基于BIM+IoT+AI 的南湖水系治理智慧管理及应用

魏志杰，翟国师

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

引言

随着国务院发布“水污染防治行动计划”（即“水十条”），以及迫在眉睫的“碳达峰”和“碳中和”任务，以流域综合治理和生态环境修复为代表的水环境治理成为实现区域绿色协调发展战略的重要举措。湿地建设、流域治理等水环境项目具有点多、线长、面广、边界开放等特点，此类项目技术集成度高、资源整合困难、安全管理严苛，以上都对项目管理提出了新的挑战。

当前全球物联网、大数据、云计算、移动互联网等信息技术发展迅速、应用广泛，“智慧城市”的理念在国内也得到广泛认同[1]。当前在智慧城市建设大背景下，智慧水务的构想应运而生，国内学者做了积极的探索，将其作为水务事业发展、优化行业管理与提升服务水平的重要支撑和保障[2]。智慧水务的蓬勃发展为在水环境项目管理过程中应用智慧化解决方案提供了借鉴和参考，关键在于如何搭建可靠的系统平台，利用好智能化、信息化设备，提出整套的水环境项目智慧化管理方案。

在勘察设研公司承建的南湖生态环境修复工程设计施工总承包项目中，以项目管理存在的问题为导向，构建基于BIM、物联网及AI 人工智能的智慧水务系统，实现了项目管理的信息化和智慧化。

1 工程概况

1.1 工程背景

南湖位于浙江省嘉兴市区，湖体南北长、东西狭，常年水面面积为0.52 km2，是嘉兴市各主要河流蓄泄的枢纽，是海盐塘、平湖塘、嘉善塘等多条河流的起点、终点交汇处。南湖水体悬浮物（SS）含量较高，透明度较低，总磷（TP）远远高于水环境功能区考核的III 类标准。本工程的实施主要是为改善南湖水体质量，恢复湖区生态系统，实现南湖水质、生态及景观的全面提升。

1.2 工程内容

图1 工程总平面布置

表1 主要工程量

1.3 工程目标

工期目标：开工日期为2020 年11 月3 日，计划完工日期为2021 年5 月15 日；

质量目标：湖区透明度达到0.8～1.0 m，沉水植物覆盖率达25 %。

2 项目管理难点及问题

2.1 专业种类多，现场施工把控难

本工程施工范围包括南湖湖区及主要入湖河道，点多、线长、面广，而且所涉及的施工队伍及专业类型众多，包括水工、金工、土建、水生态、安装等专业。从现场工作量和技术专业性上都对总承包方的项目管理水平提出了挑战，管理信息传达时容易层层剥离，执行力度转移到末端所剩无几。

2.2 核心区施工，管线交叉影响大

本工程施工区域位于嘉兴市的核心区域，湖区及主要入湖河道下方管道密布，根据前期委托的专业资质物探单位对施工区域内的全方位探摸，初步探查发现施工区域内有近40 根管线。管线与施工的交叉影响，直接导致湖区疏浚、钢坝深基坑等施工难度倍增。

2.3 危大工程多，安全管控要求高

本工程钢坝、橡胶坝、过渡设施取水池和调蓄池基坑深度均超过3 m，属于危大工程，其中5 处钢坝基坑深度超过5 m，属于超过一定规模的危大工程。深基坑施工安全风险大，一旦发生基坑透水、坍塌事故，极易造成人员群死群伤。

2.4 景区内施工，文明环保要求高

南湖景区为5A 级景区，且为革命圣地，湖区主管部门多，包含辖区派出所、港航处、海事局、管委会、纪念馆、城管、城投、旅游发展公司等近十家主管单位。景区内人流密度大、湖区游船众多，以上因素都使得本工程的文明施工、环境保护工作上升到前所未有的高度。

2.5 工期压力大，高效管理手段少

本工程工期紧、任务重、压力大，需要在六个多月的时间内完成施工准备、前期协调、工程实施、试运行及验收等工作，目前项目管理的手段和技术水平已无法与项目建设需求相匹配，高效的项目管理手段和技术紧缺。

3 智慧化解决方案

3.1 GIS+BIM 技术

GIS（地理信息系统）是基于计算机的工具，三维GIS 不仅能表达空间对象间的平面和垂向关系，还可以进行空间查询、分析以及统计等操作。BIM 是通过数字信息仿真模拟构建物所具有的真实信息、集成工程设计中各种相关数据的工程信息模型。GIS 提供数字沙盘，BIM 提供建筑物模型，两相结合形成工程管理的全景电子沙盘。

3.2 物联网IoT 技术

物联网是一个基于网络信息世界的承载体，让所有前端的物理设备、设施通过网络形成万物互联的信息综合体。

3.3 AI 人工智能技术

人工智能在工程建设项目管理领域中，应用较为广泛的人工智能技术当属图像识别。

3.4 MIKE21 水动力学模型

MIKE21 是二维水动力学模拟的主要应用工具，MIKE21 HD 模块水动力学模型分析，用于模拟由各种作用力产生的水位及水流变化，可用于忽略分层的各种二维自由表面流的数值模拟。

4 智慧水务平台构建

4.1 系统平台搭建

智慧水务平台是由勘察设研公司研发的基于大数据平台、地理空间库、物联网技术，整合南湖水域及汇流水域、水环境质量监测、水文、钢坝实施监控等数据，构建于一张图的水务综合信息可视化平台。推进水务管理向主动精细、现代高效转变，助力工程建设。

图2 嘉兴南湖智慧运维系统平台

图3 智慧运管平台系统界面

该智慧水务平台可实现以下功能：

1）在线水质监测：在湖区设立水质监测浮标，对南湖水质实时监测。该套设备通过网络接入本平台，以数字形式展现指标，便于精确跟踪水质变化；

2）可视化展示：将拟建工程效果、数值模拟分析成果等以可视化的形式展示在终端大屏，再结合物理沙盘模型，呈现极佳的可视化工程效果展示；

3）形象进度控制：对疏浚、水生态等分区施工区域，按照区块每日更新进度情况，以可视化形式展现施工进度情况；

4）实时监控预警：每个施工地点设立实时监控，并尝试利用AI 图像识别算法自动报警，辅助管理人员识别现场的安全情况，包括电子围栏设置边界、安全防护用品规范佩戴甄别、基坑内作业人数预警等。

4.2 前端数据采集

1）无人机测绘

利用测绘级无人机携带的高清图像、视频采集设备，快速地对地表、地形数据进行采集，获取施工区域的实际图像及平面位置、高程等数据，生成二维、三维可视化数据。

2）在线水质监测

水环境项目通常将水质指标作为考核指标或者管理目标，嘉兴南湖项目一期水质目标为透明度达到0.8～1.0 m，鉴于南湖周边用地非常紧张，无法建立岸边水质监测站。本次在线水质监测设备创新性的采用太阳能浮标作为载体，浮标横向尺寸（直径）0.6 m，整体高度0.7 m，设备本体重量仅为35 kg。主要采集指标为透明度、浊度、溶解氧、PH 值、COD 和氨氮，并实现“零占地、无电源、远程实时”的在线水质监测功能。

图4 在线水质监测

3）智能感知监控

本项目在钢坝、橡胶坝、湖区、干化场地等主要位置安装了十余台智能感知摄像机，负责对视频图像的采集、编码、传输以及报警信号的采集。

图5 智能感知监控

4）水下机器人

对于以水质提升为主要目标的水环境治理项目，沉水植物的恢复及水下生态系统的构建是水质改善的关键。本项目要求湖区沉水植物覆盖率达到25 %，但如何查看深水区沉水植物的生长情况成为困扰着项目管理的一个难题。本项目首次使用水下遥控无人机实现深水区水下拍摄与互动功能，利用虚拟现实设备，景随身行，VR 沉浸式体验，无需下水即可查看水生植物的生长状况。

图6 水下无人机查看沉水植物

4.3 数据处理及效果展示

1）GIS+BIM 数字孪生——与现场1:1 对应，使工程变得生动

智慧水务系统通过现场建模、传感器数据采集、历史数据收集，对多物理量、多尺度、多概率进行仿真，在虚拟空间中完成映射，从而反映工程建设全过程的实景。

图7 工程实景构建

2）物联网IoT 实时监管——现场实时互联，增强与工程的互动

前端水质传感器通过分析各种电导率参数，将监测的电磁信号转换为无线信号，再通过GPRS 传输至网络中，借由服务器主机中网页与图形控制模块，实时监控前端设备的监测值。当监测数据发生异常时，实时发送警告消息，通知值守人员及时处理。同时，现场的监测数据可以通过无线传输技术，使用各种网络终端如PC、PAD、手机端远程监控、校正及下载数据。

图8 在线水质监测数据实时展示

根据从开工之初至施工结束的不间断拍摄，制作延时视频记录工程构筑物的“从无到有”全过程变化。利用单兵执法记录仪，专职安全员在现场安全检查、日常巡视记录将做到“全过程、无死角”覆盖，真正做到安全管理“有据可依、有迹可查”。

水下无人机可同时在多达3 个设备上同时观看分享，支持手机客户端、pad 无线客户端、大屏幕电视/显示器，将水下世界“实时、直观、真实”地展示出来，起到了极佳的宣传效果。

3）AI 人工智能——感知设计、开放平台，让工程更智能

本工程利用智能感知设计的车辆卡口功能，可以实现水环境项目开放边界的电子围栏功能，在项目主要进出道口、南湖湖区主要通道安装智能监控摄像头，可以对进出场施工船舶、土方车辆等进行识别、监控和记录。利用智能感知设计的漂浮物监测预警功能，可以在日常保洁、运营维护期间对湖面垃圾、蓝藻、水葫芦及漂浮物等进行监测预警。为了提高监控的效率，可采用定时抓图并推送给相应责任人，快速了解漂浮物情况，及时组织人员清理。此外，该系统还可实现现场作业人员是否佩戴安全帽甄别、违章堆料识别等，并可在AI 开放平台通过上传样本照片利用机器学习，实现新的模型需求。

图9 AI 人工智能感知设计

4）MIKE21 水动力学模型——数学模型验证，工程问题分析更科学

本项目依托MIKE21 HD 模块，结合本项目现有的工况条件，来模拟测算南湖换水周期、补水沿程变化、受围堰和潮汐等影响之后的补水效果。利用MIKE21 水动力学模型的验证，使得对工程实际问题的分析更加科学、可信。模拟后的成果以分析图表、动画演示的方式呈现在智慧运管平台上，展示出了良好的视觉效果，且问题分析更加直观、更易理解。

5 结语

嘉兴南湖项目智慧运管平台是勘察设研公司首次在水环境转型项目应用实施智慧化管理方案，无论从宣传效果、动态演示等视觉化展示方面，还是监控监测、辅助管理等功能作用方面，智慧运管平台都体现出了良好的应用效果。该系统在水环境转型项目上具有广阔的应用前景。智慧运管平台在界面展示效果、进度管理控制、智能感知功能设计等方面仍需进一步优化，但随着公司不断开拓水环境市场，智慧化管理方案也将在实践应用中不断得到完善。