本文摘要：摘要:排涝泵站智慧运维BIM可视化平台的建设是智慧水务的重要组成部分，对于提升工程管理水平、减小可能的洪涝灾害损失、提高水务设施的风险应对能力具有重要作用。针对传统水务设施管理运维中由于管理方法、管理手段落后造成的高成本、低效率、慢响应等问题，提出了平
摘要:排涝泵站智慧运维BIM可视化平台的建设是智慧水务的重要组成部分，对于提升工程管理水平、减小可能的洪涝灾害损失、提高水务设施的风险应对能力具有重要作用。针对传统水务设施管理运维中由于管理方法、管理手段落后造成的高成本、低效率、慢响应等问题，提出了平台架构顶层设计的解决思路，结合当前管理实践，利用平台结合信息领域新兴技术的方法，实现BIM模型可视化、机组运行状态展示、库存资产管理、统计报表查询、人员管理等功能，为智慧运维平台的建设提供了较好的工程应用，对后续的智慧水务和水利信息化建设也具有可供借鉴的作用。
关键词:智慧水务;BIM可视化;排涝泵站;精细化管理
智慧水务是智慧城市建设的重要组成部分，贯穿于城市防洪减灾、水资源调配、水环境保护与水管理服务等体系，具体体现为“物联感知、互联互通、科学决策、智能管理”，是促进水治理体系和治理能力现代化的新理念和新模式。如何从根本上转变思维模式，建立信息化观念，利用不断更新的信息技术，提升智慧水务的建设水平亟待深入探讨和研究[1]。
传统的水利行业强调建筑物设计的安全，普遍存在“重建轻管”的现象。管理手段落后、监督机制缺位、人员业务素质参差不齐等短板更有待智慧水务进一步建设补齐。近年来，深圳市在水务业务工作中大力推行智慧水务应用体系，在各方面工作的信息化管理上取得了一定成效[2]。
同时，国内其他智慧水务建设的工程案例也相继引入信息领域中的各类新兴技术，如智能感知技术在水文水质信息采集、视频监控识别、设备运行状态监测等方面的应用;大数据技术结合城市洪涝模型，在城市降雨中对未来水库、河道超警情况及城区内涝积水情况进行预测，为湖库河闸泵的水资源优化调度提供科学依据;BIM+GIS技术，能够为管理人员在地理空间平台上展现专业数据和工程项目的可视化模型[3-4]，结合可视化与城市洪涝模型，生成内涝淹没分析，直观展现影响范围，辅助迅速决策;构建智慧水务平台，为解决城市水问题提供必要的决策和支持[5-6]。
随着智慧水务应用体系的不断发展，单纯的一项技术已经不能满足应用需要。因此，本文以深圳市沙井排涝泵站智慧运维BIM可视化平台建设为例，借助智慧运维平台，整合前端感知、城市水务模型、BIM+GIS等技术，构建水务设施智慧化运维体系，为水务业务与信息技术结合提供了一个较好的示范案例，相信能在其他智慧水务工程和水利信息化建设中有所助益。
1工程背景
沙井排涝泵站是解决深圳市宝安区沙井河沿线低洼区内涝的重要控制性工程，也是深圳市最大的排涝泵站，片区流域面积72.83km2。整个工程由泵站，进、出水构筑物，河口水闸4部分组成，最大抽排规模为170m3/s，最大扬程为2.23m。泵站日常运维工作内容包括泵站值守、机组巡检、设备日常运行监控及管理、反馈缺陷信息、启闭机组、调试设备等。目前，日常运维信息的采集、核对、归档等基本采用人工作业方式，通过运维人员徒步巡视、手工抄录、电子化填写、逐级核对后存档。
人工上报难以避免的上报延迟、信息错漏等等情况一方面拖慢了泵站日常工作的进展，变相提高泵站运维成本，还可能因设施设备故障处理不及时导致停机事故，造成重大损失;此外，信息存储效率低下，纸质档案存放时间过长导致丢失，编写报告或检索事故记录支持时，需要耗费大量人工提档归档，难以做到信息整合和高效调用;泵站备品备件出入库记录缺失，备件库存不明朗，无法根据储存时长和使用频率进行采购，易导致设备停用等运维事故，造成设施养护时间成本居高不下。日常运维中存在的种种问题在很大程度上制约泵站运维的高效化、精细化和智能化进展，导致泵站难以达到智慧运维的要求。
2平台架构及功能
针对泵站运维管理的痛点，本平台充分发挥BIM可视化技术在工程项目全生命周期管理的优势，尤其是在运维管理方面的优势，结合物联感知、大数据、GIS等关键技术，建设多元立体的监测体系，构筑多维度信息服务平台。具体而言，平台依托BIM+GIS技术，实现沙井排涝泵站构筑物精细化建模和地理信息数据的三维场景调用及展示[7]，并利用物联网技术将泵站自动化监测数据实现即时传输和表征。其次，采用大数据及云计算技术[8]，对涉水数据进行跟踪、收集、处理，为泵站管养及综合调度应用模型提供数据支持，为泵站日常运维、汛期预报和联合调度提供决策依据。
2.1平台架构
本平台是围绕泵站管理的业务流程而建立的大型工作平台。建立在完善的标准规范体系和信息安全体系基础上，系统自下而上构筑了基础层、支持平台层、信息采集层、业务应用层，下层提供服务基础，上层发挥服务应用[9-10]。所有用户采用单点登录的模式，经过系统身份认证和授权后进入系统。基础层是平台进行开发和数据存储的根本，是支撑各上层架构的核心。
数据集成层包括模型构件库、业务数据库和文档库。其中，构件库支持三维模型及其构件信息的导入和匹配，为BIM可视化模块提供支持;业务数据库接入平台采集的数据并进行归档调用，为实现智能调度方案和泵组运行调节提供算法支持;文档库集成日常运维任务单、上报表单及日常管理文档等表单文件，按分类及关键字进行归档存储，以供调用。
支持平台层按不同管理人员使用权限及需求分为泵站管养信息维护平台、数字化移交平台、文档协同管理平台，做到平台专项使用，保证了泵站系统的统一与协调管理[11]。信息采集层中，监测数据采集模块接收前端感知设备信息、泵站监测设备信息和外源水文预报等信息，进行初步筛分并转入业务数据库;数字化移交数据模块为管理人员信息录入提供接口;构件结构化数据模块为后续BIM模型细化和属性添加提供接口。
业务应用层承担门户功能，举例而言，管理人员通过日常工作管理模块进行巡检任务录入，平台识别后生成任务单，派发至相应运维人员，巡检完成后巡检单上传确认并存档，同时报送至管理人员处。该架构优势在于实现了平台专项使用，不同职能权限的人员对应操作平台的不同模块，从根本上杜绝权限混乱和错误操作事故。同时，数据存储和计算在下层，平台上层应用代码轻量化，便于维护和进行新功能开发。合理的架构设计大大增加了平台开发速度、实用性，降低了维护和更新的成本。
2.2功能模块
2.2.1BIM可视化
为实现设备设施模型、建筑模型和工程地理信息的可视化展示与管理，同时也为了模型格式的统一和后续操作的便利，平台对建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)和地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)进行了整合研究。通过BIM领域的标准格式(IndustryFoundationClasses，IFC)将建筑和设备模型数据映射到GIS领域的标准格式城市地理标记语言(CityGeographicMarkupLanguage，CityGML)，以GIS为基础实现了建筑信息模型和地理数据信息的集成[12]。
平台的核心是三维可视化管理模块的开发:搭建基于Java框架的平台，将集成后的BIM+GIS轻量化模型上传至平台中进行管理和展示，直观反映泵站设施设备的空间位置信息;泵站物联感知数据接入平台，依托模型进行可视化直观展示;同时，嵌入业务模块、管理模块以及数据分析模块等模块的快捷导航，为泵站管理提升效率。通过BIM图形与可视化技术，平台得以展示厂区的真实情景。具有唯一编码的BIM模型可与资产的生产厂商、安装时间、设计图纸等静态数据挂接在一起;也支持管理人员对厂区设备信息的实时浏览查阅，设备模型与检修记录、报警记录等动态数据关联在一起，实现交互式快速检索及查询。
2.2.2运行状态监测
平台接入现场SCADA系统，实时呈现设备状态监控数据。泵站运行的各个系统数据，如泵组运行系统、水机参数系统、电气参数系统、高低压柜状态系统及闸门工况系统等，均依托于BIM模型进行展示。此外，本模块下还可查看机组的实时运行数据和报警情况。
2.2.3设备物资管理
平台开发时对沙井泵站进行了系统化资产梳理、管理逻辑梳理，形成了一套可行的资产编码体系，在BIM模型的基础上，以编码为基础进行设备及备品备件的查漏，并确保泵站实物资产均构建相对应的高精度BIM模型，编码与模型结合形成一套完整的资产管控体系。 泵站日常运维及检修过程涉及备品备件出入库，传统的备件管理采用人工手写记录，容易因为人员疏忽产生漏填错填等情况，也无法做到备件数量及状态的实时查看。
针对该问题，项目组对泵站设备零件及其备品备件信息整合统计，结合设备部件编码，备件入库时经项目基础数据、产品属性和存放要求等信息录入，审批完成后生成二维码，出库进行扫码登记，后台实时记录备件状态及出入库信息[13]。本模块下，泵站各资产条目与资产的生产厂商、安装时间、设计图纸等静态数据挂接在一起。同时，泵站的设备资产关联检修记录、报警记录等历史数据，方便管理人员进行交互式快速检索及查询。平台也提供移动端资产数据查询模式，助力全面提升泵站信息管理水平。
2.2.4运维记录留档
该模块支持巡视计划及巡视结果的平台化管理，方便现场巡视工作的留痕化、精细化，系统自动过滤统计下一周期的维保任务，并将统计好的维保任务推送给相应维保负责人。
2.2.5预警管理
泵站前池、各进水闸门及出水口处布设有液位计，河口水闸上下游左右岸各布设有流量计及浮子液位计，满足泵站日常运维需要。平台开发及投入使用过程中，在泵站片区内重点易涝区域加装气泡水位计、雨量计和雷达波测速仪，通过遥测终端机(RTU)及相应通讯模块进行数据的采集和传输，有效保证汛期泵站片区内各内涝点流量和水位的实时获取。根据深圳市防汛预案的要求，平台相应开发了预警管理模块。根据获取信息进行事件生成、确认及分类，如积水内涝、设施设备损坏、人员入侵、设备超限运行等等基础事件，再将其分级并推送。
积水内涝预警模块中，平台将综合前端感知信息及天气预报，对监测点水位进行模拟计算。当监测判断易涝点积水时间超过30min，积水深度超过0.15m，给水范围超过1000m2或下凹桥区域积水时间超过30min，积水深度超过0.27m时进行内涝水情预警。对于水情预警或设备超限运行情况，平台实时报警并推送相关历史报警记录及处理方式，并对处理过程进行全程跟踪，问题与处理结果在平台流程中形成闭合的环，确保警报事故无遗漏，避免灾害发生。
2.2.6监测监控视频监控系统的网络环境分为VPN网和内网，集成现有视频监控系统，通过内外网的代理服务器完成数据的转发，保证视频数据对平台的安全接入[14]。通过摄像头模型、标签及透明度变化等方式，实现现场监控摄像头的快速布局查看及定位查找。借助场景定制视频监控设备，对人员出入站、日常巡视等情况进行智能识别，陌生人入侵、人员未正确穿戴防护用品时进行告警并推送至安全生产负责人处。
2.2.7知识库该模块录入泵站运维相关的管理制度、巡检方法、调度操作、机组运行操作、日常维护、防汛抢险、应急管理等规章制度及技术标准，进行知识资源统一管理，方便工作人员调阅。
2.2.8历史数据以数据“留痕”为出发点，详尽梳理平台监测到的设备、设施状态，调度运行数据、管理流程文件等数据，并对其是否具有历史“归档”进行筛选，形成完备的沙井泵站“档案库”。
2.2.9三维模型应用拓展平台结合虚拟现实技术(VirtualReality，VR)开发了系列培训软件。支持新入职员工进行设备原理、施工工序等科普，同时对各种安全应急状况进行真实模拟，对员工进行应急培训。
3功能外延
3.1信息集成和共享
利用BIM技术的特性，在运维阶段将设计和施工阶段的各种相关工程信息进行整合，实现建设信息在全生命周期的共享和使用。此外，基于BIM模型，平台得以将这些信息与设备管理相结合，形成模型-图纸-文档-设备的信息整体，为管理管养人员提供数据查询的便利。
3.2设施可视化管理
平台构建的可视化模块，提升了交付图纸的维度，形成泵站管理的有力支持;为泵站应急辅助决策、设施设备运行信息查询、各关键段水位信息等提供可视化载体，实现泵站基于BIM模型的管理;可视化窗口有助于管理人员直观定位设备或构件，展示其周围情况，协助维修计划制定。在人员培训及展示方面，可视化模块提供更加贴近厂区真实的情景模拟，提升人员对泵站的整体认知水平。
3.3泵站智慧化管理
平台通过多源信息融合应用、运行安全智能化、运行管理智能化等手段协助泵站实现智慧化管理[15]。平台集成前端感知、泵站运行状态实时监控、精细化降雨预报成果等信息，实现多源信息融合应用，优化泵站运行、设备故障诊断和片区水雨情智能监测监控。通过信息接入和模拟，辅助机组运行调节，使机组能够持续处在最优工况下运作，能够显著提升泵组运行效率，整体提升泵站效益。基于编码体系的信息管理，管理人员得以在平台上对精细到部件进行信息查阅和调用，为泵站管理提供了全掌握的视野。泵站管理的制度信息、维修巡检日志在平台存档，管理和运行操作人员都能便利地获取所需的帮助信息，实现泵站的精细化、精准化管理。
此外，平台定期评估泵组运行各项参数并生成运行状态及性能分析报告，有助消除泵组潜在故障和隐患，实现泵组运行安全管理智能化。通过平台，将泵站的工作流程、人员、制度等进行系统化管理。巡检人员使用移动设备对机组运行状态进行巡查管理并生成运行记录、故障记录等信息，实时通过移动端App上传至管理平台，并根据生成的保养计划自动提示到期需保养的设备，实现泵站技术管理及办公的数字化、智能化;形成设备故障的系统化管理，从设备故障预警、设备维修申请到验收等一系列流程的规范化;此外，管理人员还可以在客户端进行对运维人员每日工作的确认和检查，提高泵站管理者对泵站日常流程管理的能力，降低管理成本，有效规范日常管理行为，实现符合水利现代化建设要求的泵站管理。
3.4设备实时监控
平台接入的视频监控设备支持工作人员在平台的不同客户端(网页端或移动设备端)上实时监控泵站内所有设备的运行状态，得知设备是否正常工作并记录运行日志;此外，通过点选不同位置的监控摄像头获取该区域实时的监控画面，闸门启闭情况，各种管道压力计实时读表数据以及泵站进水和出水水位等等信息。
3.5辅助综合调度
基于泵站设备运行记录以及历史水文气象观测数据，再结合项目执行期内现状数据的实时监测和动态分析，通过物联网技术将降雨、水位、流量、视频监控、闸门开度、位移监测等数据传输至管理云平台，并形成数据库进行分析管理。依据分析成果和算法综合[16-17]为泵站管理者提供可靠的综合调度建议，并可以为未来汛期来临前的准备以及相关流域的建设提供基础数据和科学依据。
4结语
平台开发的部分功能，如大数据技术支持下的平台调度，需结合布设前端感知设备。目前而言，泵站智慧运维BIM可视化平台成本较高，适用面还较窄:即平台需要基于泵站原有自动化设备基础建设，或有赖于新增相关设备的小型化、性价比的进一步提升。此外，目前平台预警模块仅针对内部管理及运维人员，后续随着片区预警信息屏和电子警示牌等硬件设施完善，平台部分预警信息对公众和下游船只开放，形成区域监测预警网络，能够更好保障片区人民的生命财产安全。
针对沙井泵站智慧管理的要求，探索性研究各功能模块具体实现途径和目标，已在现场实地布置并投入使用，取得了较好的应用的成果。将其作为试点，积极探索“互联网+”现代水利和智慧水利建设，为管理的高效性、即时性提供平台建设思路，对其他水利设施管理也具有推广意义。
参考文献:
[1]王晓辉.信息化思维下深圳市智慧水务建设思考[J].水利信息化，2019(4):68-72.
[2]朱晓庆，殷峻暹，张丽丽，等.深圳市智慧水务应用体系研究[J].水利水电技术，2019，50(S2):176-180.
[3]黄培志，胡亭，黎志艺.深圳市共和闸站BIM运维应用初探[J].水利技术监督，2020(5):114-118.
[4]杨建峰，陈云，王铁力，等.BIM技术在水利工程运维管理中的应用[J].水利水电技术，2020，51(S1):185-190.
[5]郑晓兴，周斌，翟韦.上海国际旅游度假区东雨水泵站BIM运维平台建设的策划工作浅析[J].中国高新科技，2018(22):70-72.
[6]董海天.关于“智慧水务”平台系统的构建及关键技术分析[J].水利规划与设计，2017(2):22-24.
[7]谢丽芳，邵煜，马琦，等.国内外智慧水务信息化建设与发展[J].给水排水，2018，54(11):135-139.
[8]张镒谱.基于ArcGISAPIforJavaScript的校园地下管网信息系统的设计与实现[D].大连:辽宁师范大学，2016.
作者：彭木站，臧沛渊，任威旭，高婷，许泽钿*
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jjlw/29628.html
