BIM+GIS技术在茜坑水库智慧库区建设中的应用研究

王 煌，吉卫舟

(1．深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000； 2．上海宝冶集团有限公司 建筑设计研究院，上海 200941)

1 概 述

1.1 茜坑水库概况

茜坑水库位于深圳市观澜河支流茜坑水上游，属东江水系，隶属于深圳市北部水源工程管理处，是深圳市北线引水工程的重要节点。茜坑水库建成于1993年，原总库容为922×104m3，于2000年在原有水库基础上进行扩建。扩建后属中型水库，集雨面积4.98 km2，正常库容1 857×104m3，总库容1 917×104m3，水库主体工程主要由主坝、4座副坝、溢洪道和输水涵管等组成[1]。

由于茜坑水库建成较早，目前信息化系统运行存在诸多问题，主要如下：①水务基础数据分散，数据共享程度低，缺乏数据的统一标准、有效整合和整体呈现；②水务监测感知体系有死角，网络不健全，远程传输困难，感知数据不连通；③管理系统多为独立的业务功能系统，集成化程度低，未形成跨部门、跨区域、上下游协同联动工作机制；④对感知和业务数据缺乏综合分析能力，运行管理和调度控制的智慧化程度有待提升。以上问题不仅存在于茜坑水库，深圳市部分已建水库特别是老旧水库，基本都存在上述类似问题。

2019年6月，茜坑水库被列为深圳市水务局BIM应用试点范围，开展了BIM+GIS技术运用到“智慧库区”建设中的研究。通过水务设施智能化管理，提升茜坑水库运行管理质量与水平，让老旧水库焕发新活力，实现水务现代化发展和管理转型升级。

1.2 研究目标

立足于深圳茜坑水库现状实际情况，以BIM+GIS技术为基础，结合IoT、遥感技术、计算机技术、数据库技术、网络及通信技术等先进技术，打造统一信息协同平台即“茜坑水库BIM+GIS智慧库区平台”。平台开发主要采用松耦合架构模式，赋能水务工程管理，达到统一空间数据底板、空间数据资源共享、规范提升管理水平三大实施目标：

1) 统一空间数据底板。以地理空间信息为基准，整合水库BIM+GIS空间数据，构筑茜坑水库BIM应用平台。

2) 空间数据资源共享。加强水库所属部门空间数据共享和开发利用，从而节省财政资金，充分体现本项目的经济和社会效益。

3) 规范提升管理水平。通过促进高效管理、科学决策，提升管理水平、规范管理行为、促进管理创新，处理好水库信息化“建”、“管”、“养”三者的关系，从而总体上加强监管和确保安全的主动性、科学性，做到茜坑水库管理范围内全要素状况“一览无余”，固定资产“心中有数”。

2 项目实施技术研究及成果

2.1 构建系统技术框架

茜坑水库BIM+GIS智慧库区平台开发主要包含水库运行、养护、安全三大块内容，采用“1+1+N”架构展开建设，即形成1个茜坑水库BIM数据中心、1个智慧库区BIM+GIS综合管控中心以及N个水库管理业务应用点。

茜坑水库BIM+GIS智慧库区平台系统建设基于SOA松耦合架构，该架构具有提高信息资源复用性、降低开发投入和保障系统的可维护可拓展性能等优点。见图1、图2。

图1 1+1+N系统架构

图2 系统技术框架

2.2 主要技术应用

平台开发主要应用的技术为BIM、GIS、遥感技术、IoT、三维扫描技术、计算机技术、数据库技术、网络及通信技术、云计算技术等，各种技术的应用点及使用的主要软件见表1。

表1 技术应用点及使用的主要软件

2.3 “1”个数据中心

针对茜坑水库现状水务基础数据分散，数据共享程度低，缺乏数据的统一标准、有效整合和整体呈现的具体情况，平台开发的基础则是建立一个统一标准、高效共享的数据中心作为底板。

1) BIM技术建模。BIM以工程的各种相关信息数据作为基础，通过构建虚拟建筑工程三维模型，利用数字化技术、信息化技术为模型提供与实际结构一致的信息库[2]。BIM运营管理的优势主要在于数据集成共享与管理可视化[3]。本次通过收集档案室纸质、CAD图纸以及现场激光扫描等手段获取准确有效的水工基础资料，对库区范围内重点管控的水工建筑物及其附属设施设备采用BIM软件进行精细化BIM建模，并对BIM模型赋予相应的属性信息。

2) GIS基础环境数据采集。GIS技术具有虚拟现实技术和空间分析功能，可将现实世界中对象的空间位置与相关属性有机结合起来，从而为空间决策提供技术支持，实现可视化表达[4-5]。本次GIS基础环境数据主要采用无人机对茜坑水库库区影像数据进行采集，通过不同视角同步采集影像，获取到多维度水工建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，真实反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息[6]，再通过先进的定位、融合、建模等技术，最终生成仿真的三维水库GIS模型。见图3、图4。

图3 水工建筑物BIM成果

图4 库区环境GIS数据采集

3) 运行感知数据采集。茜坑水库现有感知设备主要为坝下底涵流量计、阀门流量传感器、水雨情传感器、水质监测点、供水主管流量传感器、大坝渗流量水堰、远程抄表及大坝变形监测点等，主要的配套感知系统为水雨情测报系统、远程抄表系统、管道压力报警系统、大坝渗压渗流观测系统、移动巡检系统和库区视频监控系统等。本项目对茜坑水库现有的运行感知设备及产生的数据进行梳理，收集各类感知硬件参数与采样频次等信息，收集后对水库现有散乱感知系统进行调试与整合，校核数据时效性及有效性，为后续的数据接入与系统集成做准备。

4) 数据集成。通过前一阶段对茜坑水库主坝、副坝、溢洪道、底涵等所有水工结构及其附属设施设备BIM数据的逆向采集与生产，以及水库周边约7 km2内的基础环境数据采集，在数据集成阶段，通过逆向设计整合形成茜坑水库BIM+GIS综合模型，模型既保留了茜坑水库水工建筑及附属设施设备数据的属性结构，又整合了地理空间、专题属性信息等数据，通过分布式文件存储数据库MongDB[7]进行统一管理，最终形成茜坑水库完整统一的数据中心，达到运管理数据三维可视化。

2.4 “1”个智慧库区BIM+GIS综合管控中心

茜坑水库BIM+GIS智慧库区平台集成“一张图”综合展示系统、监测管理系统、远程控制系统和三维可视化系统等，联动智能感知网，实现供水调度以及通过指挥中心远程监控水库的运行状况，保证茜坑水库的科学、安全运行。见图5。

图5 茜坑水库BIM+GIS综合管控中心

1) “一张图”综合展示系统：提供全要素“一张图”综合展示页面，所有用户可以在上面获得统一发布的地图内容或动态监测与统计信息。

2) 感知监测管理：主要包括供水调度监测、水库监测系统、泵站监测系统、管线监测系统、视频监测系统、水质监测系统。

3) 远程控制系统：主要实现水库、泵站相关闸门的控制，保证在出现预警报警情况时，水源管理处能通过远程控制系统，及时处理相关经济事件。

4) 三维可视化系统：对水库、管线、泵站进行精细化建模，建立三维立体图形，直观地管理水库、管线、泵站，提供了统计、查询、专题应用等多工况分析功能。

2.5 “N”个管理应用

茜坑水库BIM+GIS智慧库区平台目前已完成的管理应用模块主要包括二维码资产设备管理模块和水库智能移动巡查模块。

二维码资产设备管理模块在智慧库区综合管控中心界面中设置模块入口，该模块可将资产设备的购买、借用归还、维修及报废等环节中产生的信息与BIM模型进行关联与耦合。二维码资产设备管理同时也可实现通过二维码将虚拟数据与现实中设备资产进行关联，手机扫码，快速识别，实现移动终端扫码可快速查看设备运行状态、运维记录、监测数据等功能。运行过程中发现故障时，填写故障现象、发生时间、已经采取的措施，提交给相关的故障处理人员[8]。

水库智能移动巡查模块以数据库和云计算技术作为基础，分为云平台和云终端，实现水库日常巡查的云端应用。按照不同使用场景，为水库日常巡查管理人员配备智能巡查终端、智能手环以及智能手机等设备，可实现水库日常巡查工作的智能部署、状态监控、巡查定位、事件上报、人员考勤以及自动统计等功能。巡查路线和位置实时在线监控，用户网格化管理，实现分组、分时段管理，同时巡查工作人员隐私保护功能(仅在工作范围内记录轨迹)，最终有效提高了水库巡查工作效率，降低管控风险。见图6、图7。

图6 巡查路线及定位

3 结 论

BIM技术主要应用于管理库区水工建筑物全生命周期的信息，GIS技术则是应用于整合外部环境信息，利用BIM与GIS互补关系建设数字孪生水库，从微观到宏观，目前已实现从工程安全、设备状态、实时告警、泵闸工况、水情水质等方面总体展示茜坑水库工情和管理情况，帮助茜坑水库管理所通过BIM+GIS“一张图”快速从全局掌握水库运行全部信息，实现水库安全管理“可视化”，赋能水务工程管理，辅助管理者进行库区全方位全要素的管控，极大提高工程管理效率，特别是给老旧水库带来新的活力，并作为水库标准化管养的重要组成部分，值得在深圳市水库运维管养中推广。

深圳市的水库管理需求已由“传统功能型”转向“都市服务型”，因此水务设施运行维护智能化管理是水务现代化发展和管理转型升级的必然趋势[9]。在茜坑水库试点建设BIM+GIS智慧库区平台中，通过数据中心大数据的积累，后期结合大数据、云计算技术以及日渐成熟的水文水资源预测调度模型，对服务范围内的水务设施、重点河流、防洪城区等保护对象进行全面、多元、动态的数据采集分析及对洪水灾情及时预警、科学调度，保障汛情信息能监控、能发布、有反馈、有响应，形成防汛指挥各环节的全覆盖[10]。