基于BIM+GIS的水利水电工程综合应用平台设计与实现

补舒棋，毛拥政，史宏波，张 伟，刘 冬

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

0 引言

近年来BIM技术在大型水利水电工程的应用已基本形成了相应的解决技术方案，随着工程数字化技术、BIM+GIS、物联网、云计算、大数据、可视化技术等技术在智慧水利、智慧交通、智慧城市等行业领域的不断深入应用，使项目参建各单位能够基于以上技术在工程设计阶段、建设期和运维管理期实现项目全生命周期的决策和管理，形成资源共享、协同管理，如“数字那棱格勒河”研发了基于BIM+GIS建设管理的通用APaaS可视化开发平台及其引擎体系，实现了BIM+GIS数据与业务逻辑的深度融合[1]，王煌等[2]等以BIM+GIS研究为基础，打造了茜坑水库智慧库区平台，辅助管理者进行库区全方位全要素的管控；张社荣[3]等以BIMSer-ver和Cesium3DGIS平台为依托开发了基于BIM+GIS的水电工程施工期协同管理系统，研究依托实际工程及业务拓展需求基于B/S模式结合BIM+GIS技术建立了融合多源建筑模型信息及地理空间信息的可用于工程建设期及运维期的水利水电工程BIM+GIS可视化综合管理平台，具有通用性和扩展性，可为工程数字化建设和管理的不同阶段提供基本解决方案。

1 需求分析及平台框架

1.1 需求分析

水利水电工程BIM+GIS可视化综合管理平台的建设主要是为水利水电工程在设计、建设和运维期提供数据管理、查询和可视化等功能。平台需以BIM模型、GIS信息、倾斜摄影、地形等融合的基础空间数据为基础，融合工程施工建设信息、监测监控信息、运维信息、实现工程在建设阶段、运维阶段的数据管理、查询、可视化以及GIS空间分析等，平台需具备通用性、可扩展性等特点，可为多个项目工程服务。具体而言，从功能上主要包括以下方面的需求：

(1)工程设计阶段的需求：通过构建项目BIM模型，并将BIM模型与GIS信息融合，以便对地形、地貌等进行准确的分析和计算，帮助工程师更好地进行协同设计；

(2)工程建设阶段的需求：通过BIM模型、倾斜摄影等技术，对施工现场进行实时监测、监控和管理，检查施工质量、进度和安全情况，及时发现问题并进行处理；

(3)工程运维阶段的需求：定期根据工程设备维护信息对工程进行维护和检修，及时记录维护日志和实时监测数据，对工程设施进行GIS空间分析和可视化，确保工程的长期稳定运行；

(4)工程管理需求：对工程所有数据进行统一管理，包括基础数据、进度数据、监测数据和维护数据等。同时，还需要对软硬件进行维护，确保其高效稳定地运行。

基于以上需求，该平台系统主要分为4个业务应用部分：

(1)BIM+GIS可视化系统：具备BIM模型、GIS信息、倾斜摄影、地形等数据的融合和可视化分析功能，提供工程设计、建设和运维阶段所需的数据查询和分析；系统需要融合BIM模型、GIS信息、倾斜摄影、地形等数据的技术，以及提供可视化分析的技术，采用Java等编程语言，通过WebGIS技术将BIM模型、GIS信息、倾斜摄影、地形等数据进行可视化分析效果。

(2)基础数据管理系统：对工程基础数据进行统一管理，包括工程图纸、文档、图片、监测数据、视频、设备运维数据等资料，以及施工单位、材料供应商等相关信息；系统需要采用Java语言，通过数据库管理系统将工程图纸、文档、图片等资料进行统一管理。

(3)进度数据管理系统：对工程施工进度进行实时监控，记录施工进度和问题，以便及时发现和解决；系统需要实时监控和记录工程施工进度和问题，需要数据采集和处理技术。

(4)平台管理系统：对平台系统进行管理和维护，包括数据备份、安全管理、用户管理、问题反馈等。

1.2 平台框架及技术路线

1.2.1平台框架

平台系统采用B/S架构进行设计，如图1所示，平台框架自下而上分为物联感知层、通信网络、硬件平台层、数据层、业务应层、服务门户层、运行环境，采用B/S架构可以实现分布式部署、跨平台访问和统一管理的优势。

图1 平台框架架构

物联感知层：物联感知层是整个系统的底层，主要负责接收和感知来自物理世界的数据。它可以包括传感器、监测设备、智能设备等硬件设施，通过收集环境参数、设备状态等数据，并将其发送到系统上层进行处理，平台里对项目主要对接了气象、水位视频等接口，根据项目需要留有数据接口。

通信网络：通信网络层建立了物联感知层与其他层之间的连接。通过5G、卫星、微波、光纤、短距离无线通讯等技术负责数据的传输和通信，确保各个层之间的数据传递稳定和可靠。

硬件平台层：硬件平台层工作在通信网络层之上，用于管理和控制物联感知层的硬件设备。该层可以包含嵌入式设备、单片机、工控机等，对物联感知层的硬件进行管理、监控和控制，确保硬件的正常运行。

数据层：数据层是系统的核心层，用于存储、处理和分析从物联感知层获取的数据。它可以包括数据库、数据仓库、大数据平台等，对接收到的数据进行存储、清洗、转化、计算和分析，为上层业务提供可靠的数据支持。

业务应用层：业务应层是系统的重要组成部分，负责实现4项业务的逻辑和功能。根据需求对从数据层获取的数据进行进一步处理和应用，实现系统的核心功能。

服务门户层：根据不同角色的用户设置不同界面及权限，通过服务门户层与系统进行交互、查询、配置等，实现对平台系统的控制和管理。

运行环境：运行环境是整个系统的执行环境，包括操作系统、服务器、容器等基础设施。它提供了系统运行所需的计算资源和软件支持，保证平台系统能够稳定、高效地运行。

1.2.2技术路线

平台研发主要基于三维GIS软件超图Supermap，其作为具有国内领先水平的GIS平台，提供企业级GIS服务器以及开发三维应用的工具包，具有高性能、高稳定性、高可靠性的特点，能够支持用户快速高效地开发特定的Web三维GIS应用[4]。整体开发需要用到supermap idesktop、supermap iserver和SuperMap iClient 3D for Cesium。supermap idesktop桌面端GIS处理软件可提供地图编辑、属性数据管理、分析于决策辅助处理、三维建模等方面功能；supermap isever提供了强大的空间大数据、GeoAI和三维等相关的Web服务，支持海量的矢量、栅格数据“免切片”发布；SuperMap iClient 3D for Cesium是一款在服务式GIS架构体系中无任何插件，跨浏览器的客户端产品，平台设计是基于Cesium开源框架，面向HTML5的三维应用开发，快速构建内容丰富、响应迅速、体验流畅的三维真空间应用。Cesium是一款开源的Web端三维GIS开发包，基于WebGL技术和3D-Tiles数据标准实现海量二三维空间数据的跨平台绘制展示[5]。平台开发主要采用了Java语言，同时使用了JavaScript相关语言，重点使用了js中的jQuery库，系统前端使用了Cesuim库，编译器使用Eclipse，数据库使用MySQL，平台采用浏览器/服务器模式(browser/server，B/S)搭建模式运行，通过对工程建设业务管理数据及运维数据的梳理整合，涵盖了工程建设项目的空间管理、档案资料管理、进度管理、质量管理、视频监控管理、项目管理、图纸管理、图层管理、标段管理、GIS分析、用户管理、角色管理、菜单管理、部门管理、岗位管理、字典管理、参数设置、日志管理、平台运行监控等功能，构建了工程数据“一张图”展示系统、基础数据管理系统、平台管理系统、进度管理系统为一体化的项目数据综合可视化的解决方案。基于超图的具体的开发路线为：

(1)明确空间数据组织结构，在idesktop对多源数据处理及编辑，按照要素类的不同建立相应的图层并添加属性从而建立系统信息数据库，对二维gis数据进行效果设置并完善数据属性表，倾斜摄影单体化处理以及模型轻量化处理，完成数据准备工作。

(2)在iserver端进行空间数据服务的发布及管理，包括地图服务、数据服务、量算服务、查询服务、空间关系服务、专题图服务、动态标绘服务、空间分析服务类；

(3)使用SuperMap iClient3D for Cesium开发时，首先需要引入SuperMap iClient3D for Cesium。其中包括必备的CSS文件和JS文件。创建HTML文件，引入Ceisium.js文件，同时根据需要引入SuperMap iClient3D for Cesium的其他css文件和js文件，编写前端代码，从而在创建好的三维场景中添加iserver端发布的多种服务以及其他的第三方服务以及种类丰富的数据图层，包括地形图层、影像图层、S3M图层、MVT图层，并根据功能需求调用发布过的服务和实现所需功能的接口，实现BIM+GIS的可视化展示查询、交互以及基于模型和实景的多种三维空间模拟分析功能。利用SuperMap iClient3D for Cesium所提供的多种接口，对场景进行个性化设置，如颜色设置、泛光效果设置、分屏显示、场景出图。

2 功能模块设计

2.1 BIM+GIS可视化管理

BIM+GIS平台的可视化管理功能是指通过平台提供的图形化界面和可视化工具，对多个项目进行管理和监控的能力。主要包含项目概览、空间管理、图层管理、BIM树管理、视图管理、空间漫游、区域规划、通用功能及gis空间分析工具类管理、档案资料管理、进度管理、质量管理、监控管理、计量管理、运维管理功能。通过以上功能实现项目数据集成场景的三维可视化展示和整体概览，以图形化的方式展示各个项目的空间布局、位置、结构和关联关系。用户可以通过平台的界面直观地了解项目的整体情况，根据项目的进度计划和实际进展情况，生成可视化的进度图表和甘特图，以直观的方式展示项目的进度状态，及时监控项目的进度，并进行进度分析和调整，采用通用功能及gis空间分析工具可以对项目进行图上量算、空间分析，空间分析中较为特色的实用功能是可以进行剖面分析、地形开挖、倾斜压平、可视域分析等。

2.2 基础数据管理

BIM+GIS平台基础数据管理包括项目管理、安全管理、配置管理、模型数据管理和技术管理功能。功能的具体内容如下：

(1)项目管理功能涵盖项目图层管理、项目图纸管理、图层管理和飞行漫游管理，用于组织和展示项目数据，方便查找和共享图纸文件，并通过虚拟飞行浏览项目区域以获取全面的视角。

(2)安全管理功能包括视频监控、人员定位、有害气体监测和气象监测等。视频监控实时监控项目区域，人员定位追踪和监控人员位置，有害气体监测检测潜在的有害气体浓度，气象监测提供实时气象数据和预警信息。

(3)配置管理功能用于管理图纸数据配置、档案资料配置、颜色配置和计量数据配置。用户可以设置和管理图纸属性和标准，存储、分类、检索和共享项目档案资料，定义和配置元素的颜色和样式，以及管理计量数据的标准、参数和规则。

(4)模型数据管理功能涉及工程实体管理、设备管理和设备维修记录。用户可以管理建筑物、设施、构件等工程实体，记录和跟踪设备信息以支持设备的维护和管理，并记录设备的维修历史和情况，如图2所示。

图2 图纸配置管理与设备维护管理

(5)技术管理功能主要用于存储和管理项目相关的视频资料，方便查看和回放。

2.3 施工进度数据管理

通过将BIM模型与施工进度计划进行链接和整合，可以实现空间信息和时间信息的融合，创建一个可视化的4D模型(3D+Time)。这样可以通过颜色变化等方式直观地了解项目的在建情况、超前情况和逾期情况。进度管理模块提供了多种功能来支持进度管理。其中包括三维形象进度展示，可以将实际施工进度与计划进度在3D模型中进行对比展示，以便更好地了解项目的进展情况。通过这种可视化的展示，可以快速发现进度偏差和延迟，并及时采取措施进行调整。此外，进度管理模块还提供报表功能，可以生成详细的进度报表，用于项目管理人员进行分析和决策。进度管理模块还包括计划进度功能，并与BIM模型进行关联，可以帮助用户创建和管理项目的施工进度计划，并与实际进度进行对比和分析。

2.4 平台管理

平台管理模块提供了用户管理、角色管理、用户权限管理、菜单管理、组织机构管理、字典管理、平台日志管理、系统监控等功能，为管理人员提供了对整个平台的全面管理和监控能力，确保平台正常运行，并保障用户数据的安全和可靠性。

3 平台数据处理流程

项目一般平台空间数据主要包括BIM模型、倾斜摄影、GIS信息、DEM地形、影像数据、地图、图纸等数据信息，基于超图的数据发布前处理工作及数据发布后如何上传至BIM+GIS平台的工作流程如图3所示，通过平台可以对项目数据进行维护、修改和扩展。

图3 数据发布前处理及数据上传平台工作流程

4 应用案例分析

项目案例：西安市斗门水库枢纽项目基本资料：水库距西安市中心约20km，是以供水、改善生态环境为主，兼顾防洪等综合利用的平原水库，总库容5052万m3，库周总长14.9km，相当于绕西安明城墙一周，库区总面积达到10.4km2，相当于1.6倍的西湖大小，总投资80.93亿元。

为合理进行项目工程规划设计、提升沟通交流效率、工程建设管理等，工程以BIM协同设计为起点，结合先进的GIS技术、物联网、数据采集和数字化分析模拟手段，通过实际项目应用对平台进行测试和优化，保证平台的稳定性和可用性，同时根据用户反馈进行调整和完善。该项目工程具有以下特点：

(1)项目参与单位多、需多方协调：项目施工面积大且分散、参与单位多，信息资料多，难以及时互通。

(2)项目功能多：景观和效果要求高、工程在满足供水防洪、生态环境保护、兼顾蓄滞洪水功能的基础上安全和美观。

(3)古文物保护区域多：文物保护点多、朝代久远，古文物保护价值高，方案需要根据考古结果要求避让及调整方案设计内容、施工进度。

通过平台应用，带来以下实际效益：

(1)数据安全性保障：采用私有化部署方式，可以有效保护项目数据的安全性，防止未经授权的访问和数据泄露。

(2)效率提升：通过可视化管理系统结合GIS，能够方便地对项目关键设计节点和问题进行标注和决策。减少了人工处理数据的时间和工作量，提高了工作效率。

(3)数据融合集成：平台可以对地形、地貌等进行空间分析和判断，并将项目BIM模型、倾斜摄影、DEM、GIS信息等地理空间信息进行数据融合集成，如图4所示，平台成果如图5所示。这种数据融合集成可以提供更全面和准确的数据支持，有助于项目管理和决策。

图4 数据集成应用

图5 平台应用成果

(4)可视化管理和决策支持：平台提供了图层视图管理、空间漫游和区域规划等功能，使得项目管理人员可以直观地查看和管理项目数据。同时，通过空间分析工具进行剖面分析、等高线分析、地形开挖、倾斜压平、平台裁剪、可视域分析、面积距离、坐标定位等操作，为重难点设计部分提供了空间分析和施工进度管理的辅助，有助于项目方案的分析和决策。

(5)提高质量和效益：通过综合应用平台的功能和分析工具，可以更好地监测和管理项目进度和质量。及时发现和解决问题，减少错误和返工，从而提高项目的质量和效益。

(6)施工阶段需要根据变更资料更新地理空间信息，模型精细度和交付深度参照T/C WHIDA 0006—2019《水利水电工程设计信息模型交付标准》执行，精细度等级为LOD4.0，编码标准参照单位创建的SWEI-001-2021《水利水电工程设计信息模型分类和编码标准》执行，通过施工单位提供的项目划分表和计划表，将施工进度信息编辑成表，导入平台，与同ID构件相关联，实现施工进度、质量管理可视化。

为测试项目平台的多项目扩展性应用，平台测试在建的相关工程，涉及水库枢纽、建筑、引水工程等，如图6所示，通过具体的项目应用以及项目扩展应用发现以下问题：

图6 项目拓展应用测试

(1)集成平台的性能和稳定性：当多个工程并行进行测试时，对于平台的性能和稳定性提出了更高的要求。可能面临的问题包括处理大量数据的效率、并发访问的管理和响应速度等。

(2)发生变更模型更新时效性滞后：在BIM+GIS平台系统中，当项目发生变更时，确实需要对模型进行更新处理。与传统方式相比，这可能会引发一些时效性上的差异。传统方式下，当项目发生变更时，可能需要手动修改和更新各种相关文档和图纸，这可能会耗费较多的时间和人力资源，而在BIM+GIS平台系统中，通过更新BIM模型和GIS数据的集成，可以快速反映变更，并及时在系统中显示最新的模型状态，然而，BIM+GIS平台系统仍然需要时间来完成更新过程，这涉及到收集变更信息、更新模型、进行数据融合等步骤，可能不可避免地需要花费一定的时间。因此，在某些情况下，相对于传统手动方式可能仍然存在一定程度的时效性滞后。这需要建立规范的变更管理机制，确保变更信息能够及时收集和传达给相关责任方，以便快速响应和处理变更。通过平台系统实现实时协作和通信，促进各项目参与方之间的沟通和协调，以减少变更处理所需的时间和资源。确保BIM模型和GIS数据的同步更新，并将其进行一体化管理，以减少数据更新的时间差异，但在实际中与各方去解决这个问题较为困难和棘手。

(3)数据处理、融合：在BIM+GIS平台系统中，数据的处理融合是至关重要的。对于水库枢纽、建筑和引水工程等不同类型的工程，在进行数据处理融合时，需要使用相应精度的影像数据、DEM等数据，以确保数据能够很好地融合到一起，应当确保所有使用的数据来源是可靠和准确的，数据处理融合需要使用适当的方法来进行数据匹配、坐标转换等，数据处理在配合施工进度质量管理时需要批量对模型数据进行施工单元划分，并给予属性信息，这需要在模型平台上进行二次开发来提高数据处理效率。

(4)数据收集处理：在多项目扩展应用中，数据的收集和处理是一个具有挑战性的任务。需要建立统一的数据标准和规范，确保各项目收集到的数据具有一致性和可比性。这包括数据格式、数据命名规则、数据字段定义等方面的统一。其次，采用自动化的数据收集工具，如传感器、监测设备等，以减少人工收集数据的工作量，并提高数据收集的效率和准确性

(5)管理和权限控制：对于多个项目的管理和权限控制是一个挑战。确保不同项目之间的信息安全性，并为不同角色的参与者提供适当的权限设置，以保证数据的保密性和正确的访问权限。

5 结语

本文完成了水利水电工程BIM+GIS可视化综合管理平台的设计与实现方法，阐述了平台建设目标、框架、功能以及关键技术，实现了工程建设期及运维期的管理信息可视化，解决了工程建设管理中存在的信息共享交流困难等问题。平台建设后，获得相关的软著证书及专利，取得了如下几点应用成效：一是基于BIM+GIS技术形成了解决工程各类多源多维数据的融合集成技术并进行了实际工程应用；二是对建设期施工管理提供了服务，三是平台系统对不同类型工程有一定的兼容性、扩展性、可更新性，利于项目拓展、扩容、数据更新等。随着水利水电工程BIM+GIS技术的蓬勃发展，进一步的大数据分析和以数据底板为研究体的各类水利模型分析应用将成为工程智能信息化的发展方向。