基于BIM 和GIS 的三维实景智慧港口研究与应用

黄 洋，刘华山，亢保军

（1.连云港港口工程设计研究院有限公司，222042；2.连云港港口控股集团技术研发中心，222042；3.连云港港口控股集团赣榆有限公司，222100；4.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，300220）

引言

传统港口企业在发展中遇到建设规划不够精细、人力资源成本高、安全风险管控难、运营管理效率低等问题，促进传统港口向智慧港口转型升级，智慧港口体系的构建已然成为各港口企业数字化转型中非常重要的内容。

“智慧港口”这个概念由来已久，系统创建所用的核心技术也从最初的二维GIS 全面升级到三维GIS，并融入地方CIM 级城市管理系统。随着信息技术的发展，不断有诸如倾斜摄影测量、激光三维扫描、建筑信息模型（BIM）、物联网等新技术加入到智慧城市框架之中，推动智慧城市与城市各要素深度融合，作为智慧城市的衍生物，这些新技术的加入也推动着智慧港口的体系迭代。智慧港口以物联网为核心，通过一系列技术工具，在全生命周期的时间维度上，在完整覆盖港区范围的空间维度上，实现多源信息的整合和管理，辅助分析和决策，提升港口各部门的协同配合。

交通运输部等多部委联合印发的《智慧航运发展指导意见》中对港口码头和航运基础设施的信息化智能化水平都提出了新的要求，要求推广建筑信息模型（BIM）技术在港口和航道工程设计、施工、运维等方面的应用，提升港口工程建设安全、效率、质量和经济性。

赣榆港区作为连云港港口基础设施建设的重点区域，迫切需要信息化技术解决项目空间规划和项目建管问题，从项目可研阶段的三维场景应用，到设计阶段的BIM 应用，再到项目实施阶段的精细化管控，最后到工程竣工交付后的智慧运维应用[1]，项目信息在不同阶段有不同的表现形式和信息深度，方便各参与方基于共同的平台开展工作，向上与城市级CIM 平台对接，向下与施工管理平台和智慧工地平台对接，横向与运维平台和生产运营平台对接，形成协同应用环境，为赣榆港区今后的生产运营和基础设施维护奠定信息化基础和数字底座。

港口工程项目建设周期紧，建设管理数据繁杂，数字化的管理手段对数据本身的质量也提出了更高的要求。连云港港口自2018 年在工程项目建设中展开BIM 技术应用，大多局限于阶段性的BIM应用，BIM 与GIS 的融合深度较低，工程项目工可决策阶段很少应用三维可视化技术，缺乏能够整合各方数据的统一应用平台。

1 系统总体设计

本文以连云港赣榆港区三维实景智慧港口系统开发为例，提出一种基于BIM-GIS 技术的智慧港口系统构建的思路及总体框架。

1.1 设计思路

BIM（建筑信息模型）的本质是一种满足设计成果表达效果和具有三维视觉体验的工程信息数据库[2]。随着数字孪生技术（DT）和城市信息模型（CIM）在城市管理中的不断深入应用，以三维GIS平台为基础的多源数据融合优势愈发明朗，BIM 和GIS 技术的结合将是智慧港口建设的主流方向。

GIS（地理信息系统）本质是一种依托空间基准对具有空间属性信息的二维三维进行管理的数据库。三维GIS 可为BIM 在项目整个生命周期的实施提供三维表现的基础、空间分析的能力以及模型沟通的平台[3]，BIM 模型作为三维GIS 重要的数据来源，富含微观信息的BIM 模型能够和宏观领域的GIS 信息完美互补[4]。

通过BIM 与三维GIS 的结合，把港口的规划评估、工程项目管理、基础设施管理、动态监测的数据资料进行归集管理，以三维实景智慧港口系统的形式为不同阶段、不同需求的决策提供服务。

平台选型。目前主流GIS 开发平台有ArcGIS、SuperMap、Skyline、CityMaker 等[5]。各平台的信息管理功能均满足要求，主要考虑大场景下的精细BIM 模型、倾斜摄影模型以及激光点云在GIS 平台的运行效率。综合考虑平台性能及建设成本，最终选用Skyline 作为三维实景智慧港口的开发平台。

BIM 和GIS 的多源数据融合。整合港区的各种数据，数据按类别分类管理，并按照业务需求合理分层，相同类型的要素应按同一图层组织，依托GIS 系统强大的信息管理能力，以目录树的形式分类管理。

三维GIS 数据包括：遥感数据、DEM 数据、无人机航拍正射影像、DSM 数据、倾斜摄影测量模型、三维激光扫描模型。

BIM 模型数据包括：项目全生命周期各阶段不同LOD 等级的模型数据[6]。

专题业务数据包括：港口房屋设施、码头泊位、岸线、管廊、铁路、疏港公路、港池、地下管线、航道、堆场、供电、通讯等的矢量图、规划数据、建设项目数据、建设项目审批数据、施工数据等静态数据，还有物联网传感器、摄像头采集的各类动态数据。

平台构建。基于.NET framework 和Skyline 二次开发，采用C#编程语言，后台数据库采用Oracle。

1.2 系统架构

本系统采用COM 和SOA 架构，共分为五层：感知层负责收集港口动态监测信息；基础设施层负责为平台提供数据存储、管理、传输的软硬件基础；数据层负责各类数据的存储；服务支撑层提供图形、流程、搜索、数据交换等工作引擎，承上启下支撑数据层与业务应用；应用层实现应用逻辑及各类专题功能。如图1 所示。

图1 总体架构图

2 系统功能实现

2.1 基础功能

平台在三维环境中添加港口底图数据和基础标注数据，便于用户进行全局查看。为方便用户系统操作，快速浏览兴趣点，系统囊括了GIS 系统具备的空间分析功能，包括:搜索、基本的缩放、平移、漫游及旋转功能，用户可自由定位并选择合适的视角进行兴趣点查看。

2.2 港口规划评估

BIM 模型提供规划建筑物包含内部信息的精细化模型，而GIS 技术重点实现港口规划模型在大场景、大尺度下的宏观展现与集成，以及与国土空间规划的有效衔接。因此，在传统基于GIS 技术的规划框架中引入BIM 模型数据，可以更好地处理好不同部门之间的数据传递共享问题。

2.3 工程项目管理模块

依靠传统的项目管理手段和人力资源使用方式已经无法满足现实需要和建筑行业信息化发展趋势的要求。基于GIS 系统所构建的三维可视化的空间信息基础，给工程项目管理带来了全新的体验和组织方式。基于BIM 模型蕴含的大量项目属性信息资源，可以做到工程进度、物料、人力、资金、安全、质量等一系列多维度信息的高度融合。项目现场的三维实景可视化场景又是“智慧工地”的重要基础。如图2 所示。

图2 项目管理模块

2.4 基础设施管理模块

数字孪生技术可为港口构（建）筑物提供完整的设施设备管理框架，叠加诸如设施设备动态监测信息、设备巡检维护信息等数据，实现更精细化更智能的动态管理。港口分散的设施设备被分配独一无二的ID 信息，并纳入数字孪生平台与地理空间信息深度绑定，基于数据中台的算力，能够实时监测状态信息，并对状态做出判断，为维护巡检提供动态指令。

2.5 地下管线综合管理

连云港赣榆港区仍处于开发建设阶段，既有管网存量较少，在建设期中同步积累地下管线数据，既可以省去后期重新做管线探测的巨额投入，又可以为建设项目提供数据支持，从实用性和经济效益两个层面考虑，都具有巨大的价值和意义。如图3所示。

图3 管线综合管理模块

2.6 港区动态监测

通过物联网和5G 技术链接港区现场环境监测设备，可实时查看各种气象和环境监测指标，如果超过预警值，则自动提醒管理人员进行人工干预。使用环境监测系统，可对港区施工作业区和生产运营区的粉尘、噪声、温湿度、可燃和有毒有害气体浓度进行精准监控，辅助危化品风险识别与响应。通过安装在设施设备上关键节点的传感器，数据中心可以不间断获取设施设备状态信息，评估设施设备健康度，在达到危险区间时，自动反馈给维保人员，并可以集成维护保养计划，提醒作业人员按时维护。如图4 所示。

图4 动态监测模块

3 效益分析

1）地形图测绘及土方量计算：由传统测量方式转变为无人机倾斜摄影测量的方式，每平方公里可节约15 万元。

2）港区航道和港池水深测量：利用三维数字海底地形建模技术和历史回溯大数据，建立航道和港池回淤分析模型，可以减少航道和港池水深测量的频率，每年各节约40 万元和100 万元。

3）档案管理：通过孪生平台强大的数据管理能力，可用于档案管理工作，每年节省30 万元。

4）管线管理：在项目建设过程中维护和完善地下管网数据，可为未来节省管线探测的费用，并降低新项目建设中可能的管网破坏风险。

5）地质信息管理：利用零散项目的三维地质信息集成为港区整体的三维地质模型，减少项目前期重复的勘察费用。

6）效率提升：通过三维实景数字孪生平台做会议汇报，增强了汇报的直观性和空间量测准确性，节约了汇报时间，大大提高了参会者的认知效率，提升决策科学性。

4 结语

本文论述了基于BIM 和GIS 技术的三维实景智慧港口实现的关键技术和建设思路，实现了多源异构数据融合下的各种业务功能[7]。搭建的基于BIM和GIS技术的智慧港口系统为港口管理人员提供了一个三维实景可视化的综合管控集成平台，为港口数字化转型奠定了数字基底，提高了港口规划管理运营的管理效能。