泵闸工程运维管理系统的研究与设计

陈 冰 ，黄培志 ，殷峻暹

（1. 深圳市水务科技信息中心，广东 深圳 518036；2. 深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000；3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

水务泵闸工程系统复杂，通常包括技术供水、电气一次及二次、消防、渗漏检修、通信等系统[1]，目前工程移交普遍以二维平面竣工图纸及纸质工程资料的形式提交，给后期运行管理维护工作带来困难[2]。据美国国家标准与技术协会（NIST）统计，一项工程的运维管理成本在其全生命周期中占比约为 80%，因此基于新技术研究水务工程数字化运维管理，对降低工程运维成本，提升运维效率具有重要意义[3]。

当前，物联网（IoT）、GIS，BIM 等技术在水务工程运维管理[4]中具有一定的研究基础和应用案例。吴建刚[5]等在新沂河沭阳枢纽工程中基于 IoT技术将采集感知的闸门开度信号、电气信号、上下游水位信号、视频监控等数据集成至工程运维管理应用系统中，实现覆盖调度监控、运维管理、安全评估、通信预警等业务的信息化管理。郭军等[6]结合 GIS 和 IoT 技术将供水管网地理信息、生产数据、管理行为信息进行集成，实现可视化、体系化、精细化管网运维管理，有效降低爆管问题。何勇等[7]在江苏省新孟河延伸拓浚界牌水利枢纽工程中探索了基于 BIM 技术的全生命周期管理，利用设计施工阶段形成的数字化成果进行交付移交，为工程运维管理提供数据支撑。杨建峰等[8]以通吕运河水利枢纽工程为例研究了 BIM 技术在水利工程运维管理中的应用，并通过搭建数字化工程管理平台实现在线监测、设备台账、视频监控、报警管理、维修养护等业务线上管理。

IoT，GIS 和 BIM 技术在工程运维管理中的应用各有优势和侧重，对于泵闸工程，一般具有较多机电设备、依托于河道水库等地理要素的特点，为此，在运维管理现状文献研究的基础上，利用这3 种技术进行优势互补，以 BIM 技术为核心构建集成几何和非几何属性的三维模型，向上连接工况水情等物联感知信息，向下连接地理空间信息，将多源信息整合集成至统一平台，并利用云计算、大数据分析等技术，以深圳市共和泵闸枢纽为案例，构建基于 BIM + GIS + IoT 融合技术的共和泵闸工程运维管理系统，解决传统泵闸工程信息线下分散管理的问题。

1 泵闸工程运维管理系统设计

共和泵闸枢纽是深圳市宝安区沙井河片区排涝工程的组成部分，包括泵站和水闸，设计排涝标准为 20年一遇24h 设计暴雨产生的径流不受淹，服务面积为 0.12 km2。共和泵站的机组台数为3台，设计总装机容量为945kW，设计总提水流量为12.3 m3/s；共和闸站的孔口宽度为 5×2 m，最大泄水流量为 19.7 m3/s。

1.1 BIM 模型创建

在国内外 BIM 应用现状调研的基础上，通过比选 Autodesk，Bentley，Catia 等主流平台的特点[9]，最终选定 Autodesk 平台建立共和枢纽的三维建筑模型，包含土建、厂房上部结构、管线、金属结构设备、厂区地形等。由于共和泵闸站在设计阶段未采用 BIM 技术，因此建模时基于竣工图纸搭建 BIM模型。BIM 模型创建过程如下：

1）确定坐标、高程和单位系统。本项目各专业、分项均采用相同的坐标系，项目坐标系原点为坐标原点。标高命名由标高特性和数值组成。对于水工结构，标高特性为标高对应特征名称（如闸底板等），标高数值为采用同一高程系的高程；对于建筑结构，标高特性为楼层编码，标高数值以相对标高为准。

2）确定模型拆分协同原则。针对模型的不同应用场景需求，按照水工、电气、建筑、景观等不同专业，以及资产管理、运行维护、应急管理等不同应用维度拆分，以满足运行管理要求，同时保证每个模型文件大小不超过200MB，以保证模型导入运维管理系统时的流畅性。

3）确定模型文件及构件命名规则。模型文件命名宜包含项目名称、实施阶段、相关专业及具体的空间位置，同时还可包含自定义字段。模型构件命名宜体现专业、工程部位、构件属性等关键要素。

4）确定模型信息要求。鉴于 BIM 模型应用于运维管理，对模型信息要求较高，模型文件属性表中须包含创建时间和人员、文件命名、模型专业、实施阶段、相关专业等信息，模型构件属性表中须包含材质、设备型号、厂商、检修日期等非几何信息。

5）模型创建与校核。本项目采用 Autodesk Revit软件创建模型，首先要根据构筑物的尺寸建立合适的轴网和标高，在基于柱、墙、梁、板等常规构件创建模型的基础上，充分利用 Revit 模型的参数化功能，在具有相似构造的建模中，通过全局参数功能实现模型的参数化驱动[10]，提升工作效率，体现应用 BIM 技术开展设计的优势和价值。在构件“类型属性”对话框中，对构件的注释名称、尺寸、材质、设备型号、厂商等非几何信息进行设置。同时在建模过程中要保持与金属结构、电气、建筑、岩土等相关专业结合的模型链接关系，及时检查是否出现各专业模型之间的不协调问题，以最终确定模型。创建的共和泵闸枢纽全专业模型如图1和2所示。

图1 共和枢纽模型进口三维视图

图2 厂房模型内部三维视图

BIM 模型的创建是工程数字化运维管理的关键，模型承载的几何参数和非几何属性是设备保养检修的基础，同时将模型构件与采集感知设备定位信息、监测数据进行关联，可实现工程运行数据的可视化联动贯通。

1.2 系统架构设计

共和泵闸工程运维管理系统架构主要依托深圳市政务云平台，以 .Net 作为开发框架，构建从物联感知、基础设施、水务大数据、应用支撑到业务应用的五层架构，以及信息安全、标准规范两大保障体系，技术架构设计如图3所示。具体分析如下：

1）物联感知层。物联感知层采用 IoT 技术，采集水情、水质、工情和视频等内容，主要作用是为共和泵闸枢纽运维管理系统提供数据支撑。

2）基础设施层。基础设施层包括云平台、网络工程、基础设施环境和信息安全等内容，为整个系统提供信息传输通道和安全的运行环境（包括网络环境），其中云平台主要依托深圳市政务云平台构建，网络层主要包括互联互通的互联网、深圳市党政机关政务外网、深圳市水务局自建的控制专网和视频接入网。

3）大数据层。大数据存储主要规划了以下数据库：a. 基础数据库。基础数据库是存储各类公共基础属性和空间数据的子库，包括基础空间库（GIS +BIM）、属性库。b. 监测数据库。监测数据库是存储各类监测数据的子库，包括水情库、水质库、工情库和视频库。c. 业务数据库。业务数据库是存储各类业务管理数据的子库，包括设备设施、安全、应急和综合等管理的各类业务数据库。

图3 共和泵闸枢纽运维管理系统技术架构图

4）应用支撑层。应用支撑层提供业务应用需要的公共服务能力，如统一报表、工作流，以及GIS，BIM，物联网和视频云监控等平台。

5）业务应用层。业务应用层覆盖态势感知、设备设施管理、安全管理、应急管理和综合管理五大功能领域。

6）标准规范体系。标准规范是保障管理系统各组成部分能够协调一致工作，各类信息互联互通，项目建设过程和运维管理规范、有序、高效的重要基础。本项目在规划阶段编制了 BIM 建模规范，为搭建标准化 BIM 模型提供支撑；在运维管理系统开发阶段遵循已有国标和行标、地标，以及深圳市智慧水务总体技术方案，建成后将输出运行维护相关技术文件，保障系统平稳安全运行。

7）信息安全体系。共和泵闸枢纽运维管理系统按照等保 2.0 二级防护要求开展建设，信息安全体系包括安全物理环境、通信网络、区域边界、计算环境及建设管理等方面。

1.3 系统功能设计

共和泵闸工程运维管理系统的功能主要包括以下5个部分：

1）态势感知模块。主要基于 GIS + BIM 一张图对水情、水质、工情、视频、业务管理等信息进行集成，结合三维模型综合展示设备参数、管养维修、备品备件、实时视频、关键水情水质、设备运行状态等信息。其中，将多个摄像机图像序列视频和与之相关的三维虚拟场景加以匹配和融合，实现虚拟场景与实时视频的融合，虚实结合实现设备设施可视化运行管理，视频三维场景融合示意如图 4所示。

2）设施设备管理模块。主要包括检修管理、信息查询、巡检管理、采购管理、验收登记、备品备件管理等功能，其中设备设施基本的与检修过程的信息通过构件编码与 BIM 模型进行关联，实现结构化数据管理。

3）安全管理模块。主要包括安全检查计划制定、检查实施、值班管理，以及隐患档案库和标准的查询等功能。

4）应急管理模块。包括应急告警与发布、预案管理、事件处置、物资管理等功能。

5）综合管理模块。包括文档、考核等管理功能。

图4 视频监控与三维虚拟模型融合示意图

2 结语

水务设施运行维护智能化管理是水务现代化发展和管理转型升级的必然趋势。本研究以共和泵闸枢纽为案例开展泵闸工程运维管理系统的研究与设计，总结泵闸工程 BIM 模型创建的具体方法，提出管理系统的架构、功能设计方案，探索出已建水务设备设施数字化运维的路径，为深圳市智慧水务设施运行管理平台的建设奠定了试点基础。下一步将持续优化迭代该泵闸工程运维管理系统，通过细化相关监测设备的 BIM 模型构建，与水工建筑物的 BIM 模型进行融合，并以运维管理系统联动显示BIM 模型及与其相对应的监测数据、实时视频等方式，为泵闸工程运维管理提供更直观的决策支撑。