“GIS BIM IOT”在智慧校园运维中的运用研究.pdf

智能规划NO.07 202368智能城市 INTELLIGENT CITY“GIS+BIM+IOT”在智慧校园运维中的运用研究潘雅静（中煤（西安）地下空间科技发展有限公司，陕西 西安 710000）摘要：三维可视化智慧校园运维管理建设逐渐成熟，以GIS（地理信息系统）数据为基础底座，建设地上地下全专业BIM（建筑信息模型）数据，结合先进的各类传感器设备，运用IOT（物联网）、空间数据建库、云计算、大数据、数字孪生等技术，可对建筑内部及地下电力、暖通、排水、消防等专业管线进行流量、温度、压力等监测，对校园中的安防、消防、停车、餐厅等进行智能化管控，校园智慧化运维管理更便捷、更高效。关键词：GIS模型数据；BIM数据；IOT设备；智慧校园；三维可视化；运维管理中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2023）07-0068-04DOI：10.19301/ki.zncs.2023.07.022西藏民族大学始建于1958年，有渭城、秦汉两个校区，建筑总面积约50 万m2。其中秦汉校区是近年来建设的新校区，还未投入使用，各类图纸完整。渭城校区是老校区，包含教学区、宿舍区、公共区、家属区等四大功能区，建筑面积约33 万m2，建筑年代久远，装饰装修施工改造多次，地下管线因维护维修导致排布错综复杂，建校初期的原始图纸留存较少且经改造多次，使用价值不高。为改善渭城校区的居住环境，对校园建筑的外立面进行重新粉刷改造设计，并对校园的排水、电力、供热管道进行改造，添加传感器，随时监测水量水压水温等数据，保障后勤运维管理更高效安全，节约成本。借助数字孪生、大数据、云计算、人工智能等新技术，搭建一套“GIS+BIM+IOT”智慧校园运维管理平台，利用智能化的管理系统进行日常运营、维护、维修管理，降低管理难度，节约管理成本。1校园GIS数据的建设学校后勤处有一套渭城校区地上的GIS三维模型，该模型以百度地图为基础，结合外业拍照使用3DMax制作。该数据制作时没有使用相关的坐标系，整个校园建设最终要实现地上地下一体化运维管理，因此该数据没有使用价值，需要重新构建校园GIS三维模型。鉴于渭城校区建筑高度较低，选用专业多旋翼无人机飞马D2000搭载先进的多镜头多姿态全画幅相机进行倾斜摄影立体测量，从5个不同角度对地成像获取地表地貌的立体信息。无人机自身平台重量轻，垂直起降灵活，对场地要求不高，低空近建筑飞行时分辨率高、精度高、续航时间长、高效便捷、稳定安全、操作简单、成本较低。暑期学校放假，校园人流量较少，天气晴朗，正午时分空气能见度高，地面阴影最小，此次无人机航飞时间为11：0013：00，共飞行3个架次完成校区的倾斜摄影测量，全面获取校园地形地貌的情况，横向和旁向重叠度均达到75%以上。为了保证三维模型的精度和质量，依据摄影测量外业像控测量技术等相关标准及规范，满足倾斜影像数据进行内业选片、像控点选点刺点的要求，技术人员同时进行外业像片控制测量。像片控制点的目标应影像清晰，易于判断和立体测量，一般可选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角定点，根据校区占地的特点，共布设像控点15个。倾斜摄影测量获取影像数据使用ContextCapture软件，基于数字摄影测量、多视影像联合平差、计算机视觉、全自动纹理匹配等相关算法，结合像片控制测量，实现多视图多视角的三维重建，还原真实的三维场景。整个数据处理过程完全实现软件自动化，无须人工干预，保证了数据的精度，具有高伸缩性和高效性1。倾斜摄影自动化建设的模型是mesh模型，是一收稿日期：2023-03-27作者简介：潘雅静，本科，高级工程师，研究方向为摄影测量与遥感。引用本文：潘雅静.“GIS+BIM+IOT”在智慧校园运维中的运用研究J.智能城市,2023,9(7):68-71.智能规划NO.07 202369智能城市 INTELLIGENT CITY体化的网格数据，渭城校区树木茂盛，对建筑遮挡严重，为了后期的拓展应用，需要进行二次单体化三维模型编辑，同时结合外业采集纹理，使数字校园建设更美观。2校园BIM数据建设为了满足学校后勤系统对建筑水电暖信息的数据共享，对所有建筑进行BIM建模。利用GIS技术实现对建筑物的位置坐标数据采集，将宏观的GIS数据与微观的BIM模型相结合，获取建筑物室内外构件信息和位置信息。利用BIM技术建立建筑信息模型，对建筑全生命周期进行有效管理，积累信息化管理数据，辅助设计、施工和运维管理2。BIM从5个三维应用场景定义LOD100-LOD500等级的数据模型。本项目模型最终应用于运营维护阶段，需要建设LOD500模型，不仅要构建墙、梁、柱、门、窗等结构实体与连接方式，还要搭建内部各类管线和不同传感器的模型。BIM模型应用场景表达、建模语言表达、几何信息表达、语义信息表达，最终实现可视化、符号化、参数化、集成化、模拟性和优化性。建模前要充分收集相关图纸，以专业进行分类，制作操作手册，根据西藏民族大学学校建筑的设计图纸中描述的工程特点，建立Revit项目样板，项目样板均为rvt格式文件，统命名规则。BIM建模基本流程：查看设计图纸CAD图单张化处理绘制项目轴网链接CAD图纸绘制BIM模型专业模型组合碰撞检查模型优化形成模型问题处理报告或记录。不同专业BIM建模方法有所不同，建模流程略有差异，需要根据图纸中的具体要求灵活运用BIM软件建模。针对装饰装修专业BIM模型，在Revit中难以达到装饰效果，需要辅助使用3DMax进行模型的贴图处理。如果设计图纸标志的设备缺少详细设计图，需要到实体房间中进行拍摄或扫描后制作设备模型，经过格式处理，导入Revit模型中。3摸清校园管线敷设情况渭城校区内部管线敷设于20世纪50年代末，留存文档性资料较少，后期学校经过升级改造施工，现在的管线情况错综复杂，难以掌握。经常出现热力管道供水不足、电信网络中断、污水管道拥堵等问题，校园破土施工过程中破坏地下杂乱无章的管线，导致后勤管理困难，维修维护成本费用高。现状综合管线图是校园内部管网升级改造工程规划和设计的基础资料。运用综合物探、测绘与计算机技术对该校园内部管网进行探测，摸清内部地下约100 km各类管道管线材质、管径、规格、走向、埋深、平面位置、连接关系、权属单位等情况，调查周边阀门、水表、补偿器、调压箱、接线箱等附属设施的基本信息，依据探测的成果绘制综合地下管线图、建立管线数据库。首先，对校区环境进行现场踏勘，熟悉学校四大功能区的位置格局，了解存在的管类与其分布情况，大体总结管线排布规律3-5。其次，收集一些地下管线的调绘资料，该校区管线竣工或设计图资料很少，只有几张纸质图纸，后期还会进行调整变更，只能参考管线的类型和走向。最后，选择英国RD系列高精度地下管线探测仪、日本富士PL960以及美国SIR2000、瑞典MALA系列地质雷达等专业的管线探测仪配合使用对学校内部道路管网探测工作，数据成果效率高、精度高、内容丰富。除传统探测管线的平面位置、埋深、走向、类别、材质、规格及附属设施等，着重对拐点、分支点、三通点、变深点、截止点进行探查。4地下管线BIM三维建模建设地下管线BIM三维实体模型，可以帮助优化设计、辅助施工、综合管理运维，同时连接传感器设备，通过物联网技术对各类管线进行数据实时监测，如水流量、压力、pH值、温度、酸碱度等指数，通过数据进行统计分析6。打破传统数据库参数化虚拟三维管线建模的模式，BIM管线建模是依据管线属性信息进行三维建模，建模过程中会在多种场合重复使用个体构件，如管道、管件、管道附件、机械设备、门、窗、墙等。地下管线三维建模流程主要分为管点建模、管线建模和附属设备建模三部分7。4.1建模基础充分收集地下管线数据库信息、附属设施及泵房影像与图纸资料，通过项目规范族库、管线分类及其相关规则、模型精度等级、数据库信息等开展BIM建模工作。管网建模的软件采用Autodesk Revit，矢量图纸浏览及导入的Autodesk CAD。4.2管点建模信息数据通常地下管线三维建模中管点建模主要包含三维坐标、井的尺寸和深度。管点建模对象主要以方形井以及圆形井为主，其模型实体物为对应的长方体及圆柱体，少数对象为圆锥体。矩形井相比于圆形井有一个平面夹角的参数，为方便圆形、矩形及智能规划NO.07 202370智能城市 INTELLIGENT CITY其他组合类型井的建模，需要保证不同井族文件的参数相一致，所以在圆形井和矩形井中都加入控制井转角的参数8。4.3管线建模地下管线BIM三维建模主要是将各个管线普查数据作为其建模基础，管线建模的内容主要包含管线的起点与终点、埋藏深度、尺寸长度以及三维坐标。管线BIM三维建模以实体的长方形和圆柱体对应模型中的方形管块、圆形管道以及管沟。在Revit2020软件基础上使用Dynamo依据管线数据库格式内容编写管线快速建模插件，自动化创建不同类别的管道模型，依据管线行业的相关标准和规范赋予每种类型管道不同的材质。管道节点根据物探表格中的探测点确定，各个节点之间用管道相连。各个节点坐标均是三维空间坐标，所以最终生成三维管道模型。4.4其他设施建模管网附属设备包括阀门、仪表、堵头、预留口等设备，且设备间的连接顺序及组合方式多样，在管线数据库中难以表达。管网附属设备种类多样、规格不一，如Revit族库中没有与匹配的族文件，则需要仔细研究现场影像资料，如果能够辨别出设备的规格型号即可收集相应的产品资料作为建模的参照，否则需要根据现场采集影像建立外观相类似的族构件。5系统建设三维管理平台以地上地下全专业BIM数据为基础，采用GIS技术、云计算技术、空间数据建库技术、物联网技术等先进技术，可以对地上建筑进行规划设计、施工模拟、运维管理等综合运用，对建筑内部暖通、排水、消防、机电等专业管线进行流量、温度、压力等监测，对校园中的安防、消防、停车、餐厅等进行智能化管控，对校园内部的电力、路灯、通信、燃气、热力、给水、中水、雨水、污水等综合管线进行三维可视化管理。平台可涵盖地表、地上、地下等多维动态空间信息，具有强大的三维可视化表现功能，可实现地下“GIS+BIM+IOT”多源信息的整合、共享、更新、管理、分析和辅助决策等功能。系统可提供高效的信息服务和多种类、多角度的辅助管线规划、建设与管理决策分析的模型和工具，建立了与其他信息系统之间数据共享、交换与服务的途径。三维管理平台架构如图1所示。5.1三维可视化管理对不同数据格式数据进行处理，同时连接物联网数据，物联网设备在三维空间的位置放置，监测建筑的运维状态，实现全要素三维可视化管理。各类数据的空间查询及自定义属性查询，实现基本的浏览、放大、缩小平移旋转灯操作。5.2数字孪生校园应用（1）日常资产管理。传统运维管理模式已跟不上现有信息技术的发展速度，严重影响运维管理效率和管理水平。为了解决园区管理障碍问题，基于“GIS+BIM+IOT”的园区运维管理模型，结合云计算、大数据、数字孪生等技术，对园区管理的综合信息、设施维护登记、设施设备的维修档案、运行资料、楼宇管理信息、物业管理信息、环境信息和市政相关信息等其他全面具体的运维管理信息进行收集。实现整个校园内所有资产设备的统计整理，日常巡检人员的巡检时间、巡检人员信息以及巡检路线的实时查询和管理，维修工单报修、处理等管理；对值班人员考勤管理以及对新员工的培训等管理。（2）地下管线的综合应用。地下综合管线三维可视化展示，可进行信息属性的查询、空间距离的量测、横断面的剖析、模拟开挖和爆管等分析，借助传感器数据在线实时监测管线运维数据，进行分析统计，同时可以进行辅助规划、施工模拟，使运维更高效、更智慧。（3）安防管理。在园区管理中引入人脸识别感知设备，通过摄像头抓拍，可对园区员工及陌生人进行实时辨认，可根据人脸信息读取个人健康码状态，便于节约上图1三维管理平台架构智能规划NO.07 202371智能城市 INTELLIGENT CITY下班进出门的时间和保安的人力工作量，对于陌生人或者可疑人员进行行动轨迹分析；通过对比视频信息分析，保安人员可快速发现异常行为，及时赶到现场处理紧急事件；通过对周围摄像头联动进行数据分析，可以在三维平台中实时展示人流密集度热力图。（4）消防管理。利用安防监控技术的升级，加强消防演练或真实火灾时的危险区域信息确认、人员行为异常时的定位、周边可燃物和消防装置与器材的确认、非危险区的重要资产保护、人员疏散路径指导、人流密集度过大区域的处理，实现多平台接收报警信息，方便管理人员迅速响应。（5）能耗管理。通过传感器实时采集数据，对照明和空调状态进行实时监测、控制，实时掌握能耗状况，对每个楼层的用电量进行统计分析、有效追溯用能过程，辅助园区节能降耗，优化园区内能耗分布模式，实现节能减排，打造“低碳”校园。（6）停车管理。对园区内车位数量进行梳理，赋予属性，显示车位数量，对空位置进行智能引导；对车辆资料管理，对车辆进行身份识别，园区内员工车辆可以正常出入自助停车，对于外来车辆可以提前预约，在系统中相关人员进行审批，使车辆快速入场，可实现停车场自动管理；有助于对于学校内部车辆和外来车辆的进出进行现代化管理，对加强学校的管理力度和提高学校的形象有较大帮助。（7）教室使用预约系统。对当前的教室或会议室进行管理，预约使用系统查看当前教室会议室预约和使用情况，可以对教室或会议室进行自主预约，减少日程安排不合理、间数利用不均衡、人员通知不到位、开会时间不把控等状况，着力提升学校空间的利用率与人员协作效率。（8）智慧餐厅系统。全校师生通过采用自助选餐模式，可以查看师生的充值及消费情况，使餐厅更规范化、更高效、更有序。餐厅管理者也可以对员工的消费习惯进行分析。6 结语随着GIS技术、BIM技术以及物联网技术的迅猛发展，高校智慧校园的运维管理建设也越来越成熟，功能越来越完善。本文以西藏民族大学的智慧校园运维管理为案例，分析校园后勤的基础资料和需求，结合先进的技术建设运维管理平台，真正使运维管理者高效便捷，节约成本，解决运维管理的实际问题。参考文献1 肖保存.基于BIM技术的住宅工业化应用研究D.青岛:青岛理工大学,2015.2 李明涛.基于IFC和CityGML的建筑空间信息共享研究D.北京:北京建筑大学,2013.3 李晓明,王伟玺,郭晗,等.集成建筑信息模型的建筑报建核查系统J.测绘科学,2016,41(6):148-152.4 吕桂林.基于“BIM+GIS+物联网技术”的高职院校校园智慧运维管理J.工业技术与职业教育,2022,20(5):19-22.5 徐世波,张林,郭延红,等.智慧校园背景下的网络运维综合管理平台设计研究J.网络安全技术与应用,2021(8):98-101.6 鄢翔.基于贪心算法的普洱学院智慧校园运维优化模型构建J.电子技术与软件工程,2021(8):210-213.7 王林均,秦凌云,张朝阳,等.基于BIM在智慧校园运维管理系统的集成设计J.现代物业:中旬刊,2019(1):106-108.8 于长虹.智慧校园智慧服务和运维平台构建研究J.中国电化教育,2015(8):16-20,28.