本文摘要:摘要:排澇泵站智慧運維BIM可視化平臺的建設(shè)是智慧水務(wù)的重要組成部分,對于提升工程管理水平、減小可能的洪澇災(zāi)害損失、提高水務(wù)設(shè)施的風(fēng)險應(yīng)對能力具有重要作用。針對傳統(tǒng)水務(wù)設(shè)施管理運維中由于管理方法、管理手段落后造成的高成本、低效率、慢響應(yīng)等問題,提出了平
摘要:排澇泵站智慧運維BIM可視化平臺的建設(shè)是智慧水務(wù)的重要組成部分,對于提升工程管理水平、減小可能的洪澇災(zāi)害損失、提高水務(wù)設(shè)施的風(fēng)險應(yīng)對能力具有重要作用。針對傳統(tǒng)水務(wù)設(shè)施管理運維中由于管理方法、管理手段落后造成的高成本、低效率、慢響應(yīng)等問題,提出了平臺架構(gòu)頂層設(shè)計的解決思路,結(jié)合當(dāng)前管理實踐,利用平臺結(jié)合信息領(lǐng)域新興技術(shù)的方法,實現(xiàn)BIM模型可視化、機組運行狀態(tài)展示、庫存資產(chǎn)管理、統(tǒng)計報表查詢、人員管理等功能,為智慧運維平臺的建設(shè)提供了較好的工程應(yīng)用,對后續(xù)的智慧水務(wù)和水利信息化建設(shè)也具有可供借鑒的作用。
關(guān)鍵詞:智慧水務(wù);BIM可視化;排澇泵站;精細化管理
智慧水務(wù)是智慧城市建設(shè)的重要組成部分,貫穿于城市防洪減災(zāi)、水資源調(diào)配、水環(huán)境保護與水管理服務(wù)等體系,具體體現(xiàn)為“物聯(lián)感知、互聯(lián)互通、科學(xué)決策、智能管理”,是促進水治理體系和治理能力現(xiàn)代化的新理念和新模式。如何從根本上轉(zhuǎn)變思維模式,建立信息化觀念,利用不斷更新的信息技術(shù),提升智慧水務(wù)的建設(shè)水平亟待深入探討和研究[1]。
傳統(tǒng)的水利行業(yè)強調(diào)建筑物設(shè)計的安全,普遍存在“重建輕管”的現(xiàn)象。管理手段落后、監(jiān)督機制缺位、人員業(yè)務(wù)素質(zhì)參差不齊等短板更有待智慧水務(wù)進一步建設(shè)補齊。近年來,深圳市在水務(wù)業(yè)務(wù)工作中大力推行智慧水務(wù)應(yīng)用體系,在各方面工作的信息化管理上取得了一定成效[2]。
同時,國內(nèi)其他智慧水務(wù)建設(shè)的工程案例也相繼引入信息領(lǐng)域中的各類新興技術(shù),如智能感知技術(shù)在水文水質(zhì)信息采集、視頻監(jiān)控識別、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測等方面的應(yīng)用;大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合城市洪澇模型,在城市降雨中對未來水庫、河道超警情況及城區(qū)內(nèi)澇積水情況進行預(yù)測,為湖庫河閘泵的水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù);BIM+GIS技術(shù),能夠為管理人員在地理空間平臺上展現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)和工程項目的可視化模型[3-4],結(jié)合可視化與城市洪澇模型,生成內(nèi)澇淹沒分析,直觀展現(xiàn)影響范圍,輔助迅速決策;構(gòu)建智慧水務(wù)平臺,為解決城市水問題提供必要的決策和支持[5-6]。
隨著智慧水務(wù)應(yīng)用體系的不斷發(fā)展,單純的一項技術(shù)已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需要。因此,本文以深圳市沙井排澇泵站智慧運維BIM可視化平臺建設(shè)為例,借助智慧運維平臺,整合前端感知、城市水務(wù)模型、BIM+GIS等技術(shù),構(gòu)建水務(wù)設(shè)施智慧化運維體系,為水務(wù)業(yè)務(wù)與信息技術(shù)結(jié)合提供了一個較好的示范案例,相信能在其他智慧水務(wù)工程和水利信息化建設(shè)中有所助益。
1工程背景
沙井排澇泵站是解決深圳市寶安區(qū)沙井河沿線低洼區(qū)內(nèi)澇的重要控制性工程,也是深圳市最大的排澇泵站,片區(qū)流域面積72.83km2。整個工程由泵站,進、出水構(gòu)筑物,河口水閘4部分組成,最大抽排規(guī)模為170m3/s,最大揚程為2.23m。泵站日常運維工作內(nèi)容包括泵站值守、機組巡檢、設(shè)備日常運行監(jiān)控及管理、反饋缺陷信息、啟閉機組、調(diào)試設(shè)備等。目前,日常運維信息的采集、核對、歸檔等基本采用人工作業(yè)方式,通過運維人員徒步巡視、手工抄錄、電子化填寫、逐級核對后存檔。
人工上報難以避免的上報延遲、信息錯漏等等情況一方面拖慢了泵站日常工作的進展,變相提高泵站運維成本,還可能因設(shè)施設(shè)備故障處理不及時導(dǎo)致停機事故,造成重大損失;此外,信息存儲效率低下,紙質(zhì)檔案存放時間過長導(dǎo)致丟失,編寫報告或檢索事故記錄支持時,需要耗費大量人工提檔歸檔,難以做到信息整合和高效調(diào)用;泵站備品備件出入庫記錄缺失,備件庫存不明朗,無法根據(jù)儲存時長和使用頻率進行采購,易導(dǎo)致設(shè)備停用等運維事故,造成設(shè)施養(yǎng)護時間成本居高不下。日常運維中存在的種種問題在很大程度上制約泵站運維的高效化、精細化和智能化進展,導(dǎo)致泵站難以達到智慧運維的要求。
2平臺架構(gòu)及功能
針對泵站運維管理的痛點,本平臺充分發(fā)揮BIM可視化技術(shù)在工程項目全生命周期管理的優(yōu)勢,尤其是在運維管理方面的優(yōu)勢,結(jié)合物聯(lián)感知、大數(shù)據(jù)、GIS等關(guān)鍵技術(shù),建設(shè)多元立體的監(jiān)測體系,構(gòu)筑多維度信息服務(wù)平臺。具體而言,平臺依托BIM+GIS技術(shù),實現(xiàn)沙井排澇泵站構(gòu)筑物精細化建模和地理信息數(shù)據(jù)的三維場景調(diào)用及展示[7],并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將泵站自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)即時傳輸和表征。其次,采用大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)[8],對涉水?dāng)?shù)據(jù)進行跟蹤、收集、處理,為泵站管養(yǎng)及綜合調(diào)度應(yīng)用模型提供數(shù)據(jù)支持,為泵站日常運維、汛期預(yù)報和聯(lián)合調(diào)度提供決策依據(jù)。
2.1平臺架構(gòu)
本平臺是圍繞泵站管理的業(yè)務(wù)流程而建立的大型工作平臺。建立在完善的標準規(guī)范體系和信息安全體系基礎(chǔ)上,系統(tǒng)自下而上構(gòu)筑了基礎(chǔ)層、支持平臺層、信息采集層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層,下層提供服務(wù)基礎(chǔ),上層發(fā)揮服務(wù)應(yīng)用[9-10]。所有用戶采用單點登錄的模式,經(jīng)過系統(tǒng)身份認證和授權(quán)后進入系統(tǒng)。基礎(chǔ)層是平臺進行開發(fā)和數(shù)據(jù)存儲的根本,是支撐各上層架構(gòu)的核心。
數(shù)據(jù)集成層包括模型構(gòu)件庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和文檔庫。其中,構(gòu)件庫支持三維模型及其構(gòu)件信息的導(dǎo)入和匹配,為BIM可視化模塊提供支持;業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫接入平臺采集的數(shù)據(jù)并進行歸檔調(diào)用,為實現(xiàn)智能調(diào)度方案和泵組運行調(diào)節(jié)提供算法支持;文檔庫集成日常運維任務(wù)單、上報表單及日常管理文檔等表單文件,按分類及關(guān)鍵字進行歸檔存儲,以供調(diào)用。
支持平臺層按不同管理人員使用權(quán)限及需求分為泵站管養(yǎng)信息維護平臺、數(shù)字化移交平臺、文檔協(xié)同管理平臺,做到平臺專項使用,保證了泵站系統(tǒng)的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)管理[11]。信息采集層中,監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊接收前端感知設(shè)備信息、泵站監(jiān)測設(shè)備信息和外源水文預(yù)報等信息,進行初步篩分并轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫;數(shù)字化移交數(shù)據(jù)模塊為管理人員信息錄入提供接口;構(gòu)件結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模塊為后續(xù)BIM模型細化和屬性添加提供接口。
業(yè)務(wù)應(yīng)用層承擔(dān)門戶功能,舉例而言,管理人員通過日常工作管理模塊進行巡檢任務(wù)錄入,平臺識別后生成任務(wù)單,派發(fā)至相應(yīng)運維人員,巡檢完成后巡檢單上傳確認并存檔,同時報送至管理人員處。該架構(gòu)優(yōu)勢在于實現(xiàn)了平臺專項使用,不同職能權(quán)限的人員對應(yīng)操作平臺的不同模塊,從根本上杜絕權(quán)限混亂和錯誤操作事故。同時,數(shù)據(jù)存儲和計算在下層,平臺上層應(yīng)用代碼輕量化,便于維護和進行新功能開發(fā)。合理的架構(gòu)設(shè)計大大增加了平臺開發(fā)速度、實用性,降低了維護和更新的成本。
2.2功能模塊
2.2.1BIM可視化
為實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施模型、建筑模型和工程地理信息的可視化展示與管理,同時也為了模型格式的統(tǒng)一和后續(xù)操作的便利,平臺對建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)和地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)進行了整合研究。通過BIM領(lǐng)域的標準格式(IndustryFoundationClasses,IFC)將建筑和設(shè)備模型數(shù)據(jù)映射到GIS領(lǐng)域的標準格式城市地理標記語言(CityGeographicMarkupLanguage,CityGML),以GIS為基礎(chǔ)實現(xiàn)了建筑信息模型和地理數(shù)據(jù)信息的集成[12]。
平臺的核心是三維可視化管理模塊的開發(fā):搭建基于Java框架的平臺,將集成后的BIM+GIS輕量化模型上傳至平臺中進行管理和展示,直觀反映泵站設(shè)施設(shè)備的空間位置信息;泵站物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入平臺,依托模型進行可視化直觀展示;同時,嵌入業(yè)務(wù)模塊、管理模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊等模塊的快捷導(dǎo)航,為泵站管理提升效率。通過BIM圖形與可視化技術(shù),平臺得以展示廠區(qū)的真實情景。具有唯一編碼的BIM模型可與資產(chǎn)的生產(chǎn)廠商、安裝時間、設(shè)計圖紙等靜態(tài)數(shù)據(jù)掛接在一起;也支持管理人員對廠區(qū)設(shè)備信息的實時瀏覽查閱,設(shè)備模型與檢修記錄、報警記錄等動態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起,實現(xiàn)交互式快速檢索及查詢。
2.2.2運行狀態(tài)監(jiān)測
平臺接入現(xiàn)場SCADA系統(tǒng),實時呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)。泵站運行的各個系統(tǒng)數(shù)據(jù),如泵組運行系統(tǒng)、水機參數(shù)系統(tǒng)、電氣參數(shù)系統(tǒng)、高低壓柜狀態(tài)系統(tǒng)及閘門工況系統(tǒng)等,均依托于BIM模型進行展示。此外,本模塊下還可查看機組的實時運行數(shù)據(jù)和報警情況。
2.2.3設(shè)備物資管理
平臺開發(fā)時對沙井泵站進行了系統(tǒng)化資產(chǎn)梳理、管理邏輯梳理,形成了一套可行的資產(chǎn)編碼體系,在BIM模型的基礎(chǔ)上,以編碼為基礎(chǔ)進行設(shè)備及備品備件的查漏,并確保泵站實物資產(chǎn)均構(gòu)建相對應(yīng)的高精度BIM模型,編碼與模型結(jié)合形成一套完整的資產(chǎn)管控體系。 泵站日常運維及檢修過程涉及備品備件出入庫,傳統(tǒng)的備件管理采用人工手寫記錄,容易因為人員疏忽產(chǎn)生漏填錯填等情況,也無法做到備件數(shù)量及狀態(tài)的實時查看。
針對該問題,項目組對泵站設(shè)備零件及其備品備件信息整合統(tǒng)計,結(jié)合設(shè)備部件編碼,備件入庫時經(jīng)項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品屬性和存放要求等信息錄入,審批完成后生成二維碼,出庫進行掃碼登記,后臺實時記錄備件狀態(tài)及出入庫信息[13]。本模塊下,泵站各資產(chǎn)條目與資產(chǎn)的生產(chǎn)廠商、安裝時間、設(shè)計圖紙等靜態(tài)數(shù)據(jù)掛接在一起。同時,泵站的設(shè)備資產(chǎn)關(guān)聯(lián)檢修記錄、報警記錄等歷史數(shù)據(jù),方便管理人員進行交互式快速檢索及查詢。平臺也提供移動端資產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢模式,助力全面提升泵站信息管理水平。
2.2.4運維記錄留檔
該模塊支持巡視計劃及巡視結(jié)果的平臺化管理,方便現(xiàn)場巡視工作的留痕化、精細化,系統(tǒng)自動過濾統(tǒng)計下一周期的維保任務(wù),并將統(tǒng)計好的維保任務(wù)推送給相應(yīng)維保負責(zé)人。
2.2.5預(yù)警管理
泵站前池、各進水閘門及出水口處布設(shè)有液位計,河口水閘上下游左右岸各布設(shè)有流量計及浮子液位計,滿足泵站日常運維需要。平臺開發(fā)及投入使用過程中,在泵站片區(qū)內(nèi)重點易澇區(qū)域加裝氣泡水位計、雨量計和雷達波測速儀,通過遙測終端機(RTU)及相應(yīng)通訊模塊進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸,有效保證汛期泵站片區(qū)內(nèi)各內(nèi)澇點流量和水位的實時獲取。根據(jù)深圳市防汛預(yù)案的要求,平臺相應(yīng)開發(fā)了預(yù)警管理模塊。根據(jù)獲取信息進行事件生成、確認及分類,如積水內(nèi)澇、設(shè)施設(shè)備損壞、人員入侵、設(shè)備超限運行等等基礎(chǔ)事件,再將其分級并推送。
積水內(nèi)澇預(yù)警模塊中,平臺將綜合前端感知信息及天氣預(yù)報,對監(jiān)測點水位進行模擬計算。當(dāng)監(jiān)測判斷易澇點積水時間超過30min,積水深度超過0.15m,給水范圍超過1000m2或下凹橋區(qū)域積水時間超過30min,積水深度超過0.27m時進行內(nèi)澇水情預(yù)警。對于水情預(yù)警或設(shè)備超限運行情況,平臺實時報警并推送相關(guān)歷史報警記錄及處理方式,并對處理過程進行全程跟蹤,問題與處理結(jié)果在平臺流程中形成閉合的環(huán),確保警報事故無遺漏,避免災(zāi)害發(fā)生。
2.2.6監(jiān)測監(jiān)控視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分為VPN網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng),集成現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過內(nèi)外網(wǎng)的代理服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),保證視頻數(shù)據(jù)對平臺的安全接入[14]。通過攝像頭模型、標簽及透明度變化等方式,實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭的快速布局查看及定位查找。借助場景定制視頻監(jiān)控設(shè)備,對人員出入站、日常巡視等情況進行智能識別,陌生人入侵、人員未正確穿戴防護用品時進行告警并推送至安全生產(chǎn)負責(zé)人處。
2.2.7知識庫該模塊錄入泵站運維相關(guān)的管理制度、巡檢方法、調(diào)度操作、機組運行操作、日常維護、防汛搶險、應(yīng)急管理等規(guī)章制度及技術(shù)標準,進行知識資源統(tǒng)一管理,方便工作人員調(diào)閱。
2.2.8歷史數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)“留痕”為出發(fā)點,詳盡梳理平臺監(jiān)測到的設(shè)備、設(shè)施狀態(tài),調(diào)度運行數(shù)據(jù)、管理流程文件等數(shù)據(jù),并對其是否具有歷史“歸檔”進行篩選,形成完備的沙井泵站“檔案庫”。
2.2.9三維模型應(yīng)用拓展平臺結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality,VR)開發(fā)了系列培訓(xùn)軟件。支持新入職員工進行設(shè)備原理、施工工序等科普,同時對各種安全應(yīng)急狀況進行真實模擬,對員工進行應(yīng)急培訓(xùn)。
3功能外延
3.1信息集成和共享
利用BIM技術(shù)的特性,在運維階段將設(shè)計和施工階段的各種相關(guān)工程信息進行整合,實現(xiàn)建設(shè)信息在全生命周期的共享和使用。此外,基于BIM模型,平臺得以將這些信息與設(shè)備管理相結(jié)合,形成模型-圖紙-文檔-設(shè)備的信息整體,為管理管養(yǎng)人員提供數(shù)據(jù)查詢的便利。
3.2設(shè)施可視化管理
平臺構(gòu)建的可視化模塊,提升了交付圖紙的維度,形成泵站管理的有力支持;為泵站應(yīng)急輔助決策、設(shè)施設(shè)備運行信息查詢、各關(guān)鍵段水位信息等提供可視化載體,實現(xiàn)泵站基于BIM模型的管理;可視化窗口有助于管理人員直觀定位設(shè)備或構(gòu)件,展示其周圍情況,協(xié)助維修計劃制定。在人員培訓(xùn)及展示方面,可視化模塊提供更加貼近廠區(qū)真實的情景模擬,提升人員對泵站的整體認知水平。
3.3泵站智慧化管理
平臺通過多源信息融合應(yīng)用、運行安全智能化、運行管理智能化等手段協(xié)助泵站實現(xiàn)智慧化管理[15]。平臺集成前端感知、泵站運行狀態(tài)實時監(jiān)控、精細化降雨預(yù)報成果等信息,實現(xiàn)多源信息融合應(yīng)用,優(yōu)化泵站運行、設(shè)備故障診斷和片區(qū)水雨情智能監(jiān)測監(jiān)控。通過信息接入和模擬,輔助機組運行調(diào)節(jié),使機組能夠持續(xù)處在最優(yōu)工況下運作,能夠顯著提升泵組運行效率,整體提升泵站效益。基于編碼體系的信息管理,管理人員得以在平臺上對精細到部件進行信息查閱和調(diào)用,為泵站管理提供了全掌握的視野。泵站管理的制度信息、維修巡檢日志在平臺存檔,管理和運行操作人員都能便利地獲取所需的幫助信息,實現(xiàn)泵站的精細化、精準化管理。
此外,平臺定期評估泵組運行各項參數(shù)并生成運行狀態(tài)及性能分析報告,有助消除泵組潛在故障和隱患,實現(xiàn)泵組運行安全管理智能化。通過平臺,將泵站的工作流程、人員、制度等進行系統(tǒng)化管理。巡檢人員使用移動設(shè)備對機組運行狀態(tài)進行巡查管理并生成運行記錄、故障記錄等信息,實時通過移動端App上傳至管理平臺,并根據(jù)生成的保養(yǎng)計劃自動提示到期需保養(yǎng)的設(shè)備,實現(xiàn)泵站技術(shù)管理及辦公的數(shù)字化、智能化;形成設(shè)備故障的系統(tǒng)化管理,從設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備維修申請到驗收等一系列流程的規(guī)范化;此外,管理人員還可以在客戶端進行對運維人員每日工作的確認和檢查,提高泵站管理者對泵站日常流程管理的能力,降低管理成本,有效規(guī)范日常管理行為,實現(xiàn)符合水利現(xiàn)代化建設(shè)要求的泵站管理。
3.4設(shè)備實時監(jiān)控
平臺接入的視頻監(jiān)控設(shè)備支持工作人員在平臺的不同客戶端(網(wǎng)頁端或移動設(shè)備端)上實時監(jiān)控泵站內(nèi)所有設(shè)備的運行狀態(tài),得知設(shè)備是否正常工作并記錄運行日志;此外,通過點選不同位置的監(jiān)控攝像頭獲取該區(qū)域?qū)崟r的監(jiān)控畫面,閘門啟閉情況,各種管道壓力計實時讀表數(shù)據(jù)以及泵站進水和出水水位等等信息。
3.5輔助綜合調(diào)度
基于泵站設(shè)備運行記錄以及歷史水文氣象觀測數(shù)據(jù),再結(jié)合項目執(zhí)行期內(nèi)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和動態(tài)分析,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將降雨、水位、流量、視頻監(jiān)控、閘門開度、位移監(jiān)測等數(shù)據(jù)傳輸至管理云平臺,并形成數(shù)據(jù)庫進行分析管理。依據(jù)分析成果和算法綜合[16-17]為泵站管理者提供可靠的綜合調(diào)度建議,并可以為未來汛期來臨前的準備以及相關(guān)流域的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
4結(jié)語
平臺開發(fā)的部分功能,如大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的平臺調(diào)度,需結(jié)合布設(shè)前端感知設(shè)備。目前而言,泵站智慧運維BIM可視化平臺成本較高,適用面還較窄:即平臺需要基于泵站原有自動化設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè),或有賴于新增相關(guān)設(shè)備的小型化、性價比的進一步提升。此外,目前平臺預(yù)警模塊僅針對內(nèi)部管理及運維人員,后續(xù)隨著片區(qū)預(yù)警信息屏和電子警示牌等硬件設(shè)施完善,平臺部分預(yù)警信息對公眾和下游船只開放,形成區(qū)域監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò),能夠更好保障片區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。
針對沙井泵站智慧管理的要求,探索性研究各功能模塊具體實現(xiàn)途徑和目標,已在現(xiàn)場實地布置并投入使用,取得了較好的應(yīng)用的成果。將其作為試點,積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代水利和智慧水利建設(shè),為管理的高效性、即時性提供平臺建設(shè)思路,對其他水利設(shè)施管理也具有推廣意義。
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作者:彭木站,臧沛淵,任威旭,高婷,許澤鈿*
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