基于BIM GIS技术的大型智慧灌区运维管理研究.pdf

基于 BIM+GIS 技术的大型智慧灌区运维管理研究马 莉1蒋佳慧2*邢云飞1丁雨晴2（1河南省豫东水利工程管理局，河南开封 475002；2华北水利水电大学，河南郑州 450046）摘要随着智慧灌区的不断发展，针对大型灌区运维管理存在信息化程度低、信息无法互融互通、技术管理水平落后等问题，本文构建了基于 BIM+GIS 的大型智慧灌区运维管理总体框架，结合 BIM、GIS、物联网、大数据等信息技术，从数据来源、数据储存、应用服务 3 个方面阐述了大型智慧灌区运维管理系统的建设要点，对灌区进行网络化建设并构建数据库，通过无线网络实现数据的共享，提高了灌区的信息化管理水平。以某灌区为例，通过不同阶段的应用建设构建了灌区内设备及建筑物的 BIM 模型，与 GIS 数据相融合，最终实现灌区“一张图”的可视化管理，以及灾害应急管理、设备系统运行状态评估、运维检修决策、安全运行管理等多方位服务，促进了大型灌区运维管理的信息化、智能化发展，对提高智慧灌区的运维管理能力有一定的参考价值。关键词BIM；GIS；大型智慧灌区；运维管理；信息化中图分类号TV93文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）23-0141-05DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.23.037开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Operation and Maintenance Management of Large-scale Smart Irrigation Area Based onBIM+GIS TechnologyMA Li1JIANG Jiahui2*XING Yunfei1DING Yuqing2(1East Henan Water Conservancy Project Management Bureau,Kaifeng Henan 475002;2North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou Henan 450046)AbstractWith the continuous development of smart irrigation areas,the overall framework of BIM+GIS basedoperation and maintenance management of large-scale smart irrigation areas has been constructed to solve the problemsof low informatization,information incompatibility,and backward technical management in the operation andmaintenance management of large-scale smart irrigation areas.Combined with the BIM,GIS,the internet of things,bigdata and other information technologies,this paper elaborated the key points for the construction of the operation andmaintenance management system of large-scale smart irrigation areas from three aspects in this paper,including datasources,data storage,and application services,and then carried out network construction and built database forirrigation area,realized data sharing through wireless network,and improved the information management level ofirrigation area.Taking an irrigation area as an example,the BIM model of equipment and buildings in the irrigation areawas constructed through application construction at different stages,and was integrated with GIS data to finally realizethe visual management of one picture in the irrigation area,as well as disaster emergency management,equipmentsystem operation status evaluation,operation and maintenance decisions,safe operation management and other multi-directional services,promoting the informatization and intelligent development of operation and maintenancemanagement in large-scale irrigation areas.It has certain reference value for improving the operation and maintenancemanagement ability of smart irrigation area.KeywordsBIM;GIS;large-scale smart irrigation area;operation and maintenance management;informatization基金项目国家自然基金“流域视角下水源地生态补偿标准测算及供需双向调节机制研究”（52209018）；国家自然科学基金（51709115）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（182102210066）。第一作者 马莉（1982），女，高级工程师，从事水利工程管理工作。E-mail：*通信作者 E-mail：收稿日期 2023-03-14现代农业科技2023 年第 23 期农业工程学141现代农业科技2023 年第 23 期农业工程学为了全面提升水旱灾害防御能力、水资源节约利用能力和促进新阶段水利高质量发展，在当前信息化水平提高和国家政策引导的基础上，强化水利战略科技力量，建设信息化、智慧化灌区是一个重要手段。智慧灌区是在数字灌区建立的基础框架上，通过先进的网络技术将现实灌区与数字孪生灌区进行有效融合，从而感测、整合、分析灌区生产运行过程中的各项信息，具有智能检测、解释、模拟、预警、决策和调控能力，能实现灌区内水雨情信息、水质信息、墒情信息、闸位信息、气象信息的实时监控1。如何维护和保障智慧灌区的运行效果也是一个值得关注的行业问题。Rowshon 等2开发了名为 RIMIS 的 GIS 集成软件，动态链接 GIS 中运河网络灌溉区域的田间灌溉需求预测模型，确保终端用户平等共享水资源，有助于管理人员加强灌溉系统管理和运行方面的决策2；刘晓彬等3基于 BIM+GIS 技术，将 BIM 模型与灌区实景模型及正摄影像等 GIS 数据相融合，实现了灌区的可视化展示；史良胜等4从灌区的感知智能、认知智能和管理决策 3 个方面进行研究，借助人工智能技术和大数据等手段，确立了智慧灌区的观测体系和认知体系，提出了可处理多种目标的智能优化决策系统；俞扬峰等5研发了基于 GIS 的大型灌区移动智慧管理系统；刘海燕等6研发了可灵活配置且扩展性强的灌区信息管理系统，提高了灌区的管理效率，为科学决策提供了技术支撑。综上所述，灌区管理已经迈入了信息化时代，但在智慧灌区的运维阶段研究还不够完善。本文基于 BIM、GIS 引入物联网和大数据挖掘分析等信息技术，构建智慧化运维管理系统，以实现灌区安全高效的运行和维护管理，全面提升灌区管理效率与服务能力，提高灌区的现代化水平。1大型智慧灌区运维管理存在的问题大型灌区具有范围广、面积大、工程较分散、水资源有限、水雨情变化不定7等特点，管理任务十分繁重。因此，在大型灌区的运维管理过程中，有许多方面的因素会对运维效果产生影响，其中包括人员分配不明确、产权不明、有效灌溉率低等原因。本文将BIM、GIS 等技术应用在大型灌区的运维管理阶段，以有效解决现有灌区运维管理模式下存在的问题，实现智慧化运维。1.1基础设施存在缺陷灌区内部分渠道修建时间久远，产生了老化现象，安全性、稳定性存在不足；部分闸门年久失修，开启不方便，导致在灌区运行过程中易发生机械故障；干渠存在淤积现象，导致输、排水不通畅，流量锐减，增加了后期运维管理成本。1.2技术管理水平滞后大型灌区的信息化建设不足、技术水平落后，许多工作仍采用较为单一、原始的手段。闸门的开启基本上仍靠传统的人工操作；水量监测方式为手工量测，不能有效储存信息，量测数据不精准；巡渠基本靠人力踏查，许多问题不能及时发现和处理；各种灌区参数观测的设备不完善，基本靠经验判断，易存在误差；水量调配不科学，统计数据不能有效共享，与实现灌区现代化管理发展的要求还存在着较大差距。1.3信息化建设标准低，存在信息孤岛大型灌区发展存在着信息化水平、规模、布局与担负灌区水资源管理能力不平衡的现象，难以实现按需灌溉，无法将生态补水、调蓄用水、灌溉用水有机结合。灌区管理对现代化技术的利用程度较低，信息化程度不足，管理制度不完善，而大型灌区管理层级复杂，属地管理易存在信息孤岛，难以实现数据和信息的互联互通，沟通效率低，预测、预演、预案、预报等不能做到上通下达，在很大程度上制约了运行优化的可能性。2基于 BIM+GIS 的大型智慧灌区运维管理总体框架基于以上大型智慧灌区运维管理现状，为了提高大型智慧灌区的运维管理水平，实现智慧化运维，需要解决大型灌区信息化程度低、信息无法互融互通、技术管理水平落后等问题，而 BIM、GIS 等技术的应用为以上问题的解决提供了基础条件8。通过构建基于BIM+GIS 的大型智慧灌区运维管理系统，详细介绍BIM 与 GIS 等相关技术与运行维护管理系统的结合，对灌区内各项数据进行科学化、信息化、系统化的管理，加强大型灌区的信息化建设，对有可能出现的灾害进行预防，制定科学合理的管理计划，从而降低运维阶段的成本，推动大型灌区智慧化发展。如图 1 所示，将运维管理系统划分为 BIM 建模、网络化、数据库/中心、应用 4 个阶段。3实例应用某灌区设计引水流量 150 m3/s，规划灌溉面积39.13 万 hm2，是该省最大灌区。列入续建配套与节水142改造工程项目的面积为 24.43 万 hm2、二期工程面积14.7 万 hm2。该灌区于 1971 年开灌，已累计引水约80 亿 m3，灌溉、补源面积 533.33 万 hm2，对灌区的农、林、牧、副、渔业全面发展起到了显著作用。目前，已有干渠 56 条、长 760 km，支渠 144 条、长 858 km，闸涵等控制建筑物 2 310 座，基本形成了干、支渠输水框架，初步打通了向下游两市的输水线路。3.1BIM 建模本研究在 BIM 建模阶段采用 Bentley 平台的Open Buildings Designer、MicroStation 等专业的三维建模软件对大型灌区内的设备及建筑物进行可视化模型的建立。利用数字化技术，为模型提供完整、与实际情况一致的建筑信息库9，将灌区的各类参数通过三维模型表达出来，可以更加直观、简便地观察整个灌区的内外部信息，为大型灌区的智慧化运维提供数据基础。建模内容主要包括引水建筑物、引水口建模，分水闸门、控制闸门等机电建模，主干渠特征剖面建模、渠道建模，支渠及附属灌溉建筑物建模，量水设施、监测设施建模等。3.2网络化建设大型灌区的信息化程度较低，灌区自动化建设不够完善，运维管理阶段的工作多由人力开展，造成了工作效率低、运维管理成本高、出现紧急事件时不易及时有效解决等问题，因而需要加强大型灌区的网络化建设。网络化建设的基础是加大灌区内网络的覆盖程度，通过建立 4G、5G 或 WiFi 基站实现灌区内网络全覆盖，确保网络的畅通，为信息的传递提供网络保障。通过安装前端感知设备进行数据采集，利用物联网技术建立针对水资源等各方面的在线监测系统，通过无线网络实现对渠系全局的视频监控、远程控制以及雨量、水位、水量、水质等在线自动监测和数据传输，为灌区综合决策提供科学依据。网络化建设是提高大型灌区信息化、自动化水平和建设智慧灌区的根本阶段。本研究将灌区网络化建设内容大致分为了监控、定位、监测 3 个基本模块，各模块具体工作内容如下。3.2.1监控模块在灌区内安装监控、摄像机、射频设备等传感器，对整个灌区进行视频监控。传感器采集的视频数据会实时通过无线网络传送到监控中心的显示端，通过智能视频分析技术诊断视频数据来判断是否发生异常，若出现异常信息，通过物联网可以及时向监控中心发出警报，实现对灌区的实时动态监控。3.2.2定位模块灌区网络化建设的数据基础是通过传感器获得的感知数据，这些感知数据必须与位置信息相结合才几何数据构件属性建筑信息GIS 数据航测影像视频数据位置信息监测数据台账数据清单数据数据格式转换无人机航测物联网技术管理数据模型交付设计建模监控模块定位模块监测模块基本模块BIM建模数据储存应用阶段网络化感测设备（各类传感器、客户端的安装）数据中心（实现信息汇集、储存、管理、交换和服务，对数据进行分析计算，为智慧水利综合业务提供数据支持）灌区“一张图”灾害应急管理状态评估与运维检修安全运行管理构建灌区全区域信息总览图灌区可视化管理灾害模拟制定应急方案采取应急措施运行状态评估制定运维检修方案监测数据管理开展安全巡检工作数据库图 1基于 BIM+GIS 的大型智慧灌区运维管理总体框架马 莉等：基于 BIM+GIS 技术的大型智慧灌区运维管理研究143现代农业科技2023 年第 23 期农业工程学能对灌区环境异常区域进行精准定位，如果没有位置信息，就无法定位发生异常区域的位置，问题就无法得到解决，因而获取传感器的位置信息非常关键。为了获取传感器的位置信息，一般会采取人工部署传感器或在传感器的节点位置安装 GPS 全球定位系统装置的方式，但人工部署会严重限制网络的扩展性，而对灌区内全部传感器节点安装 GPS 装置相当耗财、耗时、耗力，并且受到各方面条件的限制。本研究对灌区内关键部位传感器节点安装 GPS 装置，得到已知位置的传感器节点，称为信标节点，而剩下的未知节点采用无需测距的 DV-Hop 算法进行计算。得到全部传感器节点的位置信息，与采集的数据相结合，就可以对异常区域精准定位，采取及时有效的措施解决问题。3.2.3监测模块在灌区内安装气象传感器如降雨传感器、风速传感器、空气温湿度传感器、能见度传感器等监测设施，对降雨量、风速、风向、空气湿度、能见度等气象信息进行监测；安装量水设施、流速仪、流量计等客户端，对灌区各渠系的水量、水流流速、流量等信息进行监测；安装墒情、水质监测等传感器，对土壤湿度的情况、水质等信息进行监测；安装闸位传感器，对闸门位置进行监测等，通过安装各类前端感知设备，对灌区内工况、设备运行情况和各类信息进行实时监测。3.3数据储存在灌区的运行过程中会产生大量的信息和数据，为了更好地实现灌区数据的共享和信息的互联互通，需对这些数据进行汇集、整理、分类，并构建灌区信息数据库，通过数据库对灌区内结构化数据、非结构化数据进行组织、储存和管理。灌区信息数据库内主要包括 GIS 数据、BIM 模型数据、监测数据、管理数据4 类数据。其中，结构化数据包括水资源调度管理台账、水费收缴台账、风险点登记台账、辅助台账等台账数据，设备设施清单、作业活动清单、场所区域清单、工程物料清单等清单数据，水情、墒情、水质等监测数据；非结构化数据包括图片信息、监控视频数据、位置信息等。数据接入流程见图 2：首先将汇集的数据进行预处理，实现数据的清洗、降价、变换、规约等处理；其次将处理好的数据上传到数据库储存；最终通过云数据中心对数据进行分析计算，形成可利用的信息资源，通过提供各类信息服务，深化信息资源的开发利用，实现数据的共享和信息的互联互通。3.4应用阶段利用数据中心形成的可用或有用的 BIM 模型信息数据与 GIS 技术相结合，构建灌区全区域信息总览图，实现灌区的可视化，即灌区“一张图”。“一张图”是灌区管理能力提档升级的重要工具10，利用无人机航GIS 数据收集灌区资料地质地形环境观测像控点布设航线规划无人机航测检查航拍质量并确定补拍范围航拍数据采集整理BIM 模型数据BIM 建模碰撞检查拆分模型模型分类与编码导出数据格式（IFC 标准）监测数据数据采集装置设备传感器无线网络设备RS232/RS485WiFi/ZigbeeTCP/IP 网关数据采集数据处理数据库数据中心管理数据台账数据清单数据水资源调度管理台账设备设施清单水费收缴台账风险点登记台账辅助台账作业活动清单场所区域清单工程物料清单建立 Excel 文档图 2数据接入流程144测技术获得灌区的地形信息，进行参数化地形建模，构建覆盖全流域的交通、地形、卫星影像的全矢量化图层，与 BIM 模型进行组合，实现 BIM+GIS 集成灌区数字化模型，反映各种现象的分布规律，为水资源综合开发和治理提供直观的依据。3.5运维管理以灌区“一张图”为基础，构建大型灌区智慧运维管理系统功能架构，见图 3。系统由灾害应急管理、状态评估与运维检修、安全运行管理 3 个功能模块组成，从灾害预防、应急处理、状态评估、运维检修、监测数据管理、安全巡检 6 个方面实现灌区的智能管理，产生多项运维应用，提高了大型灌区的运维管理水平，实现智慧化运维11。3.5.1灾害应急管理基于 BIM 模型，利用虚拟仿真技术将现实场景转为虚拟场景，在虚拟场景中进行灾害模拟，通过 BIMBIM模型信息数值仿真模拟软件灾害模拟制定应急预案自动报警快速定位采取应急措施信息系统运行状态评估辅助设备运行状态评估机电设施状态评估金属结构状态评估各类建筑物状态评估维修类型管理制定维修计划创建维修工单维修工单执行数据采集数据上传数据处理智能分析预警报警确定巡检范围和对象明确巡检内容安排巡检时间制定巡检标准确定巡检方法规划巡检路线执行巡检任务形成巡检记录监测设备运行状态评估灾害预防应急处理状态评估运维检修监测数据管理安全巡检安全运行管理状态评估与运维检修灾害应急管理灌区智慧运维管理系统图 3灌区智慧运维管理系统功能架构模型进行不同状态下的灾害模拟，对模拟中存在的问题进行分析判断，并制定相应的应急预案。当灾害发生时，智慧运维管理系统就会自动触发报警功能并对灾害发生的位置和范围进行定位，为救援人员提供完整的灾害相关信息，帮助救援人员迅速掌握全局，从而对灾情作出正确的判断并采取应急措施，为灌区的安全运行提供保障。3.5.2状态评估与运维检修在灌区的整个运行过程中，需不定时对灌区主要运行部位的状态进行评估，评估内容主要包括信息系统运行状态评估、监测设备运行状态评估、辅助设备运行状态评估、机电设施运行状态评估、金属结构运行状态评估、各类建筑物状态评估。为了保证灌区的正常运行状态，需安排运维检修工人对灌区进行维护，维修类型主要分为故障维修、计划维修、状态维修三大类，按照维修问题所属类型制定维修计划，系统根据维修计划自动生成维修工单，最后按照维修工单执行维修任务。3.5.3安全运行管理为保证灌区的安全运行，主要开展灌区监测和安全巡检两方面的工作：一方面，对灌区内各类信息进行监测管理，将传感器采集到的监测数据上传到数据中心，利用大数据分析技术对监测数据进行储存、管理、挖掘、分析，实现数据可视化，自动判断异常数据并发出警报，能够快速、准确地发现并解决问题，实现灌区的灾害预警；另一方面，建立安全巡检制度，实现巡检工作的定人、定点、定路线、定标准、定方法、定路线和定记录，巡检方法一般采用人工巡检、测量工具巡检和 GIS 巡检，对灌区定时、定期进行检查，排除故障隐患，保证生产运行过程的稳定性。4结语本文构建了大型智慧灌区运维管理系统框架，应用 BIM、GIS、物联网、大数据挖掘分析等信息化技术，与灌区数据相结合，实现对灌区动态的实时监控和智能监测，为大型灌区的运行安全提供了保障。对灌区局域网络基站的建设以及测控一体化、环境监测等各类智能设备的安装，极大地提高了灌区的智能化水平，实现了灌溉系统测报信息化。不仅可以更加精准地计量与计算水量，消除粗放的传统灌溉计量，还可以提高水费的透明度和水费缴纳的公平性。参考文献1 高占义.我国灌区建设及管理技术发展成就与展望J.水利学报，2019，50（1）：88-96.2 ROWSHON M K，AMIN M S M，LEE T S，et al.GIS-inte-grated rice irrigation management 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