基于BIM+GIS技术的水闸管理运行系统研究

基于BIM+GIS技术的水闸管理运行系统研究

2湖州市南浔区水利建设投资有限公司 浙江湖州 313009

【摘要】本文以BIM技术为基础，结合水闸自动化等物联网技术，以及水闸运行和管理的特点，结合BIM+GIS技术，构建了水闸管理运行系统的整体体系结构，并结合水闸运行管理的整体体系结构、闸门控制模块、全局水情和控制信息显示模块、二维断面和水情可视化模块、三维断面和水情可视化模块、历史趋势信息显示模块。本系统的研制与开发，为全面实施智能化水利奠定了良好的基础。

关键词：BIM+GIS；水闸；管理运行系统；模块

0.引言

目前，在水利工程领域，将BIM+GIS技术运用于项目的整个生命周期中，尚属罕见。将工程前期勘察数据、建筑物设计数据、GIS数据与地图图像数据相结合，形成洞察工程全局的“一张图”，全面提升了工程建设的整体质量和运营水平。目前，已有学者在BIM+GIS技术的基础上，提出了一种基于BIM+GIS技术的水利项目运行管理系统的总体框架，但是对于BIM+GIS在实际应用中的应用还不够深入，特别是在具体的水利工程中，BIM+GIS的运营管理模式还没有建立起来。根据水闸管理工作的特点，设计了BIM+GIS水闸管理运行系统的体系结构和有关功能模块，为以后在BIM+GIS技术的水闸管理和运行系统奠定了坚实的基础。

1.BIM与GIS的技术融合

BIM建筑信息模型是从设计到施工到运营全过程的精细表达，其几何结构和语义信息十分丰富，但由于缺乏对建筑物周围的信息的描述，与周边的宏观环境因素相分离，这样使得建筑模型成为没有研究意义的“空中楼阁”。而GIS地理信息系统则是以物体建模的方式来表现真实的世界，其核心是建筑外部的信息，可以从宏观上分析外部环境的作用与实体空间关系，但是由于缺少详尽、完整的数据，GIS的数据只能停留在建筑物外部。将BIM技术和GIS技术相结合，是为了弥补二者各自使用时存在的不足，从而使二者各自的优点得以充分发挥。BIM与地理信息系统的结合，使数据的广度和深度得到了增强。GIS和BIM技术的结合是城市精细化、智能化管理的重要内容。

2.BIM+GIS水闸运行管理系统总体框架设计

水闸运行管理系统的整体框架应建立在面向对象和面向服务体系结构（SOA）基础上，并确保其平台可以集成三维模型（BIM）和空间地理系统（GIS）。该系统以Cesium三维GIS为基础，利用JavaScript、Html、Python等编程语言，将基础数据库、动态数据绘制、仿真场景等功能有机地整合在一起，并设置了管理级别的操作权限。利用欧特克BIM系列软件对闸门进行建模和绘制。根据上述建立的系统平台，闸门操作管理系统的整体架构可以包含基础数据库层，可视化层，应用层（如图1所示）。

图1BIM+GIS水闸运行管理系统总体框架

（1）基础数据库层：主要包含闸门的实时监测信息（闸门前水位、闸门开度、闸门流

量、闸门开启状态、闸门振动信息）、工程历史监测数据、闸门BIM模型数据、工程区域GIS数据。上述资料必须采用统一的格式，以便方便呼叫处理。

（2）可视化层：建立包括各功能模块的三维模拟模型，可以直接获得数据层的信息。

（3）应用层：在各功能模块的基础上，可以实现数据的查询、图形的绘制、水情分析、工程运行状态的模拟。在BIM技术和GIS技术的结合中，要充分利用两者的优势，应该从三个方面加以考虑。①三维建筑模型的轻量化：在不同的场景中，利用不同的3D渲染引擎，进行有针对性的场景渲染，并与相应的轻量化软件相结合，实现模型的轻量化。②三维地形建模：可以根据数字高程模型（DEM），建立一个三维地形模型。为实现真实场景的可视化，可以对工程区域的正射图像进行采集，并对其进行贴图处理。③三维建筑模型裁剪：在建筑模型与地形模型的结合部分上，要做到两者之间的紧密联系，以确保两者之间的紧密联系，不会产生穿模现象。

3.BIM+GIS水闸管理运行系统主要功能模块

3.1闸门控制模块

为了使闸门自动控制，使水资源得到合理的调配，需要对闸门进行遥控。在BIM+GIS水闸管理和操作系统中，采用了一个集成的闸门控制模块，并与闸门开启系统相结合。根据现场的监控数据，在做出决定后，对闸门的开启、限位、关闭等进行控制。

闸门控制采用三级控制模式，第一级是现场控制级，在闸门安装位置实施；第二级是闸门所属部门的控制级，第三级是远程控制级，通过BIM+GIS水闸管理运行系统，实现对闸门的远程控制。现场、水管所、调度中心三个级别的控制相互锁定，以就地控制为最大

的优先级，对水管所的控制进行了权限控制，并根据用户的操作权限，将权限分成三种：现场手动、水厂、调度中心。为方便三种控制方式的实施，在BIM+GIS闸门管理的运行系统中，还将现场管理和调度中心的控制权限进行了转换，以明确操作级别和控制权限，避免了误操作。

3.2全局水情及控制信息显示模块

该模块的开发目的在于使操作员可以方便地使用该系统。首先，要开发出一个主页的界面，对实现系统的各个模块进行编辑和美化，在接口中嵌入包含闸门位置的GIS。然后，对画面进行脚本开发，并设计相应的按键，与相应的闸门或通道的二维可视化接口进行对接。在此基础上，通过主界面，可以对每一道闸门进行实时的显示，其中包含设计水位、当前水位、闸门开度、当前流量等信息。为了便于管理人员进行直观的监控，各闸门目前的水深和设计水深必须按照一定的比例进行实时显示，并且每分钟更新一次，该信息由设计的软件实时地从数据库中读取。

3.3二维断面及水情可视化模块

该模块包括了闸门的上游通道的二维剖面可视化接口，可以通过按键来开启对应的闸门。基于包含闸门位置的GIS，可以实现对闸门的实时名称和水位数值的实时显示。程序还可以提供有关水闸设计、加大流量、设计水位、加大水位、渠底比降、设计水深、糙率、渠底宽、设计流速、渠道断面型式等资料。同样，要实现水位的实时显示，需要在一分钟内更新一次二维剖面的可视化界面，并从资料库中读出水位的资料。

3.4三维剖面和可视化模型

三维剖面可视化接口能够与BIM模型、三维GIS技术相结合，实现了平面平面的二维、三维剖面的展示。采用代码方式，每1分钟进行一次脚本运行，现二维水面线显示功能和三维断面显示功能。三维剖面可视化接口是本系统的关键环节，它具有良好的人机交互界面，能够直观、动态地显示监测到的水位情况。在完成3D剖面可视化接口的绘制后，可以利用旋转、缩放等多种方式调节图像，便于管理者从多个视角观看立体剖面的信息。

3.5历史趋势信息显示模块

通过使用历史趋势信息的显示界面，使操作者能够直观地观察到各监控点的动态，是闸门运行管理的一个重要环节。历史发展趋势图的横轴为时间轴，它所反映的监测点的名称、时间点的水位数值、单位等。

该系统还可以添加表单来设定历史趋势图，并在此基础上添加参数曲线、曲线管理、图表开始时间、图表时间范围等。理论上，增加的曲线可能包含全部的检测点。

3.6工作状态模拟模块

三维地理信息系统具备水域淹没分析功能。为充分发挥此项功能，采用基于三维建筑模型的施工管理系统，编制了相应的数据处理软件，计算出了不同水位下的闸门和相应的水位信息，并对不同水位的闸门和工程区域进行了三维绘制，并将两者一起存储到数据库中。在系统平台上，对不同水位的洪水模式和相应的计算资料进行了编辑，并通过连接键调用了BIM+GIS在不同水位下的三维模拟场景，从而为闸门的调度、运行和相关的决策提供技术支撑。

4.结束语

智能化水利建设是中国未来水利工程信息化建设的必然趋势，对提高水利管理的整体水平具有重要意义。因此，在今后的水闸运营管理中，将会有一个重要的发展趋势。通过本系统的实施，可以使水闸管理人员更直观的了解水情，更好地进行水量的调度，提高了管理人员的工作效率，为全面实现智能水利打下坚实的基础。

参考文献

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