基于BIM+GIS+IoT技術的水利工程數字孿生工地建設管理系統研究與應用

梁愛萍，張發清，蔡運忠，董良潑，胡 錦

(1.宿遷市宿城區水利工程建設服務中心，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇禹數信息技術有限公司，江蘇 南京 210014；3.宿遷市宿城區皂河灌區管理所，江蘇 宿遷 223800；4.宿遷市宿城區雙莊水利站，江蘇 宿遷 223800；5.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

當前，隨著數字化技術的發展和我國“十四五”規劃的實施，數字化轉型已經成為水利工程領域的重要趨勢?！笆奈濉币巹澝鞔_提出了加強數字化建設、推動智能化轉型的目標。在這一背景下，數字孿生技術作為一種新興的數字化工具，正逐漸受到水利工程領域的關注。在水利工程建設和管理中，如何充分利用現代化技術手段，提升效率、降低成本，并確保工程的安全推進成為亟待解決的問題?；贐IM、GIS和IoT技術的水利工程數字孿生工地建設管理系統的研究與應用，為解決這一問題提供了一種全新的解決思路。該系統，能夠實時模擬和監測工地建設的各個環節，提供全方位的數據支持和決策依據，從而實現工程建設的數字化、智能化管理。

1 BIM、GIS及IoT技術在水利工程中的應用

1.1 BIM技術在水利工程中的應用

建筑信息建模(BIM)技術在水利工程中有著廣泛的應用，BIM技術能夠為水利工程提供全方位的項目信息管理和協同設計，實現對水利工程建設全生命周期的數字化管理。通過將施工過程與BIM模型相結合，可以進行施工模擬和進度管理，實現施工過程的可視化，從而提高施工效率。將工程運維信息與BIM模型相關聯，能夠實現對設備和系統的監測和管理，為運維人員提供設備維護記錄、操作手冊、檢修指導等信息。同時，BIM模型還能夠協助進行設備的定期檢查和維修計劃的制定。

1.2 GIS技術在水利工程中的應用

水利工程涉及大量的地理信息數據，包括地形、水文、水質等方面的數據，地理信息系統(GIS)技術可以用于對這些數據進行集成、管理和更新。通過建立水利工程的地理信息數據庫，可以實現對工程信息的統一管理和快速查詢?；贕IS技術，還可以實現對水利工程的地理信息進行集成、分析和可視化展示，從而提高水利工程建設管理的效率和精確性。

1.3 IoT技術在水利工程中的應用

物聯網(IoT)技術可以實現對水利工程設備、結構和環境參數的實時監測。通過在重點區域部署各類傳感器設備，實時監測和獲取水資源的相關數據，并通過IoT技術與數字孿生系統相連接，將數據傳輸到中央服務器進行存儲和分析。傳感器網絡的應用可以為水利工程施工及運維階段提供實時數據支持，幫助工程管理人員及時掌握工地狀況。

1.4 BIM+GIS+IoT技術的融合與應用

BIM+GIS+IoT技術的融合使得工程相關數據能夠進行集成與共享。BIM技術以建筑信息模型為基礎，包含了水利工程的幾何、屬性和關系數據；GIS技術則負責處理和分析地理信息數據，包括地形、水資源、土壤等信息；IoT技術通過傳感器網絡和物聯網連接實時監測數據。通過整合這些數據，可以實現水利工程信息的一體化管理，為數字化應用提供全面的數據支持。

在水利工程的施工階段，依托BIM技術可實現施工過程的模擬和可視化，幫助監測工程進度和質量。結合GIS技術的分析功能，可進行工地的地理空間分析，為施工決策提供支持。IoT技術通過傳感器網絡實時監測工地設備和環境數據，提供實時的施工監測和安全管理，提高工程施工的效率和安全性。

2 數字孿生工地建設管理系統設計與實現

2.1 系統框架設計

數字孿生工地建設管理系統組織分為用戶層、業務層、功能層和數字孿生平臺。系統采用分層架構技術，根據通用性和穩定性進行分層，同一層次按照功能或應用劃分模塊，以上層用戶需求為指導，逐層設計，逐步細化平臺組件的功能。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

用戶層：面向主管部門、監管部門、監理單位和施工單位，以實際功能和業務需求為導向，以可視化模型、數字模擬仿真引擎以及三維仿真引擎為基礎，為使用者提供了工作環境和操作界面。

業務層：對平臺數據進行采集、解析、清洗和預處理。通過調用開放的API接口，為設備管理和上層應用開發提供數據支持。同時針對各類業務和功能進行實時監控，智能生成各類報表。

功能層：通過數字孿生平臺搜集各類基礎數據，經業務層數據處理、分析、調用，提供包含但不限于綜合信息查詢、工程進度管控、監測監控總覽、項目資金管理、工地人員管理、工程質量管理、場地設備管理以及施工安全管理等多個施工環節的管理應用，進一步提升實際生產活動項目人員中對項目全生命周期中生產活動的管控能力。

數字孿生平臺：通過構建基礎計算、存儲和網絡資源池，搜集GIS、BIM模型、傾斜攝影、基礎設施、監測管理、應用業務、多媒體等多元化數據，結合GIS引擎、BIM引擎以及三維仿真引擎，生成可視化模型、分析模型以及數字模擬仿真模型。一方面為數據處理和分析模塊提供海量數據源，另一方面為上層應用提供各類可視化信息和數據模型支撐。

2.2 數據采集

數字孿生工地建設管理系統需要構建L3級數據底板，同時涵蓋水利對象基礎數據、監測數據、業務數據、空間數據以及多媒體數據等。針對氣象、水情、視頻等外部數據，依照江蘇省水利廳要求的數據目錄格式，構建建設工程數據資源共享目錄，實現對建設工程基礎、監測數據的共享交換。

工程概況及運維相關數據采用多種獲取方式，通過數據庫對接、API接口以及數據填報等方式采集。通過使用數據采集中間件，借助各類標準數據服務，對建設工程相關數據資源進行整合并統一存儲于融合數據庫中，利用數據清洗引擎進行數據治理。將原本離散、低價值密度、低質量的數據進行標準化處理后，加載到中間數據庫和基礎數據庫中，再面向業務應用建立主題數據庫，為應用提供集中的、高價值密度、高質量的數據。數據處理過程如圖2所示。

圖2 數據處理過程

2.3 數字孿生平臺搭建

2.3.1 數字孿生引擎

數字孿生引擎支持GIS數據、BIM數據、傾斜攝影、地質數據、視頻圖像數據、物聯網專題數據等多種格式數據接，并且具有較好的渲染效果，還原真實物理世界。在接入BIM模型時，保留完整幾何、材質和屬性信息，及構件原始顆粒度，并且保留構件的ID和屬性信息，方便用戶可以通過點選操作查詢BIM屬性。同時，引擎提供開放的地理空間數據庫接口，通過API接口實現對數據庫表結構的定義，以及對地理空間數據的屬性編輯和幾何編輯功能。

2.3.2 數據底板

數據底板是智慧水利的關鍵基礎，通過完善時空多尺度數據映射和功能擴展，實現水利工程全要素的數字化映射。L2級數據底板包括高分辨率DOM、高精度DEM/DSM、傾斜攝影影像等數據，主要用于項目重點區域的精細化建模；L3級數據底板除GIS數據外，還包括BIM等數據，用于主要建筑物工程的建設。根據實際項目中的要求搭建不同等級的數據底板，并建立數據安全保障機制，為項目的數字化建設提供數據支撐。

2.4 可視化展示

以數據底板為基礎，基于數字化技術和可視化組件建立模擬仿真引擎，通過搭建數字孿生可視化場景，以滿足平臺的可視化需求。以三維的方式立體呈現工程的結構、外形、設備設施以及周邊環境。結合IoT技術，對工程的基礎信息、感知信息、監測數據、工程運行管理信息以及其他相關信息進行展示，為工程展示提供了全面的信息視角。

2.5 系統功能實現

2.5.1 監測監控管理

本項目采用無人機定期對工地進行航拍，并將航拍圖像上傳到系統中，搭建項目建設過程影像資料庫，準確記錄并保存工程建設每個階段的影像數據。此外，可以調取工程相關的視頻監控，實現對工地施工情況的實時監控和掌握?；谟跋褓Y料庫和視頻監控系統，能夠全面掌控工程的實際進展情況，及時發現和解決問題，確保工程的順利進行。

2.5.2 人員設備管理

為了更直觀地了解各標段的人員出勤情況，系統以圖表形式對參建單位的各類人員出勤數據進行可視化展示，并按照工種分類展示重要參建人員的本月和上月的出勤情況，有效監控和管理項目人員的工作情況。通過系統還可查詢各標段設備的配備情況、主要設備和特種設備的使用情況，確保施工過程中設備的正常運行，并及時進行維修和更換，以保證工程的順利進行。

為保障施工人員的安全，配備智能安全帽。通過建設管理系統，可以實時查看人員當前所處的區域，并記錄歷史巡查路線。同時，可以調取相關影像資料，查看人員作業情況及施工現場情況，在事故發生時能夠及時采取必要的應對措施。

2.5.3 項目資金管理

通過調取水利中臺數據，獲取資金下達、工程款支付、安全文明措施費以及農民工工資等信息，并以圖表的形式在系統中進行直觀呈現，方便查詢項目資金的使用情況。通過資金的可視化展示，可以清楚地了解項目資金的流向和使用情況，為項目管理和決策提供準確的依據。

2.5.4 工程進度管理

工程進度管理分工程總覽、詳細進度和大事記3個模塊。在工程總覽中可以查看項目的進展情況。工程詳細進度以橫道圖的形式展示，直觀地對比工程計劃進度與實際進度之間的差距。依據施工組織計劃對BIM模型進行構件分組，并以樹狀結構展示各個BIM模型構件，按照項目計劃任務的時間軸，進行計劃進度的模擬和實際進度的演示，讓管理人員直觀地感受整個項目的模擬建造過程，并及時發現和修正不合理的計劃進度。通過施工模擬過程，可以提前進行施工材料、機械、人力和場地的準備工作，精確控制施工組織安排，確保工程的順利展開。工程的關鍵節點和階段性進展以大事記的形式進行記錄，方便管理人員和相關方了解工程的重要里程碑和進展情況，便于后期的查看和驗收。工程進度管理功能如圖3所示。

圖3 工程進度管理

2.5.5 質量安全管理

在工作人員巡查作業時，可以通過巡查APP及時記錄和匯總項目的質量情況，包括質量缺陷、整改情況等；發現安全隱患時也能夠記錄和管理項目中存在的危險源，如高空作業、電氣設備等。將質量、安全和風險源與BIM模型綁定，可以直觀地了解工程的質量和安全狀況，及時采取必要的措施進行整改和管理。同時，結合數據底板，對質量、安全等數據進行動態管控。在建設管理系統中，實時查看和分析項目的質量和安全數據，并進行統計和報表生成，幫助管理人員及時發現問題和風險，并采取相應的措施進行處理。也可查詢各個風險源的位置、詳細描述以及施工時需要注意的事項，以實現更為科學的質量和安全管理。

3 系統應用與效果評估

3.1 實際案例應用介紹

洪澤湖周邊滯洪區是淮河流域防洪工程體系的重要組成部分，涉及宿遷、淮安兩市的6個縣區，屬于國家172項節水供水重大水利工程和國家重點推進的150項重大水利工程之一。主要建設內容包括迎湖擋洪堤加固、堤后填塘固基、堤防防滲處理、堤防迎水坡護砌、護腳以及新建堤頂防汛道路、跨河橋梁、進退洪口門、排澇泵站等。工程覆蓋區域廣并涉及多個專業領域，為解決項目體量大，涉及專業多，協調難度大等問題，該工程開展數字孿生工地建設以實現工程建設的信息化、智能化和精細化管理。

3.2 應用效果

3.2.1 工程管理可視化

數字孿生工地建設管理系統為項目管理提供了直觀的可視化界面，如圖4所示。通過工地各個區域安裝監控設備，實時監測工地現場情況，結合數據底板和可視化界面，工程管理人員可遠程查看工地的實時視頻，全面了解施工現場的情況。項目資金并以圖表或儀表盤的形式展示給管理人員，方便管理人員直觀地了解項目的資金使用情況。同時，通過對BIM模型進行分組，并與施工進度進行綁定，系統以三維形式模擬施工過程。系統還與物聯網設備和巡查APP數據進行綁定，獲取項目質量安全信息，結合數據底板在模型對應位置進行指示，并以表單形式詳細列出具體內容。

圖4 系統功能頁面

3.2.2 智能感知

充分利用物聯網、傳感、定位、視頻、遙感等技術，構建立體感知體系。通過定期利用無人機對工地進行無死角航拍，能夠全面、快速地了解項目安全、質量和進度情況。結合監控智能識別技術，可以及時發現人眼無法察覺的安全隱患，從而降低施工安全風險。施工人員配備智能安全帽，基于GPS定位技術，可在系統中查看施工人員的實時動態、歷史影像資料及各個工種的分布情況等信息，以確保關鍵人員到崗。此外，基于安全監控信息構建動態電子圍欄，在施工人員作業、巡查時發出安全預警，保障工人安全。電子圍欄安全預警如圖5所示。

圖5 電子圍欄安全預警

4 結語

通過將BIM、GIS和IoT技術融合應用于水利工程數字孿生工地建設管理系統中，可以實現數據的集成與共享，為工程管理提供全面的數據支持和決策依據。系統框架設計中的用戶層、業務層、功能層和數字孿生平臺能夠兼顧不同用戶的需求，實現工程建設的數字化、智能化管理。引入智能感知技術，可及時發現工地安全隱患，保障人員安全。該系統在水利工程上的應用，能夠實現工程信息的一體化管理，有效提升水利工程的建設管理水平。然而，在大型項目中工程數據量龐大，數據處理具有一定難度。因此，該系統需要不斷優化和提升，以適應不同項目的需求。