泵閘工程運維管理系統(tǒng)的研究與設計

陳 冰 ，黃培志 ，殷峻暹

（1. 深圳市水務科技信息中心，廣東 深圳 518036；2. 深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；3. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

水務泵閘工程系統(tǒng)復雜，通常包括技術供水、電氣一次及二次、消防、滲漏檢修、通信等系統(tǒng)[1]，目前工程移交普遍以二維平面竣工圖紙及紙質工程資料的形式提交，給后期運行管理維護工作帶來困難[2]。據(jù)美國國家標準與技術協(xié)會（NIST）統(tǒng)計，一項工程的運維管理成本在其全生命周期中占比約為 80%，因此基于新技術研究水務工程數(shù)字化運維管理，對降低工程運維成本，提升運維效率具有重要意義[3]。

當前，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、GIS，BIM 等技術在水務工程運維管理[4]中具有一定的研究基礎和應用案例。吳建剛[5]等在新沂河沭陽樞紐工程中基于 IoT技術將采集感知的閘門開度信號、電氣信號、上下游水位信號、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)集成至工程運維管理應用系統(tǒng)中，實現(xiàn)覆蓋調度監(jiān)控、運維管理、安全評估、通信預警等業(yè)務的信息化管理。郭軍等[6]結合 GIS 和 IoT 技術將供水管網(wǎng)地理信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理行為信息進行集成，實現(xiàn)可視化、體系化、精細化管網(wǎng)運維管理，有效降低爆管問題。何勇等[7]在江蘇省新孟河延伸拓浚界牌水利樞紐工程中探索了基于 BIM 技術的全生命周期管理，利用設計施工階段形成的數(shù)字化成果進行交付移交，為工程運維管理提供數(shù)據(jù)支撐。楊建峰等[8]以通呂運河水利樞紐工程為例研究了 BIM 技術在水利工程運維管理中的應用，并通過搭建數(shù)字化工程管理平臺實現(xiàn)在線監(jiān)測、設備臺賬、視頻監(jiān)控、報警管理、維修養(yǎng)護等業(yè)務線上管理。

IoT，GIS 和 BIM 技術在工程運維管理中的應用各有優(yōu)勢和側重，對于泵閘工程，一般具有較多機電設備、依托于河道水庫等地理要素的特點，為此，在運維管理現(xiàn)狀文獻研究的基礎上，利用這3 種技術進行優(yōu)勢互補，以 BIM 技術為核心構建集成幾何和非幾何屬性的三維模型，向上連接工況水情等物聯(lián)感知信息，向下連接地理空間信息，將多源信息整合集成至統(tǒng)一平臺，并利用云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術，以深圳市共和泵閘樞紐為案例，構建基于 BIM + GIS + IoT 融合技術的共和泵閘工程運維管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)泵閘工程信息線下分散管理的問題。

1 泵閘工程運維管理系統(tǒng)設計

共和泵閘樞紐是深圳市寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程的組成部分，包括泵站和水閘，設計排澇標準為 20年一遇24h 設計暴雨產(chǎn)生的徑流不受淹，服務面積為 0.12 km2。共和泵站的機組臺數(shù)為3臺，設計總裝機容量為945kW，設計總提水流量為12.3 m3/s；共和閘站的孔口寬度為 5×2 m，最大泄水流量為 19.7 m3/s。

1.1 BIM 模型創(chuàng)建

在國內外 BIM 應用現(xiàn)狀調研的基礎上，通過比選 Autodesk，Bentley，Catia 等主流平臺的特點[9]，最終選定 Autodesk 平臺建立共和樞紐的三維建筑模型，包含土建、廠房上部結構、管線、金屬結構設備、廠區(qū)地形等。由于共和泵閘站在設計階段未采用 BIM 技術，因此建模時基于竣工圖紙搭建 BIM模型。BIM 模型創(chuàng)建過程如下：

1）確定坐標、高程和單位系統(tǒng)。本項目各專業(yè)、分項均采用相同的坐標系，項目坐標系原點為坐標原點。標高命名由標高特性和數(shù)值組成。對于水工結構，標高特性為標高對應特征名稱（如閘底板等），標高數(shù)值為采用同一高程系的高程；對于建筑結構，標高特性為樓層編碼，標高數(shù)值以相對標高為準。

2）確定模型拆分協(xié)同原則。針對模型的不同應用場景需求，按照水工、電氣、建筑、景觀等不同專業(yè)，以及資產(chǎn)管理、運行維護、應急管理等不同應用維度拆分，以滿足運行管理要求，同時保證每個模型文件大小不超過200MB，以保證模型導入運維管理系統(tǒng)時的流暢性。

3）確定模型文件及構件命名規(guī)則。模型文件命名宜包含項目名稱、實施階段、相關專業(yè)及具體的空間位置，同時還可包含自定義字段。模型構件命名宜體現(xiàn)專業(yè)、工程部位、構件屬性等關鍵要素。

4）確定模型信息要求。鑒于 BIM 模型應用于運維管理，對模型信息要求較高，模型文件屬性表中須包含創(chuàng)建時間和人員、文件命名、模型專業(yè)、實施階段、相關專業(yè)等信息，模型構件屬性表中須包含材質、設備型號、廠商、檢修日期等非幾何信息。

5）模型創(chuàng)建與校核。本項目采用 Autodesk Revit軟件創(chuàng)建模型，首先要根據(jù)構筑物的尺寸建立合適的軸網(wǎng)和標高，在基于柱、墻、梁、板等常規(guī)構件創(chuàng)建模型的基礎上，充分利用 Revit 模型的參數(shù)化功能，在具有相似構造的建模中，通過全局參數(shù)功能實現(xiàn)模型的參數(shù)化驅動[10]，提升工作效率，體現(xiàn)應用 BIM 技術開展設計的優(yōu)勢和價值。在構件“類型屬性”對話框中，對構件的注釋名稱、尺寸、材質、設備型號、廠商等非幾何信息進行設置。同時在建模過程中要保持與金屬結構、電氣、建筑、巖土等相關專業(yè)結合的模型鏈接關系，及時檢查是否出現(xiàn)各專業(yè)模型之間的不協(xié)調問題，以最終確定模型。創(chuàng)建的共和泵閘樞紐全專業(yè)模型如圖1和2所示。

圖1 共和樞紐模型進口三維視圖

圖2 廠房模型內部三維視圖

BIM 模型的創(chuàng)建是工程數(shù)字化運維管理的關鍵，模型承載的幾何參數(shù)和非幾何屬性是設備保養(yǎng)檢修的基礎，同時將模型構件與采集感知設備定位信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，可實現(xiàn)工程運行數(shù)據(jù)的可視化聯(lián)動貫通。

1.2 系統(tǒng)架構設計

共和泵閘工程運維管理系統(tǒng)架構主要依托深圳市政務云平臺，以 .Net 作為開發(fā)框架，構建從物聯(lián)感知、基礎設施、水務大數(shù)據(jù)、應用支撐到業(yè)務應用的五層架構，以及信息安全、標準規(guī)范兩大保障體系，技術架構設計如圖3所示。具體分析如下：

1）物聯(lián)感知層。物聯(lián)感知層采用 IoT 技術，采集水情、水質、工情和視頻等內容，主要作用是為共和泵閘樞紐運維管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

2）基礎設施層?；A設施層包括云平臺、網(wǎng)絡工程、基礎設施環(huán)境和信息安全等內容，為整個系統(tǒng)提供信息傳輸通道和安全的運行環(huán)境（包括網(wǎng)絡環(huán)境），其中云平臺主要依托深圳市政務云平臺構建，網(wǎng)絡層主要包括互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)、深圳市黨政機關政務外網(wǎng)、深圳市水務局自建的控制專網(wǎng)和視頻接入網(wǎng)。

3）大數(shù)據(jù)層。大數(shù)據(jù)存儲主要規(guī)劃了以下數(shù)據(jù)庫：a. 基礎數(shù)據(jù)庫?；A數(shù)據(jù)庫是存儲各類公共基礎屬性和空間數(shù)據(jù)的子庫，包括基礎空間庫（GIS +BIM）、屬性庫。b. 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是存儲各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的子庫，包括水情庫、水質庫、工情庫和視頻庫。c. 業(yè)務數(shù)據(jù)庫。業(yè)務數(shù)據(jù)庫是存儲各類業(yè)務管理數(shù)據(jù)的子庫，包括設備設施、安全、應急和綜合等管理的各類業(yè)務數(shù)據(jù)庫。

圖3 共和泵閘樞紐運維管理系統(tǒng)技術架構圖

4）應用支撐層。應用支撐層提供業(yè)務應用需要的公共服務能力，如統(tǒng)一報表、工作流，以及GIS，BIM，物聯(lián)網(wǎng)和視頻云監(jiān)控等平臺。

5）業(yè)務應用層。業(yè)務應用層覆蓋態(tài)勢感知、設備設施管理、安全管理、應急管理和綜合管理五大功能領域。

6）標準規(guī)范體系。標準規(guī)范是保障管理系統(tǒng)各組成部分能夠協(xié)調一致工作，各類信息互聯(lián)互通，項目建設過程和運維管理規(guī)范、有序、高效的重要基礎。本項目在規(guī)劃階段編制了 BIM 建模規(guī)范，為搭建標準化 BIM 模型提供支撐；在運維管理系統(tǒng)開發(fā)階段遵循已有國標和行標、地標，以及深圳市智慧水務總體技術方案，建成后將輸出運行維護相關技術文件，保障系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行。

7）信息安全體系。共和泵閘樞紐運維管理系統(tǒng)按照等保 2.0 二級防護要求開展建設，信息安全體系包括安全物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡、區(qū)域邊界、計算環(huán)境及建設管理等方面。

1.3 系統(tǒng)功能設計

共和泵閘工程運維管理系統(tǒng)的功能主要包括以下5個部分：

1）態(tài)勢感知模塊。主要基于 GIS + BIM 一張圖對水情、水質、工情、視頻、業(yè)務管理等信息進行集成，結合三維模型綜合展示設備參數(shù)、管養(yǎng)維修、備品備件、實時視頻、關鍵水情水質、設備運行狀態(tài)等信息。其中，將多個攝像機圖像序列視頻和與之相關的三維虛擬場景加以匹配和融合，實現(xiàn)虛擬場景與實時視頻的融合，虛實結合實現(xiàn)設備設施可視化運行管理，視頻三維場景融合示意如圖 4所示。

2）設施設備管理模塊。主要包括檢修管理、信息查詢、巡檢管理、采購管理、驗收登記、備品備件管理等功能，其中設備設施基本的與檢修過程的信息通過構件編碼與 BIM 模型進行關聯(lián)，實現(xiàn)結構化數(shù)據(jù)管理。

3）安全管理模塊。主要包括安全檢查計劃制定、檢查實施、值班管理，以及隱患檔案庫和標準的查詢等功能。

4）應急管理模塊。包括應急告警與發(fā)布、預案管理、事件處置、物資管理等功能。

5）綜合管理模塊。包括文檔、考核等管理功能。

圖4 視頻監(jiān)控與三維虛擬模型融合示意圖

2 結語

水務設施運行維護智能化管理是水務現(xiàn)代化發(fā)展和管理轉型升級的必然趨勢。本研究以共和泵閘樞紐為案例開展泵閘工程運維管理系統(tǒng)的研究與設計，總結泵閘工程 BIM 模型創(chuàng)建的具體方法，提出管理系統(tǒng)的架構、功能設計方案，探索出已建水務設備設施數(shù)字化運維的路徑，為深圳市智慧水務設施運行管理平臺的建設奠定了試點基礎。下一步將持續(xù)優(yōu)化迭代該泵閘工程運維管理系統(tǒng)，通過細化相關監(jiān)測設備的 BIM 模型構建，與水工建筑物的 BIM 模型進行融合，并以運維管理系統(tǒng)聯(lián)動顯示BIM 模型及與其相對應的監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時視頻等方式，為泵閘工程運維管理提供更直觀的決策支撐。