曹旭梅，楊 杰，鄒艷春，牛作鵬，王漢臣

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060；2.中交上海航道局有限公司，上海 200003)

隨著數(shù)字地球和萬物互聯(lián)時代的到來，BIM和IoT技術(shù)已逐步應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，給工程建設(shè)行業(yè)的工作方式和管理模式帶來了革命性的改變。巖土工程勘察作為工程建設(shè)中的一項關(guān)鍵性基礎(chǔ)工作，對工程設(shè)計、施工均有重要影響，由于勘察外業(yè)多、作業(yè)環(huán)境差、勞動用工素質(zhì)參差不齊等特點，導(dǎo)致勘察過程安全管理難度較大，特別是作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的航道工程水上勘察。因此，研究BIM和IoT技術(shù)在勘察工作中的應(yīng)用無疑具有重要的現(xiàn)實意義和發(fā)展前景。

目前，IoT技術(shù)在勘察階段應(yīng)用的研究成果還非常少，而BIM技術(shù)雖然在設(shè)計、施工階段應(yīng)用比較廣泛，但在勘察中的應(yīng)用也仍處于起步階段。賈海鵬[1]提出了建立地質(zhì)、地形、管線和周邊建筑物BIM模型，提高信息集成效率，減少對管線及周邊建筑物的影響；宋金龍等[2]分析基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模方法并進(jìn)行了建模實踐；鄭豪等[3]分析了常用BIM軟件的優(yōu)勢領(lǐng)域，探討基于Civil 3D建立三維地質(zhì)信息模型的流程；童鐘等[4]提出BIM與GIS融合方法，實現(xiàn)了大范圍工程BIM與GIS數(shù)據(jù)一體化展示、分析；徐肖峰等[5]借助離散光滑插值技術(shù)建立巖土層曲面，利用Dynamo處理后導(dǎo)入Revit平臺與設(shè)計模型整合，進(jìn)行巖土工程量計算。

本文綜合利用BIM和IoT技術(shù)，研究BIM和IoT技術(shù)融合的可行性和技術(shù)路線，并依托某航道工程勘察項目構(gòu)建基于BIM+IoT的勘察管控平臺，進(jìn)行安全管控應(yīng)用探索、驗證。

1 BIM與IoT的融合方法

1.1 思路

BIM技術(shù)的興起和快速發(fā)展除了其三維可視化的特點帶來了工作效率的巨大提高和工程技術(shù)的直觀表達(dá)外，還有一個重要特點就是作為高效的信息載體，實現(xiàn)了三維模型與設(shè)計尺寸、技術(shù)參數(shù)、管理過程等工程信息的具象化關(guān)聯(lián)。IoT技術(shù)是通過信息傳感器、RFID(射頻識別)、BDS/GNSS(北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))等技術(shù)，實時采集并傳輸工程對象的幾何信息和非幾何信息，并對信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和挖掘分析，實現(xiàn)對工程實體和建設(shè)過程的智能化感知、監(jiān)控和管理。

BIM技術(shù)與IoT技術(shù)各具優(yōu)勢，將兩者進(jìn)行融合可以充分發(fā)揮BIM模型的三維可視化和信息承載優(yōu)勢，利用IoT技術(shù)的信息采集、傳輸、分析處理能力，在三維虛擬場景里集成工程屬性信息、管理數(shù)據(jù)以及IoT設(shè)備采集的定位、視頻監(jiān)控等信息，并對信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析。

1.2 平臺架構(gòu)

基于BIM+IoT技術(shù)的融合，結(jié)合航道工程勘察階段管理的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建基于BIM+IoT的勘察管控平臺，依托平臺實現(xiàn)航道工程勘察作業(yè)安全管控。平臺技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 平臺技術(shù)架構(gòu)

1.2.1感知層

主要利用布置在現(xiàn)場的各類IoT設(shè)備，如水位傳感器、微型氣象站、監(jiān)控攝像頭、BDS/GNSS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/以人造衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺的星級無線電導(dǎo)航系統(tǒng))定位設(shè)備等，采集工程數(shù)據(jù)，并通過4G/5G物聯(lián)網(wǎng)模塊、有線網(wǎng)絡(luò)、北斗短報文等方式傳輸至IoT設(shè)備廠商，平臺通過開發(fā)可配置的API接口，將數(shù)據(jù)實時推送到平臺MySQL數(shù)據(jù)庫。

1.2.2數(shù)據(jù)層

IoT設(shè)備采集的數(shù)據(jù)具有格式多樣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等特點，按照系統(tǒng)需求，對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余、格式轉(zhuǎn)換、篩選、重塑等操作，降低存儲空間占用，便于從海量的原始數(shù)據(jù)中抽取出有價值的信息，并推送至對應(yīng)的主題數(shù)據(jù)庫中。主題數(shù)據(jù)庫按照數(shù)據(jù)倉庫的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，面向業(yè)務(wù)主題進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與存儲，主要功能是聯(lián)機(jī)分析處理和數(shù)據(jù)共享，避免各應(yīng)用系統(tǒng)為了進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而開發(fā)大量接口，簡捷地實現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的集成。

1.2.3應(yīng)用層

應(yīng)用層是系統(tǒng)平臺的主要組成部分，其核心是數(shù)據(jù)和應(yīng)用。在進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)與具體的應(yīng)用相結(jié)合，基于業(yè)務(wù)需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成統(tǒng)計圖表，并在一定程度上自動采取相關(guān)措施，為工程管理和決策人員提供應(yīng)用服務(wù)。

1.2.4表現(xiàn)層

這是用戶訪問和使用平臺的各種入口，平臺支持常見的各類終端產(chǎn)品，如電腦、平板、手機(jī)、觸屏設(shè)備、船載終端等。

1.3 技術(shù)路線

目前，勘探鉆孔的坐標(biāo)常保存在OvitalMap軟件生成的鉆孔坐標(biāo)文件中，坐標(biāo)文件中某鉆孔定位數(shù)據(jù)示例如下：

“

”

該鉆孔定位數(shù)據(jù)釋義見表1。

表1 鉆孔定位數(shù)據(jù)文件語句釋義

通過Dynamo編程實現(xiàn)Autodesk Revit軟件自動從坐標(biāo)文件中提取全部鉆孔的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并生成鉆孔BIM模型，整合高清衛(wèi)星影像和BIM模型，進(jìn)而將整合后的BIM模型場景與IoT設(shè)備采集的工程數(shù)據(jù)在勘察管控平臺上進(jìn)行融合集成，并依據(jù)勘察安全管理的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行水上移動巡檢、安全資料管理、遠(yuǎn)程安全管控等應(yīng)用。技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線

2 航道工程勘察安全管控應(yīng)用

2.1 水上移動巡檢

在目前的勘察作業(yè)過程中，日常檢查記錄、安全日志等工作仍采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)形式記錄和上報，存在效率低、易遺漏的問題，特別是對于受氣象條件和水流狀況變化影響較大的航道工程水上勘察作業(yè)來說，紙質(zhì)的記錄方式不利于現(xiàn)場記錄和實時反饋。通過BIM+IoT勘察管控平臺的定制化開發(fā)，現(xiàn)場人員以平臺移動端APP填報的方式取代紙質(zhì)記錄，提高了安全問題處理和信息共享的效率。此外，數(shù)據(jù)通過項目MBS(Model Breakdown Structure，模型分解結(jié)構(gòu))與BIM模型關(guān)聯(lián)并自動匯聚到平臺主題數(shù)據(jù)庫。

2.2 安全資料管理

如前所述，目前勘察階段的安全管理資料多以紙質(zhì)材料形式記錄，一方面給資料整編和完工交付增加很多工作量，另一方面以紙質(zhì)形式保存的資料查找效率低、信息交換不便、不利于充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資源價值?；贐IM+IoT的勘察管控平臺很好地解決了這個問題。首先，通過平臺網(wǎng)頁端和移動端APP配合使用，實現(xiàn)了勘察階段安全管理數(shù)據(jù)錄入、處理、整編、存儲全過程的數(shù)字化，減輕了資料管理工作量。其次，通過建立建(構(gòu))筑物與虛擬的三維模型的映射關(guān)系，將安全管理數(shù)據(jù)集成到BIM模型上，提供了一種三維可視化的數(shù)據(jù)管理和檢索方式，有利于信息存儲、交換和共享。

2.3 遠(yuǎn)程安全管控

根據(jù)規(guī)定，勘察企業(yè)負(fù)責(zé)人須定期赴現(xiàn)場進(jìn)行安全檢查，但這種實地檢查受諸多外界條件限制，檢查的頻次有限，特別是惡劣氣象災(zāi)害和疫情防控等特殊時期，而往往這種時期也是安全形式最嚴(yán)峻的時候?；贐IM+IoT的勘察管控平臺將現(xiàn)場視頻監(jiān)控、船舶定位等IoT設(shè)備采集的數(shù)據(jù)集成到三維模型場景中，從技術(shù)上解決了后方相關(guān)人員管控勘察現(xiàn)場作業(yè)安全的難題，并且通過分析感知層采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)測環(huán)境的潛在隱患，提前預(yù)防、實時預(yù)警，降低外界條件突變對人的安全威脅。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

本文以湖北省武漢市某航道工程勘察項目為依托，該項目大部分勘察工作均為水上作業(yè)，惡劣氣象、水情變化、船舶通航和鉆探船舶偏移等復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境對項目安全生產(chǎn)帶來較大挑戰(zhàn)。通過應(yīng)用BIM+IoT的勘察管控平臺，在水上移動巡檢、安全資料管理、遠(yuǎn)程安全管控等方面滿足項目安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求。

根據(jù)項目鉆孔坐標(biāo)文件，利用Autodesk Revit軟件生成鉆孔BIM模型，在Supermap軟件中將鉆孔BIM模型與高清衛(wèi)星影像地圖進(jìn)行整合，經(jīng)輕量化處理后發(fā)布至勘察管控平臺(圖3)。

圖3 整合后的BIM模型場景

3.2 水上移動巡檢

現(xiàn)場人員通過平臺APP記錄現(xiàn)場安全檢查情況(圖4)，數(shù)據(jù)實時上傳至后臺數(shù)據(jù)庫，相關(guān)部門和人員實時收到待辦事項提醒，適時采取恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，統(tǒng)籌人力、物力等資源投入，從而保證現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的安全隱患或問題得以在最短的時間內(nèi)整改處理。填報、處理、復(fù)核全過程留痕，支持問題回溯，為事后處理提供支撐。此外，使用APP記錄時數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)BIM模型并自動推送到相應(yīng)的主題數(shù)據(jù)庫，從源頭上減輕了安全管理過程數(shù)據(jù)的管理難度，為下一步的安全資料管理奠定了基礎(chǔ)。

圖4 移動端APP記錄安全巡檢數(shù)據(jù)

3.3 安全資料管理

利用平臺主題數(shù)據(jù)庫在資料存儲、分類管理和信息共享上的優(yōu)勢，將項目安全管理資料，如安全生產(chǎn)管理規(guī)章制度、應(yīng)急預(yù)案、通航安全保障方案、安全生產(chǎn)日志等，上傳至平臺，便于項目部、勘察企業(yè)、建設(shè)單位之間的資料共享和信息檢索(圖5)。對于依托于具體建(構(gòu))筑物的數(shù)據(jù)，則通過MBS與BIM模型相關(guān)聯(lián)，相關(guān)人員可以可視化的方式在三維模型場景中定位到關(guān)注的鉆孔模型，進(jìn)而瀏覽BIM模型關(guān)聯(lián)的全部安全管理數(shù)據(jù)(圖6)。

圖5 安全資料主題數(shù)據(jù)庫

圖6 安全數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)BIM模型

3.4 遠(yuǎn)程安全管控

3.4.1鉆探船舶定位監(jiān)管與預(yù)警

通過鉆探船舶上安裝的BDS/GNSS定位終端，按照設(shè)置的時間間隔采集鉆探船舶的定位數(shù)據(jù)，并在BIM+IoT平臺上聯(lián)動變化，便于相關(guān)人員掌握勘察現(xiàn)場鉆探船舶的實時位置、偏移情況和歷史軌跡。同時可根據(jù)船舶偏移控制要求設(shè)置電子圍欄，如果現(xiàn)場鉆探船舶受風(fēng)浪等影響偏移范圍超出電子圍欄范圍，平臺會預(yù)警提示，保障作業(yè)安全(圖7)。

圖7 鉆探船舶定位監(jiān)管與預(yù)警

3.4.2現(xiàn)場遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

項目在鉆探船舶上安裝有視頻監(jiān)控設(shè)備，視頻數(shù)據(jù)采用4G物聯(lián)網(wǎng)卡傳輸，通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)推送到平臺數(shù)據(jù)庫，并在三維模型場景中將監(jiān)控設(shè)備與BIM模型相融合，項目相關(guān)人員可在三維場景中查看各鉆探船舶上安全設(shè)施、作業(yè)人員行為等是否滿足安全生產(chǎn)要求，彌補(bǔ)了勘察企業(yè)負(fù)責(zé)人只能通過現(xiàn)場檢查這一方式管控現(xiàn)場安全的不足，保證勘察現(xiàn)場作業(yè)安全得到有效管控(圖8)。

圖8 現(xiàn)場遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

4 結(jié)語

1)對BIM和IoT技術(shù)在航道工程勘察安全管控方面的融合應(yīng)用進(jìn)行研究，構(gòu)建了一種基于BIM+IoT的勘察管控平臺技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)路線，并在某航道工程勘察項目上應(yīng)用驗證，通過將船舶BDS/GNSS定位數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行集成，滿足了勘察企業(yè)在勘察現(xiàn)場遠(yuǎn)程安全管控方面的需求。

2)充分利用BIM+IoT平臺主題數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)分析、按類存儲和BIM模型在信息共享和可視化表達(dá)方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)了一種高效率、可視化的數(shù)據(jù)管理和檢索方式，一定程度上解決了安全資料整理整編和數(shù)據(jù)檢索方面存在的問題，可供類似項目參考。