水利工程运维管理系统的应用

2020-08-25赵亚永崔航飞郑秋灵

河南科技 2020年19期

赵亚永崔航飞郑秋灵

摘要：水利工程管理方式直接影响工程的安全稳定，关系着工程效益的发挥。本文探讨了一种水利工程管理系统建设方案，即以BIM和GIS技术为基础，整合运行管理过程中的多源数据，实现智慧化信息管理。实践证明，所设计的系统可提高运行管理效率，充分发挥设施设备综合效益，为水利工程管理提供重要技术支撑。

关键词：水利工程;运维管理系统;BIM技术;GIS技术

中图分类号：TV91文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0079-03

Abstract： The management mode of water conservancy project directly affects the safety and stability of the project， and is related to the exertion of the project benefits. This paper discussed a construction scheme of water conservancy project management system， which was based on BIM and GIS technology， integrates multi-source data in the process of operation management， and realized intelligent information management. Practice shows that the designed system can improve the efficiency of operation and management， give full play to the comprehensive benefits of facilities and equipment， and provide important technical support for water conservancy project management.

Keywords： water conservancy engineering;operation and maintenance management system;BIM Technology;GIS technology

水利工程在抗旱、防洪和水资源的综合利用方面发挥着重要作用。随着信息技术快速发展，运维管理系统在水利工程中的应用逐渐深入，有效促进了信息化管理水平的提升。通常情况下，水利工程中运维管理系统架构主要包括B/S模式和C/S模式。在系统设计阶段，系统应满足对适用性、易维护性和扩展性的要求，同时，应充分合理利用软硬件资源。在统一平台框架下，借助BIM技术、GIS技术、三维实景建模技术实现跨平台多端联合应用。系统也可与相关信息采集系统共享数据资源，实现工程全要素信息的可视化管理与动态监控。

1 系统架构

1.1 采集和传输层

通过已建采集监测站点，实现监控监测信息采集传输。结合工程区三维实景模型及设施设备BIM模型，整合各类基础数据信息，必要时可新建基础信息采集设备。通过业务内网、控制专网及业务外网，实现信息数据的上传汇集[1]。

1.2 数据资源层

数据资源层是系统中所有数据信息存储与管理的逻辑表现，实现对各类数据资源的统一存储、统一管理，以构成业务应用层的数据资源支撑环境[2]。在充分利用各类监控监测信息的基础上，结合实际需要，建设基础数据库、业务数据库、监测数据库、空间数据库和非结构化数据库等。

1.3 业务逻辑层

业务逻辑层是一个承上启下的开放性基础平台，利用各类通用性平台实现不同基础设施层与应用层之间互通[3]。系统中设施设备三维模型通过BIM软件平臺构建，三维实景地形模型通过无人机倾斜摄影技术获取，业务数据则通过工程运维业务系统数据接口和相应自建数据库获取。

1.4 用户层和体系支撑

管理系统的服务对象主要为水利工程运行维护管理人员，用户层的形式包括浏览器和桌面端应用。安全及运维体系为系统建设提供统一的信息安全服务和科学组织管理。标准规范体系是系统设计、建设和运行的相关技术标准，为系统建设提供标准的理论与实践指导。

整体上，系统的整体架构图如1所示。

2 系统关键技术

2.1 模型分类编码

数字模型分类编码是系统建设的关键技术之一，制定科学、系统、可扩展、兼容、实用的分类编码体系是必要的。水利工程涵盖的设施设备种类多、数量大，在分类编码过程中，应满足模型编码在系统中的唯一性、合理性、适用性、可扩充性和简明性等特征，保证设施设备BIM模型的有效管理。在具体系统建设中，可依据《建筑信息模型分类和编码标准》（GB/T 51269—2017）对模型进行分类编码，实现模型资源唯一可用，具体编码可参考图2。

2.2 模型轻量化

基于无人机航拍的三维实景模型及设施设备BIM模型建立后，模型总装后数据量大，直接加载会降低显示效率，甚至造成系统崩溃[4]。为实现模型快速加载、流畅操作及应用，对模型进行轻量化处理是必要的。

依托模型分类及编码规则，在满足需求的条件下，实现不同层级对应模型精度的转换，避免无价值模型重复构建。基于便捷高效的WEBGL轻量化平台，采用图元合并、模型文件压缩算法、几何对象构件对象化和分级加载等手段进行处理[5]。数据转换技术应在不丢失模型信息的前提下，实现实景模型和BIM实体模型的轻量化处理，保证模型应用的高效性。

2.3 BIM+GIS

三维GIS可为BIM模型提供各种空间查询及分析等功能。对于GIS技术，BIM模型是管理数据的基础，实现对建筑构件的精细化管理。三维GIS技术可以实现地理信息展示，对于工程地下部分及建筑物内部信息，需要借助于BIM技术。通过将BIM与GIS融合，可充分发挥BIM和GIS技术各自的优势。

通过数据格式交换，在数据对接层面将BIM模型导入三维GIS平台，以关键字段为媒介确保模型与属性之间的关联，实现从BIM软件到三维GIS平台无缝对接和无损集成，工程空间位置与内容的紧密融合;实现工程空间维度中大与小、管理维度中概与细的有机结合，满足全方位服务工程管理的需要[6]。

2.4 场景交互

系统采用轻量化技术、BIM实例化技术、LOD技术和瓦片技术减少三维场景实时浏览数据流量，提高交互流畅度;通过高画质渲染和烘焙技术，对BIM模型进行灯光、材质设置后，进行渲染和烘焙，从而输出高画质单体三维模型;通过在场景中添加天空背景、光照和阴影、配景树等提升整体三维场景画质[7]。

由于三维场景模型量庞大，系统将通过“模型目录树+图层”的方式对三维模型进行有序组织和管理。对于单体三维模型，综合采用实景模式、半透明模式、线框模式等多种方式进行模型交互，采用模型剖切、视图剖切、模型定位等多种技术实现对模型的细节展示。

2.5 数据整合

对现有系统进行深入调研，梳理现有系统数据接口方式及存储形式，根据数据管理需求，对每个系统进行数据管理与整合。数据管理与整合内容包含元数据整合、数据质量管理、数据交换处理和数据安全管理等。通过数据整合，能实现不同系统数据的可知可用，完善基础数据信息，提升数据质量，实现数据共享，保证现有系统的接入和集成。

水利工程中，各类监测设备产生的数据量巨大、数据格式不统一、存储结构不一致，并且缺少数据的统一交换机制，导致数据利用率较低，加之空间地理信息、遥感信息、管理信息等数量大，因此，加强数据有效集成十分必要。针对工程中多源异构数据的特点，建立数据资源目录，采用多源异构数据集成技术，以大数据分析与挖掘技术为核心，利用标签技术、非结构化数据库技术、数据总线技术，实现多源异构数据协同管理、高速缓存、汇聚存储以及分析挖掘。

2.6 系统安全

在数据接入方面，针对系统接入和集成需求，详细梳理所需集成和接入的数据列表清单，通过建设中间数据库的形式存储和管理必要数据，避免直接读取原有系统数据库，保证原有系统数据安全[8]。新建数据依托现有安全体系和技术，包含防火墙、网闸、漏洞扫描等技术，并在系统平台设计时，采用成熟的平台架构，对信息传输进行加密处理，确保数据及系统安全，具体系统防护流程图如图3所示。

2.7 数据存储

水利工程中的监控检测设备种类多、数据量大，因此，要利用非结构化存储技术，研究实现多源异构数据汇聚存储、高速缓存、协同管理，解决海量数据环境下存储效率低及不同平台间数据格式差异大的问题，以从大数据中提取有价值的信息，为水利工程运维管理系统提供高效的数据支撑。

3 结语

为保证水利工程安全稳定运行，充分发挥工程效益，本文探讨了集成性水利工程管理系统的建设思路。该系统以BIM和GIS技术为基础，融合了多源管理数据，实现了水利工程数字化运维管理。实践证明，所研究的系统可降低运行维护成本，有利于充分发挥设施设备综合效益，有效提升水利工程信息化管理水平。

参考文献：

[1]高英.“BIM+”跨界应用开拓智慧水利[J].水利规划与设计，2017（9）：154-157.

[2]陈功军，张金辉，高英.实施水利工程三维协同设计的探索[J].人民长江，2013（16）：105-108.

[3]皇甫泽华，史亚军，张玉明，等.大型水库工程建设期管理系统设计与应用[J].人民黄河，2019（2）：111-114，118.

[4]唐鸿儒，赵林章，钱福军，等.水利工程管理數据和流程规范研究[J].水利信息化，2019（1）：25-30.

[5]张睿，秦书霞.探究水利管理信息化建设[J].河南科技，2013（17）：257.

[6]郑振浩，王金龙.基于标准化管理的水利工程运行管理系统建设研究[J].浙江水利科技，2019（2）：79-81.

[7]孙琳.北京市南水北调配套工程信息分类编码研究[C]//中国水利学会.中国水利学会2015学术年会论文集（下册）.2015.