作者簡(jiǎn)介：樊明明（1987—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻o水規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷深入，城市供水量和供水范圍逐漸拓展，對(duì)供水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益與安全穩(wěn)定性的要求不斷提高，但目前我國(guó)大部分水廠的供水調(diào)度仍然在利用傳統(tǒng)方法在進(jìn)行調(diào)控，導(dǎo)致城市供水出現(xiàn)供水壓力高、能源浪費(fèi)等問題。因此，要對(duì)城市供水管網(wǎng)進(jìn)行合理優(yōu)化，有效改善管網(wǎng)運(yùn)行狀況。本文是通過使用建筑信息模型技術(shù)構(gòu)建水廠泵站三維可視化模型，并集合所有位置信息和構(gòu)建參數(shù)信息，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行合理監(jiān)督，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在供水監(jiān)控平臺(tái)上，讓整個(gè)供水運(yùn)維管理過程更加便捷和直觀。

關(guān)鍵詞：BIM? 物聯(lián)網(wǎng)? 供水運(yùn)維? 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU991

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3821

Abstract： With the continuous development of social economy and the deepening of urbanization， the amount and scope of urban water supply are gradually expanded， and the requirements for the economic benefits， safety and stability of water supply system are continuously improved. However， at present， the water supply dispatching of most water plants in China is still regulated by traditional methods， resulting in problems such as high water supply pressure and energy waste. Therefore， the urban water supply network should be reasonably optimized to effectively improve the operation of the network. This paper constructs a three-dimensional visual model of water plant and pump station by using building information model technology， collects all location information and construction parameter information， uses Internet of things technology to reasonably supervise the operation data of pipe network， and presents the data on the water supply monitoring platform in real time， so as to make the whole water supply operation and maintenance management process more convenient and intuitive.

Key Words： BIM; Internet of things; Water supply operation and maintenance; application

隨著城市規(guī)模不斷拓展，人口數(shù)量不斷增加，供水系統(tǒng)作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在供水面積、管線復(fù)雜度等方面不斷提升。根據(jù)2018年有關(guān)人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)每年水的供應(yīng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤大約在1364.99萬t，占據(jù)總煤數(shù)量的0.32%，全年電力消費(fèi)總量為61 297.09億千萬，而用于水的供應(yīng)和產(chǎn)生為439.89億。從上述數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，供水行業(yè)對(duì)能源消耗占據(jù)比例在我國(guó)政府大力提出節(jié)能減排背景下，給供水企業(yè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)人均水資源占有量?jī)H有2100m3，目前全國(guó)城市有一半以上是停留在缺水狀態(tài)，其中有1/3城市屬于嚴(yán)重缺水狀態(tài)，確在全國(guó)各省自來水公司所生產(chǎn)的421.7億m3水中，其管網(wǎng)滲漏量就高達(dá)90億力方面，占據(jù)總供水量21.2%，個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的供水壓力大、管網(wǎng)老化等問題，給我國(guó)本就緊張的水資源雪上加霜，水資源的浪費(fèi)不僅加強(qiáng)了供水企業(yè)的供水成本，還加重了供水管網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。而智慧調(diào)度不僅能提高水資源利用率，還能降低供水方式的壓力，所以智慧調(diào)度對(duì)供水具有至關(guān)重要的作用，也成為當(dāng)前最需要解決的問題。

1供水管網(wǎng)三維可視化研究

1.1 BIM技術(shù)概述

BIM被國(guó)內(nèi)專業(yè)人員稱為建筑信息模型，是現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行中最主要的數(shù)據(jù)收集模型。它蘊(yùn)含各種知識(shí)，如建筑工程幾何學(xué)、建筑工程的性質(zhì)和原件數(shù)量等元素。該技術(shù)主要以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目資源共享，緊接著以建設(shè)工程項(xiàng)目資源數(shù)據(jù)為載體，在計(jì)算機(jī)當(dāng)中形成建設(shè)工程的真實(shí)信息，通過三維模型的方式將建設(shè)工程項(xiàng)目詳細(xì)信息顯示在軟件上，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)整個(gè)建設(shè)工程項(xiàng)目的嚴(yán)格管理和把控，確保建設(shè)工程項(xiàng)目的效率和質(zhì)量。BIM技術(shù)作為一種效率最高的管理方式，能夠?qū)IM系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析和共享，將建設(shè)參與方職責(zé)進(jìn)行落實(shí)，為建設(shè)工程項(xiàng)目決策提供有力支持。為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和建筑團(tuán)隊(duì)提供最科學(xué)、最合理的策略，從而有效提高設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，構(gòu)建最真實(shí)的對(duì)數(shù)字信息仿真模擬數(shù)據(jù)。

1.2BIM技術(shù)應(yīng)用于供水管網(wǎng)運(yùn)維的優(yōu)勢(shì)

運(yùn)維階段在整個(gè)項(xiàng)目全生命周期中占據(jù)較大比例，其能持續(xù)一段時(shí)間，對(duì)于提高運(yùn)維效率和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益具有至關(guān)重要的作用。但由于目前很多供水管網(wǎng)運(yùn)維仍然停留在二維階段，其運(yùn)維數(shù)據(jù)過于模糊不清，甚至對(duì)于一些運(yùn)維數(shù)據(jù)只進(jìn)行簡(jiǎn)單記錄，這種運(yùn)維管理會(huì)給供水帶來大量浪費(fèi)。而通過利用BIM技術(shù)可構(gòu)建管網(wǎng)三維可視化模型，可將管網(wǎng)內(nèi)所有構(gòu)件都顯示在模型中，及時(shí)查詢構(gòu)建全部屬性信息，管理人員能清楚認(rèn)知到各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，提高運(yùn)維管理效率[1]。

1.3 BIM技術(shù)建立水廠泵站三維模型

供水管網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建三維模型，從表面上看，可分為水廠、加壓泵站、高位水池、供水管線等幾個(gè)環(huán)節(jié)，由于本次管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)維主要以水廠泵站優(yōu)化調(diào)度為主體，因此要將BIM建模集中在水廠部分。水泵廠作為基礎(chǔ)，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)相關(guān)管網(wǎng)系統(tǒng)建立三維信息模型，其中包括泵房、泵、管線、閥門等構(gòu)件。利用Revit軟件能將管網(wǎng)系統(tǒng)的所有圖形樣式、屬性信息等方面數(shù)據(jù)進(jìn)行全部納入到模型中，并將不同模型位置都標(biāo)注在模型內(nèi)，讓整個(gè)供水管網(wǎng)更加直觀。而目前構(gòu)建供水系統(tǒng)的BIM模型主要由2個(gè)部分組成[2]。

1.3.1 水廠及泵站三維模型

相較于傳統(tǒng)二維圖形，BIM三維信息模型具有較強(qiáng)的可視化和模擬性，能讓不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)和供水設(shè)備位置完全呈現(xiàn)在管理人員眼前，管理人員能通過模型對(duì)供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)督，從而提高監(jiān)督的便捷性和效率性，由于一般水廠總體部署有加藥間、加氯間、倉(cāng)庫(kù)、綜合水處理單元、兩個(gè)清水池、送水泵房等部分。綜合水處理單元主要作用是將從水源地輸送來的水經(jīng)過混凝、沉淀、消毒等處理使其達(dá)到供水標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 構(gòu)件參數(shù)輸入

構(gòu)建供水管網(wǎng)BIM模型的目的不單單是為了實(shí)現(xiàn)三維可視化，更是為了獲得其共享參數(shù)，再將共享參數(shù)納入到項(xiàng)目參數(shù)內(nèi)，再利用軟件自身攜帶的統(tǒng)計(jì)功能來自動(dòng)生成明細(xì)表。例如，在水泵房?jī)?nèi)安裝壓力表和流量表，使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將所有信號(hào)進(jìn)行相互傳遞，再對(duì)三維模型內(nèi)共享參數(shù)的空間位置進(jìn)行標(biāo)注，可在運(yùn)維平臺(tái)上清晰顯示儀表的位置、參數(shù)等方面信息[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集研究

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局

基于本次對(duì)供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究，主要涵蓋水廠出水流量、壓力數(shù)據(jù)、供水管道壓力等方面數(shù)據(jù)。而水廠泵站壓力流量數(shù)據(jù)一般是在水泵出水口安裝流量和壓力計(jì)來進(jìn)行監(jiān)督管理，通過壓力數(shù)據(jù)顯示，在開展數(shù)據(jù)分析時(shí)，正常情況下壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)越多，模型會(huì)趨向于正確，但如果將所有的測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)全部投入使用，不僅會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)馴化速度，還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的問題，會(huì)給網(wǎng)絡(luò)精度造成嚴(yán)重影響。因此，在正常情況下要選取幾個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)壓點(diǎn)作為主體，來代表整個(gè)供水管網(wǎng)運(yùn)行狀況，同時(shí)作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的數(shù)據(jù)源頭。同時(shí)，管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)選取時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循下面幾個(gè)原則：第一，測(cè)壓電應(yīng)選擇靠近管網(wǎng)水利分界線位置;第二，選擇管網(wǎng)水利控制點(diǎn)附件的測(cè)壓電;第三，選擇用水量較大的用戶附件的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn);第四，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在重要用水區(qū)域;第五，選擇大管徑交叉處附件的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn);第六，反映管網(wǎng)運(yùn)行情況;第七，選擇管網(wǎng)中低壓區(qū)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn);第八，兩個(gè)管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離不能過近。

2.2 NB-IoT 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

NB-IoT技術(shù)自身存在具有低成本、廣覆蓋等特征。而NB-IoT技術(shù)成本低特征主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，網(wǎng)絡(luò)部署成本低，NB-IoT技術(shù)可使用LTE現(xiàn)有技術(shù)和基站，由于NB-IoT和LTE兩者之間具有較強(qiáng)的兼容性，可有效共享硬件設(shè)備和頻譜，避免出現(xiàn)系統(tǒng)共存的問題;另一方面，設(shè)備成本低，往往只用一根接收天線，并且對(duì)于內(nèi)存并不需要具有更高要求，僅需要一個(gè)500KB容量的內(nèi)容就能夠?qū)崿F(xiàn)[4]?；贜B-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池壽命較長(zhǎng)，一般電池的壽命可達(dá)到十年，而歸根結(jié)底是由于其使用PSM技術(shù)和eDRX技術(shù)，在PSM模式下的終端設(shè)備絕大部分時(shí)間都是停留在休眠狀態(tài)，只有當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，才會(huì)被正式激活，給移動(dòng)終端發(fā)送正確信號(hào)，這種模式可有效節(jié)約電源。eDRX作為Rel-13標(biāo)準(zhǔn)最獨(dú)有的特征，能夠在空閑模式進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的睡眠，避免接收設(shè)備遇到不必要問題進(jìn)行啟動(dòng)，給自身能源造成損害。而這種方式與PSM對(duì)比，有效優(yōu)化了下行鏈路的可達(dá)性。在相同的頻段下，NB-IoT技術(shù)的覆蓋面積要遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)GPRS技術(shù)，其增益性甚至能達(dá)到20dB，并且其信號(hào)具有較強(qiáng)的穿透力;同時(shí)，NB-IoT自身具有連接多臺(tái)設(shè)備的特點(diǎn)，可確保扇區(qū)能同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備。根據(jù)上述所言，NB-IoT技術(shù)自身存在很多方面的優(yōu)點(diǎn)，可為供水管網(wǎng)壓力流量數(shù)據(jù)采集與傳輸提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[5]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本次研究所涉及的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包含流量計(jì)和壓力計(jì)，流量計(jì)通常會(huì)使用LDG-MIK流量計(jì)，其量程范圍在正常情況下僅為0～2000m3/h，工作溫度范圍在-40～200℃之間;而壓力計(jì)通常會(huì)采用DYW3-1壓力計(jì)，量程范圍在0～0.8MPa，工作溫度范圍在-30～40℃?？墒褂肗B-IoT無線通信模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。同時(shí)，在供水系統(tǒng)使用的是BC28無線通信模塊，其自身具備超緊湊、高性能、低功耗等優(yōu)勢(shì)，利用LCC，可實(shí)現(xiàn)B1/B20/B28頻段（如表1所示）。該無線通信模塊尺寸為17.7mm×15.8mm×2.0mm，能在某個(gè)方面盡可能滿足用戶對(duì)于不同產(chǎn)品尺寸的需求，目前已在各個(gè)領(lǐng)域得到使用[6]。

2.4 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個(gè)部分。感知層是NB-IoT的終端，是由壓力和流量采集設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊集成的數(shù)據(jù)傳輸模組組成的，主要作用是采集并傳回壓力流量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層主要作用是為NB-IoT設(shè)備提供無線接入服務(wù)，通過運(yùn)商架設(shè)的LTE基站部署設(shè)備，并利用NB-IoT核心網(wǎng)存儲(chǔ)壓力流量數(shù)據(jù)，并上傳至供水管網(wǎng)管控平臺(tái)。應(yīng)用層主要是供水管網(wǎng)管控平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)保存，并實(shí)時(shí)顯示在平臺(tái)中，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理論知識(shí)為切入點(diǎn)，再通過利用BIM技術(shù)構(gòu)建供水管網(wǎng)三維可視化模型，其模型內(nèi)概括了管網(wǎng)系統(tǒng)所有設(shè)施，可及時(shí)查看全部的參數(shù)信息和屬性信息，有利于管理人員有效管理供水網(wǎng)管，提高管理的效率和質(zhì)量，同時(shí)可在管道上安裝物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將流量信息和管理壓力及時(shí)傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，及時(shí)優(yōu)化管理方式，提高供水運(yùn)維效率。

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