基于BIM+GIS+IoT技術(shù)的水利工程數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

梁愛萍，張發(fā)清，蔡運(yùn)忠，董良潑，胡 錦

(1.宿遷市宿城區(qū)水利工程建設(shè)服務(wù)中心，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇禹數(shù)信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210014；3.宿遷市宿城區(qū)皂河灌區(qū)管理所，江蘇 宿遷 223800；4.宿遷市宿城區(qū)雙莊水利站，江蘇 宿遷 223800；5.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

當(dāng)前，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和我國(guó)“十四五”規(guī)劃的實(shí)施，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為水利工程領(lǐng)域的重要趨勢(shì)。“十四五”規(guī)劃明確提出了加強(qiáng)數(shù)字化建設(shè)、推動(dòng)智能化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。在這一背景下，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興的數(shù)字化工具，正逐漸受到水利工程領(lǐng)域的關(guān)注。在水利工程建設(shè)和管理中，如何充分利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，提升效率、降低成本，并確保工程的安全推進(jìn)成為亟待解決的問題?；贐IM、GIS和IoT技術(shù)的水利工程數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，為解決這一問題提供了一種全新的解決思路。該系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)模擬和監(jiān)測(cè)工地建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提供全方位的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的數(shù)字化、智能化管理。

1 BIM、GIS及IoT技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

1.1 BIM技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

建筑信息建模(BIM)技術(shù)在水利工程中有著廣泛的應(yīng)用，BIM技術(shù)能夠?yàn)樗こ烫峁┤轿坏捻?xiàng)目信息管理和協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程建設(shè)全生命周期的數(shù)字化管理。通過將施工過程與BIM模型相結(jié)合，可以進(jìn)行施工模擬和進(jìn)度管理，實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化，從而提高施工效率。將工程運(yùn)維信息與BIM模型相關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理，為運(yùn)維人員提供設(shè)備維護(hù)記錄、操作手冊(cè)、檢修指導(dǎo)等信息。同時(shí)，BIM模型還能夠協(xié)助進(jìn)行設(shè)備的定期檢查和維修計(jì)劃的制定。

1.2 GIS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

水利工程涉及大量的地理信息數(shù)據(jù)，包括地形、水文、水質(zhì)等方面的數(shù)據(jù)，地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)可以用于對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、管理和更新。通過建立水利工程的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程信息的統(tǒng)一管理和快速查詢?；贕IS技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程的地理信息進(jìn)行集成、分析和可視化展示，從而提高水利工程建設(shè)管理的效率和精確性。

1.3 IoT技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程設(shè)備、結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過在重點(diǎn)區(qū)域部署各類傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和獲取水資源的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過IoT技術(shù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)相連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以為水利工程施工及運(yùn)維階段提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，幫助工程管理人員及時(shí)掌握工地狀況。

1.4 BIM+GIS+IoT技術(shù)的融合與應(yīng)用

BIM+GIS+IoT技術(shù)的融合使得工程相關(guān)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行集成與共享。BIM技術(shù)以建筑信息模型為基礎(chǔ)，包含了水利工程的幾何、屬性和關(guān)系數(shù)據(jù)；GIS技術(shù)則負(fù)責(zé)處理和分析地理信息數(shù)據(jù)，包括地形、水資源、土壤等信息；IoT技術(shù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過整合這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)水利工程信息的一體化管理，為數(shù)字化應(yīng)用提供全面的數(shù)據(jù)支持。

在水利工程的施工階段，依托BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)施工過程的模擬和可視化，幫助監(jiān)測(cè)工程進(jìn)度和質(zhì)量。結(jié)合GIS技術(shù)的分析功能，可進(jìn)行工地的地理空間分析，為施工決策提供支持。IoT技術(shù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工地設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)的施工監(jiān)測(cè)和安全管理，提高工程施工的效率和安全性。

2 數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)組織分為用戶層、業(yè)務(wù)層、功能層和數(shù)字孿生平臺(tái)。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)技術(shù)，根據(jù)通用性和穩(wěn)定性進(jìn)行分層，同一層次按照功能或應(yīng)用劃分模塊，以上層用戶需求為指導(dǎo)，逐層設(shè)計(jì)，逐步細(xì)化平臺(tái)組件的功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶層：面向主管部門、監(jiān)管部門、監(jiān)理單位和施工單位，以實(shí)際功能和業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以可視化模型、數(shù)字模擬仿真引擎以及三維仿真引擎為基礎(chǔ)，為使用者提供了工作環(huán)境和操作界面。

業(yè)務(wù)層：對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解析、清洗和預(yù)處理。通過調(diào)用開放的API接口，為設(shè)備管理和上層應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)針對(duì)各類業(yè)務(wù)和功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能生成各類報(bào)表。

功能層：通過數(shù)字孿生平臺(tái)搜集各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)處理、分析、調(diào)用，提供包含但不限于綜合信息查詢、工程進(jìn)度管控、監(jiān)測(cè)監(jiān)控總覽、項(xiàng)目資金管理、工地人員管理、工程質(zhì)量管理、場(chǎng)地設(shè)備管理以及施工安全管理等多個(gè)施工環(huán)節(jié)的管理應(yīng)用，進(jìn)一步提升實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)項(xiàng)目人員中對(duì)項(xiàng)目全生命周期中生產(chǎn)活動(dòng)的管控能力。

數(shù)字孿生平臺(tái)：通過構(gòu)建基礎(chǔ)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源池，搜集GIS、BIM模型、傾斜攝影、基礎(chǔ)設(shè)施、監(jiān)測(cè)管理、應(yīng)用業(yè)務(wù)、多媒體等多元化數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS引擎、BIM引擎以及三維仿真引擎，生成可視化模型、分析模型以及數(shù)字模擬仿真模型。一方面為數(shù)據(jù)處理和分析模塊提供海量數(shù)據(jù)源，另一方面為上層應(yīng)用提供各類可視化信息和數(shù)據(jù)模型支撐。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)需要構(gòu)建L3級(jí)數(shù)據(jù)底板，同時(shí)涵蓋水利對(duì)象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)等。針對(duì)氣象、水情、視頻等外部數(shù)據(jù)，依照江蘇省水利廳要求的數(shù)據(jù)目錄格式，構(gòu)建建設(shè)工程數(shù)據(jù)資源共享目錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)工程基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享交換。

工程概況及運(yùn)維相關(guān)數(shù)據(jù)采用多種獲取方式，通過數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接、API接口以及數(shù)據(jù)填報(bào)等方式采集。通過使用數(shù)據(jù)采集中間件，借助各類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)建設(shè)工程相關(guān)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合并統(tǒng)一存儲(chǔ)于融合數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用數(shù)據(jù)清洗引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)治理。將原本離散、低價(jià)值密度、低質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，加載到中間數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，再面向業(yè)務(wù)應(yīng)用建立主題數(shù)據(jù)庫(kù)，為應(yīng)用提供集中的、高價(jià)值密度、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理過程

2.3 數(shù)字孿生平臺(tái)搭建

2.3.1 數(shù)字孿生引擎

數(shù)字孿生引擎支持GIS數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、傾斜攝影、地質(zhì)數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)專題數(shù)據(jù)等多種格式數(shù)據(jù)接，并且具有較好的渲染效果，還原真實(shí)物理世界。在接入BIM模型時(shí)，保留完整幾何、材質(zhì)和屬性信息，及構(gòu)件原始顆粒度，并且保留構(gòu)件的ID和屬性信息，方便用戶可以通過點(diǎn)選操作查詢BIM屬性。同時(shí)，引擎提供開放的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)接口，通過API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)的定義，以及對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的屬性編輯和幾何編輯功能。

2.3.2 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板是智慧水利的關(guān)鍵基礎(chǔ)，通過完善時(shí)空多尺度數(shù)據(jù)映射和功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)水利工程全要素的數(shù)字化映射。L2級(jí)數(shù)據(jù)底板包括高分辨率DOM、高精度DEM/DSM、傾斜攝影影像等數(shù)據(jù)，主要用于項(xiàng)目重點(diǎn)區(qū)域的精細(xì)化建模；L3級(jí)數(shù)據(jù)底板除GIS數(shù)據(jù)外，還包括BIM等數(shù)據(jù)，用于主要建筑物工程的建設(shè)。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中的要求搭建不同等級(jí)的數(shù)據(jù)底板，并建立數(shù)據(jù)安全保障機(jī)制，為項(xiàng)目的數(shù)字化建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 可視化展示

以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，基于數(shù)字化技術(shù)和可視化組件建立模擬仿真引擎，通過搭建數(shù)字孿生可視化場(chǎng)景，以滿足平臺(tái)的可視化需求。以三維的方式立體呈現(xiàn)工程的結(jié)構(gòu)、外形、設(shè)備設(shè)施以及周邊環(huán)境。結(jié)合IoT技術(shù)，對(duì)工程的基礎(chǔ)信息、感知信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工程運(yùn)行管理信息以及其他相關(guān)信息進(jìn)行展示，為工程展示提供了全面的信息視角。

2.5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.5.1 監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理

本項(xiàng)目采用無人機(jī)定期對(duì)工地進(jìn)行航拍，并將航拍圖像上傳到系統(tǒng)中，搭建項(xiàng)目建設(shè)過程影像資料庫(kù)，準(zhǔn)確記錄并保存工程建設(shè)每個(gè)階段的影像數(shù)據(jù)。此外，可以調(diào)取工程相關(guān)的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工地施工情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握?；谟跋褓Y料庫(kù)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠全面掌控工程的實(shí)際進(jìn)展情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保工程的順利進(jìn)行。

2.5.2 人員設(shè)備管理

為了更直觀地了解各標(biāo)段的人員出勤情況，系統(tǒng)以圖表形式對(duì)參建單位的各類人員出勤數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并按照工種分類展示重要參建人員的本月和上月的出勤情況，有效監(jiān)控和管理項(xiàng)目人員的工作情況。通過系統(tǒng)還可查詢各標(biāo)段設(shè)備的配備情況、主要設(shè)備和特種設(shè)備的使用情況，確保施工過程中設(shè)備的正常運(yùn)行，并及時(shí)進(jìn)行維修和更換，以保證工程的順利進(jìn)行。

為保障施工人員的安全，配備智能安全帽。通過建設(shè)管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)查看人員當(dāng)前所處的區(qū)域，并記錄歷史巡查路線。同時(shí)，可以調(diào)取相關(guān)影像資料，查看人員作業(yè)情況及施工現(xiàn)場(chǎng)情況，在事故發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

2.5.3 項(xiàng)目資金管理

通過調(diào)取水利中臺(tái)數(shù)據(jù)，獲取資金下達(dá)、工程款支付、安全文明措施費(fèi)以及農(nóng)民工工資等信息，并以圖表的形式在系統(tǒng)中進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，方便查詢項(xiàng)目資金的使用情況。通過資金的可視化展示，可以清楚地了解項(xiàng)目資金的流向和使用情況，為項(xiàng)目管理和決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.5.4 工程進(jìn)度管理

工程進(jìn)度管理分工程總覽、詳細(xì)進(jìn)度和大事記3個(gè)模塊。在工程總覽中可以查看項(xiàng)目的進(jìn)展情況。工程詳細(xì)進(jìn)度以橫道圖的形式展示，直觀地對(duì)比工程計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度之間的差距。依據(jù)施工組織計(jì)劃對(duì)BIM模型進(jìn)行構(gòu)件分組，并以樹狀結(jié)構(gòu)展示各個(gè)BIM模型構(gòu)件，按照項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)的時(shí)間軸，進(jìn)行計(jì)劃進(jìn)度的模擬和實(shí)際進(jìn)度的演示，讓管理人員直觀地感受整個(gè)項(xiàng)目的模擬建造過程，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正不合理的計(jì)劃進(jìn)度。通過施工模擬過程，可以提前進(jìn)行施工材料、機(jī)械、人力和場(chǎng)地的準(zhǔn)備工作，精確控制施工組織安排，確保工程的順利展開。工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和階段性進(jìn)展以大事記的形式進(jìn)行記錄，方便管理人員和相關(guān)方了解工程的重要里程碑和進(jìn)展情況，便于后期的查看和驗(yàn)收。工程進(jìn)度管理功能如圖3所示。

圖3 工程進(jìn)度管理

2.5.5 質(zhì)量安全管理

在工作人員巡查作業(yè)時(shí)，可以通過巡查APP及時(shí)記錄和匯總項(xiàng)目的質(zhì)量情況，包括質(zhì)量缺陷、整改情況等；發(fā)現(xiàn)安全隱患時(shí)也能夠記錄和管理項(xiàng)目中存在的危險(xiǎn)源，如高空作業(yè)、電氣設(shè)備等。將質(zhì)量、安全和風(fēng)險(xiǎn)源與BIM模型綁定，可以直觀地了解工程的質(zhì)量和安全狀況，及時(shí)采取必要的措施進(jìn)行整改和管理。同時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)底板，對(duì)質(zhì)量、安全等數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控。在建設(shè)管理系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)查看和分析項(xiàng)目的質(zhì)量和安全數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和報(bào)表生成，幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。也可查詢各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的位置、詳細(xì)描述以及施工時(shí)需要注意的事項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)的質(zhì)量和安全管理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與效果評(píng)估

3.1 實(shí)際案例應(yīng)用介紹

洪澤湖周邊滯洪區(qū)是淮河流域防洪工程體系的重要組成部分，涉及宿遷、淮安兩市的6個(gè)縣區(qū)，屬于國(guó)家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程和國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)的150項(xiàng)重大水利工程之一。主要建設(shè)內(nèi)容包括迎湖擋洪堤加固、堤后填塘固基、堤防防滲處理、堤防迎水坡護(hù)砌、護(hù)腳以及新建堤頂防汛道路、跨河橋梁、進(jìn)退洪口門、排澇泵站等。工程覆蓋區(qū)域廣并涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，為解決項(xiàng)目體量大，涉及專業(yè)多，協(xié)調(diào)難度大等問題，該工程開展數(shù)字孿生工地建設(shè)以實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的信息化、智能化和精細(xì)化管理。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 工程管理可視化

數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)為項(xiàng)目管理提供了直觀的可視化界面，如圖4所示。通過工地各個(gè)區(qū)域安裝監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工地現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合數(shù)據(jù)底板和可視化界面，工程管理人員可遠(yuǎn)程查看工地的實(shí)時(shí)視頻，全面了解施工現(xiàn)場(chǎng)的情況。項(xiàng)目資金并以圖表或儀表盤的形式展示給管理人員，方便管理人員直觀地了解項(xiàng)目的資金使用情況。同時(shí)，通過對(duì)BIM模型進(jìn)行分組，并與施工進(jìn)度進(jìn)行綁定，系統(tǒng)以三維形式模擬施工過程。系統(tǒng)還與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和巡查APP數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，獲取項(xiàng)目質(zhì)量安全信息，結(jié)合數(shù)據(jù)底板在模型對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行指示，并以表單形式詳細(xì)列出具體內(nèi)容。

圖4 系統(tǒng)功能頁(yè)面

3.2.2 智能感知

充分利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感、定位、視頻、遙感等技術(shù)，構(gòu)建立體感知體系。通過定期利用無人機(jī)對(duì)工地進(jìn)行無死角航拍，能夠全面、快速地了解項(xiàng)目安全、質(zhì)量和進(jìn)度情況。結(jié)合監(jiān)控智能識(shí)別技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人眼無法察覺的安全隱患，從而降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。施工人員配備智能安全帽，基于GPS定位技術(shù)，可在系統(tǒng)中查看施工人員的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、歷史影像資料及各個(gè)工種的分布情況等信息，以確保關(guān)鍵人員到崗。此外，基于安全監(jiān)控信息構(gòu)建動(dòng)態(tài)電子圍欄，在施工人員作業(yè)、巡查時(shí)發(fā)出安全預(yù)警，保障工人安全。電子圍欄安全預(yù)警如圖5所示。

圖5 電子圍欄安全預(yù)警

4 結(jié)語

通過將BIM、GIS和IoT技術(shù)融合應(yīng)用于水利工程數(shù)字孿生工地建設(shè)管理系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享，為工程管理提供全面的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)中的用戶層、業(yè)務(wù)層、功能層和數(shù)字孿生平臺(tái)能夠兼顧不同用戶的需求，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的數(shù)字化、智能化管理。引入智能感知技術(shù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)工地安全隱患，保障人員安全。該系統(tǒng)在水利工程上的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)工程信息的一體化管理，有效提升水利工程的建設(shè)管理水平。然而，在大型項(xiàng)目中工程數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)處理具有一定難度。因此，該系統(tǒng)需要不斷優(yōu)化和提升，以適應(yīng)不同項(xiàng)目的需求。