基于流域基础数据模型的水电项目数字化管理

吴世勇，杜成波,2+，申满斌，朱华林

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072)

0 引 言

水电工程现场施工期管理信息具有海量多源、多专业、多类型、动态更新以及向运行期传递等特点。采用数字化手段进行流域水电工程项目全过程海量、动态信息的集中与跟踪管理对于工程全寿期管理具有重要意义。目前，已有研究[1,2]主要是针对如何进行水电工程项目的信息化管理，并未对如何进行涵盖流域多工程项目的全业务信息的三维可视化集成和表达展现进行深入研究，本文从流域多水电项目信息的最终三维集成展现和传递出发，提出一套基于流域基础数据模型的水电项目数字化管理方法。首先建立以流域实体管理对象为核心的流域基础数据模型，在此基础上运用信息管理技术和三维GIS可视化仿真技术实现流域水电工程项目全业务、全过程信息的三维可视化集成管理、动态仿真与分析决策，以及向运行期传递。

1 流域基础数据模型

水电工程项目具有工期长、多业务主体、多管理目标等特点，水电工程项目管理过程中产生的海量多源、多专业、多类型信息也会随着工程建设的推进而动态更新。对于项目管理者来说，一个统一的项目信息集成数字化管理平台能够帮助管理者在三维可视化场景中及时、全面地了解和掌控工程建设的动态施工面貌和动态业务信息，对于控制工程进度、质量和投资具有重要意义，而构建以各类业务信息的可视化承载对象为核心的流域基础数据模型是建设统一的项目信息集成数字化管理平台的前提。流域基础数据模型能够为流域各水电工程项目三维可视化统一管理平台提供平台中需要二三维展示的流域各类实体对象及其层级结构关系，这些流域实体管理对象是在平台中进行信息展示的载体。

流域基础数据模型内容主要包括流域各实体管理对象的范围与分类，层次结构关系，全寿期信息的表达，编码规则等。

1.1 流域实体管理对象范围与分类

从流域水电工程建设项目全业务全过程信息集成管理及信息向运行期传递的需求分析出发，流域实体管理对象既包含流域各水电工程建设项目的工程WBS分解结构[3]，又包含环境保护与水土保持等专题管理对象，以及水电站运行生产管理的KKS编码体系[4]：

(1)流域，河段、子河段(水库)、电站。

(2)生产运营管理相关流域实体管理对象：①建构筑物位置标识；②机电系统/设备/部件等；③运行期监测系统仪器；④资源类管理对象：生产物资、应急物资、应急队伍；⑤资源所在区域位置：仓库、营地。

(3)工程管理相关流域实体管理对象：①工程WBS：单位工程、分部工程、单元工程等；②工程安全管理相关对象：重大危险源、重点防护对象等；③施工期监测系统仪器；④资源类管理对象：施工物资、施工设备、应急物资、应急队伍；⑤资源所在区域位置：仓库、营地、施工现场等。

(4)专题管理相关流域实体管理对象：

环保水保：环境监测点、环保水保设施等。

1.2 流域实体管理对象层级结构设计

根据流域基础数据模型中流域实体管理对象的范围与分类，其层级结构可以从GBS(geography breakdown structure)，PBS(plant breakdown structure)，ABS(administrative division breakdown structure)几个维度分别进行层级划分，即从地理空间的角度和物理实体逻辑位置关系或者构成关系的角度、行政管理区划的角度进行层级分解，如图1所示。

图1 流域实体管理对象层级结构

其中，GBS部分主要包括流域上、中、下游各个河段中的流域监测点位、水工建构筑物位置、资源所在区域位置；

PBS部分主要包括流域上、中、下游各个电站中枢纽区的工程建筑类实体、工程安全管理类实体、监测设备类实体、资源类实体、机电设备类实体、环保水保设施类实体等。

ABS部分主要包括流域水电工程项目周边范围内的县、乡(镇)、村等行政区划。

1.3 全寿期信息表达

流域基础数据模型中的所有实体管理对象都是进行唯一标识管理，其中一部分管理对象在水电工程项目建设至运行维护全寿期过程可以进行演化。

对于水电工程项目来说，上述典型案例主要有以下几个方面：

(1)工程项目建设期工程建筑类实体对象(主要指单位工程、分部工程、单元工程等WBS分解结构中的土建部分)，进入运行维护期，则演变为电站水工建构筑物位置管理对象(主要指运行期电站KKS编码中对应的建构筑物位置标识对象)。

(2)工程项目建设期机电设备类实体对象(主要指单位工程、分部工程、单元工程等WBS分解结构中的机电设备安装部分)，进入运行维护期，则演变为电站机电设备类管理对象(主要指运行期电站KKS编码中对应的系统、设备、部件对象)。

(3)工程项目建设期监测设备类实体对象中一些永久监测设备，进入运行维护期，则演变为电站运行期监测设备类实体对象。

通过建立建设期和运行期演化前后对应的流域实体管理对象之间的关联关系，实现后者对前者信息的追溯，从而实现建设期信息向运行期的过渡。

1.4 流域实体管理对象编码规则

目前，工程项目WBS以及电站KKS等编码体系在工程施工期和运行期管理信息系统中已广泛使用[5,6]，然而已有的编码体系尚不具备满足全寿期信息管理及关联的条件。综合考虑上述问题，流域实体管理对象编码规则须充分考虑已有编码体系在各源应用系统的使用，尽量保持与原编码体系的兼容性，在原编码体系的基础上进行补充，形成满足全流域全层级全寿期管理需要的流域对象编码规范。

(1)对于尚未有规范的系统编码规则的对象：

流域实体管理对象的编码规则为：前缀+类别码+流水码(数字流水码)。

(2)对于已有明确规范的系统编码规则的对象，如工程项目WBS以及电站KKS等编码对象：

流域实体管理对象的编码规则为：前缀+类别码+实例码(如WBS编码或KKS编码)。

上述两种情况中，前缀为父级对象实例编码，类别码为上级类别码+本级类别补充码，如属于流域监测点位下的环境空气监测站，则其类别码为RRBM-AR。

部分流域实体管理对象编码示例见表1。

2 水电项目全业务数字化管理

2.1 三维可视化静态仿真场景平台的搭建

实现水电项目三维数字化管理的基础，是先搭建起一个能够可视化表达流域水电项目实体管理对象的统一的仿真场景环境，进而以这些流域实体管理对象为核心进行信息的集成管理和查询展现。

针对流域水电项目统一仿真场景平台的搭建，需要采用三维GIS和BIM融合技术，该技术主要包括BIM到三维GIS集成转换技术和BIM与三维GIS地形精确匹配技术。首先基于一个高性能的三维GIS平台，将通过卫星遥感和航测获取的DOM和DEM数据导入至三维GIS平台中；由于三维辅助设计软件构建的BIM数据不满足直接导入三维GIS的要求，需要利用BIM到三维GIS集成转换技术，即将BIM转换成3ds等中间格式模型，然后再导入至三维GIS中。导入到三维GIS中的BIM，由于模型精度的问题一般不能很好地与地形精确匹配，故采用BIM与三维GIS地形精确匹配技术，即利用BIM模型中构建的开挖边坡、开挖建基面的覆盖范围对DOM和DEM进行切割、替换，对开挖边坡/建基面和切割后剩余外围DOM、DEM之间的缝隙进行三角网插值缝补，以此实现三维GIS地形和BIM的无缝融合。

表1 流域实体管理对象编码规则示例

为提高平台仿真展示效率，采用对象多级加载展现技术，即对于流域大范围漫游浏览时的仿真表达，各个电站工程采用图标的形式；对于指定工程枢纽区范围漫游浏览，只需加载展示枢纽区边坡、建筑物，无需加载展示支护、机电、金结等细部结构。

根据可视化表达形式的不同，流域管理对象的表达方式可以有三维模型，点、线、面等。具体的，对于工程WBS、施工设备等，采用三维模型进行表达展示；对于监测仪器、监测点位、危险源、安全防护对象等，可采用三维模型或点图标标绘进行展示；对于资源存储区域、环保水保设施等，可采用三维模型或面图标标绘进行展示；对于三维场景中的道路，可采用带宽度的三维线图标进行标绘展示。

2.2 三维可视化动态仿真的实现

水电工程项目管理由于工程施工进度的演进，是一个动态变化的过程，因此需要在统一的仿真场景平台中实现对水电工程施工进度面貌的可视化动态仿真，以实现对当前工程施工面貌的表达和对过往工程施工面貌的追溯。

水电工程项目实际施工进度一般以月为一个单元进行管理，故水电工程项目施工进度三维可视化动态仿真技术的实现，可以建立表达每月月底施工进度面貌的各个版本的三维模型，通过建立各版本三维模型与以月份为最小刻度的时间进度条的关联关系，利用时间驱动模型的更换即可实现工程施工进度面貌随时间动态仿真模拟。此外，采用同样的思路建立表达工程每月计划施工进度的各版本三维模型，还可实现工程实际施工进度面貌和计划施工进度的双窗口同视角对比仿真展现，能够直观分析出实际/计划施工进度的差异。

2.3 水电项目数字化管理方法

水电工程项目全业务全过程数字化管理的内容可以归结为工程图纸与文档管理、施工质量监控及预警、进度仿真及计划管理、计量及投资控制、施工安全应急管理、施工物资设备跟踪管理、环境保护与水土保持管理等几大方面。

具体的，以工程项目WBS分解结构为基础按照工程项目->建设阶段->文档类型->工程项目WBS或工程项目->工程项目WBS构建工程图纸与文档管理结构树，通过在结构树节点上添加各种类型的文档，可实现文档与工程项目WBS的自动关联，进而通过文档管理结构树与模型进行“图-文”双向关联。

以各合同标段下的单元工程为信息载体对其施工质量验评台账所包含结构化信息进行集成管理。并且，基于工程实体管理对象之间的层级关系，可以实现各个合同标段/单位工程/分部工程等的累计/月度单元工程验评合格率、优良率等信息的统计分析和预警。

根据现场采集的计划施工进度信息构建计划施工进度月度版本模型，并根据施工过程中采集的实际施工进度信息，进行计划进度模型的更新以构建表达实际进度的月度版本模型，通过实际/计划施工进度对比动态仿真，实现项目进展情况分析，包括项目进展与计划目标的对比。

以各合同标段下的WBS分解结构为信息载体对各单元工程中间计量签证单信息进行查询和管理；以合同标段为基础进行各期清单工程量、各期投资的查询和管理；以一级合同清单项为基础进行各期投资的查询和管理，此外通过建立一级合同清单项与工程项目WBS的对应关系，可以查询工程主要部位产生的投资金额。

以水电工程项目工程安全管理类实体为信息载体实现枢纽区重大危险源、重点防护对象信息的分类查询等分析功能；以监测设备类实体为信息载体实现水电工程各部位位移、渗流、温度、应力、应变等各类监测仪器信息及监测数据的查询和集成管理；以资源所在区域位置(营地、仓库)为信息载体进行枢纽区应急队伍、各类应急物资信息的集成管理；以资源所在区域位置(仓库、施工现场)以及资源类实体(施工物资、施工设备)为信息载体进行枢纽区施工物资出入库、库存信息，施工设备型号/规格、进场时间、出场时间等信息的集成跟踪管理。

以水电工程项目各类环境质量监测点位为信息载体进行水、气、声等监测信息的集成管理；以水土保持监测点位为信息载体进行各监测点位水土流失强度，水土流失量及变化情况，林草措施的成活率、保存率等信息的集成管理；以陆生生态调查站点为信息载体进行各调查区域动植物种类及分布、植被覆盖率等信息的集成管理；以水生生态调查站点为信息载体进行各调查河段位置处水生生物的种类、分布密度、生物量，鱼类的种类组成、种群结构、资源量的时空分布及累积变化效应等信息的集成管理；以水电工程项目环保水保设施类实体为信息载体进行施工期生产废水、生活污水等地表水环境保护设施，地下水影响减缓设施，鱼类增殖站、集运鱼系统等鱼类保护设施，声屏障等声环境保护设施的设施设计信息和实施进度信息的集成跟踪管理。

综上所述，在三维可视化仿真平台中基于流域实体管理对象的层级关系，运用“图-文”双向查询技术可通过对实体管理对象进行点选，查询该对象及其子层级对象的集成信息，也可通过任意集成信息反向查询显示关联该信息的所有实体对象所在位置；运用GIS空间统计分析技术，对实体对象的地理坐标与区域边界坐标进行判断，可以对区域范围内包含对象所关联的集成信息进行统计分析，以供管理人员决策。

2.4 流域水电项目数据模型

依据上述水电工程项目数字化管理应用需求，建立流域水电项目数据模型应包括两部分工作内容，一是构建能够为三维可视化信息集成展示平台提供展示对象(即流域实体管理对象)的流域基础数据模型，二是在流域基础数据模型的基础上，能够扩展到水电工程项目全业务数据管理范围的流域水电项目数据模型[7]，从而满足以流域实体管理对象为核心进行信息集成和为数字化管理平台展示对象提供数据的需要。流域水电项目数据模型的层次结构如图2所示，其层次上共分为3层：第一层：流域基础数据模型层级结构；第二层：现有管理对象结构；第三层：各业务主题数据。在流域水电项目数据模型的整体框架中，流域基础数据模型是其核心，现有常用管理对象是纽带，连接核心对象与业务数据信息。流域水电项目数据模型框架层次扩展路径为：流域基础数据模型->现有常用管理对象结构->各业务主题数据。

图2 流域水电项目数据模型层次结构

3 典型工程示范应用

以某在建心墙堆石坝工程项目为例进行上述理论和方法的应用。该心墙堆石坝工程项目主体工程包括大坝工程施工、泄水系统工程施工、引水发电系统工程施工等三大主体工程标段。

为实现流域水电工程项目海量、全业务信息的全过程、数字化、可视化管理，在上述研究的基础上建立了水电项目数字化管理的实施框架(如图3所示)，用于指导水电项目数字化平台建设。水电项目数字化管理体系结构由数据源层、数据管理层和可视化展示层组成。其中，数据源层包含了空间地理信息数据、三维模型数据以及结构化、非结构化数据等各类需要采集的数据；数据管理层是以流域水电项目数据模型为核心建立的企业级数据中心[8]，用于以流域实体管理对象为核心将多源异构数据进行汇集、组织并向流域水电工程项目数字化平台供数；可视化展示层是融合3D-GIS和BIM技术、实现三维可视化信息集成的流域水电工程项目数字化平台[9-11]。流域水电工程项目数字化平台是在企业级数据中心对空间地理信息数据、三维模型数据及其关联信息组织管理的基础上，采用超图地理信息系统平台(SuperMap GIS)首先集成空间地理信息数据和三维模型数据，进而通过二次开发实现平台中各类实体管理对象及其关联信息的“图-文”双向查询和三维可视化仿真、展现，以此实现在一个统一平台下的流域管理对象及其承载信息的无缝融合和直观可视化表达(如图4所示)。

图3 流域水电项目数字化管理实施框架

图4 流域水电工程项目数字化平台

(1)工程图纸与文档管理

在数字化平台中，通过场景树导览(工程项目->工程项目WBS)和文档树导览(工程项目->建设阶段->文档类型->工程项目WBS)两种方式进行定位和查看与树节点相对应的三维模型和图纸文档，同时也可以通过关键字搜索的方式进行图纸文档的查找。

(2)施工质量监控及预警

可以查看任意单元工程实体对象的质量验评信息、查看任意截止统计月各标段的累计或该月单元工程验评及时率、合格率和优良率以及各单位工程或分部工程中单元工程验评合格率和优良率。

(3)进度仿真及计划管理

根据在数字化平台中各单位工程、分部工程实体对象存储的计划/实际施工进度信息，可建立每月月底时间点的计划施工进度面貌和实际施工进度面貌模型，利用每月各进度面貌模型版本在数字化平台中随时间驱动更新，可以进行工程项目指定时间区间的计划施工进度和实际施工进度的三维可视化仿真，如图5、图6所示。

图5 泄水系统工程实际施工进度仿真(2015-11)

图6 泄水系统工程实际施工进度仿真(2015-12)

(4)计量及投资控制

根据选中的单元工程三维模型，查询其各期报量包含的工程量清单完成数据；根据选择的合同标段，可查看当前标段对应合同总体及一级清单项各期的结算进展情况以及合同清单工程量完成情况并与工程形象进展情况进行对比分析。

(5)施工安全应急管理

在数字化平台中，可以查看枢纽区危险源、重点防护对象以及应急资源的空间分布区域，并对点选的分布区域内的对象信息进行筛选查看，如图7所示。

图7 应急队伍数字化管理

可以通过监测设备导航定位显示出仪器所在空间位置，进行监测数据、测值异常信息、图形、报表的各类查询和统计，并且可以在三维模型上绘制出仪器所在位置的测值矢量线。

(6)施工物资设备跟踪管理

可以对三大主标承包商使用的物资存放仓库分布位置进行查看，可查询各个存放仓库不同时期的物资类型、储量、进出库记录以及耗用量等相关信息；并且可以对工程建设过程中各个参建单位关键施工设备的型号规格、进出场时间等信息进行查询。

(7)环境保护与水土保持管理

可以查看各类环保水保监测和调查点位、环保水保设施等的空间位置分布；进而通过点击位置分布标识可以进行环保水保监测和调查点位的监测数据和专题调查成果信息的查询，以及环保水保设施设计信息及实施进度信息的查询，如图8所示。

图8 环保水保数字化管理

从以上工程应用来看，基于流域基础数据模型的水电项目数字化管理方法指导建设的流域水电工程项目数字化平台，实现了海量地理信息数据与BIM的成功融合，实现了流域水电工程多专业信息的三维可视化集成展现，以及工程面貌的三维静、动态仿真模拟。

4 结束语

基于流域水电工程全寿期各专业领域涉及信息的可视化承载对象，建立了以流域实体管理对象为核心的流域基础数据模型，为水电项目数字化管理过程中的数据集成和三维展现提供承载对象。

讨论了以流域实体管理对象为核心的水电工程项目全业务全过程数字化管理方法，以及支撑信息集成的流域水电项目数据模型；提出了流域水电项目数字化管理的实施框架，在此基础上构建了企业级数据中心并开发了融合三维GIS和BIM技术的流域水电工程项目数字化平台，并进行了示范应用。

工程实例应用表明，上述方法与技术对于构建水电工程建设项目信息三维集成数字化管理平台，实现工程海量、动态信息的集成跟踪与可视化管理具有较好的指导意义。

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