基于BIM+GIS+IoT技术的水利工程数字孪生工地建设管理系统研究与应用

梁爱萍，张发清，蔡运忠，董良泼，胡 锦

(1.宿迁市宿城区水利工程建设服务中心，江苏 宿迁 223800；2.江苏禹数信息技术有限公司，江苏 南京 210014；3.宿迁市宿城区皂河灌区管理所，江苏 宿迁 223800；4.宿迁市宿城区双庄水利站，江苏 宿迁 223800；5.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014)

当前，随着数字化技术的发展和我国“十四五”规划的实施，数字化转型已经成为水利工程领域的重要趋势。“十四五”规划明确提出了加强数字化建设、推动智能化转型的目标。在这一背景下，数字孪生技术作为一种新兴的数字化工具，正逐渐受到水利工程领域的关注。在水利工程建设和管理中，如何充分利用现代化技术手段，提升效率、降低成本，并确保工程的安全推进成为亟待解决的问题。基于BIM、GIS和IoT技术的水利工程数字孪生工地建设管理系统的研究与应用，为解决这一问题提供了一种全新的解决思路。该系统，能够实时模拟和监测工地建设的各个环节，提供全方位的数据支持和决策依据，从而实现工程建设的数字化、智能化管理。

1 BIM、GIS及IoT技术在水利工程中的应用

1.1 BIM技术在水利工程中的应用

建筑信息建模(BIM)技术在水利工程中有着广泛的应用，BIM技术能够为水利工程提供全方位的项目信息管理和协同设计，实现对水利工程建设全生命周期的数字化管理。通过将施工过程与BIM模型相结合，可以进行施工模拟和进度管理，实现施工过程的可视化，从而提高施工效率。将工程运维信息与BIM模型相关联，能够实现对设备和系统的监测和管理，为运维人员提供设备维护记录、操作手册、检修指导等信息。同时，BIM模型还能够协助进行设备的定期检查和维修计划的制定。

1.2 GIS技术在水利工程中的应用

水利工程涉及大量的地理信息数据，包括地形、水文、水质等方面的数据，地理信息系统(GIS)技术可以用于对这些数据进行集成、管理和更新。通过建立水利工程的地理信息数据库，可以实现对工程信息的统一管理和快速查询。基于GIS技术，还可以实现对水利工程的地理信息进行集成、分析和可视化展示，从而提高水利工程建设管理的效率和精确性。

1.3 IoT技术在水利工程中的应用

物联网(IoT)技术可以实现对水利工程设备、结构和环境参数的实时监测。通过在重点区域部署各类传感器设备，实时监测和获取水资源的相关数据，并通过IoT技术与数字孪生系统相连接，将数据传输到中央服务器进行存储和分析。传感器网络的应用可以为水利工程施工及运维阶段提供实时数据支持，帮助工程管理人员及时掌握工地状况。

1.4 BIM+GIS+IoT技术的融合与应用

BIM+GIS+IoT技术的融合使得工程相关数据能够进行集成与共享。BIM技术以建筑信息模型为基础，包含了水利工程的几何、属性和关系数据；GIS技术则负责处理和分析地理信息数据，包括地形、水资源、土壤等信息；IoT技术通过传感器网络和物联网连接实时监测数据。通过整合这些数据，可以实现水利工程信息的一体化管理，为数字化应用提供全面的数据支持。

在水利工程的施工阶段，依托BIM技术可实现施工过程的模拟和可视化，帮助监测工程进度和质量。结合GIS技术的分析功能，可进行工地的地理空间分析，为施工决策提供支持。IoT技术通过传感器网络实时监测工地设备和环境数据，提供实时的施工监测和安全管理，提高工程施工的效率和安全性。

2 数字孪生工地建设管理系统设计与实现

2.1 系统框架设计

数字孪生工地建设管理系统组织分为用户层、业务层、功能层和数字孪生平台。系统采用分层架构技术，根据通用性和稳定性进行分层，同一层次按照功能或应用划分模块，以上层用户需求为指导，逐层设计，逐步细化平台组件的功能。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

用户层：面向主管部门、监管部门、监理单位和施工单位，以实际功能和业务需求为导向，以可视化模型、数字模拟仿真引擎以及三维仿真引擎为基础，为使用者提供了工作环境和操作界面。

业务层：对平台数据进行采集、解析、清洗和预处理。通过调用开放的API接口，为设备管理和上层应用开发提供数据支持。同时针对各类业务和功能进行实时监控，智能生成各类报表。

功能层：通过数字孪生平台搜集各类基础数据，经业务层数据处理、分析、调用，提供包含但不限于综合信息查询、工程进度管控、监测监控总览、项目资金管理、工地人员管理、工程质量管理、场地设备管理以及施工安全管理等多个施工环节的管理应用，进一步提升实际生产活动项目人员中对项目全生命周期中生产活动的管控能力。

数字孪生平台：通过构建基础计算、存储和网络资源池，搜集GIS、BIM模型、倾斜摄影、基础设施、监测管理、应用业务、多媒体等多元化数据，结合GIS引擎、BIM引擎以及三维仿真引擎，生成可视化模型、分析模型以及数字模拟仿真模型。一方面为数据处理和分析模块提供海量数据源，另一方面为上层应用提供各类可视化信息和数据模型支撑。

2.2 数据采集

数字孪生工地建设管理系统需要构建L3级数据底板，同时涵盖水利对象基础数据、监测数据、业务数据、空间数据以及多媒体数据等。针对气象、水情、视频等外部数据，依照江苏省水利厅要求的数据目录格式，构建建设工程数据资源共享目录，实现对建设工程基础、监测数据的共享交换。

工程概况及运维相关数据采用多种获取方式，通过数据库对接、API接口以及数据填报等方式采集。通过使用数据采集中间件，借助各类标准数据服务，对建设工程相关数据资源进行整合并统一存储于融合数据库中，利用数据清洗引擎进行数据治理。将原本离散、低价值密度、低质量的数据进行标准化处理后，加载到中间数据库和基础数据库中，再面向业务应用建立主题数据库，为应用提供集中的、高价值密度、高质量的数据。数据处理过程如图2所示。

图2 数据处理过程

2.3 数字孪生平台搭建

2.3.1 数字孪生引擎

数字孪生引擎支持GIS数据、BIM数据、倾斜摄影、地质数据、视频图像数据、物联网专题数据等多种格式数据接，并且具有较好的渲染效果，还原真实物理世界。在接入BIM模型时，保留完整几何、材质和属性信息，及构件原始颗粒度，并且保留构件的ID和属性信息，方便用户可以通过点选操作查询BIM属性。同时，引擎提供开放的地理空间数据库接口，通过API接口实现对数据库表结构的定义，以及对地理空间数据的属性编辑和几何编辑功能。

2.3.2 数据底板

数据底板是智慧水利的关键基础，通过完善时空多尺度数据映射和功能扩展，实现水利工程全要素的数字化映射。L2级数据底板包括高分辨率DOM、高精度DEM/DSM、倾斜摄影影像等数据，主要用于项目重点区域的精细化建模；L3级数据底板除GIS数据外，还包括BIM等数据，用于主要建筑物工程的建设。根据实际项目中的要求搭建不同等级的数据底板，并建立数据安全保障机制，为项目的数字化建设提供数据支撑。

2.4 可视化展示

以数据底板为基础，基于数字化技术和可视化组件建立模拟仿真引擎，通过搭建数字孪生可视化场景，以满足平台的可视化需求。以三维的方式立体呈现工程的结构、外形、设备设施以及周边环境。结合IoT技术，对工程的基础信息、感知信息、监测数据、工程运行管理信息以及其他相关信息进行展示，为工程展示提供了全面的信息视角。

2.5 系统功能实现

2.5.1 监测监控管理

本项目采用无人机定期对工地进行航拍，并将航拍图像上传到系统中，搭建项目建设过程影像资料库，准确记录并保存工程建设每个阶段的影像数据。此外，可以调取工程相关的视频监控，实现对工地施工情况的实时监控和掌握。基于影像资料库和视频监控系统，能够全面掌控工程的实际进展情况，及时发现和解决问题，确保工程的顺利进行。

2.5.2 人员设备管理

为了更直观地了解各标段的人员出勤情况，系统以图表形式对参建单位的各类人员出勤数据进行可视化展示，并按照工种分类展示重要参建人员的本月和上月的出勤情况，有效监控和管理项目人员的工作情况。通过系统还可查询各标段设备的配备情况、主要设备和特种设备的使用情况，确保施工过程中设备的正常运行，并及时进行维修和更换，以保证工程的顺利进行。

为保障施工人员的安全，配备智能安全帽。通过建设管理系统，可以实时查看人员当前所处的区域，并记录历史巡查路线。同时，可以调取相关影像资料，查看人员作业情况及施工现场情况，在事故发生时能够及时采取必要的应对措施。

2.5.3 项目资金管理

通过调取水利中台数据，获取资金下达、工程款支付、安全文明措施费以及农民工工资等信息，并以图表的形式在系统中进行直观呈现，方便查询项目资金的使用情况。通过资金的可视化展示，可以清楚地了解项目资金的流向和使用情况，为项目管理和决策提供准确的依据。

2.5.4 工程进度管理

工程进度管理分工程总览、详细进度和大事记3个模块。在工程总览中可以查看项目的进展情况。工程详细进度以横道图的形式展示，直观地对比工程计划进度与实际进度之间的差距。依据施工组织计划对BIM模型进行构件分组，并以树状结构展示各个BIM模型构件，按照项目计划任务的时间轴，进行计划进度的模拟和实际进度的演示，让管理人员直观地感受整个项目的模拟建造过程，并及时发现和修正不合理的计划进度。通过施工模拟过程，可以提前进行施工材料、机械、人力和场地的准备工作，精确控制施工组织安排，确保工程的顺利展开。工程的关键节点和阶段性进展以大事记的形式进行记录，方便管理人员和相关方了解工程的重要里程碑和进展情况，便于后期的查看和验收。工程进度管理功能如图3所示。

图3 工程进度管理

2.5.5 质量安全管理

在工作人员巡查作业时，可以通过巡查APP及时记录和汇总项目的质量情况，包括质量缺陷、整改情况等；发现安全隐患时也能够记录和管理项目中存在的危险源，如高空作业、电气设备等。将质量、安全和风险源与BIM模型绑定，可以直观地了解工程的质量和安全状况，及时采取必要的措施进行整改和管理。同时，结合数据底板，对质量、安全等数据进行动态管控。在建设管理系统中，实时查看和分析项目的质量和安全数据，并进行统计和报表生成，帮助管理人员及时发现问题和风险，并采取相应的措施进行处理。也可查询各个风险源的位置、详细描述以及施工时需要注意的事项，以实现更为科学的质量和安全管理。

3 系统应用与效果评估

3.1 实际案例应用介绍

洪泽湖周边滞洪区是淮河流域防洪工程体系的重要组成部分，涉及宿迁、淮安两市的6个县区，属于国家172项节水供水重大水利工程和国家重点推进的150项重大水利工程之一。主要建设内容包括迎湖挡洪堤加固、堤后填塘固基、堤防防渗处理、堤防迎水坡护砌、护脚以及新建堤顶防汛道路、跨河桥梁、进退洪口门、排涝泵站等。工程覆盖区域广并涉及多个专业领域，为解决项目体量大，涉及专业多，协调难度大等问题，该工程开展数字孪生工地建设以实现工程建设的信息化、智能化和精细化管理。

3.2 应用效果

3.2.1 工程管理可视化

数字孪生工地建设管理系统为项目管理提供了直观的可视化界面，如图4所示。通过工地各个区域安装监控设备，实时监测工地现场情况，结合数据底板和可视化界面，工程管理人员可远程查看工地的实时视频，全面了解施工现场的情况。项目资金并以图表或仪表盘的形式展示给管理人员，方便管理人员直观地了解项目的资金使用情况。同时，通过对BIM模型进行分组，并与施工进度进行绑定，系统以三维形式模拟施工过程。系统还与物联网设备和巡查APP数据进行绑定，获取项目质量安全信息，结合数据底板在模型对应位置进行指示，并以表单形式详细列出具体内容。

图4 系统功能页面

3.2.2 智能感知

充分利用物联网、传感、定位、视频、遥感等技术，构建立体感知体系。通过定期利用无人机对工地进行无死角航拍，能够全面、快速地了解项目安全、质量和进度情况。结合监控智能识别技术，可以及时发现人眼无法察觉的安全隐患，从而降低施工安全风险。施工人员配备智能安全帽，基于GPS定位技术，可在系统中查看施工人员的实时动态、历史影像资料及各个工种的分布情况等信息，以确保关键人员到岗。此外，基于安全监控信息构建动态电子围栏，在施工人员作业、巡查时发出安全预警，保障工人安全。电子围栏安全预警如图5所示。

图5 电子围栏安全预警

4 结语

通过将BIM、GIS和IoT技术融合应用于水利工程数字孪生工地建设管理系统中，可以实现数据的集成与共享，为工程管理提供全面的数据支持和决策依据。系统框架设计中的用户层、业务层、功能层和数字孪生平台能够兼顾不同用户的需求，实现工程建设的数字化、智能化管理。引入智能感知技术，可及时发现工地安全隐患，保障人员安全。该系统在水利工程上的应用，能够实现工程信息的一体化管理，有效提升水利工程的建设管理水平。然而，在大型项目中工程数据量庞大，数据处理具有一定难度。因此，该系统需要不断优化和提升，以适应不同项目的需求。