(duì)象間的平面和垂向關(guān)系，還可以進(jìn)行空間查詢、分析以及統(tǒng)計(jì)等操作。BIM 是通過數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)建物所具有的真實(shí)信息、集成工程設(shè)計(jì)中各種相關(guān)數(shù)據(jù)的工程信息模型。GIS 提供數(shù)字沙盤，BIM 提供建筑物模型，兩相結(jié)合形成工程管理的全景電子沙盤。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)IoT 技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)信息世界的承載體，讓所有前端的物理設(shè)備、設(shè)施通過網(wǎng)絡(luò)形成萬物互聯(lián)的信息綜合體。

3.3 AI 人工智能技術(shù)

人工智能在工程建設(shè)項(xiàng)目管理領(lǐng)域中，應(yīng)用較為廣泛的人工智能技術(shù)當(dāng)屬圖像識(shí)別。

3.4 MIKE21 水動(dòng)力學(xué)模型

MIKE21 是二維水動(dòng)力學(xué)模擬的主要應(yīng)用工具，MIKE21 HD 模塊水動(dòng)力學(xué)模型分析，用于模擬由各種作用力產(chǎn)生的水位及水流變化，可用于忽略分層的各種二維自由表面流的數(shù)值模擬。

4 智慧水務(wù)平臺(tái)構(gòu)建

4.1 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

智慧水務(wù)平臺(tái)是由勘察設(shè)研公司研發(fā)的基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、地理空間庫、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合南湖水域及匯流水域、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、水文、鋼壩實(shí)施監(jiān)控等數(shù)據(jù)，構(gòu)建于一張圖的水務(wù)綜合信息可視化平臺(tái)。推進(jìn)水務(wù)管理向主動(dòng)精細(xì)、現(xiàn)代高效轉(zhuǎn)變，助力工程建設(shè)。

圖2 嘉興南湖智慧運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)

圖3 智慧運(yùn)管平臺(tái)系統(tǒng)界面

該智慧水務(wù)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)：在湖區(qū)設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，對(duì)南湖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該套設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接入本平臺(tái)，以數(shù)字形式展現(xiàn)指標(biāo)，便于精確跟蹤水質(zhì)變化；

2）可視化展示：將擬建工程效果、數(shù)值模擬分析成果等以可視化的形式展示在終端大屏，再結(jié)合物理沙盤模型，呈現(xiàn)極佳的可視化工程效果展示；

3）形象進(jìn)度控制：對(duì)疏浚、水生態(tài)等分區(qū)施工區(qū)域，按照區(qū)塊每日更新進(jìn)度情況，以可視化形式展現(xiàn)施工進(jìn)度情況；

4）實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警：每個(gè)施工地點(diǎn)設(shè)立實(shí)時(shí)監(jiān)控，并嘗試?yán)肁I 圖像識(shí)別算法自動(dòng)報(bào)警，輔助管理人員識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的安全情況，包括電子圍欄設(shè)置邊界、安全防護(hù)用品規(guī)范佩戴甄別、基坑內(nèi)作業(yè)人數(shù)預(yù)警等。

4.2 前端數(shù)據(jù)采集

1）無人機(jī)測(cè)繪

利用測(cè)繪級(jí)無人機(jī)攜帶的高清圖像、視頻采集設(shè)備，快速地對(duì)地表、地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲取施工區(qū)域的實(shí)際圖像及平面位置、高程等數(shù)據(jù)，生成二維、三維可視化數(shù)據(jù)。

2）在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水環(huán)境項(xiàng)目通常將水質(zhì)指標(biāo)作為考核指標(biāo)或者管理目標(biāo)，嘉興南湖項(xiàng)目一期水質(zhì)目標(biāo)為透明度達(dá)到0.8～1.0 m，鑒于南湖周邊用地非常緊張，無法建立岸邊水質(zhì)監(jiān)測(cè)站。本次在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備創(chuàng)新性的采用太陽能浮標(biāo)作為載體，浮標(biāo)橫向尺寸（直徑）0.6 m，整體高度0.7 m，設(shè)備本體重量?jī)H為35 kg。主要采集指標(biāo)為透明度、濁度、溶解氧、PH 值、COD 和氨氮，并實(shí)現(xiàn)“零占地、無電源、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)”的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能。

圖4 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)

3）智能感知監(jiān)控

本項(xiàng)目在鋼壩、橡膠壩、湖區(qū)、干化場(chǎng)地等主要位置安裝了十余臺(tái)智能感知攝像機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)視頻圖像的采集、編碼、傳輸以及報(bào)警信號(hào)的采集。

圖5 智能感知監(jiān)控

4）水下機(jī)器人

對(duì)于以水質(zhì)提升為主要目標(biāo)的水環(huán)境治理項(xiàng)目，沉水植物的恢復(fù)及水下生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建是水質(zhì)改善的關(guān)鍵。本項(xiàng)目要求湖區(qū)沉水植物覆蓋率達(dá)到25 %，但如何查看深水區(qū)沉水植物的生長(zhǎng)情況成為困擾著項(xiàng)目管理的一個(gè)難題。本項(xiàng)目首次使用水下遙控?zé)o人機(jī)實(shí)現(xiàn)深水區(qū)水下拍攝與互動(dòng)功能，利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，景隨身行，VR 沉浸式體驗(yàn)，無需下水即可查看水生植物的生長(zhǎng)狀況。

圖6 水下無人機(jī)查看沉水植物

4.3 數(shù)據(jù)處理及效果展示

1）GIS+BIM 數(shù)字孿生——與現(xiàn)場(chǎng)1:1 對(duì)應(yīng)，使工程變得生動(dòng)

智慧水務(wù)系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)建模、傳感器數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)收集，對(duì)多物理量、多尺度、多概率進(jìn)行仿真，在虛擬空間中完成映射，從而反映工程建設(shè)全過程的實(shí)景。

圖7 工程實(shí)景構(gòu)建

2）物聯(lián)網(wǎng)IoT 實(shí)時(shí)監(jiān)管——現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)互聯(lián)，增強(qiáng)與工程的互動(dòng)

前端水質(zhì)傳感器通過分析各種電導(dǎo)率參數(shù)，將監(jiān)測(cè)的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)，再通過GPRS 傳輸至網(wǎng)絡(luò)中，借由服務(wù)器主機(jī)中網(wǎng)頁與圖形控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控前端設(shè)備的監(jiān)測(cè)值。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)送警告消息，通知值守人員及時(shí)處理。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸技術(shù)，使用各種網(wǎng)絡(luò)終端如PC、PAD、手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控、校正及下載數(shù)據(jù)。

圖8 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示

根據(jù)從開工之初至施工結(jié)束的不間斷拍攝，制作延時(shí)視頻記錄工程構(gòu)筑物的“從無到有”全過程變化。利用單兵執(zhí)法記錄儀，專職安全員在現(xiàn)場(chǎng)安全檢查、日常巡視記錄將做到“全過程、無死角”覆蓋，真正做到安全管理“有據(jù)可依、有跡可查”。

水下無人機(jī)可同時(shí)在多達(dá)3 個(gè)設(shè)備上同時(shí)觀看分享，支持手機(jī)客戶端、pad 無線客戶端、大屏幕電視/顯示器，將水下世界“實(shí)時(shí)、直觀、真實(shí)”地展示出來，起到了極佳的宣傳效果。

3）AI 人工智能——感知設(shè)計(jì)、開放平臺(tái)，讓工程更智能

本工程利用智能感知設(shè)計(jì)的車輛卡口功能，可以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境項(xiàng)目開放邊界的電子圍欄功能，在項(xiàng)目主要進(jìn)出道口、南湖湖區(qū)主要通道安裝智能監(jiān)控?cái)z像頭，可以對(duì)進(jìn)出場(chǎng)施工船舶、土方車輛等進(jìn)行識(shí)別、監(jiān)控和記錄。利用智能感知設(shè)計(jì)的漂浮物監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，可以在日常保潔、運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間對(duì)湖面垃圾、藍(lán)藻、水葫蘆及漂浮物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。為了提高監(jiān)控的效率，可采用定時(shí)抓圖并推送給相應(yīng)責(zé)任人，快速了解漂浮物情況，及時(shí)組織人員清理。此外，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員是否佩戴安全帽甄別、違章堆料識(shí)別等，并可在AI 開放平臺(tái)通過上傳樣本照片利用機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)新的模型需求。

圖9 AI 人工智能感知設(shè)計(jì)

4）MIKE21 水動(dòng)力學(xué)模型——數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證，工程問題分析更科學(xué)

本項(xiàng)目依托MIKE21 HD 模塊，結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)有的工況條件，來模擬測(cè)算南湖換水周期、補(bǔ)水沿程變化、受圍堰和潮汐等影響之后的補(bǔ)水效果。利用MIKE21 水動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證，使得對(duì)工程實(shí)際問題的分析更加科學(xué)、可信。模擬后的成果以分析圖表、動(dòng)畫演示的方式呈現(xiàn)在智慧運(yùn)管平臺(tái)上，展示出了良好的視覺效果，且問題分析更加直觀、更易理解。

5 結(jié)語

嘉興南湖項(xiàng)目智慧運(yùn)管平臺(tái)是勘察設(shè)研公司首次在水環(huán)境轉(zhuǎn)型項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施智慧化管理方案，無論從宣傳效果、動(dòng)態(tài)演示等視覺化展示方面，還是監(jiān)控監(jiān)測(cè)、輔助管理等功能作用方面，智慧運(yùn)管平臺(tái)都體現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)在水環(huán)境轉(zhuǎn)型項(xiàng)目上具有廣闊的應(yīng)用前景。智慧運(yùn)管平臺(tái)在界面展示效果、進(jìn)度管理控制、智能感知功能設(shè)計(jì)等方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化，但隨著公司不斷開拓水環(huán)境市場(chǎng)，智慧化管理方案也將在實(shí)踐應(yīng)用中不斷得到完善。