基于“BIM+GIS+ 物联网技术”的高职院校校园智慧运维管理

吕桂林

（1.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299 ；2.唐山滨海软土工程技术研究中心，河北 唐山 063299）

随着国家对职业教育投入持续加大，各学校的发展速度加快，大部分学校在校师生数量稳步增加，办公、学习和科研设备数量也在不断增多。根据教育部发布的数据，2020 年全国共有高职院校1 468所，相比2019 年增加45 所，比2018 年增加50 所。2020 年全国高职院校总共在校生人数1 459.55 万，相比2018 年和2019 年均有了较大幅度增加。但是，人数众多的高职校园，也出现了一些管理和安全方面的问题，比如人员管理困难加大、校园火灾危害严重、资产管理难度增加、校园能源浪费问题突出。尤其是校园火灾问题，由于人员较为密集，提前预警和第一时间发现火情是有效避免火灾产生严重后果的关键因素。目前，建设的校园管理系统主要是针对单一功能的方案，多功能整合在同一系统中的方案较少；对于智慧校园的三维可视化展示能力较弱；对于火灾等灾害大多只能实现报警，不能实现预警；不能实现火灾位置三维显示和逃离路径优化等功能[2]；对于人和物品的管理不能实现精确的位置信息的显示和整合。通过基于BIM+GIS+ 物联网技术的解决方案可以很好地解决上述问题。

1 BIM、GIS 和物联网的融合

BIM 技术的应用对象主要是建筑工程，其可以在工程设计、工程造价、工程施工、工程管理和工程运维等全过程阶段进行仿真模拟，得到的拥有各种工程信息的模型称之为建筑信息模型。BIM 技术的产生和发展为建筑主体方提供了共享平台，实现建筑信息的交互共享与信息数字化的管理。BIM技术和核心是各种工程信息，将这些信息赋予建筑的各个部分，可以实现对建筑全生命周期的应用和管理。BIM 技术的应用过程就是对这些信息的创建、调用、管理、修改和使用的过程。BIM 技术运行过程中，根据各个信息之间的逻辑关系，一个信息发生变化，与之相关联的信息就会随之发生变化，以此来保证信息的准确性和完备性，提高了工作效率，减少人力和物力的损耗。

GIS 是以地理信息作为研究对象，通过各种技术手段获得空间数据，对这些数据进行调用、管理、计算和可视化表达，其最主要的优势就是卓越的空间分析能力。GIS 能够将地理信息数据和对象的参数属性结合到一起，能够在合理的平台调用情况下发挥优势，解决一些实际生活和工程中的困难。

物联网技术主要分为感知层、网络层和应用层，它能够实现对物品的智能化辨识和管理，对于突发事件的处理方面，物联网技术能够发挥很好的作用，也是校园智慧管理过程中重要的技术手段[3-4]。

目前，BIM、GIS 和物联网技术在自身领域都得到了广泛认可。BIM 建立的三维建筑数据信息化模型能够在建筑的全生命周期内发挥作用，能够将建筑各项信息精细化表达出来，BIM 技术的应用也正在随着被集成的信息越来越多，在不断地进行扩展。GIS 技术可以建立精确三维地理信息模型，并将这些模型进行赋值，建立可以调用和处理数据的信息系统平台，在宏观和整合领域具有较强的优势。但是，模型信息完善的BIM 无法自发地感知物品，也无法在大尺度范围内发挥平台效果；GIS技术在大尺度方面和平台数据处理能力拥有优势，但其在精细化、信息完整度和主动感知方面相对较弱；具有自主感知能力 的物联网技术又很难实现三维可视化管理和空间数据分析；将BIM、GIS 与物联网技术结合起来，可以实现优势互补[5]。使用BIM+GIS 技术建立大尺度精细化的三维模型，利用物联网技术收集动态数据，通过GIS 平台进行人工/ 自动控制，在三维模型上进行动态显示，采用BIM 的模拟分析能力实现方案优化设计。

2 高职院校校园智慧管理实现技术路线

高职院校校园智慧管理的基础是建立精确的校园三维模型，建模过程中需要按照校园建设图纸进行精确建模，同时也要注意建成后改动的部分。将校园CAD 图纸作为底图，导入到主流BIM 建模软件Revit 里，注意导入图纸过程中要将单位选择毫米，不能选择默认，这样就能保证导入的图纸尺寸与实际一致。利用Revit 软件建模过程中，注意对各个系统进行规程和子规程的分类，便于将来管理使用时进行分类调取。利用BIM 技术将建筑模型的设备、体积、功能、房间等信息显示在三维视图中，方便随时查看相关信息。对于校园建成后修改的部分，需要结合施工图纸和校园实景或现场照片进行模型创建，保证模型的真实性和精度。

ArcGIS pro 平台具有查看、浏览、查询、导航和管理等功能，将创建好的BIM 模型导入到ArcGis pro 中，达到大尺度的地理信息模型和精细的建筑信息模型融合统一的效果。

根据不同管理需求，在特定的位置放置特定的传感器，通过5G 等物联网连接方式，将传感器采集的实时数据传输到ArcGIS pro 管理平台，管理平台对数据进行处理，并在三维模型的特定区域进行展示、预警或者报警。如检测到一氧化碳或者氮氧化物的浓度达到一定的阈值，就可以在该区域进行火灾报警；检测到二氧化碳的浓度达到一定阈值，就可以对室内空气污染进行预警。

3 BIM+ 物联网技术在高职校园智慧管理中的应用

BIM+GIS+物联网技术是高职校园智慧管理发展的一个重要方向，在校园建设中的应用主要体现在了以下几个方面：一是实现校园资产的可视化动态管理；二是实现火灾自动预警、报警，火灾发生地点的精细三维位置展示和火场逃离路线规划；三是实现人员的三维可视化管理；四是实现能源管控监控；五是能够监测室内通风情况，有效阻止传染疾病的蔓延。

3.1 BIM+GIS+ 物联网技术在校园火灾防治和疫情防控中的应用

更早地报告火情和获取逃离路径是减少火灾损失的关键环节，建立火灾评价模型是判断是否发生的前提，评估模型应该考虑各个室内空间使用过程中的各种因素，包括使用功能、空间尺寸、使用人数、存放物品和风险等级等。通过设置在特定空间的烟感和CO、CO2、温度、氮氧化物等传感器，监测各个空间的火灾安全状态，再将数据通过物联网技术上传到数据管理平台。

目前，针对有毒有害气体的监测和预测计算方法有多种，主要包括DelPhi 法、层次分析法、模糊综合评价法和BP 神经网络评价法等，经验表明某一特定的预测方法对某一特定的指标数据的预测效果较好，但是对其他数据预测效果较差，因此对不同的指标数据采用不同的预测方法就显得尤为重要。采用预测误差计算公式对不同的预测方法预测的数据进行误差计算，找到针对特定有害气体的最佳预测方法，计算表达式为：

火灾报警流程如图1 所示，BIM 平台将传感器和监控数据整合到建筑信息模型，可实现运行状态的三维可视化显示。另外，通过BIM 技术的分析功能，可以实现火灾逃离路线自动规划。BIM+GIS+ 物联网技术应用到火灾防治安全事故应急指挥中，可以做到建筑内外统一规划和指挥，合理配置救援力量，能够让安全事故应急指挥更加高效。

图1 火灾报警流程

此外，由于人员密集且长期不通风的空间的CO2浓度会持续增加，根据一项教室测试数据[2]，一个不通风的教室在经过一段时间的积累后，室内CO2浓度可以达到室外浓度的7～8 倍[6]。因此，利用CO2传感器数据与室外CO2浓度进行对比，可以确定各个房间通风状态，将房间的通风情况在BIM 模型中展示，对房间通风进行指导，可以有效阻止传染病在人群中的传播，提高学习效率。

3.2 BIM+ 物联网技术在高职校园资产可视化管理方面中的应用

在高职校园资产过程中会出现位置不详、信息不全和精确统计信息难度大等问题，利用BIM+ 物联网技术，建立校园资产可视化管理平台，可以很好解决上述问题。

利用BIM 技术可以建立更为真实和精细的三维建筑和资产模型，将现实中的建筑、结构、门窗、实训设备和家具等资产进行三维可视化数字呈现，相比于二维图纸和表格，在进行三维资产可视化管理方面具有明显的优势，图2 展示了一种办公桌的资产属性和三维可视化显示，这些信息还可以根据需要进行定制化扩展。将布置在校园各个位置的视频设备通过物联网技术接入BIM 模型，可以通过资产管理平台实时查看各个重点区域位置的资产设备使用和运行情况。

图2 办公桌资产属性设置

此外，还可以利用BIM 软件的统计报表优势，精确地统计处在各个建筑、楼层或者区域的资产情况，还可以对某种特定资产进行全局或者特定区域查看，便于资产管理。

3.3 BIM+ 物联网技术在校园人员管理和节能方面的应用

通过在门前、教室、宿舍、餐厅等区域增加人脸识别装置，利用物联网技术将实时数据传送到校园智慧信息管理平台，实现各个区域人员信息状态的掌握，利用BIM 技术可以实现对各个指定区域的人员数量和具体名单显示，具体实现流程与火灾报警流程类似，图3 展示的是物联网工作流程。

图3 物联网技术工作流程

将各个能源开关进行物联网连接，实时显示到基于校园智慧管理信息管理平台，设置每个能源开关控制的区域，再根据人员识别系统数据，实现对无人区域的能源开关进行自动关闭和浪费能源报警功能。

3.4 BIM+GIS+ 物联网技术在校园规划设计和校园导航中的应用

校园规划和建设是一个长期持续的过程，随着学校人数和功能的变化，会使得学校需要进行重新规划施工。通过BIM 技术构建校园的三维建筑模型，使用GIS 创建校园的三维地理信息模型，将两个模型结合到一起，从微观和宏观两个角度为供决策者进行方案比选和效果分析提供技术支持。

此外，通过搭建的三维地形和建筑模型，可以生成三维全景校园，为新生和对校园不熟悉的使用者提供实景展示和道路指引服务。此外，借助于BIM 的模型精度，系统还可以提供室内浏览和导航服务。

3.5 BIM+GIS+ 物联网技术在地下管网智慧化管理方面的应用

由于高职校园需要服务的人员众多，各种地下管道错综复杂，地下管道出现问题需要及时发现和处理，才能减少对学校正常运转造成的影响。采用BIM+GIS 技术建立地下管道模型，在各个重要节点布置传感器，可以有效地对地下管道进行监测，快速定位问题点，实现对地下管道的智慧化管理。

4 基于BIM+ 物联网技术的校园智慧管理应用价值

对于校园管理者来说，安全应该在所有工作中排在首位，基于BIM+GIS+ 物联网技术的校园智慧管理方法可以对火灾进行预警，迅速报告火灾事故和发生地点，让救援工作可以快速准确地开展，有效降低灾害损失。其次，利用此校园智慧管理平台还能够实现室内通风情况报告，控制疫情等其他流行疾病的传播，良好的空气状况也能够提高学习效率。最后，通过对各个空间的人员信息的获取和三维显示，能够有效降低由于校园人员流行性大、管控困难而造成的安全和治安事故。

传统的校园资产管理系统虽然也能够显示资产的基本信息，但是不能实现物品本身和其所在区域的三维可视化展示，有效地配置资产资源和管理难度较大。使用基于BIM+ 物联网技术的校园资产管理系统，可以解决上述问题，实现对资产的快速定位和统计，提高统计效率。

校园能源浪费也是校园管理方面的难点，经常会出现灯火通明的教室、实训实验区域空无一人的情况，采用基于BIM+ 物联网技术的校园能源智慧管理管理系统，可以有效地解决上述问题，达到节能的目的。

5 结论

基于BIM+GIS+ 物联网技术的校园智慧管理平台可以有效地提高校园管理者的管理效率，采用误差计算方法对不同预测方法的预测值进行误差评价，找到特定气体最有效的预测方法，利用“火灾评价”模型可以及时地报告火情，提供火灾逃生和救援路线。智慧校园平台通过监测室内空气的CO2浓度可以掌握教室的通风情况，可以有效地控制疫情等空气传染疾病。智慧校园平台还可以实现对校园内的资产、人员、节能等方面的三维可视化高效管理。可以看出，虽然上述基于BIM+GIS+ 物联网技术的校园智慧管理平台能够帮助管理者解决诸多问题，但其还远没有达到上限，由于BIM、GIS和互联网技术的高度可扩展性，还有很多应用场景和价值有待进一步研究和开发。