基于BIM技术的陶岔渠首工程运行管理研究与实践

冯敏 冯党 贾宁霄

摘要： BIM技术不仅能提升工程勘察设计工作质效，更可作为贯穿工程全生命周期管理的信息载体，实现工程建设、运行的数字化管理。为提升南水北调中线陶岔渠首工程管理工作效率，基于枢纽工程设施设备的BIM模型和三維实景模型，集成工程已建相关运行监控自动化系统中的业务数据，研发了基于BIM技术的陶岔渠首工程运行管理系统，实现了枢纽工程三维场景的交互式展示，以及工程运行状态、视频监控、安全监测等信息的实时查询。BIM模型数据和业务数据的融合，可最大程度实现工程运行的综合效益，提升工程的数字化、智能化和精细化管理水平。

关键词：陶岔渠首工程; 枢纽工程; 运行管理; BIM; 系统集成; 数字化; 南水北调中线工程

中图法分类号：TV698 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.010

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0055 - 06

0 引 言

BIM是建筑物信息模型（Building Information Modeling）的缩写。BIM以三维数字技术为基础，通过集成建筑工程中提供的数据信息，来模拟建筑物所具有的真实信息[1]。虽然中国BIM技术起步较晚，但得益于政策支持，BIM技术实现了快速普及和深度应用[2]，特别是随着中国城市信息化建设的推进，智慧城市“数字孪生”应用不断拓展，BIM技术作为数字孪生底座构建的支撑技术，其强大的数据集成和协同管理能力[3]可为工程智慧化管理提供重要的技术支撑。

当前，BIM技术在各建筑领域逐步由单独应用向与其他先进技术或应用系统集成的方向演进。数字管理系统基于BIM技术获得了持续发展[4]。这类管理系统在展示方面优势明显，并能为多类型业务数据融合提供数据基础[5]。

对于水利水电工程的BIM集成应用，在工程建设管理方面，向弘等[6]以BIM技术为基础建设“数字黄登大坝使用信息化系统”，实现了大坝混凝土从原材料、生产、运输、浇筑到运行的全面质量监控;鄢江平等[7]在杨房沟水电站建设管理中，建设了基于多维BIM的杨房沟设计施工BIM管理系统，有效提升了工程总承包模式下的建设管理水平;杜灿阳等[8]基于施工阶段BIM技术的集成应用，搭建了多维度数据管理支撑平台，实现精确、可视化的工程管理。

在工程运行维护管理方面，将BIM技术集成应用在水利水电工程运维管理中的案例较少，且多聚焦于工程可视化展示，未与业务管理流程进行深度融合。

1 研究背景

南水北调中线陶岔渠首枢纽工程位于河南省淅川县九重镇陶岔村，既是南水北调中线输水总干渠的引水渠首，也是丹江口水库副坝、南水北调中线工程的标志性建筑物，是向中国北方京津冀豫送水的“总阀门”[9]。

陶岔渠首枢纽工程已正式建成并通水，各类设施设备的运行管理直接关系着整个中线工程运行的安全稳定和供水效果。工程现有闸站监控、安全监测、视频监控、消防联网、动力环境监控、光缆监控等多个管理系统。在陶岔渠首枢纽工程运行管理过程中，由于各系统独立运行，缺少互联互通与信息共享的机制，导致各类监测数据以不同的格式分散在各个系统之中，形成了“信息孤岛”。信息孤岛制约了数据的共享与应用[10]，管理人员查看不同系统中信息时需到对应系统中查看，不便于全面了解工程运行、日常维护管理情况，也不利于综合管理及数据分析。

为了提升项目运营期整体管理水平，结合近年来BIM技术的发展，充分发挥BIM技术的集成拓展能力，构建以BIM模型为基础的数字资产，集成运维期的动态管理信息，加强业务流程优化再造，实现集首页监控、数字模型管理、物资管理、监控监测及应急管理、数据资料管理、用户管理和移动应用等多功能于一体的陶岔渠首枢纽工程数字管理体系，降低了工程的运行维护成本，最大程度发挥设施设备的综合作用，提升了工程的数字化、智能化、精细化管理水平。

2 主要建设内容及关键技术问题

本文旨在结合BIM技术，建设一套用于工程运行管理的可视化平台，实现在一个平台下对工程区地理空间数据、三维实景和BIM数据等可视化数据的集成管理与展示，并接入已有监控、监测等实时感知数据，对业务流程进行融合和再造。通过统一的平台存储和管理，在三维可视化环境中，实现基于BIM模型的工程信息查询及运维状态实时监管，全方位掌控工程管理范围内的综合态势。

2.1 基于统一技术标准及规范的可视化数据资源建设

面向工程数字化管理需求，基于一致的技术标准，实现空间对象的管理和已有资源的汇聚整合，构建工程数字资产。面向运维期工程管理进行数据资源规划，在遵循统一的地理空间框架、空间对象编码、数据模型配置的原则基础上，将不同专业、不同系统来源中的空间地理数据（包括基础地理数据、专题地理数据）、管理区三维实景模型、三维建筑物BIM模型和其他模型数据等，纳入到统一的框架下进行数据资源整体规划建设，如图1所示。

为满足信息集成和管理需求，针对陶岔渠首枢纽工程设施设备种类多且数量大的特点，总结形成了一套按专业、功能、区域划分的BIM模型唯一分类编码规则，保障BIM模型数据的有效组织和管理。BIM模型创建完成后，通过数据交换、属性集成、几何轻量化等技术手段，将BIM数据与GIS、三维实景模型等数据深度融合，为后续业务模块研发提供可视化支撑。

2.2 服务于工程数字化管理的数据库整编与建设

在工程BIM模型和工程区三维实景模型等可视化数据资源建设的基础上，收集、整编设计图纸，设计通知，施工记录等档案资料并进行数字化处理;整理汇总应急、物资等数据资料，并按照对象编码规则整编入库;从已建业务系统的数据库中抽取所需数据到本系统数据库中，最终形成“对下汇集数据、对上支撑应用”的工程综合监控监测数据库，全方位服务于工程数字化管理，提高工程管理效率。

2.3 多源数据汇聚和综合展示的信息集成管理平台建设

系统需集成闸站监控、安全监测、视频监控、安防综合监控等多个系统的数据资源，实时性要求高，涉及不同厂商的设备、不同数据格式和协议，涉及专业多，系统数据接口复杂。

基于上述边界条件，平台建设中统筹考虑了已建系统和未来新增系统，在满足已有数据和新增数据的集成需求基础上，采用面向服务的体系架构设计思路，充分利用SOA粗粒度、松耦合服务架构，构建统一的信息管理平台，以国际标准和国家标准为基础，制定相应的数据标准及规范，以利于对分散的不同专业、不同专题数据进行高效整合和综合利用，实现多源数据的汇聚、分析和展示。

2.4 基于多维信息融合和业务协同体系的功能模块建设

基于多源数据汇聚的可视化集成管理平台和已建工程数字资产，实现多维信息的融合，按照业务管理需求，开展业务流程优化及再造，利用高效可靠的消息传递机制，形成统一整体、协调有序的应用集成体系。从工程运行调度、应急管理、资产管理等角度，梳理业务流程，构建监测监控管理、数据模型管理、物资资产管理等功能模块，全方位服务于工程运行维护管理。

3 系统主要功能

3.1 总体架构

为保证研发系统的开放性和兼容性并为后续业务扩展提供标准化支撑，研发采用先进、成熟的SOA（面向服务的体系架构）的设计思想，基于B/S架构，充分利用SOA粗粒度、松耦合服务架构[11]，将不同的功能组件、不同的数据都定义为服务。系统和系统之间通过服务定义接口，以统一通用的方式进行交互，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，也不涉及底层编程接口和通讯模型。系统总体架构如图2所示。

3.2 主要功能

系统实现的主要功能包括可视化场景与数字模型的管理、监测监控信息的管理、物资资产的管理、应急管理、数据资料管理、用户管理以及移动应用系统，涵盖了工程运行维护的主要管理内容。

3.2.1 首页监控

系统首页作为陶岔渠首运维管理的数字化门户，其以工程区域的可视化场景为载体，展示工程运行维护管理过程中重要设施设备的运行状态、涉及工程稳定运行的关键性指标，供项目运维管理人员总览。首页中，重要设施设备主要有运行闸门、电厂机组以及一系列安全监测仪器，关键性指标主要有相关水雨情信息、监测数据预警指标等，如图3所示。

3.2.2 数字模型管理

数字模型管理功能模块（图4）是本研究的核心开发模块，主要对工程管理范围内的基础地理要素、倾斜摄影模型、地形地质、建筑物、设施设备BIM模型等工程可视化模型数据进行结构化管理，通过动态交互的可视化手段，解决宏观微观、地上地下、室内外一体化漫游，实现对工程管理范围内设施设备BIM模型、三维地质模型、安全监测模型及其他建筑模型数据等在系统中的属性信息查询、挂接、编辑、修改和输出等功能，以及设施设备BIM模型和安全监测模型的空间分布管理和空间定位等，同时以BIM模型为基础，集成运维管理过程中的管理信息，便于用户查找模型和了解模型相关属性、文档。

3.2.3 监控监测管理

监控监测管理模块，如图5所示，主要以工程运维期BIM模型为载体，实现陶岔渠首枢纽工程现有监控监测系统（闸站监控系统、安全监测系统、视频监控系统、安防视频监控系统、工程巡查实时监管系统等）在一个平台下的统一管控，即根据现有监控监测系统的数据调用接口、视频通讯标准和网络传输协议等，实现对各已有监测监控系统的单点登录;实现工程运行维护管理系统所需数据的传输集成和综合利用;通过显示板监控界面，灵活安排并集中监控各种设备;对于开放控制权限的设备，可以直接通过鼠标点击相应图标或三维模型的方式来控制各种设备;预留了扩展接口，满足后续子系统的接入和集成。此外，还能实现工程实时监控、预警预报、历史数据查询和报表输出打印等。

3.2.4 物资资产管理

物资管理模块主要对物资采购、库存、入库、出库方式进行标准化和数字化管理，解决传统非自动化、以纸张文件为基础的人工记录管理方式管理效率低下的问题，使管理员能够方便地追踪物資动态，迅速获取库存信息，提高工作中物资管理的效率及水平。

3.2.5 应急管理

应急管理模块主要将工程应急预案中的适用范围、组织体系与职责分工、分级标准、应急资源、处置方法等应急相关信息、应急流程信息进行数字化存储，形成预案库，为预案启动的数字方案生成提供信息要素。该模块包括应急预案管理、应急物资及设施管理、应急组织机构及人员管理、应急处置流程管理、应急响应调度管理等功能。

3.2.6 数据资料管理

数据资料管理可实现多种数据资料和BIM模型的编辑挂靠，从而实现对渠首工程管理过程中的历史文档、视频、影像、图表等数据资料的管理。系统提供资料的上传、查询、增加、删除、下载或打印功能。用户可以根据自己的需要按文档名称、文档类型、上传时间、上传单位等条件对数据资料进行检索，快速找到所需文档。

4 主要创新点

（1） 多物理、多尺寸数据建模与融合技术。由于水利水电工程运行环境的复杂性和多变性，需要对工程中的物理对象进行忠实反映，因此虚拟模型需具备多源异构数据的实时感知和互联能力。本项目面向水利水电工程数字化管理需求，分别构建了工程区域倾斜摄影模型、设施设备BIM模型等不同尺度数据模型，基于3DGIS-Ark（方舟）系统[12]，以OpenGL为基础，采用了OSG技术，解决了包括点云数据在内的海量地理数据集成与调度、水工建筑与三维地形无缝镶嵌、BIM模型和地质模型集成与融合等问题。

（2） 全要素、全流程、全业务集成与融合。经过物理融合、模型融合和数据融合，构建了基于BIM技术的运行维护管理系统，对管理过程中的要素进行梳理和融合，对业务流程进行优化和再造，对已有业务系统进行集成和整合，将智能运行、精准管控和可靠的运维服务以更直观、更便捷、更全面的方式提供给用户，实现资源的合理配置，提高运行管理的效率。

5 結 语

随着“十四五”期间新型基础设施建设的逐渐深入，信息技术与水利水电工程传统运行管理的融合将进一步加快，传统运行过程中存在的人工依赖度高、数据共享分析难、利用率低等一系列问题都逐步具备了解决方案。

将BIM，GIS等新一代信息技术运用于水利水电工程建设与运行管理，实现以水利信息化驱动水利现代化发展，是新时代创新驱动发展的需要。该研究立足于已建枢纽工程运维期管理需求，基于BIM技术开发了一体化运维管理平台，对已建工程进行信息化改造及升级应用，可为同类已建水利枢纽工程信息化改造提供参考与借鉴。

系统建成后将部署于陶岔管理处，实现集监控、监测及枢纽工程主要运行管理数据为一体的“一张图管理”，运维管理人员可基于三维可视化场景进行工程历史资料的追溯、实时感知信息的查询、分析及预判，全方位掌握工程管理范围内的综合态势，从而提高工程运维管理的运行效率。

参考文献：

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[6] 向弘，杨梅，郑爱武，等. 数字黄登·大坝施工管理信息化系统的研发与应用[C]//中国大坝协会、西班牙大坝委员会.水电可持续发展与碾压混凝土坝建设的技术进展：中国大坝协会2015学术年会论文集. 北京：中国大坝协会， 2015：70-77.

[7] 鄢江平，翟海峰. 杨房沟水电站建设质量智慧管理系统的研发及应用[J].长江科学院院报，2020，37（12）：169-175，182.

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[9] 谢波，敖昕，邓迎. 南水北调中线一期工程陶岔渠首枢纽设计研究[J]. 人民长江，2010，41（16）：24-27.

[10] 张莉，马广利. 水利工程信息化管理探析[J]. 城市建设理论研究，2016（10）：792.

[11] 贾佳，苗彦涛. 一种基于SOA的安全管理框架设计[J]. 通信技术，2020， 53（7）：1774-1779.

[12] 唐湘茜，马瑞，杨喆. 三维地理信息平台——方舟[J]. 水利水电快报， 2019，40（7）：6-7.

（编辑：高小雲）

Research on operation and management of Taocha canal head operation

based on BIM technology

FENG Min1， FENG Dang2， JIA Ningxiao1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. Canal Head Sub-bureau of Main Canal Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， Nanyang  473000， China）

Abstract： BIM can not only be adopted to improve quality and efficiency in engineering survey and design stage， but also be as an information carrier for realizing the digital management during construction and operation stage for the whole project life cycle. In order to improve the management efficiency for Taocha canal head of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion ， using BIM model and three-dimensional landscape model of constructing facilities and equipment of Taocha canal head， and integrating the information of the established operation and monitoring automation systems， the operation and management system of Taocha canal head is developed based on BIM technology. By this system， interactive exhibition of three-dimensional scene is realized， and engineering operation， monitoring information can be found in real time. The combination of BIM model and operation data can maximize the comprehensive benefits of facilities and equipment， improve the digital， intelligent， and fine management level of the canal head.

Key words： Taocha canal head project; water control engineering; operation management; BIM; system integration; digital management; Middle Route Project of South-toNorth Water Diversion