大型水库工程建设期管理系统设计与应用

皇甫泽华 史亚军 张玉明 王新民 张赛

摘要：大型水库工程建设期具有参建单位多，涉及人员及专业多，建设期间产生的资料价值高等特点，但目前其信息化程度相比运行期有较大差距。为了提高大型水库工程在建设期的信息化管理水平，高效管理工程积累的资料及数据，结合当前先进的BIM技术、GIS技术、Web技术、移动应用、通信及计算机网络技术等建设大型水库工程建设期管理系统，用信息化手段全面掌握建设期信息，提高水库建设期管理水平。将管理系统应用于前坪水库工程，各参建单位在建设信息管理中不仅降低了时间成本，而且参建各方的工作交流更加直观、方便。该大型水库工程建设期管理系统成功解决了工程建设期存在的质量、进度、投资等管理手段落后、信息查询困难等问题，取得了显著效果。

关键词：BIM技术;信息化管理系统;土石坝;工程建设期;GIS技术

中图分类号：TP697;TP311

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.023

水库作为水利工程完整体系中一个重要组成部分，在发电、灌溉、供水、防洪、水生态环境等方面发挥着重要作用，同时关系到广大下游人民的生命财产安全和经济的可持续发展[1].水库信息化技术经过多年发展已大量应用于水库工程[2]。目前，国内外对水利信息化的探索[3-7]及存在的问题主要集中在以下方面：①国内外一些水库工程在运行期进行了信息化建设[8-9]，但鲜有水库工程自工程建设期就运用信息化手段进行建设管理。②实现了水利工程信息化具体业务功能建设[10-12]，但仅限于水利工程的具体业务功能，还没有充分利用信息技术的优势[13-15]，如建立水库洪水预报调度系统[16-17]。③基于C/S模式的信息化建设。这类水利信息化建设缺少便利性，每台需要访问该信息化系统的终端均需要安装客户端。如文献[18]基于C/S的水库群信息管理系统等。很多水库工程信息化技术较单一，没有采用最新的Web、GIS及BIM技术等[19-22]，因此自建设期将新兴技术多种应用需求通过一个统一的信息化管理平台进行实现，是提升水库管理信息化、现代化和科学化发展的必然方向[23]，即有必要建立利用信息化手段及技术搭建满足业务发展需要的资源共享、协同设计和协同管理的管理体系。信息化管理的意义：①提高参建各方沟通、协调的效率：②为类似工程建设提供更友好的资源交流方式。信息化管理的目的：①降低工程建设管理的成本;②提升管理质量与效率;③加大信息的利用与分享。本文采用现代高新技术革新水利监控、监测体系和管理手段，以前坪水库工程建设为例，利用Web技术、通信及计算机网络技术、GIS技术等，建立前坪水库工程信息化建设期管理系统，实现对前坪水库建设期的全业务信息化管理，并随着工程建设逐步演变为水库运行期管理系统，贯穿前坪水库的全生命周期。

1 系统设计

前坪水库建设期视频监控系统可在建设期对水库主要建筑物和重要施工过程进行实时监控，且施工完毕后监控设备可根据建设管理单位需要应用于运行期监控，做到永临结合、远近结合、建管结合。

1.1 建设目标

（1）实现覆盖全面的基础设施体系建设。包含前端监测感知、会商中心、机房及配套软硬件等，为业务应用平台提供基础数据及硬件环境支撑，为水库管理局实现“一屏看水库”的目标做基础准备。

（2）建设水库建设期管理信息系统平台，统筹工程建设期间的进度、质量、安全管理、防洪度汛等重要信息。

（3）推進互联网+水利。广泛采用高新技术进行前坪水库建设期管理信息系统建设，形成水库独特的业务应用技术体系，提升水库工程建设期管理的效率与水平。

1.2 逻辑框架

（1）采集传输层。通过智能传感器，实现水文、视频监控等信息采集，并辅助人工填报以及相关系统接人，全方位采集各类涉水基础信息。

（2）网络通信层。网络通信层提供了通过不同方式采集的数据上传汇集的网络环境。主要包括有线和无线传输方式，无线传输有GPRS、WLAN等，有线方式包括水利专网和公共互联网通信方式。

（3）数据资源层。数据资源层是系统中所需的所有基础数据信息存储和管理的逻辑表现，可实现对各类基础数据资源的统一分类存储和管理，为业务应用程序服务层提供数据支持环境。

（4）应用支持层。应用程序支持层利用各种通用平台，实现不同基础架构层和应用程序层之间的互通。

（5）业务应用层。基于库区地理信息服务构建了前坪水库建设信息管理系统。

（6）用户层。涵盖前坪水库管理局、建设期参建各方及河南省水利厅。

（7）安全及运行维护体系。运行维护管理系统提供了科学有效的、集成了组织及流程的IT管理技术。

（8）标准规范体系。标准规范体系是系统设计、建设和运行的相关技术标准。

1.3 数据库建设

数据库作为数据支持层，是水库信息服务的信息源头和基础，通过对现有水雨情信息、工情、视频监控信息以及其他资料信息等进行收集、整合与完善，建设实用、可靠、先进、标准、兼容的水库综合数据库，满足水库信息服务要求。部分数据库如下：①基础数据库，主要包括工程与设施对象等数据，如水文测站基本信息、水库基本情况等;②业务数据库，主要包括工程建设管理业务、防汛抗旱预案管理等数据，如审批信息、招标投标信息、雨情信息及水情信息等;③监测数据库，主要包括测站设备等数据，如传感器信息等;④其他数据库，主要包括空间数据库及非结构化数据库等。

1.4 建设期管理系统

系统主要分为技术资料管理、电子沙盘、建设信息、进度及投资管理、质量管理、安全管理、防洪度汛、系统管理等若干个模块，其中部分模块数据为一次性录入，部分模块数据为阶段性录入。

（1）电子沙盘。二维沙盘模块采用0.5 m精度的河南省遥感影像底图通过GIS软件添加一定的图层信息发布至Web端，附加信息包括水库工程简介、流域概况、水雨情信息、移民征地、主要建筑物布置及工程料场布置。

三维沙盘功能主要展示前坪水库完建后整个工程全貌，通过三维设计软件构建各主要建筑物的三维模型，叠加坝址区三维地理模型，整体导出中间格式至三维引擎，经二次开发发布至Web端。还可以通过点击不同的建筑物来查询主要设计信息，如图1所示。

（2）视频监控。视频监控模块用于实时监控现场施工情况，具有实时预览、实时录制、回放、视频图像多方位浏览、放大缩小等功能。视频监控模块界面见图2。

（3）进度及投资。为使参建各方定期掌握各施工标段进度及投资情况，施工单位以月为单位按招标工程量清单格式定期上传该月完成的工程量。工程进度及投资情况以表格及横道图显示各标段投资及进度。工程某标段的进度及投资情况横道图见图3。

（4）质量管理。质量管理模块主要由质量体系、质量评定和质量管理活动组成。每个标段的质量评定可以在线填报。

（5）安全管理。安全管理模块提供现行有关施工安全的法律、法规在线浏览、查询、打印及搜索功能;将水库各主要建筑物各监测断面安全监测仪器布置在BIM模型上，通过定期在线填写各监测仪器数据，提供在线查询、趋势分析及对比分析等，见图4。

（6）防洪度汛。防洪度汛模块目标是基于水库控制流域實时的雨水情信息，预报坝址处人流过程及其特征信息，以此作为防洪度汛决策的依据。产流模型采用P-Pa-R模型，汇流模型采用经验单位线。图5为2016年8月1-3日前坪水库的洪水预报。

（7）微信服务号。微信服务号是前坪水库建设期综合信息管理平台的创新内容，用户可以用微信查看和管理工程建设情况。

（8）其他模块。其他模块包括平台首页综合信息查询，平台各模块主要内容的宏观展示，各参建单位建设信息文档资料管理，系统管理其余各功能模块的编辑、用户录入、用户资料修改、权限分配、上传进度及投资标准工程量清单模板、上传控件等内容。

2 系统关键技术

2.1 基于组件的三层/多层应用程序软件体系结构

建设期管理系统软件体系结构使用基于组件的三层/多层应用程序体系结构。从系统结构来看，它分为客户端表示层、应用服务层和数据服务层3个独立的层。重要业务的对象化是保证系统可继承性的重要保证。

2.2 WebOS技术

前坪水库信息化综合管理系统建设涉及的业务模块较多，类型多样，不便于统一管理，并且不同的用户根据自身业务范围的不同往往只需要关注自身业务相关的功能子系统，要求系统具有按需定制服务的功能。因此，采用WebOS技术构建整个水库安全监控平台，通过浏览器方式“一站式”管理各个子系统，实现各类业务系统的无限扩展集成、按需个性化定制、便捷应用管理，为水库管理人员创建便捷的电子化办公环境等。2.3 基于HTML5的多终端支持技术

该系统同时根据计算机技术发展趋势，采用最新的HTML5开发标准进行设计和架构，在未来较长时间内可保持技术的先进性。系统支持多设备、跨平台，可通过PC、平板电脑、智能手机等设备访问，方便移动办公，同时适用于所有最新的操作系统平台，包括Windows 8、Mac OS、Linux等。

2.4 组件开发技术

组件（ Component）是对数据和方法的简单封装，为应用程序、操作系统和其他组件提供服务。开发自定义的组件即开发动态的、低耦合的、面向对象的API。可以将多个组件链接在一起形成应用程序模型或组件系统，并且可以在运行时删除或替换组件而无需重新链接或编译。

2.5 微信公众平台技术

微信公众平台是运营者通过公众号为微信用户提供资讯和服务的平台。该系统把前坪水库工程建设期参建各方关心的业务场景，通过微信公众平台技术开发为服务号，为用户提供更便捷的管理方式。开发流程见图6。

2.6 BIM技术

该系统把前坪水库工程建设过程中的工程信息和资源集成到三维模型中，各参建单位可通过操控模型实现资源信息的查询与管理：将水库各主要建筑物各监测断面安全监测仪器布置在三维模型上，通过定期维护各监测仪器数据，提供在线查询、趋势分析及对比分析等。

3 系统应用情况

前坪水库位于淮河流域，是我国“十三五”期间172个节水和供水重点工程之一，总库容5.84亿m，控制流域面积1 325 km，水库工程总建设周期为60个月。前坪水库工程具有规模大、投资大、工期长、参建单位数量多等特点，应用该系统后，各参建单位在建设信息管理中时间成本降低了5%～ 10%，领导对工程建设信息的管理更直观、方便，参建各方通过在统一的平台上沟通、协调，工作效率高且规范，综合提高了水库工程建设的信息化管理水平。前坪水库应用建设期管理系统前、后对比见表l。

4 结语

在水利行业信息化建设的新形势下，河南省前坪水库工程被列为国家重点水利项目。在工程建设过程中，有效地管理建设过程中的每一步是保证工程顺利进行的关键。如何实时对施工进度、质量以及安全等相关信息进行宏观把控，对于保障工程建设顺利进行具有重要的意义。水库工程建设期管理系统采用HT-ML5技术支持多终端使用，微信公众平台技术实现了工作交流和建设信息实时监管，BIM技术实现了建设信息统一化管理等。主要解决了工程建设期存在的质量、进度、投资管理手段相对落后、信息查询困难等问题。用信息化手段全面掌握建设期信息，不仅提高了水库建设期管理水平，而且为工程运行维护期管理积累了数据，可供其他类似工程借鉴和参考。不足在于还没有对管理系统的APP版本进行开发，接下来需要继续研发APP版本。

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