王 煌，吉衛(wèi)舟

(1．深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000； 2．上海寶冶集團(tuán)有限公司 建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200941)

1 概 述

1.1 茜坑水庫(kù)概況

茜坑水庫(kù)位于深圳市觀瀾河支流茜坑水上游，屬東江水系，隸屬于深圳市北部水源工程管理處，是深圳市北線引水工程的重要節(jié)點(diǎn)。茜坑水庫(kù)建成于1993年，原總庫(kù)容為922×104m3，于2000年在原有水庫(kù)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。擴(kuò)建后屬中型水庫(kù)，集雨面積4.98 km2，正常庫(kù)容1 857×104m3，總庫(kù)容1 917×104m3，水庫(kù)主體工程主要由主壩、4座副壩、溢洪道和輸水涵管等組成[1]。

由于茜坑水庫(kù)建成較早，目前信息化系統(tǒng)運(yùn)行存在諸多問(wèn)題，主要如下：①水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)共享程度低，缺乏數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、有效整合和整體呈現(xiàn)；②水務(wù)監(jiān)測(cè)感知體系有死角，網(wǎng)絡(luò)不健全，遠(yuǎn)程傳輸困難，感知數(shù)據(jù)不連通；③管理系統(tǒng)多為獨(dú)立的業(yè)務(wù)功能系統(tǒng)，集成化程度低，未形成跨部門、跨區(qū)域、上下游協(xié)同聯(lián)動(dòng)工作機(jī)制；④對(duì)感知和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)缺乏綜合分析能力，運(yùn)行管理和調(diào)度控制的智慧化程度有待提升。以上問(wèn)題不僅存在于茜坑水庫(kù)，深圳市部分已建水庫(kù)特別是老舊水庫(kù)，基本都存在上述類似問(wèn)題。

2019年6月，茜坑水庫(kù)被列為深圳市水務(wù)局BIM應(yīng)用試點(diǎn)范圍，開展了BIM+GIS技術(shù)運(yùn)用到“智慧庫(kù)區(qū)”建設(shè)中的研究。通過(guò)水務(wù)設(shè)施智能化管理，提升茜坑水庫(kù)運(yùn)行管理質(zhì)量與水平，讓老舊水庫(kù)煥發(fā)新活力，實(shí)現(xiàn)水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展和管理轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1.2 研究目標(biāo)

立足于深圳茜坑水庫(kù)現(xiàn)狀實(shí)際情況，以BIM+GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合IoT、遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，打造統(tǒng)一信息協(xié)同平臺(tái)即“茜坑水庫(kù)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)”。平臺(tái)開發(fā)主要采用松耦合架構(gòu)模式，賦能水務(wù)工程管理，達(dá)到統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)底板、空間數(shù)據(jù)資源共享、規(guī)范提升管理水平三大實(shí)施目標(biāo)：

1) 統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)底板。以地理空間信息為基準(zhǔn)，整合水庫(kù)BIM+GIS空間數(shù)據(jù)，構(gòu)筑茜坑水庫(kù)BIM應(yīng)用平臺(tái)。

2) 空間數(shù)據(jù)資源共享。加強(qiáng)水庫(kù)所屬部門空間數(shù)據(jù)共享和開發(fā)利用，從而節(jié)省財(cái)政資金，充分體現(xiàn)本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3) 規(guī)范提升管理水平。通過(guò)促進(jìn)高效管理、科學(xué)決策，提升管理水平、規(guī)范管理行為、促進(jìn)管理創(chuàng)新，處理好水庫(kù)信息化“建”、“管”、“養(yǎng)”三者的關(guān)系，從而總體上加強(qiáng)監(jiān)管和確保安全的主動(dòng)性、科學(xué)性，做到茜坑水庫(kù)管理范圍內(nèi)全要素狀況“一覽無(wú)余”，固定資產(chǎn)“心中有數(shù)”。

2 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)研究及成果

2.1 構(gòu)建系統(tǒng)技術(shù)框架

茜坑水庫(kù)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)開發(fā)主要包含水庫(kù)運(yùn)行、養(yǎng)護(hù)、安全三大塊內(nèi)容，采用“1+1+N”架構(gòu)展開建設(shè)，即形成1個(gè)茜坑水庫(kù)BIM數(shù)據(jù)中心、1個(gè)智慧庫(kù)區(qū)BIM+GIS綜合管控中心以及N個(gè)水庫(kù)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用點(diǎn)。

茜坑水庫(kù)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)基于SOA松耦合架構(gòu)，該架構(gòu)具有提高信息資源復(fù)用性、降低開發(fā)投入和保障系統(tǒng)的可維護(hù)可拓展性能等優(yōu)點(diǎn)。見圖1、圖2。

圖1 1+1+N系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)技術(shù)框架

2.2 主要技術(shù)應(yīng)用

平臺(tái)開發(fā)主要應(yīng)用的技術(shù)為BIM、GIS、遙感技術(shù)、IoT、三維掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，各種技術(shù)的應(yīng)用點(diǎn)及使用的主要軟件見表1。

表1 技術(shù)應(yīng)用點(diǎn)及使用的主要軟件

2.3 “1”個(gè)數(shù)據(jù)中心

針對(duì)茜坑水庫(kù)現(xiàn)狀水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)共享程度低，缺乏數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、有效整合和整體呈現(xiàn)的具體情況，平臺(tái)開發(fā)的基礎(chǔ)則是建立一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、高效共享的數(shù)據(jù)中心作為底板。

1) BIM技術(shù)建模。BIM以工程的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建虛擬建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù)為模型提供與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的信息庫(kù)[2]。BIM運(yùn)營(yíng)管理的優(yōu)勢(shì)主要在于數(shù)據(jù)集成共享與管理可視化[3]。本次通過(guò)收集檔案室紙質(zhì)、CAD圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)激光掃描等手段獲取準(zhǔn)確有效的水工基礎(chǔ)資料，對(duì)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)重點(diǎn)管控的水工建筑物及其附屬設(shè)施設(shè)備采用BIM軟件進(jìn)行精細(xì)化BIM建模，并對(duì)BIM模型賦予相應(yīng)的屬性信息。

2) GIS基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)采集。GIS技術(shù)具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和空間分析功能，可將現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的空間位置與相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而為空間決策提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)[4-5]。本次GIS基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)主要采用無(wú)人機(jī)對(duì)茜坑水庫(kù)庫(kù)區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)不同視角同步采集影像，獲取到多維度水工建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理，真實(shí)反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息[6]，再通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，最終生成仿真的三維水庫(kù)GIS模型。見圖3、圖4。

圖3 水工建筑物BIM成果

圖4 庫(kù)區(qū)環(huán)境GIS數(shù)據(jù)采集

3) 運(yùn)行感知數(shù)據(jù)采集。茜坑水庫(kù)現(xiàn)有感知設(shè)備主要為壩下底涵流量計(jì)、閥門流量傳感器、水雨情傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、供水主管流量傳感器、大壩滲流量水堰、遠(yuǎn)程抄表及大壩變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)等，主要的配套感知系統(tǒng)為水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、管道壓力報(bào)警系統(tǒng)、大壩滲壓滲流觀測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)巡檢系統(tǒng)和庫(kù)區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。本項(xiàng)目對(duì)茜坑水庫(kù)現(xiàn)有的運(yùn)行感知設(shè)備及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，收集各類感知硬件參數(shù)與采樣頻次等信息，收集后對(duì)水庫(kù)現(xiàn)有散亂感知系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與整合，校核數(shù)據(jù)時(shí)效性及有效性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)接入與系統(tǒng)集成做準(zhǔn)備。

4) 數(shù)據(jù)集成。通過(guò)前一階段對(duì)茜坑水庫(kù)主壩、副壩、溢洪道、底涵等所有水工結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)施設(shè)備BIM數(shù)據(jù)的逆向采集與生產(chǎn)，以及水庫(kù)周邊約7 km2內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)集成階段，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)整合形成茜坑水庫(kù)BIM+GIS綜合模型，模型既保留了茜坑水庫(kù)水工建筑及附屬設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)的屬性結(jié)構(gòu)，又整合了地理空間、專題屬性信息等數(shù)據(jù)，通過(guò)分布式文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)MongDB[7]進(jìn)行統(tǒng)一管理，最終形成茜坑水庫(kù)完整統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，達(dá)到運(yùn)管理數(shù)據(jù)三維可視化。

2.4 “1”個(gè)智慧庫(kù)區(qū)BIM+GIS綜合管控中心

茜坑水庫(kù)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)集成“一張圖”綜合展示系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)等，聯(lián)動(dòng)智能感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)供水調(diào)度以及通過(guò)指揮中心遠(yuǎn)程監(jiān)控水庫(kù)的運(yùn)行狀況，保證茜坑水庫(kù)的科學(xué)、安全運(yùn)行。見圖5。

圖5 茜坑水庫(kù)BIM+GIS綜合管控中心

1) “一張圖”綜合展示系統(tǒng)：提供全要素“一張圖”綜合展示頁(yè)面，所有用戶可以在上面獲得統(tǒng)一發(fā)布的地圖內(nèi)容或動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)信息。

2) 感知監(jiān)測(cè)管理：主要包括供水調(diào)度監(jiān)測(cè)、水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3) 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)、泵站相關(guān)閘門的控制，保證在出現(xiàn)預(yù)警報(bào)警情況時(shí)，水源管理處能通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，及時(shí)處理相關(guān)經(jīng)濟(jì)事件。

4) 三維可視化系統(tǒng)：對(duì)水庫(kù)、管線、泵站進(jìn)行精細(xì)化建模，建立三維立體圖形，直觀地管理水庫(kù)、管線、泵站，提供了統(tǒng)計(jì)、查詢、專題應(yīng)用等多工況分析功能。

2.5 “N”個(gè)管理應(yīng)用

茜坑水庫(kù)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)目前已完成的管理應(yīng)用模塊主要包括二維碼資產(chǎn)設(shè)備管理模塊和水庫(kù)智能移動(dòng)巡查模塊。

二維碼資產(chǎn)設(shè)備管理模塊在智慧庫(kù)區(qū)綜合管控中心界面中設(shè)置模塊入口，該模塊可將資產(chǎn)設(shè)備的購(gòu)買、借用歸還、維修及報(bào)廢等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的信息與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)與耦合。二維碼資產(chǎn)設(shè)備管理同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)通過(guò)二維碼將虛擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)中設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，手機(jī)掃碼，快速識(shí)別，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端掃碼可快速查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)維記錄、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，填寫故障現(xiàn)象、發(fā)生時(shí)間、已經(jīng)采取的措施，提交給相關(guān)的故障處理人員[8]。

水庫(kù)智能移動(dòng)巡查模塊以數(shù)據(jù)庫(kù)和云計(jì)算技術(shù)作為基礎(chǔ)，分為云平臺(tái)和云終端，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)日常巡查的云端應(yīng)用。按照不同使用場(chǎng)景，為水庫(kù)日常巡查管理人員配備智能巡查終端、智能手環(huán)以及智能手機(jī)等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)日常巡查工作的智能部署、狀態(tài)監(jiān)控、巡查定位、事件上報(bào)、人員考勤以及自動(dòng)統(tǒng)計(jì)等功能。巡查路線和位置實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，用戶網(wǎng)格化管理，實(shí)現(xiàn)分組、分時(shí)段管理，同時(shí)巡查工作人員隱私保護(hù)功能(僅在工作范圍內(nèi)記錄軌跡)，最終有效提高了水庫(kù)巡查工作效率，降低管控風(fēng)險(xiǎn)。見圖6、圖7。

圖6 巡查路線及定位

3 結(jié) 論

BIM技術(shù)主要應(yīng)用于管理庫(kù)區(qū)水工建筑物全生命周期的信息，GIS技術(shù)則是應(yīng)用于整合外部環(huán)境信息，利用BIM與GIS互補(bǔ)關(guān)系建設(shè)數(shù)字孿生水庫(kù)，從微觀到宏觀，目前已實(shí)現(xiàn)從工程安全、設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)告警、泵閘工況、水情水質(zhì)等方面總體展示茜坑水庫(kù)工情和管理情況，幫助茜坑水庫(kù)管理所通過(guò)BIM+GIS“一張圖”快速?gòu)娜终莆账畮?kù)運(yùn)行全部信息，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全管理“可視化”，賦能水務(wù)工程管理，輔助管理者進(jìn)行庫(kù)區(qū)全方位全要素的管控，極大提高工程管理效率，特別是給老舊水庫(kù)帶來(lái)新的活力，并作為水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管養(yǎng)的重要組成部分，值得在深圳市水庫(kù)運(yùn)維管養(yǎng)中推廣。

深圳市的水庫(kù)管理需求已由“傳統(tǒng)功能型”轉(zhuǎn)向“都市服務(wù)型”，因此水務(wù)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)智能化管理是水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展和管理轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)[9]。在茜坑水庫(kù)試點(diǎn)建設(shè)BIM+GIS智慧庫(kù)區(qū)平臺(tái)中，通過(guò)數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)的積累，后期結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)以及日漸成熟的水文水資源預(yù)測(cè)調(diào)度模型，對(duì)服務(wù)范圍內(nèi)的水務(wù)設(shè)施、重點(diǎn)河流、防洪城區(qū)等保護(hù)對(duì)象進(jìn)行全面、多元、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集分析及對(duì)洪水災(zāi)情及時(shí)預(yù)警、科學(xué)調(diào)度，保障汛情信息能監(jiān)控、能發(fā)布、有反饋、有響應(yīng)，形成防汛指揮各環(huán)節(jié)的全覆蓋[10]。