BIM技术与物联网技术在供水运维管理中的应用

作者简介：樊明明（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为给水规划和设计。

摘 要：随着社会经济不断发展，城市化进程不断深入，城市供水量和供水范围逐渐拓展，对供水系统运行经济效益与安全稳定性的要求不断提高，但目前我国大部分水厂的供水调度仍然在利用传统方法在进行调控，导致城市供水出现供水压力高、能源浪费等问题。因此，要对城市供水管网进行合理优化，有效改善管网运行状况。本文是通过使用建筑信息模型技术构建水厂泵站三维可视化模型，并集合所有位置信息和构建参数信息，利用物联网技术来对管网运行数据进行合理监督，并将数据实时呈现在供水监控平台上，让整个供水运维管理过程更加便捷和直观。

关键词：BIM  物联网  供水运维  应用

中图分类号：TU991

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3821

Abstract： With the continuous development of social economy and the deepening of urbanization， the amount and scope of urban water supply are gradually expanded， and the requirements for the economic benefits， safety and stability of water supply system are continuously improved. However， at present， the water supply dispatching of most water plants in China is still regulated by traditional methods， resulting in problems such as high water supply pressure and energy waste. Therefore， the urban water supply network should be reasonably optimized to effectively improve the operation of the network. This paper constructs a three-dimensional visual model of water plant and pump station by using building information model technology， collects all location information and construction parameter information， uses Internet of things technology to reasonably supervise the operation data of pipe network， and presents the data on the water supply monitoring platform in real time， so as to make the whole water supply operation and maintenance management process more convenient and intuitive.

Key Words： BIM; Internet of things; Water supply operation and maintenance; application

随着城市规模不断拓展，人口数量不断增加，供水系统作为城市重要的基础设施，在供水面积、管线复杂度等方面不断提升。根据2018年有关人员统计发现，我国每年水的供应转换为标准煤大约在1364.99万t，占据总煤数量的0.32%，全年电力消费总量为61 297.09亿千万，而用于水的供应和产生为439.89亿。从上述数据不难发现，供水行业对能源消耗占据比例在我国政府大力提出节能减排背景下，给供水企业带来严峻挑战。根据统计我国人均水资源占有量仅有2100m3，目前全国城市有一半以上是停留在缺水状态，其中有1/3城市属于严重缺水状态，确在全国各省自来水公司所生产的421.7亿m3水中，其管网渗漏量就高达90亿力方面，占据总供水量21.2%，个别地区出现严重的供水压力大、管网老化等问题，给我国本就紧张的水资源雪上加霜，水资源的浪费不仅加强了供水企业的供水成本，还加重了供水管网系统的不稳定性。而智慧调度不仅能提高水资源利用率，还能降低供水方式的压力，所以智慧调度对供水具有至关重要的作用，也成为当前最需要解决的问题。

1供水管网三维可视化研究

1.1 BIM技术概述

BIM被国内专业人员称为建筑信息模型，是现代建筑工程项目实际运行中最主要的数据收集模型。它蕴含各种知识，如建筑工程几何学、建筑工程的性质和原件数量等元素。该技术主要以数字化技术为基础，实现工程项目资源共享，紧接着以建设工程项目资源数据为载体，在计算机当中形成建设工程的真实信息，通过三维模型的方式将建设工程项目详细信息显示在软件上，进一步加强对整个建设工程项目的严格管理和把控，確保建设工程项目的效率和质量。BIM技术作为一种效率最高的管理方式，能够对BIM系统当中的数据进行详细分析和共享，将建设参与方职责进行落实，为建设工程项目决策提供有力支持。为设计团队和建筑团队提供最科学、最合理的策略，从而有效提高设计的合理性和实用性，构建最真实的对数字信息仿真模拟数据。

1.2BIM技术应用于供水管网运维的优势

运维阶段在整个项目全生命周期中占据较大比例，其能持续一段时间，对于提高运维效率和项目经济效益具有至关重要的作用。但由于目前很多供水管网运维仍然停留在二维阶段，其运维数据过于模糊不清，甚至对于一些运维数据只进行简单记录，这种运维管理会给供水带来大量浪费。而通过利用BIM技术可构建管网三维可视化模型，可将管网内所有构件都显示在模型中，及时查询构建全部属性信息，管理人员能清楚认知到各部分数据信息，对数据进行分析，及时进行优化调度，提高运维管理效率[1]。

1.3 BIM技术建立水厂泵站三维模型

供水管网为基础构建三维模型，从表面上看，可分为水厂、加压泵站、高位水池、供水管线等几个环节，由于本次管网优化运维主要以水厂泵站优化调度为主体，因此要将BIM建模集中在水厂部分。水泵厂作为基础，应用BIM技术对相关管网系统建立三维信息模型，其中包括泵房、泵、管线、阀门等构件。利用Revit软件能将管网系统的所有图形样式、属性信息等方面数据进行全部纳入到模型中，并将不同模型位置都标注在模型内，让整个供水管网更加直观。而目前构建供水系统的BIM模型主要由2个部分组成[2]。

1.3.1 水厂及泵站三维模型

相较于传统二维图形，BIM三维信息模型具有较强的可视化和模拟性，能让不同监测点和供水设备位置完全呈现在管理人员眼前，管理人员能通过模型对供水管网数据进行实施监督，从而提高监督的便捷性和效率性，由于一般水厂总体部署有加药间、加氯间、仓库、综合水处理单元、两个清水池、送水泵房等部分。综合水处理单元主要作用是将从水源地输送来的水经过混凝、沉淀、消毒等处理使其达到供水标准。

1.3.2 构件参数输入

构建供水管网BIM模型的目的不单单是为了实现三维可视化，更是为了获得其共享参数，再将共享参数纳入到项目参数内，再利用软件自身携带的统计功能来自动生成明细表。例如，在水泵房内安装压力表和流量表，使用物联网设备将所有信号进行相互传递，再对三维模型内共享参数的空间位置进行标注，可在运维平台上清晰显示仪表的位置、参数等方面信息[3]。

2 物联网数据采集研究

2.1 监测点布局

基于本次对供水管网优化调度的研究，主要涵盖水厂出水流量、压力数据、供水管道压力等方面数据。而水厂泵站压力流量数据一般是在水泵出水口安装流量和压力计来进行监督管理，通过压力数据显示，在开展数据分析时，正常情况下压力监测点数据越多，模型会趋向于正确，但如果将所有的测压点数据全部投入使用，不仅会降低网络驯化速度，还会导致出现数据异常的问题，会给网络精度造成严重影响。因此，在正常情况下要选取几个准确的测压点作为主体，来代表整个供水管网运行状况，同时作为后续数据分析与应用的数据源头。同时，管网测压点选取时应严格遵循下面几个原则：第一，测压电应选择靠近管网水利分界线位置;第二，选择管网水利控制点附件的测压电;第三，选择用水量较大的用户附件的压力监测点;第四，压力监测点主要布置在重要用水区域;第五，选择大管径交叉处附件的压力监测点;第六，反映管网运行情况;第七，选择管网中低压区压力监测点;第八，两个管网压力监测点之间的距离不能过近。

2.2 NB-IoT 技术优势

NB-IoT技术自身存在具有低成本、广覆盖等特征。而NB-IoT技术成本低特征主要体现在以下两个方面：一方面，网络部署成本低，NB-IoT技术可使用LTE现有技术和基站，由于NB-IoT和LTE两者之间具有较强的兼容性，可有效共享硬件设备和频谱，避免出现系统共存的问题;另一方面，设备成本低，往往只用一根接收天线，并且对于内存并不需要具有更高要求，仅需要一个500KB容量的内容就能够实现[4]。基于NB-IoT技术的物联网设备电池寿命较长，一般电池的寿命可达到十年，而归根结底是由于其使用PSM技术和eDRX技术，在PSM模式下的终端设备绝大部分时间都是停留在休眠状态，只有当设备数据达到设定时间后，才会被正式激活，给移动终端发送正确信号，这种模式可有效节约电源。eDRX作为Rel-13标准最独有的特征，能够在空闲模式进行长时间的睡眠，避免接收设备遇到不必要问题进行启动，给自身能源造成损害。而这种方式与PSM对比，有效优化了下行链路的可达性。在相同的频段下，NB-IoT技术的覆盖面积要远超过传统GPRS技术，其增益性甚至能达到20dB，并且其信号具有较强的穿透力;同时，NB-IoT自身具有連接多台设备的特点，可确保扇区能同时连接多个设备。根据上述所言，NB-IoT技术自身存在很多方面的优点，可为供水管网压力流量数据采集与传输提供了强有力的技术支持[5]。

2.3 物联网数据采集设备

本次研究所涉及的物联网数据采集设备主要包含流量计和压力计，流量计通常会使用LDG-MIK流量计，其量程范围在正常情况下仅为0～2000m3/h，工作温度范围在-40～200℃之间;而压力计通常会采用DYW3-1压力计，量程范围在0～0.8MPa，工作温度范围在-30～40℃。可使用NB-IoT无线通信模块来实现对供水管网监测设备的远程数据传输功能。同时，在供水系统使用的是BC28无线通信模块，其自身具备超紧凑、高性能、低功耗等优势，利用LCC，可实现B1/B20/B28频段（如表1所示）。该无线通信模块尺寸为17.7mm×15.8mm×2.0mm，能在某个方面尽可能满足用户对于不同产品尺寸的需求，目前已在各个领域得到使用[6]。

2.4 NB-IoT网络架构

NB-IoT网络架构主要分为感知层、网络层、应用层3个部分。感知层是NB-IoT的终端，是由压力和流量采集设备与物联网数据传输模块集成的数据传输模组组成的，主要作用是采集并传回压力流量数据。网络层主要作用是为NB-IoT设备提供无线接入服务，通过运商架设的LTE基站部署设备，并利用NB-IoT核心网存储压力流量数据，并上传至供水管网管控平台。应用层主要是供水管网管控平台，将采集到的数据保存，并实时显示在平台中，进而对数据进行分析，为管网优化调度提供数据支持[7]。

3 结语

综上所述，本文以BIM技术与物联网技术理论知识为切入点，再通过利用BIM技术构建供水管网三维可视化模型，其模型内概括了管网系统所有设施，可及时查看全部的参数信息和属性信息，有利于管理人员有效管理供水网管，提高管理的效率和质量，同时可在管道上安装物联网设备，将流量信息和管理压力及时传输到控制平台，实现远程控制，及时优化管理方式，提高供水运维效率。

参考文献

[1] 王威，丛旭，武佳佳，等.城市供水管网漏损动态预测的Bootstrap-Lee-Carter模型[J].中国安全生产科学技术，2021，17（6）：30-35.

[2] 张晓斌，傅渝亮，汪顺生，等.基于AHM-CRITIC赋权的城市综合节水水平评价研究[J].人民长江，2021，52（8）：113-119.

[3] 刘新月，邓帮武，陈晔斌，等.基于EPANET的市政管网二次供水设备数值模拟研究[J].水电能源科学，2021，39（7）：117-120，139.

[4] 常魁.城市供水专项规划中管网分区方法探讨——以哈尔滨市供水专项规划为例[J].净水技术，2019，38（6）：46-50.

[5] 薛峰.节约型城市中供水管网漏损检测与治理研究——以上海青浦区为例[J].环境科学与管理，2019，44（3）：108-113.

[6] 朱鹤云.城市市政管网运维安全风险与可恢复性研究——以某区域供水管网系统为例[D].上海：同济大学，2017.

[7] 接志远.基于NB--IoT通信的信息传输装置在供水管网的应用研究[D].合肥：安徽大学，2019.