城镇排水管网运维智慧化技术应用.pdf

2023年2 月第1期No.1 Feb.,2023非开挖技术杂志社CTTPERIODICAL OFFICE OF CHINA TRENCHLESS TECHNOLOGY城镇排水管网运维智慧化技术应用盖世聪吕耀志天津市政工程设计研究总院有限公司，天津30 0 39 2摘要：城镇排水管网的信息化、智慧化能够降低管网运维管理压力，提高管网综合调度水平。因此，本文剖析并应用BIM、G I S、物联网、云存储和增强现实等智慧化技术手段，建设集排水管网数据全生命周期管理、物联设备实时监控与预警、智能AR巡检于一体的排水管网综合管理系统，实现排水管网三维可视化运维与管理。关键词：BIM；G I S；物联网；云存储；增强现实；智慧排水1引言目前，随着城镇化进程加快，城市配套地下排水管网建设进入高速发展阶段，污水排放量和运维管理压力也逐渐提升，传统人工管理模式对具有典型空间分布性和时序性的城市排水信息难以实现准确高效的管理和分析，排水设施信息及设施运维存在的信息孤岛，也影响城市排水高效统筹管理。借助数字化技术的快速发展，排水管网运维的信息化、智慧化作为智慧城市框架下城市排水管理的重要研究方向，对于实现排水管网管理的数字化转型，提高排水管网综合调度水平具有显著作用。本文将BIM、G I S、物联网、云存储和增强现实（AugmentedReality，A R）等数字化技术手段综合应用到排水管网运维管理工作中，详细剖析其技术优势，并以智慧化设计理念为大纲，建设以管网BIM模型为数据载体，基于三维GIS场景进行可视化集成的排水管网综合管理系统，实现基于BIM+GIS 的排水管网三维可视化运维与管理。2关键技术2.1BIM模型建立城镇排水管网空间布局复杂，数量大，采用传统人工建模的方式工作量大、效率低且容易出错。BIM建模技术可通过参数化自动建模方法，将二维测绘数据快速转化为三维模型数据，直观展示空间拓扑关系的同时关联管网属性信息，为实现排水管网信息的更新与分析提供技术支撑。本文应用 Cesium 引擎，利用Html,JavaScript等编程语言进行二次开发，自动读取管网测绘数据，赋予BIM预制体构件对应的几何参数和属性参数，批量生成排水管网BIM模型，并通过不同材质进行区分，建模流程如图1所示。该方法的优势在于：(1）自动建模：提升建模效率，建模更便捷，节省时间；(2）自动更新：模型可随几何信息和属性信息的变化而同步更新，可以真实反映管网现状，保证BIM模型的现势性。(3)模型精度高：基于管网施工精度级别的测绘数据可以保证模型达到施工图精度。管网测绘数据几何参数与属性参数BIM预制体构件空间信息属性信息几何参数匹配属性参数匹配批量建模排水管网BIM模型图1BIM模型建立流程非开挖技术China Trenchless Technology2.2 BIM+云存储城镇排水管网运维涉及到管网设施的设计、建设、检测、养护等内容，运维数据不断扩展、迭代和更新。本文引入云存储技术，将海量工程数据保存至云数据库，保证数据的安全性、扩展性和现势性，实现工程数据的快速、高效管理。云存储技术协同不同类型的存储设备，通过互联网将本地数据存放至在线存储空间，从而提供存储服务 4，优势在于：(1)数据安全性与完整性：云存储采用多备份、异地备份、同步技术校验等技术手段保证数据可用性和完整性，最大程度避免排水管网运维数据的丢失与损坏。(2)可扩展性强：云存储通过不同类型存储设备的协同工作，实现数据分布式存储，容量大且扩展方便快捷，有利于排水管网运维数据的扩展与延伸。为方便数据管理和建模需求，本文将排水管网几何数据、属性数据、模型数据存储至云端数据库，以管网编码信息为唯一标识进行管理，保障BIM模型数据在管网数据全生命周期管理过程中的可用性与现势性。如图2 所示。云存储九何数据图2 BIM模型数据的云存储2.3 BIM+物联网为及时、准确地掌握城镇排水管网的运行现状，本文引入物联网技术，对排水管网设施及水体进行标准化数据采集，并上传监测结果至三维BIM模型进行可视化展示，实现物联网采集分析成果的三维可视化交底，便于管理人员及时、准确地获取监管区域排水管网的运行规律。物联网技术将管网运行状况数字化、信息化，核心在于提高管理人员对排水管网的感知、决策和控制能力 5。本文物联网的技术体系主要包括感知技术、传输技术和服务技术，分别实现管网运行信息的感知、传递和管理。2023年2 月(1）感知技术：管网运行监测的技术基础，利用射频识别、二维码、传感器等技术实时识别、采集管网运行设备和水体的关键指标信息。(2)传输技术：利用互联网、移动通信等途径发送、传输和接收管网运行的状态信息，实现信息共享。(3)服务技术：管网运行监测的技术核心，利用智能计算机技术对管网运行状态信息进行统计、挖掘和分析，是物联网技术最终价值的体现。2.4 BIM+AR增强现实技术能够实现现实空间与数字空间的直观联系和交互，提高用户的沉浸感、专注度和数据理解的直观性。增强现实与BIM模型相结合，能够将虚拟的管网模型叠加到真实地表环境上，并通过沉浸式交互快速查询管网属性，为管网的空间规划与决策提供支持 7,技术路线如下：(1)空间定位：利用基于RTK（R e a l-T im ekinematic，R T K）的高精度定位技术，准确获取移动终端位置坐标，并通过坐标转化，在云数据库中检索当前位置对应的管网模型。(2）虚实融合：利用VIO（v is u a l-in e r tia lodometry，V I O）混合跟踪注册技术，实时跟踪移动端摄像头在现实环境中的位姿变化，进而计算BIM模型在相应视角下的坐标转化，实现环境感知和动态跟踪，保证模型在真实空间可视化的合理性，完成BIM模型与现场场景的虚实融合。魔性数据(3)沉浸交互：利用射线碰撞检测技术，由人模型数据为触屏发射虚拟射线，通过解析虚拟射线与BIM模型碰撞检测的反馈结果，确定交互对象，触发信息查询命令，快速获取关注模型的属性信息。2.5 BIM+GISGIS与BIM的相似之处都是对几何对象及其属性信息的管理，但GIS研究层面在于宏观的地理空间,BIM则侧重于对象本身，属于微观层面 8。BIM模型是GIS地理空间环境下微观精细构筑物的补充，而区域性BIM模型数据的深层次应用则需要集成GIS来实现，BIM与GIS的融合对城镇排水管网建设的管理运营有着深远意义。本文将GIS作为底层架构与技术底座，从三个层面与BIM模型进行结合：(1)数据管理层面：GIS通过坐标变化与格式22023年第1期转化，处理与变换BIM模型几何信息，保证模型与场景的精确叠加，并基于GIS空间数据库存储与管理BIM模型的几何信息与属性信息。(2)分析应用层面：利用空间图形分析方法，定量描述BIM模型的空间分布特征，获取管网空间分异情况与紧凑度；利用统计分析方法，获取BIM模型关键指标的动态变化规律，快速分析管网运行状态；利用空间计算方法，深度挖掘模型属性之间的关联性,实现管网空间形态的定量分析9。(3)可视化层面：基于GIS的图文一体化技术，实现三维BIM模型与结构化属性信息之间的无缝集成，高效实现三维场景中排水管网的图文查询与图文显示，有效表达地上地下全空间多尺度对象。3智慧化技术应用综合应用BIM+云存储、BIM+物联、BIM+AR、BI M+G I S到排水管网运维管理中，建立三维可视化排水管网综合管理系统，实现排水管网数据全生命周期管理、物联设备实时监控与预警、智能AR巡检等功能，如图3所示。云数据库BIM+物联BIM+GIS物联设备排水管网数据全实时监控生命周期管理基于BIM+GIS的排水管网综合管理系统图3基于BIM+GIS的排水管网综合管理系统3.1排水管网数据全生命周期管理排水管网数据的全生命周期管理是系统的建设核心，以云数据库为数据基础，结合BIM+GIS+云存储技术，对排水管网几何信息、属性信息、健康检测信息、图纸资料等数据进行有效存储、管理、应用与共享。(1)管网数据的存储与管理搭建云数据库管理系统，建立以管网编码信息为唯一标识的索引机制，进行管网数据的存储、管理。管理人员根据需求增加、删除、修改、更新已有数据，同时实现模型的同步更新，保证系盖世聪吕耀志：城镇排水管网运维智慧化技术应用统场景的真实性与合理性。(2)分析应用首先，管理人员可通过三维GIS场景交互查询管网属性信息，并通过不同筛选条件对管网信息进行选择，实现排水管网信息的快速查询。其次，对管网不同属性进行统计对比，实现距离测量、流向展示、断面分析、净距计算、连通性计算等功能。最后，BIM+GIS的应用支持管理人员在地上地下一体化三维场景中进行自由漫游，形象地揭露不同地面条件下管网的空间拓扑关系和分布情况。如图4、图5所示。图4交互查询排水管网信息(3)数据共享用户可将排水管网数据按照标准格式下载与导出，便于在其他系统或其他设备上使用，有效解决排水管网数据孤岛问题。3.2物联设备实时监控与预警选取片区关键点位布设物联设备进行监控，BIM+AR通过物联网技术实时采集并上传水位、井盖状态智能AR巡检等运行参数。系统对监控的运行参数进行统计分析，以图表的形式动态展示统计结果。同时，系统将物联网设备与BIM模型进行关联，在三维场景中，通过点击交互快速查询关联设备的位置信息、监测信息与状态信息，帮助管理人员全面准确掌握管网运行现状，如图6 所示。OHL图6 交互查询井盖监测设备信息此外，通过增设参数阈值，系统能够根据监控数据识别异常情况，及时在三维场景中采用颜色区分的方式进行动态预警，保证管理人员能够及时应对突发状况，避免不必要的经济损失。3.3智能AR巡检系统采用“中枢平台+移动APP交互”的路图5管网断面分析3非开挖技术China Trenchless Technology线，基于BIM+AR技术进一步深化移动终端数字化巡检模式，利用移动终端定位、检索、加载对应位置的BIM模型，并叠加到实际环境中，直观展现管网走向及空间位置关系，如图7 所示。此外，巡检人员还可通过AR沉浸式交互点击查询管网属性信息，快速了解管网运行状态，提高巡检养护的工作效率。特别地，大范围加载排水管网模型容易导致移动终端运行卡顿，且较远视角内虚实融合的效果很差。因此，依据移动终端实时定位坐标，应加载当前位置一定范围内的管网模型，保证可视化染效果的同时加快模型的加载速度，提升用户体验。图7 管网模型虚实融合4结语本文创新应用BIM+云存储、BIM+物联、BIM+AR、BI M+G I S等智慧化技术，结合排水管网运维治理特征，建立基于BIM+GIS的排水管网综合管理系统，推进智慧水务的发展。切实解决排水管网在管理、监测、巡检等运维方面的问题，简化相关工作人员操作、执行流程，节省人力物SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS中共中央、国务院：提升电网安全和智能化水平加快全国干线2023年2 月力和时间成本，提高经济质量效益。参考文献1孙雪梅，刘全海，冉慧敏等城市排水管网设施智能管理解决方案研究 J城市勘测，2022(3):48-52.2魏华杰综合管廊智慧运维管理平台应用研究J天津建设科技，2 0 2 2-12:32-6.3邓梁，刘新华基于BIM协同的地下管网三维建模方法研究 J国防交通工程与技术，2022,20(5):63-67.4张虎，李明东云存储技术及其应用 J宜宾学院学报2 0 12，12(12):6 8-7 0.5孙其博，刘杰，黎等物联网：概念、架构与关键技术研究综述 J北京邮电大学学报，2 0 10,33(3):1-9.6盖世聪，余佳，关涛等基于增强现实的灌浆协同决策可视化研究 J水力发电学报，2022,41(1):14-24.7周玲，陈强。城市地下管网增强现实系统研究J计算机工程与应用，2 0 2 0，56(1):2 51-2 56.8严亚敏，李伟哲，陈科等.GIS与BIM集成研究综述 J.水利规划与设计，2 0 2 1(10):2 9-32，66,105.9蔡