三维可视化管理平台在水电站工程管理中的应用研究

王欣垚，郑兆信，欧阳明鉴

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

近年来，随着我国计算机、大数据、云计算、移动互联网、物联网等新一代信息技术的发展与革新，对我国水电工程智慧化施工及一体化、可视化管理提出了更高的要求[1-2]。水利水电行业大部分工程都开展了三维可视化设计及BIM应用，但至今尚缺少获得广泛认可的平台成果和经典案例。很多工程的实际应用仅停留在三维模型展示层面，不能或较少能指导施工，主要是平台初期设计的应用功能实现方式较为复杂。有的工程虽有三维管理平台，也有采集系统，但在后期分析和处理上不够直观明晰，难以被管理者应用。目前，各工程管理单位、软件开发单位对于平台设计思路、功能种类、功能实现方式、以及现场实际应用效果等问题，缺少实践经验、运行资料的统计及积累，调研后发现阻碍三维可视化工程管理平台发展和深化的主要原因是工程模型与系统功能衔接不够紧密、系统平台实际管理功能较少、功能应用前置条件太过复杂不便于实现以及三维可视化平台管理方式较传统方式存在一定变化需要管理人员观念更新和适应等，因此一些工程中三维可视化管理平台并未发挥出预想的效果，相关技术及研究的热度在近几年也有所下降。但三维可视化管理平台由于其直观性、准确性及管理效率的优越性，仍然是未来发展的趋势。

本文结合工程实例，提出一种更符合实际便于管理的三维可视化平台的设计理念，并描述其具备的功能以及在工程实际中的应用研究情况，以解决工程模型与应用功能的割裂问题，降低平台数据录入及操作门槛，将更多的应用功能以更加简单与直观的方式与模型相结合，从系统层面将工程各区域各类监测系统数据与平台数据后台结合，使数据调取、查询及功能流畅实现。以达到实现管理者主观愿意选择三维可视化管理平台进行管理，依赖平台所提供的应用功能的目的。

本文以辽宁清原抽水蓄能电站工程为例，介绍了三维可视化管理平台的设计思路、具备的功能以及在工程中的实际应用。辽宁清原抽水蓄能电站总装机容量1 800 MW，规模为一等大(1)型工程。永久性主要建筑物级别为1级，永久性次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和地面开关站等建筑物组成，工程区地震基本烈度为Ⅵ度。

1 平台基本架构

水电行业具备工程周期长、工程情况复杂多变、工程建设风险大等特点，往往随着工程进展需要不断对工程方案进行优化变更，各阶段难点具有一定不可预测性，三维可视化管理平台的建立不应一蹴而就，也不存在完全相同的水电工程管理模板。因此三维可视化管理平台在建立之初，其设计理念是按照全生命周期平台建设规划的，但各阶段需要关注解决的重点各有不同，同时上一阶段成果将作为下阶段工程管理平台的数据基础，环环相扣逐步推进，避免了一些三维可视化平台在前期开设功能模块过早，后期因工程方案及现场情况改变而产生资源的浪费及返工。

本三维可视化管理平台以工程实际BIM模型为基础，在此之上以模型承载工程数据，以数据通过平台软件整合计算实现功能，以功能辅助决策，最后再将辅助信息反馈至对应模型实现可视化管理，平台设计思路见图1。

图1 一体化平台设计思路

2 模型建立

枢纽建筑及地形模型是三维可视化管理及三维设计的基础，采用三维数字化和GIS技术建立涵盖工程地形和枢纽布置的三维模型[3]，较传统工程设计方法可实现工程设计与管理协同进行，在进行设计工作的同时也能实时输出包含地理信息的最新模型，满足现场技术交底和方案沟通需求，也是施工期BIM模型及后期数据与功能实现和承载的基础条件。

(1)工程枢纽基础模型。工程枢纽模型创建于工程前期设计阶段，可用于方案比选。采用倾斜摄影及无人机航拍技术采集工程选址的GIS信息，导入AUTODESK系列建模软件进行三维设计工作，建立各方案的工程枢纽模型。可利用此模型快速计算出各方案工程量及开挖量，快速且较准确的估算出各方案投资；将包含地理及建筑信息的模型轻量化后导入平台，形成各方案三维全景电子沙盘。模型将作为平台管理功能交互的载体，功能应用的基础，在平台中预留接口方便后期管理功能技术的更新迭代及整合。

(2)精细化施工模型。施工模型是在工程施工详图阶段，对选定方案进行细化设计建模完成。可按照工程分区随设计、施工进度完成细部施工模型。工程设计使用了基于AUTODESK平台的三维设计软件，施工详图由工程设计模型抽取生成，因此最终各区域模型与施工详图完全吻合，不需要额外的建模工作量。精细化模型包含了各设备、各施工层面的准确尺寸。在实际施工前就可以对工程建设期间可能存在的问题，施工设备的布置、操作空间的大小等内容有一个直观的判断。

(3)数据载体。在工程建设期间，模型不仅可为满足工程展示的需要提供工程三维可视化平台，其更重要的作用是作为平台管理、数据信息及辅助决策等功能的载体[4]。如图2所示，选择各区域施工模型可查询该段工程实际施工进度、主要责任人、施工现场监控、施工部位照片、工程建设资料、施工问题及处理措施等内容；平台将大量数据进行计算和推演后会将包含安全、质量、进度、物料等方面的工程预警信息及决策建议直接反馈至对应工程部位的施工模型，并在平台首页弹出预警信号；平台使用者便可随时了解工程状态、历史信息、相关资料并作出决策。

图2 模型信息及链接示意

3 数据采集

为充分利用信息系统数据管理与BIM可视化优势，本三维可视化管理平台集成大坝碾压、工程监测、视频监控、人员车辆管理等系统，将工程现场监测设备采集到的数据实时传入系统后台中进行计算并可由平台直接调用，促进施工管理智能化、可视化相关功能的实现。

3.1 视频监控系统

为满足数据采集需求，视频监控系统目前在水库、边坡和地下洞室等较危险或重要区域设置监控摄像头，对工程项目施工现场的重点部位的现场操作、工程质量、施工安全文明、环境卫生、仓库料场安全管理等方面进行监控。监控系统可以灵活观察工程各位置细节，处理随机事件，也可对于重点区域(如仓库，电力电缆密集区域)附近徘徊人员进行区域入侵检测，具有自动人脸抓拍及警报功能。同时利用人员车辆管理系统、门禁系统、通信系统等功能了解现场人员分布、考勤记录等信息。

利用系统大屏可直接与各区域负责人进行实时通讯，在工程管理中心即可实现对人员的现场指挥。针对重点或施工危险性较高的区域可利用视频监控、体征监测、无线通信等技术对人员工作状态(包括人员精神状态、心跳、体温等，是否按要求佩戴安全帽或其他安全设备)进行监测。视频监控系统可存储30 d左右的视频图像，利用BIM+GIS技术，通过调用视频服务器ID、端口号、摄像头ID等参数，如图3所示，可将工程现场摄像头与三维可视化平台相同位置模型相关联，实现监控画面的调取播放和回放。

图3 工程监控摄像头调取示意

3.2 人员车辆管理系统

现场人员和车辆管理系统，可通过可视化平台展示人员和车辆出入管理设备的布置，实时显示各监测区域人员和车辆出入数据。并利用定位、视频、通信等技术对工程运输及工程车辆(如装载车、渣土车等)进行实时定位、路径记录，实时通信指导，并如图4所示，在工程模型平台上实现三维可视化管理[5]。同时在施工现场主要出入口加装车牌识别系统，对经常出入工地的内部管理人员的车辆的车牌号码及外观、颜色、车型进行后台登记到车辆管理系统的“白名单”内，并自动采集车辆出入记录并上传出入影像记录至智慧工地平台，对于陌生车辆、套牌车辆进入工程区域可后利用自动监测识别系统进行预警防范。同时在车内设置监控随时了解驾驶人员的工作状态。

图4 车辆管理系统示意

3.3 工程监测系统

三维可视化平台包含水工自动化监测系统。在各工程主要枢纽建筑物中(包括水库大坝、地下厂房、水道系统)设置监测传感设备，实时监测有关变形、渗流、应力应变和温度等涉及工程安全的数据，将最终监测结果导入系统平台，利用信息系统存储、管理和分析监测成果，并在BIM模型上查看监测设备的三维布置、监测数据、监测曲线等，记录异常数据的处理结果[6]。对如水库库岸、大坝边坡等具有崩塌、滑坡风险并可能影响大坝、溢洪道、导流洞等建筑物施工安全的应设置边坡稳定自动监测传感装置。

为满足工程需要系统化平台可与地方水情测报系统想关联，主要测报项目区域降雨量、河道流量、泄洪洞进口处水位和天气预报等，该水情测报系统通过数据接口与本系统BIM管理平台集成，建立水情测报数据库，通过系统和BIM模型能查看水情监测仪器的布置、监测数据和监测曲线等。

3.4 大坝碾压系统

大坝碾压控制系统，通过监控、采集和存储大坝碾压施工数据[7]，如图5所示，系统平台可实时记录并反馈填筑面监控碾压机械的行驶速度、激振力、运行轨迹、碾压遍数、压实厚度等，对施工过程可能出现的质量问题、安全风险进行预测，针对工程现状及相关问题的后续整改过程进行实时记录记载，辅助大坝碾压质量管控[8]。并利用BIM+GIS技术将生成的相关工程单元的质量与安全表单信息与模型对应位置想关联，根据质量、安全检查或评价结果，在BIM模型上用不同颜色显示督促相关整改，实现施工过程精细化管理。并将现场视频图像与大坝模型相关区域关联，同时通过BIM模型展示大坝碾压施工进度形象。

图5 大坝碾压系统示意

4 实践功能

本平台管理功能旨在利用系统平台以最简单、直观、高效的方式合理组织施工，满足指挥、调度、协调、组织、管理的功能要求，为辅助工程管理人员进行决策做好基础。

4.1 进度管理

进度管理是工程项目管理核心内容，本工程以施工进度计划为主线，将BIM模型与项目进度管理模块进行关联集成[9]，建设数据资源管理系统，并按工程周期、工程区域、数据类别等因素明确系统功能，实现数字资源与状态的可视化集中管控。根据施工方案可“未建先试”，进行进度模拟推演及虚拟建造，辅助评估施工方案、进度计划的可行性。

平台通过采集工程实际进度，可与计划进度进行对比，分析“供图-采购-施工”工作的超前、正常或滞后状态[10]。并且系统管理平台结合各工程单元划分，可进行计划编制，包括里程碑计划、总体计划、施工计划及多级计划，明确各项施工界面，交接时间节点。模型显示上方增加时间轴，并按照工程工期安排对工程整体或细部模型，赋予“已完成、进行中、未开始”三种状态。随时间轴模型显示对应工期的工程状态，且在时间轴下可针对各个单位工程进行人员、物资、设备、工程车辆、施工设备的调配。利用物料追踪等功能中各人员、设备等的ID编码，当计划变更后可自动预警，并统计受到影响的工程资源。并在点击各模型后显示供图、采购、施工方面的工作状态以及该段模型的季度、月度计划要求。在业务数据积累的基础之上，按需摘录出与工程相关的关键性指标和信息，通过汇总统计后将各类图、表的数据与BIM+GIS平台三维场景集成，进行可视化直观展示，呈现工程整体建设形象，便于管理者根据需求，客观评价进度执行情况，为优化和调整进度提供参考。

4.2 质量与安全管理

该功能利用数据采集系统的现场实时工程数据，对EPC项目质量管理、安全管理工作任务进行分解[11]。如图6所示，在施工过程中系统平台对工程重点部位的施工质量信息、质量安全检查过程中发现的隐患信息及处理意见等(包括重点部位施工工艺方法、现场施工效果、隐患点位置，责任单位、责任人、隐患情况信息、图片、视频等)进行记录。

图6 质量与安全管理系统示意

同时管理平台结合监控采集系统针对工程隧洞、供水管道、电站厂房等定期巡查机制，并将现场巡查的记录、照片、视频整合至智慧工地管理平台。对重点或较危险的隧洞工程管理平台结合人员定位系统，采用UWB精确定位技术，实时获取人员的精确位置，当发生意外时可利用定位信息，拟定救援方案，提高救援效率。

5 辅助决策

系统平台以各项业务功能为基础，通过平台内部数据交换、整合及警报机制对以往数据曲线进行分析及比对，预估各项工程指标的发展情况，实现针对工程实际情况的管理辅助及工程整体把握[12]。将最终预警结果反馈至可视化平台BIM+GIS 模型的各对应区域，对工程潜在问题和隐患预警报备。并可主动提醒管理人员进行处理，同时从工艺工法数据库中推荐相关处理方法、工艺或意见，实现智能化工程管理辅助、降低操作和管理门槛、完成系统平台的整体功能循环。

(1)进度及物资辅助系统。对系统各项功能进行整合，将人、料、机消耗量以及资金计划等信息与进度时间刻度尺相整合[13]。在施工过程中随工程进度，在各关键节点将现场实际进度及用料与节点预测情况相对比，若实际进度发生偏差(包括进度滞后和进度提前)，平台将在大屏中弹出提示提醒管理人员进行处理。此外，系统平台与当地地震、气象、水文、雨量监测机构及本工程监测系统建立数据采集或接入的联动机制。将各类环境数据进行整合，并在系统平台中提前标明，哪些工序及单元易受环境条件变化制约。当监测系统得到异常数据后将自动统计当前及之后一定时间内，可能受到影响的工程单元，并根据程度级别触发警报，直接高亮显示可能受到影响的进度计划及工程模型。

(2)质量及安全辅助系统。对系统平台内视频监控、工程监测数据、人员车辆管理等功能进行整合，可对工程各重要及危险区域进行质量及安全预警[14]。利用视频监控、通信系统及人员车辆管理功能，平台可对异动、长时间滞留或不响应工作任务的人员设置警报及语音提醒。此外平台利用工程监测系统对工程重点或危险区域进行了实时监测，例如对隧洞工程围岩结构安全进行监测，当围岩压力、外水压力、衬砌应力应变异常时根据数据记录及时间曲线预估发展趋势，当结构围岩数据异常时应做出预警及安全评估。系统会对各区域预警处理方式进行记录分析，在之后工程准备开展类似工序时提前对施工方做出隐患提醒，因此系统具备一定学习能力，将随工程建设不断完善预警功能。

(3)成本预警。利用系统平台内物料追踪功能及工程管理功能，实现对业主和分包商的报量、计量、计价结算、预付款、资金支付等流程的管理，记录合同款项支付申请和实际支付情况，具备超支预警功能，并将与合同相关的关键数据归集到合同履约，实时查看履约状态，强化合同履约和监管能力[15]。利用系统平台信息建立工程成本数据库，并按一定周期调整维护，利用平台的统计分析能力自动完成相关分析并生成报表。选择BIM模型后可根据系统平台WBS结构树查询各单位工程人、材、机的投入情况并显示相关成本、时间、工序关系等信息。当实际成本与预算存在较大误差时，开展预警措施，并对工程单元成本进行评价，分析成本误差原因，并及时修正成本计划。

6 结 语

三维可视化管理平台采用一体化平台构建模式以及设计施工交叉互动互补的工作机制，可实现动态、集成和可视化的施工管理，较传统管理平台界面更加简易清晰可以更好的发挥BIM技术先天的直观性优势，在管理工作中可极大提高工作效率、降低管理工作难度，并且在电站的工程建设中得到实践检验。另外，本平台预留了数据接口可以轻易的与VR、AR、5G等技术相结合，使工程管理技术得到再次的提升，具备很大再开发潜力。