摘要:针对长大引水工程采用传统模式运行管理过程中存在的运行效率低、维护工作量大、信息异构分散、无法实时监控运行过程和快速反馈实时信息等问题,本文提出滇中引水工程可采用BIM+GIS集成、物联网等技术手段,基于ThinkPHP开源框架,利用基于m3dgis平台的Cesium,开发基于BIM+GIS的运行管理系统。该系统可通过BIM+GIS构建大场景空间三维可视化交互环境,为滇中引水工程运行控制提供可视化信息共享和协同管理平台,满足工程运行管理要求,便于运行管理中的科学调度。
关键词:滇中引水;BIM;GIS;运行管理;系统开发
引言
滇中引水工程为国务院172项重大节水供水项目的标志性工程,工程以有效缓解滇中地区丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河6州市35个县区城镇生活和工业供水短缺为主要目标,兼顾生态补水和农业灌溉用水。工程具有六项之最、十大工程难题、运行管理工作量大等特点。按照信息共享、业务协同、智能化服务的理念,基于“智慧滇中”运行管理平台的需求,物联网、云服务、智能化等技术都将应用于平台设计。李献忠等[1]利用BIM与GIS融合设计开发出了引水工程运行调度信息管理平台,可作为滇中水工程调度管理设计和实践提供指导。
一、滇中引水工程运行调度管理模式
滇中引水工程运行管理的总目标是以保证所有建筑物和设备正常运行为前提,尽可能地提高运行管理效率。
1.1传统运管模式短板
相对而言,传统的运行管理模式有如下短板:(1)运维工作量大。在传统模式下,引水工程线路长,管理对象多,造成了维护工作量大。(2)管理信息是分布和异构的。运营管理过程中需多个信息系统的协同工作,也存在很多人工监控、检测、检验等纸质文件[2],因此信息是异构且分散的。(3)时空特征复杂。滇中引水工程具有显著的时空关系。工程的结构病害往往与施工和运营时期的信息有关。在传统模式下,信息没有与异形空间相结合,给决策带来不便。(4)决策方式相对落后。目前,在决策方面,主要是通过管理人员对当地数据进行统计分析,结合经验进行决策。由于缺乏对监测数据的实时整合和分析,存在无法及时发现的隐患,造成决策的局限。
1.2基于BIM+GIS的可视化管理模式
基于BIM+GIS的可视化管理,可以将滇中引水工程的多个管理对象与地理空间信息相结合,依托智能化监测数据分析方法,实现预警信息的可视化显示,实现问题的快速准确定位,及时告知运行管理人员、管理人员可以根据项目的实时安全状态信息进行分析和决策,弥补传统模式的不足,提高运营管理水平[1]。
二、实现系统的三项关键技术
2.1基于Revit建立三维模型
采用BIM主流软件Revit建立三维参数化模型。主要步骤如下:(1)根据滇中引水工程的建筑类型,将工程划分为隧洞、渡槽、倒虹吸、明渠、暗涵等建筑类型;(2)将不同类型的建筑物按基本组成分解为构件;(3)分析各组成部分的特征参数和建模顺序;(4)根据各构件的建模顺序和特征参数,利用Revit提供的族模板文件,建立对应构件的实体模型,并针对不同的建筑物建立相应的体量族。通过以上步骤,可以逐步建立滇中引水工程BIM模型构件族库。在建模过程中,读取构件族库中的相应构件,调整族参数,改变族的外部尺寸,逐步装配相应的模型。
2.2模型信息集成
以建筑构件为单元集成模型信息。通过添加参数,将模型的基本信息(如几何图形和特性)集成到零部件特性中。在创建构件族时,将几何参数信息与模型绑定,并将结构尺寸等几何参数信息集成到三维模型中。通过实例参数和类型参数,可以将材料等信息添加到模型中[3]。本文采用实体构件作为信息集成的基本单元。
2.3 BIM+GIS数据集成与可视化
2.3.1 BIM与GIS信息集成
模型的初始格式是IFC,Cesium平台无法直接读取。因此,将IFC转换为gltf格式和XML格式,gltf存储模型构件信息,XML存储模型属性信息,完成BIM与GIS数据的集成。
2.3.2 WebGIS可视化展示
随着WebGL的发展,GIS技术也在不断地扩展和发展。Cesium是一套基于WebGL的3DGIS开源框架,具有封装性好、渲染速度快等优点。Cesium体系结构分为核心层、渲染层、场景层和动态场景层。核心层作为体系结构的底层,封装了矩阵向量计算和坐标变换等算法[4]。调用核心层实现模型坐标的转换。渲染层是对WebGL底层的抽象和封装。渲染过程主要包括切片着色、顶点缓冲、纹理图形绘制等,场景层在核心层和渲染层的基础上,实现了地形数据的异步加载、地图切换、模型加载和视窗控制。动态场景层主要用于对czml格式的矢量数据进行处理和分析,生成动态对象。
2.3.3基于模型的交互方法模型交互
交互功能主要基于Cesium平台的鼠标点击事件实现。实现步骤如下:(1)创建screen space event handler接口,用于监听鼠标事件并绑定左键单击事件;(2)点击选中的模型实体组件,获取名称属性唯一标识符GUI,然后通过Ajax异步传输到后台,执行SQL语句,完成相关业务数据的检索和关联;(3)通过将模型组件的唯一标识符GUI与初始化场景中加载到内存中的XML文件中的ID进行匹配,获得与组件相关的IFC属性信息;(4)基于JavaScript脚本、Echart等图表在前台页面显示相关业务流程数据[5]。
三、系统应用范围
3.1创建BIM+GIS三维场景
本文使用的GIS数据来自地理空间数据云平台,通过GeoServer发布。系统采用Revit2016进行三维参数化建模,将模型转换为gltf和XML格式,通过web map service imagery provider和实体接口加载地形服务和BIM模型,完成三维场景的创建。
3.2运行维护管理
根据日常维护任务,运行管理人员可以制定维护计划,增加检查记录,处理隐患,系统可以对紧急预警做出应急响应,包括应急预案启动、物资人员调度、应急报告等,同时功能业务信息和BIM模型关联并显示在可视页面上。
3.3运行调度管理
根据各州市上报的年需水量和总流量计划,分析各渠道的调水能力。如果不能满足流量要求,则应调整计划。根据新的调水方案进行水量分配,调用水力模型Python脚本生成调度指令。调度员可以根据指令远程操作闸门[6]的开度和水源泵站机组运行参数。
结语
阐述了滇中引水工程运行管理集成平台基于BIM+GIS的关键技术,工程运行管理过程信息的集成和可视化实现的技术路线。基于BIM+GIS的运行管理平台为运行管理人员提供了一个全面协调的管控一体化平台,可为提高了滇中引水工程运营期管理水平提供参考。
参考文献:
[1]李献忠,张社荣,王超,朱国金.基于BIM+GIS的长距离引调水工程运行管理集成平台设计与实现[J].水电能源科学,2020,38(09):91-95.
[2]丁维馨,徐俊,张李荪,刘杨.GIS+BIM水利工程信息管理系统的应用研究[J].水利规划与设计,2020(09):85-91+155.
[3]石硕,倪苇.基于BIM+GIS技术的铁路工程管理系统研发与应用[J].铁路技术创新,2020(04):30-34.
作者简介:
裴洋洋,工程师,云南省滇中引水工程有限公司高级主管。