基于BIM+IoT的某航道工程勘察安全管控應用技術

曹旭梅，楊 杰，鄒艷春，牛作鵬，王漢臣

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

隨著數字地球和萬物互聯時代的到來，BIM和IoT技術已逐步應用于工程建設領域，給工程建設行業(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中的一項關鍵性基礎工作，對工程設計、施工均有重要影響，由于勘察外業(yè)多、作業(yè)環(huán)境差、勞動用工素質參差不齊等特點，導致勘察過程安全管理難度較大，特別是作業(yè)環(huán)境復雜的航道工程水上勘察。因此，研究BIM和IoT技術在勘察工作中的應用無疑具有重要的現實意義和發(fā)展前景。

目前，IoT技術在勘察階段應用的研究成果還非常少，而BIM技術雖然在設計、施工階段應用比較廣泛，但在勘察中的應用也仍處于起步階段。賈海鵬[1]提出了建立地質、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]分析基于鉆孔數據的三維地質建模方法并進行了建模實踐；鄭豪等[3]分析了常用BIM軟件的優(yōu)勢領域，探討基于Civil 3D建立三維地質信息模型的流程；童鐘等[4]提出BIM與GIS融合方法，實現了大范圍工程BIM與GIS數據一體化展示、分析；徐肖峰等[5]借助離散光滑插值技術建立巖土層曲面，利用Dynamo處理后導入Revit平臺與設計模型整合，進行巖土工程量計算。

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

1 BIM與IoT的融合方法

1.1 思路

BIM技術的興起和快速發(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的直觀表達外，還有一個重要特點就是作為高效的信息載體，實現了三維模型與設計尺寸、技術參數、管理過程等工程信息的具象化關聯。IoT技術是通過信息傳感器、RFID(射頻識別)、BDS/GNSS(北斗/全球衛(wèi)星導航系統)等技術，實時采集并傳輸工程對象的幾何信息和非幾何信息，并對信息進行格式轉換和挖掘分析，實現對工程實體和建設過程的智能化感知、監(jiān)控和管理。

BIM技術與IoT技術各具優(yōu)勢，將兩者進行融合可以充分發(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、管理數據以及IoT設備采集的定位、視頻監(jiān)控等信息，并對信息進行格式轉換、數據挖掘和統計分析。

1.2 平臺架構

基于BIM+IoT技術的融合，結合航道工程勘察階段管理的業(yè)務需求，構建基于BIM+IoT的勘察管控平臺，依托平臺實現航道工程勘察作業(yè)安全管控。平臺技術架構見圖1。

圖1 平臺技術架構

1.2.1感知層

主要利用布置在現場的各類IoT設備，如水位傳感器、微型氣象站、監(jiān)控攝像頭、BDS/GNSS(北斗衛(wèi)星導航系統/以人造衛(wèi)星作為導航臺的星級無線電導航系統)定位設備等，采集工程數據，并通過4G/5G物聯網模塊、有線網絡、北斗短報文等方式傳輸至IoT設備廠商，平臺通過開發(fā)可配置的API接口，將數據實時推送到平臺MySQL數據庫。

1.2.2數據層

IoT設備采集的數據具有格式多樣、數據結構多、標準不統一等特點，按照系統需求，對采集的原始數據進行去冗余、格式轉換、篩選、重塑等操作，降低存儲空間占用，便于從海量的原始數據中抽取出有價值的信息，并推送至對應的主題數據庫中。主題數據庫按照數據倉庫的架構進行設計，面向業(yè)務主題進行數據組織與存儲，主要功能是聯機分析處理和數據共享，避免各應用系統為了進行數據交換而開發(fā)大量接口，簡捷地實現了應用系統的集成。

1.2.3應用層

應用層是系統平臺的主要組成部分，其核心是數據和應用。在進行數據管理、數據分析的基礎上，將數據與具體的應用相結合，基于業(yè)務需求對數據進行分析，形成統計圖表，并在一定程度上自動采取相關措施，為工程管理和決策人員提供應用服務。

1.2.4表現層

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品，如電腦、平板、手機、觸屏設備、船載終端等。

1.3 技術路線

目前，勘探鉆孔的坐標常保存在OvitalMap軟件生成的鉆孔坐標文件中，坐標文件中某鉆孔定位數據示例如下：

“

”

該鉆孔定位數據釋義見表1。

表1 鉆孔定位數據文件語句釋義

通過Dynamo編程實現Autodesk Revit軟件自動從坐標文件中提取全部鉆孔的經緯度坐標，并生成鉆孔BIM模型，整合高清衛(wèi)星影像和BIM模型，進而將整合后的BIM模型場景與IoT設備采集的工程數據在勘察管控平臺上進行融合集成，并依據勘察安全管理的業(yè)務需求，進行水上移動巡檢、安全資料管理、遠程安全管控等應用。技術路線見圖2。

圖2 技術路線

2 航道工程勘察安全管控應用

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的紙質形式記錄和上報，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，紙質的記錄方式不利于現場記錄和實時反饋。通過BIM+IoT勘察管控平臺的定制化開發(fā)，現場人員以平臺移動端APP填報的方式取代紙質記錄，提高了安全問題處理和信息共享的效率。此外，數據通過項目MBS(Model Breakdown Structure，模型分解結構)與BIM模型關聯并自動匯聚到平臺主題數據庫。

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)揮數據資源價值?；贐IM+IoT的勘察管控平臺很好地解決了這個問題。首先，通過平臺網頁端和移動端APP配合使用，實現了勘察階段安全管理數據錄入、處理、整編、存儲全過程的數字化，減輕了資料管理工作量。其次，通過建立建(構)筑物與虛擬的三維模型的映射關系，將安全管理數據集成到BIM模型上，提供了一種三維可視化的數據管理和檢索方式，有利于信息存儲、交換和共享。

2.3 遠程安全管控

根據規(guī)定，勘察企業(yè)負責人須定期赴現場進行安全檢查，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峻的時候。基于BIM+IoT的勘察管控平臺將現場視頻監(jiān)控、船舶定位等IoT設備采集的數據集成到三維模型場景中，從技術上解決了后方相關人員管控勘察現場作業(yè)安全的難題，并且通過分析感知層采集的數據，監(jiān)測環(huán)境的潛在隱患，提前預防、實時預警，降低外界條件突變對人的安全威脅。

3 工程應用實例

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雜的作業(yè)環(huán)境對項目安全生產帶來較大挑戰(zhàn)。通過應用BIM+IoT的勘察管控平臺，在水上移動巡檢、安全資料管理、遠程安全管控等方面滿足項目安全生產業(yè)務需求。

根據項目鉆孔坐標文件，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)星影像地圖進行整合，經輕量化處理后發(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

現場人員通過平臺APP記錄現場安全檢查情況(圖4)，數據實時上傳至后臺數據庫，相關部門和人員實時收到待辦事項提醒，適時采取恰當的處理措施，統籌人力、物力等資源投入，從而保證現場發(fā)現的安全隱患或問題得以在最短的時間內整改處理。填報、處理、復核全過程留痕，支持問題回溯，為事后處理提供支撐。此外，使用APP記錄時數據可關聯BIM模型并自動推送到相應的主題數據庫，從源頭上減輕了安全管理過程數據的管理難度，為下一步的安全資料管理奠定了基礎。

圖4 移動端APP記錄安全巡檢數據

3.3 安全資料管理

利用平臺主題數據庫在資料存儲、分類管理和信息共享上的優(yōu)勢，將項目安全管理資料，如安全生產管理規(guī)章制度、應急預案、通航安全保障方案、安全生產日志等，上傳至平臺，便于項目部、勘察企業(yè)、建設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)筑物的數據，則通過MBS與BIM模型相關聯，相關人員可以可視化的方式在三維模型場景中定位到關注的鉆孔模型，進而瀏覽BIM模型關聯的全部安全管理數據(圖6)。

圖5 安全資料主題數據庫

圖6 安全數據關聯BIM模型

3.4 遠程安全管控

3.4.1鉆探船舶定位監(jiān)管與預警

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

圖7 鉆探船舶定位監(jiān)管與預警

3.4.2現場遠程視頻監(jiān)控

項目在鉆探船舶上安裝有視頻監(jiān)控設備，視頻數據采用4G物聯網卡傳輸，通過開發(fā)數據接口，將視頻監(jiān)控數據推送到平臺數據庫，并在三維模型場景中將監(jiān)控設備與BIM模型相融合，項目相關人員可在三維場景中查看各鉆探船舶上安全設施、作業(yè)人員行為等是否滿足安全生產要求，彌補了勘察企業(yè)負責人只能通過現場檢查這一方式管控現場安全的不足，保證勘察現場作業(yè)安全得到有效管控(圖8)。

圖8 現場遠程視頻監(jiān)控

4 結語

1)對BIM和IoT技術在航道工程勘察安全管控方面的融合應用進行研究，構建了一種基于BIM+IoT的勘察管控平臺技術架構和技術實現路線，并在某航道工程勘察項目上應用驗證，通過將船舶BDS/GNSS定位數據和視頻監(jiān)控數據與BIM模型進行集成，滿足了勘察企業(yè)在勘察現場遠程安全管控方面的需求。

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