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BIM如何应用于智慧服务区建设的全生命周期


转载    河姆渡智能建筑    澳门新葡亰娱乐在线   2020-09-16

基于BIM的服务区物联网综合管理平台研究

/江苏沿江高速公路有限企业

张兵 吴继森 戴震

 /中设设计集团股份有限企业

陈鹏 杨军志 李文军 闻佳

 

1、前言

目前,高速公路服务区已经由传统的加油加气、 如厕休息和餐饮汽修三项基本需求逐步发展成以休闲娱乐、餐饮商超、特产购物、宣传促销等多种经营模式于一体的新型经营管理理念。且随着云计算、物联网、移动互联网、大数据、人工智能(简称“云物移大智”)等新一代信息技术的迅猛发展以及BIM技术的快速发展,高速公路服务区可视化、信息化、智能化问题已日益得到关注,智慧型服务区的建设已经呼之欲出。服务区经过长期的建设与发展,在公众服务的硬件、App方面取得了很大的进步,但是离智慧服务区的目标还存在一定的距离。通过长期的调研与公众问卷调查,智慧服务区的建设需求主要包含以下几个方面。

1.1 经营管理方面

(1)建设统一的经营管理与信息决策平台,实现现场情况、经营状况、公众服务、安全运营、网上服务区等方面的数据化运营分析与关联分析。

(2)实现公众服务与车流、人流锁定,通过实体服务区与虚拟服务区,不断了解公众的出行需求、出行规律、行为偏好,通过CRM和个性化应用服务逐步实现精准营销和新的商业契机。 

(3)实现有机协同服务与关联信息共享的机制。服务区与服务区之间、服务区与高速公路之间应该形成有机的协同管理与关联信息共享,以便更好地发挥区域和线路上的协同指挥与智慧服务。

(4)打造绿色节能服务区,通过智能硬件建设服务区终端设备的物联网化,并通过一体化的信息平台对运行状态加以展示。

(5)实现跨界资源平台合作,拓展服务区的经营业务与合作空间。目前多省都在实施“走出去”战略,借助移动互联网技术和“第四方物流”、“非现金支付”等多种手段,实现省际服务区在多资源、多体系、多方面的跨界合作。 

1.2 公众服务方面

(1)信息获取服务。主要包括实时路况与出行类(包括路线、出入口名称、位置、违章查询信息、通行费信息等)、查询与预订类(包括周边景点、旅游 攻略、商旅订餐、促销活动等)方面的信息查询服务和票务预订服务。

(2)网络休闲与社交分享类服务。通过提供免费网络资源来满足公众的刚需并细分,通过多媒体休闲与游戏类服务来延长粉丝在服务区的停留时间,从而通过营销活动增加其消费几率。

(3)商业展销与消费类服务。大部分消费者愿意到服务区购买当地特产,并对餐饮种类、品牌和质量等方面表现出差异化的消费需求,这也倒逼服务区根据客流量和客户需求开展多业态经营服务。

(4)求助与救援类服务。调查显示,出行人员对汽修、充电、紧急状况报警、一键定位求助、车辆救援等方面有较大需求,并愿意为此付费。

1.3 商业模式方面

(1)服务区的经营状况与车流、人流的数据和行为紧密相关。随着互联网的飞速发展,服务区也需要通过新的手段,从原有被动的“等顾客上门”模式,转变为主动的“引进来、留得住、促消费、保增长”的经营理念和商业模式。

(2)实现实体服务区与虚拟服务区相结合,并通过对服务区的各类数据进行“深加工”,为经营决策、行业管理和增值利润服务,实现数据变现。

本文根据智慧服务区的建设需求,提出了一种综合利用互联网、物联网和计算机App、数据库、BIM等技术的基于BIM的服务区物联网综合管理平台(以下简称平台)。平台可以实现万物互联,并对区域内所有联网设备进行管控,具备灵活的链接方式,具有高安全性和大数据处理能力。 

从广泛意义上来说,平台是一套集成的工具和服务,可以帮助开发人员创建应用程序。通常来说,平台也可以理解为一个中间层,它管理硬件设备和应用程序层之间所有的交互,其目的是充当硬件和应用层的中介。其主要的任务包括:通过不同的接口协议从不同的设备中收集数据,并实现远程对设备进行配置、管理以及无线固件更新。平台不依赖于底层智能硬件和上层应用App而独立存在,正是这种独立性使得物联网平台能够轻松和直接地管理联网设备。 

平台对服务区起着关键的作用,具有重要意义,例如可以通过平台实现对智能产品的远程控制和实时监控,设置特定场景下的预警和报警功能,接入云服务,以及与消费者的手机或其他设备的联通。平台具有多样化展示性、开放性、安全性、稳定性、先进性、可扩展性及可复制性等特性,具体表现如下: 

(1)多样化展示性:用户可以通过Web/手机APP远程查看设备的实时数据,数据以表格、曲线、饼图、柱状图等多样化显示。 

(2)开放性:平台支撑多种传统和新兴协议,并且还提供协议转换。例如基于SCADA的RTU和PLC,在通信设备中常见的BACnet、ModBus和CANBus。

(3)安全性:数据采用加密方式进行传送,避免数据被他人获取。对用户有着严格权限,可绝对避免自己的账号被他人入侵。 

(4)稳定性:稳定的硬件设计、分布式服务器,优化的数据库结构,保证设备可以24小时实时在线。 

(5)先进性:考虑到各类技术的迅速发展,物联网平台应采用国内外先进的、成熟的技术和产品,且能代表当今国内外市场的先进技术水平。 

(6)可扩展性:随着服务区数据的快速增长,处理起来就越来越困难,为了能够处理快速增长的数据,平台的可扩展性变得越来越重要。

(7)可复制性:平台可根据相似的应用场景进行复制,减少工作量和开发成本。

 

2、BIM在平台中的应用

2.1 BIM概述

建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)是一种多维(三维空间、四维时间、五维成本、N维更多应用)模型信息集成技术,可以使建设项目的所有参与方(包括政府主管部门、业主、设计、施工、监理、造价、运营管理、项目用户等)在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内,都能够在模型中操作信息和在信息中操作模型(如图1所示),从而从根本上改变从业人员依靠符号文字形式图纸进行项目建设和运营管理的工作方式,实现在建设项目全生命周期内提高工作效率和质量以及减少错误和风险的目标。

wx图1 BIM建设的参与方.png 

图1 BIM建设的参与方

BIM的含义总结为以下三点:

 (1)BIM是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型,是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。

 (2)BIM是一个完善的信息模型,能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,提供可自动计算、查询、组合拆分的实时工程数据,可被建设项目各参与方普遍使用。

 (3)BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支撑建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享,使项目实时地共享数据平台。

综上所述,BIM具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。它不是简单地将数字信息进行集成,而是一种数字信息的应用,并可以用于设计、建造、管理的数字化方法。

2.2 BIM在平台中的应用场景

平台是一个以整合资源为重点、集成服务为原则,以实现服务区内部管理网络化和对外服务智能化为目标,实现服务区管理服务工作的三个转化,即从分散应用向集中应用转化,从固定服务向个性化服务转化,从一般的信息管理向智慧服务转化。BIM具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点,在平台中应用对实现服务区信息化、可视化、智能化起到重要作用。 

BIM在平台中的应用场景可分为:方案设计阶段、施工图设计阶段、施工阶段、运维阶段四个阶段。 

2.2.1 方案设计阶段 

(1)策划和论证

在设计过程中,需要对建筑进行策划并论证,BIM能够帮助在建筑策划阶段,通过对空间和建筑功能进行分析,来理解复杂空间的标准和法规,在和客户讨论需求、选择以及分析最佳方案时,快速做出关键性的决定。BIM在建筑策划阶段的应用成果,还能够随着BIM设计的不断深化,持续帮助设计师在真正的设计阶段中保证设计符合业主的要求,满足建筑策划阶段得到的设计依据,通过BIM连贯的信息传递或追溯,大大减少深化设计阶段发现不合格需要修改设计的消耗。 

2.2.2 施工图设计阶段 

(1)信息整合

一个项目有多个参与方,每一个参与方所做的工作在整个项目中都是一个信息孤岛,这在传统的设计施工模式中尤为明显。可建立一个统一的平台,这个平台具有统一的数据格式,利用BIM对数据信息进行整合,形成最终的BIM模型,实现BIM模型维护。

(2)场地分析

所谓场地分析,就是确定建筑物的空间方位和外观,监理建筑物与周围景观联系的过程。将平台与BIM相结合,可以在平台上监理建筑物与周围景观之间的联系,且可以与GIS结合,这样大家不仅可以精确地分析整幢建筑甚至是每一个房间的日照情况,还可以动态地分析一年甚至每一天各个时间段的日照情况。如海绵城市和地下管廊的建设,管网系统将不再是独立于地理系统的建筑内部数据,而是与建筑所在的地形和地貌结合到一起(如图2所示)。 

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图2 建筑物的BIM模型

(3)协同设计

协同设计是一种新兴的建筑设计方式,它可以使分布在不同地理位置的不同专业的设计人员,通过网络协同展开设计工作,简单来说,就是把互联网这个带来便捷和效率的工具引入到大家的设计中来,可以通过平台进行协同设计,协同设计可以从设计阶段扩展到建筑全生命周期,这就需要规划、设计、施工、运营等各方的集体参与,在协同设计中,可以用丰富的权限管理办法来保持协作和机密管理,因此具备了更广泛的意义。

(4)性能分析

这里的性能,指的就是建筑物本身的一些物理性能。如建筑室内的采光情况,建筑的墙、柱、梁等系统的受力安全情况等。这些情况在建筑物实际建造出来之前,是无法实际进行现场考察的,那就只能在电脑中先进行模拟和计算,分析这些性能是否能够达到要求。在BIM模型中,建筑师在设计过程中创建的虚拟建筑模型,已经包含了大量的设计信息,如几何信息、材料性能、构件属性等,可以大大缩短性能分析的周期,提高设计质量,同时也使设计企业能够为业主提供更专业的技能和服务。

(5)可视化设计

通过BIM进行三维可视化设计,让设计师能使用三维的思考方式来完成建筑设计,同时也使业主及最终用户真正摆脱技术壁垒的限制,随时知道自己的投资能获得什么。每一个阶段的设计深化和变更,都跟随着一个几乎是自动生成的效果图和漫游动画,使可视化跟设计真正结合到一起。

(6)碰撞检查和管线综合

利用BIM的三维技术在前期进行碰撞检查,直观解决空间关系冲突,优化工程设计,减少在建筑施工阶段可能存在的错误和返工,而且优化净空,优化管线排布方案。最后施工人员可以利用碰撞优化后的方案,进行施工交底、施工模拟,提高施工质量,同时也提高了与业主沟通的能力。

2.3 施工阶段

(1)工程量的统计

BIM是一个富含工程信息的数据库,可以真实地提供造价管理需要的工程量信息,借助这些信息,计算机可以快速对各种构件进行统计分析,大大减少了繁琐的人工操作和潜在错误,非常容易实现工程量信息与设计方案的完全一致。当然,工程量统计的精确度完全取决于大家在建立BIM模型时信息录入的精确程度,这也就代表在设计的不同阶段,大家可以通过控制模型的深度来控制材料表的详细程度。 

(2)施工进度模拟

三维可视化功能再加上时间维度,可以进行进度模拟施工。随时随地直观快速地将施工计划与实际进展进行对比,同时进行有效协同,项目参建方对工程项目的各种问题和情况都能了如指掌。从而减少建筑质量问题、安全问题,减少返工和整改。利用BIM技术进行协同,可更加高效地进行信息交互,加快反馈和决策后传达的周转效率。利用模块化的方式,在一个项目的BIM信息建立后,下一个项目可类比的引用,达到常识积累,同样的工作只做一次。 

(3)施工场地规划

施工过程中,现场除了大家在BIM模型中和竣工后看到的那些建筑构件,还有很多其他的东西,比如临时建筑、物料堆和工程机械等,因此在施工之前对施工资源进行合理的布置尤为重要。利用三维的BIM模型就可以对施工场地进行科学的三维立体规划,包括工人的生活区、材料加工区、材料仓库、现场材料堆放场地、现场道路等的布置,也可以对施工机械和车辆的路线进行规划。这样,大家就能够直观地反映施工现场情况,减少施工用地、保证现场运输道路畅通、方便施工人员的管理,有效避免二次搬运及事故的发生。 

(4)常识管理

保存信息模拟过程可以获取施工中不易被积累的常识和技能,使之变为施工单位长期积累的常识库内容。

2.4 运维阶段

(1)三维可视化管理

BIM可以将服务区建筑信息精确到构件级别,并且可以用三维模型将整个服务区环境展示出来,使数据可以精确地展现现实状况,这对于平台在维护和检修设备时,可通过BIM进行三维可视化定位,信息查询提供了很大的帮助。 

(2)应急管理

基于BIM技术的管理不会有任何盲区。公共建筑、大型建筑和高层建筑等作为人流聚集区域,突发事件的响应能力非常重要。传统的突发事件处理仅仅关注响应和救援,而通过BIM技术的运维管理对突发事件管理包括:预防、警报和处理。通过BIM系统大家可以迅速定位设施设备的位置,避免了在浩如烟海的图纸中寻找信息,如果处理不及时,将酿成灾难性事故。

 (3)节能减排管理

通过BIM结合物联网技术的应用,使得日常能源管理监控变得更加方便。通过安装具有传感功能的电表、水表、煤气表后,可以实现建筑能耗数据的实时采集、传输、初步分析、定时定点上传等基本功能,并具有较强的扩展性。系统还可以实现室内温湿度的远程监测,分析房间内的实时温湿度变化,配合节能运行管理。在管理系统中可以及时收集所有能源信息,并且通过开发的能源管理功能模块,对能源消耗情况进行自动统计分析,比如各区域、各户主的每日用电量和每周用电量等,并对异常能源使用情况进行警告或者标识。 

(4)空间管理

空间管理主要应用在照明、消防等各系统和设备空间定位。获取各系统和设备空间位置信息,把原来编号或者文字表示变成三维图形位置,直观形象且方便查找。 

(5)隐蔽工程管理

在建筑设计阶段会有一些隐蔽的管线信息是施工单位不关注的,或者说这些资料信息可能在某个角落里,只有少数人知道。特别是随着建筑物使用年限的增加,人员更换频繁,这些安全隐患日益显得突出,有时直接导致悲剧酿成。基于BIM技术的运维可以管理复杂的地下管网,如污水管、排水管、网线、电线以及相关管井,并且可以在图上直接获得相对位置关系。当改建或二次装修的时候可以避开现有管网位置,便于管网维修、更换设备和定位。内部相关人员可以共享这些电子信息,有变化可随时调整,保证信息的完整性和准确性。


3、平台建设方案

3.1 方案概述

平台以实现服务区内部管理网络化和对外服务智能化为目标,以服务区日常管理和公众出行服务为核心,集成移动互联网、图像识别、传感器、地理信息系统(GIS)、在线支付、数据仓库等先进软硬件技术,打造基于统一技术标准的资源集中管理、数据融合共享、业务线上办理、服务个性化的一体化管理平台。

平台由底层各技术子系统和网络传输系统为支撑,通过对视频、人流、车流、车位、厕位、巡更、机电设施、能耗及服务区商业数据等多种信息的采集和分析及处理,为上层服务区和交通出行的整体管理提供服务。

平台基于物联网架构设计,通过开放标准rest API接口实现平台的开放性,通过微服务架构设计支撑平台的平滑可扩展性,通过HA高可用部署、N/A负载均衡保障平台的稳定性,通过MD5密码加密、权限控制、日志记录等方式充分保障平台的安全性,平台采取模块化、搭积木式设计,主要包括公众服务及管理控制两部分,具体分为服务管理、业务管理、设施管理、数据管理四大功能模块,说明如下: 

(1)服务管理

服务管理主要包含智慧厕所、智慧停车、智慧照明、智慧安防、智能空调、智能引导、信息发布、公共广播、无线覆盖、会员服务、微信公众号、手机APP服务等。 

(2)业务管理

业务管理包含考核管理、商业管理、收银稽查管理等。

(3)设施管理

设施管理主要包含安防管理、设备监控、能耗管理、基础设施管理等。将空调、电机、灯具、摄像头等基础设备的功耗、维保、运行状态、环境参数、人流等信息输入机器学习算法,自动预测未来的使用情况,从而可以针对性地提前自动打开或者关闭设备,并对需要保养的设备提前提醒。这样既可以提高用户体验,同时也达到节能减排的效果。

(4)数据管理

数据管理为整个服务区物联网综合管理平台提供基础的IT架构。包括本地和云服务器的虚拟化管理、数据存储、数据组织、营销提升、数据输入输出等。

3.2 平台主要功能

平台的功能实现主要由多个子系统协同合作完成,主要核心系统有3D-GIS+BIM可视化系统、智慧停车系统、智慧安防系统、设备管理系统、能耗监测系统、智慧厕所系统、公共广播系统、信息发布系统、人流统计系统、商业运营系统等。 

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图3 平台三维可视化展现效果

(1)3D-GIS+BIM可视化系统

图3为平台三维可视化展现效果,可以实现服务区的三维图形的浏览、漫游、旋转、第一、三人称操控、查看设备基本信息、实时数据、进行事件交互、美化特效等。 

(2)智慧停车系统

系统以智慧灯杆为载体,捕获进入服务区的车流信息,结合对服务区实时剩余车位的监控,通过对进入服务区的车辆的智慧引导,实现智慧停车。 

(3)智慧安防系统

系统可实现不同的AR全景视频间互相切换、查询、搜索等功能,可通过联动监控资源,实现联网布控及联动指挥功能。从而打造一个全新的集视频联动、报警联动、数据展示于一体的智慧安防时代。

(4)设备管理系统

可以实现查询浏览机电系统设备运行参数、运行状态信息以及BIM模型中的位置信息,并以趋势线形式显示其当前及历史时间运行变化,可控制部分设备的启停,同时对故障信息给出故障原因、解决方案、派发工单或直接触发自动处理,与报警系统联动,并与模型相关联。 

(5)能耗监测系统

可实现对建筑的风、水、电、燃气等能耗进行实时监控,以热力图来区分能耗的数值高低,与报警系统联动,与商业平台关联,并与模型相关联。

(6)智慧厕所系统

通过网络协议获取厕所传感设备状态信息,在BIM综合运维管理平台展示厕位使用信息统计和厕位占用状态,当厕位中的臭味传感器浓度超出标准值时,会以短信形式发送到保洁人员及相关管理人员手机端,使保洁人员及时发现并迅速处理。 

(7)公共广播系统

可对室内外广播分区管理,可播报免费服务、收费业务、消防、商铺营销、背景音乐、天气、环境、周边交通实时路况、周边旅游资源等信息,与商业平台关联,并与模型相关联。 

(8)信息发布系统

可发布室内店铺分布和导航信息、免费服务、收费业务、消防、商铺营销、周边旅游资源、周边交通实时路况、天气、环境等信息,与商业平台关联,并与模型相关联。 

(9)人流统计系统

系统支撑人流量统计功能,通过对接人脸识别系统,获取当前不同区域人流量信息并形成人员热力分析图,通过人员热力图统计出人员集中的重点区域,对此区域进行重点管理,区域可设置人流数预警上限,当该区域人流达到上限值时发出预警通知。 

(10)商业运营系统

与商业平台相互调用,从商业平台获取餐饮销售、商店销售、加油销售等各类销售数据,同时为商业运营平台提供客流、车流、能耗等分析数据。

结语

为实现对高速公路服务区信息化、智能化管理, 本文提出了基于BIM的服务区物联网综合管理平台。将BIM技术应用于平台的方案设计阶段、施工图设计阶段、施工阶段、运维阶段,对于实现服务区信息化、可视化、智能化具有重要作用。基于BIM的服务区物联网综合管理平台以实现服务区内部管理网络化和对外服务智能化为目标,以服务区日常管理和公众出行服务为核心,集成移动互联网、图像识别、地理信息系统(GIS)等先进软硬件技术,打造基于统一技术标准的资源集中管理、数据融合共享、业务线上办理、服务个性化的一体化管理平台,对于提高服务区服务质量具有重要意义。

 

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本文转自《智能建筑》杂志2020年8月/总第240期

 






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