基于BIM模型的水利灌区用水信息集成管理系统

杨立疆

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水利灌区承担着大量的用水任务，而由于各个灌区基本情况、影响因素、用水目标以及灌溉工艺等的不同，会产生大量的差异性数据，因此对不同水利灌区内的用水信息、同一灌区内的用水信息进行集成管理，成为目前水利灌溉工作的重点[1]。因此，根据文献[2]和文献[3]的研究内容，传统系统利用数据挖掘算法和决策树算法，设计一个信息控制模型，以此获取水利灌区用水信息，实现对信息的集成管理[2-3]。但通过大量的实验测试结果发现，两组传统信息集成管理系统的应用效果并不理想。因此，本文研究基于BIM模型的水利灌区用水信息集成管理系统。近年来，数字化技术、3D技术成为各个研究领域中备受追捧的一项技术，通过数字化和3D显示技术，模拟不同领域内的物品、建筑等实体结构模型，以此加强数据整体的完整度，为系统的实用性与可靠性提供了更强大的技术支持[4]。

1 设计水利灌区用水信息集成管理系统硬件

1.1 设计万兆交换机XAUI接口

交换机为各个接入节点提供独享的通路，而交换机是由集线器发展而来，可以无损放大线路上存在损耗的信号，然后将这些数据发送到各个模块的端口，智能地辅助系统分析数据包中包含的信息内容。但传统系统中的集线器仅为一台，进行数据传输时需要给所有与该设备连接的主机发送信号，导致网络的负担变得极为沉重，从而影响系统对海量数据的传输[5]。因此，按照IEEE 802.3的标准，对物理层进行重新定义：首先在媒体相关接口MDI处，进行机械和电气标准规范处理；其次在物理媒体相关PMD子层，对传输媒体之间的接口进行规范；然后在物理媒体附加PMA子层，对发送与接收、定时恢复与相位对准等参数进行重新定义；同时在物理编码PCS子层进行物理编码，将数据比特编码进行转换；最后在协调子层RS中，调整信号映射功能。选择一个万兆交换机，将新定义的协议投入使用，该协议重新规定了各个接口的使用功能。将交换机与两个千兆网口连接，通过SGMII和RGMII接口，将两个PHY芯片与交换机之间建立通信。根据SGMII和RGMII的接口结构可知，理想状态下的数据速率为1.25 Gbps，因此简化万兆交换机的千兆位媒体独立接口，要求信号线数量为14根，同时将TX/RX的数据宽度设置为4，设置时钟频率为125 MHz，让新的接口能够兼容10和100 Mbps两种速率，一次设计万兆连接单元接口XAUI，见图1[6]。

图1 XAUI接口

该接口的背板走线允许最大传输距离为0.07 m。XAUI接口设计完毕后，设计万兆交换机的交换模块。

1.2 设计万兆交换机交换模块

万兆交换机支持8个计算单元之间的通信，同时还支持计算单元与服务器之间的外通信。根据交换板的硬件组成，将其分为配置和交换两个模块，将配置模块与管理单元的网络相连，而交换模块则转发所有数据包，然后利用PCIE总线将二者之间连接起来。设置的配置模块采用BCM53003作为CPU芯片，对交换机的初始化操作、网络管理以及配置等功能进行控制。其中两个PHY的芯片提供与服务器管理单元连接的不同的网口，并通过XAUI接口与芯片之间建立通信信道，从而系统根据芯片提供的网口配置交换机。此次设计采用BCM56334作为交换模块芯片，通过SerDes的形式将端口连接到服务器单元，然后利用BMC将时序信号连接到管理单元中。图2为交换模块的基本设计结构[7]。

图2 交换模块

CPU是实现交换机智能化控制的核心，而交换数据的发送，也是通过交换机的交换芯片来实现的。至此，万兆交换机交换模块设计完成，实现对水利灌区用水信息集成管理系统硬件的功能设计。

2 基于BIM模型设计水利灌区用水信息集成管理系统软件

2.1 BIM技术构建用水模型框架

利用BIM技术构建用水模型框架，完成对水利灌溉过程中各个环节信息的捕捉与集成，以结构化工艺信息的方式，表达水利灌溉区的用水信息。根据整个水利灌溉过程，预设构建的模型需要具备基本园区信息、灌溉结构、灌溉技术特征、其他信息以及其他工艺信息，以一个结构树的方式，对这些信息按照不同的层次进行关联，形成一个具有一定逻辑关系的整体结构，便于系统的智能化集成管理[8]。根据预设的模型构建逻辑，可知水利灌溉区用水模型的基本内容，是由3组数据共同组成的，因此该模型中的结构以下列的形式进行描述：

B=U∪V∪W

(1)

式中：U为构建的用水模型，通过详细的灌溉渠数据得到；V为灌溉工艺，是灌溉过程中所有与灌溉和用水相关的信息集合；W为其他工艺信息集合，包括监控视频等内容。

上述3组参数共同构建了用水模型的基本框架结构，根据该结构可以实现对系统集成管理功能的开发，设计用水模型的基本框架[9]。灌溉工艺中包含大量的子数据，因此根据该结构框图，利用下列方程描述灌溉工艺所包含的基本内容：

V=G1∪G2∪G3

(2)

式中：G1为灌溉工艺结构；G2为灌溉工艺特征；G3为其余灌溉工艺相关信息。

通过上述过程，采用BIM技术构建完整的用水模型框架，实现对整个灌溉用水信息的捕捉[10]。

2.2 基于BIM模型模拟水利灌区用水

在上述研究的基础上，管理系统自动生成水利灌溉区用水的BIM模型，基于BIM模型模拟水利灌区用水。用水模拟就是基于BIM模型，通过增加时间维度模拟灌区的整个灌溉过程，其中需要根据相应的进度计划，才能控制模型的信息反馈时间，也就是每一个灌溉周期。因此在应用BIM模型的过程中，利用Microsoft Project 编制一个进度计划表，然后将BIM模型与该计划表之间建立链接，按照设计好的流程模拟整个用水灌溉过程。因此，需要对整个过程中的所有步骤进行细化处理，包括园区位置确定、灌溉区域划分、灌区用水总量统计、灌溉时间统计、灌区面积等等。因此，根据上一节的框图构建用水模型，通过系统工具编制灌溉进度计划，然后在一个技术平台上，通过链接技术建立二者之间的相关关系，实现对整个水利灌区用水过程的4D模拟。这一模拟主要依靠Navisworks Manage软件进行，在编制的计划上添加一个时间维度[11]。这一过程中，该软件中的Timeliner工具通过3种不同的方法创建任务，而此次研究考虑系统的性能，只利用该工具的两种方法进行任务创建，见图3。

图3 Timeliner工具创建系统任务

灌溉模拟过程中，影响模拟效果的因素存在独立性或者关联性特征，以独立影响或者相互影响的方式制约系统的信息生成模拟过程。因此，设计的系统根据上述开发过程，建立一个4D的BIM模型，然后利用系统内部工具，模拟水利灌区的用水灌溉过程，从而通过管理模块导出灌溉进度信息[12]。在该模拟过程中，利用下列公式描述各个信息之间的关联：

(3)

式中：Kn为n组信息之间的关联指标；kmn为灌溉数据Bm和Bn之间的约束关系。

利用该公式确定用水灌溉工序是否合理，工期是否正常，为用水信息集成管理提供有效的数据分配信息分类组，以此便于系统对用水数据迅速划分类别[13]。

2.3 优化水利灌区用水信息集成管理流程

根据模拟的水利灌区用水进度，结合《多信息系统集成管理标准化流程》中提到的研究内容，优化用水信息集成管理流程。首先将需求发起入口进行统一处理，根据实际灌溉业务整理原始文件，然后在系统中提出信息集成申请，通过预设流程反馈给查询页面。然后对预设流程单元进行重新定义，通过制定信息集成类别，对所有用水数据进行进一步完善，形成多个不同的数据集成方案，根据每一次水利灌溉用水业务的所有内容，考虑系统在进行信息集成管理时，是否需要考虑集成条件，通过系统的管理中心，对所有集成内容进行确认，防止出现描述不精准或者数据不完善的情况。同时对集成管理进行了更加清晰的业务定义，也就是重新编制水利灌溉用水信息的各项内容，严格把控每一用水环节，按照条件将所有信息按照不同的属性进行类别划分，避免多个信息造成拥堵或混乱，给系统的数据分配工作带来压力。同时对水利灌区用水的系统验收环节，进行集成管理流程优化[14]。首先明确系统的验收条件，保证所有项目进行信息集成时，都有一个完整的用水数据集；其次加强系统对各项文档内容的审核，包括水利灌区的灌溉目标、设备使用情况、灌溉进度、用水效果等，将这些数据以表格的形式保存到数据库中，通过加强系统的管理功能，防止出现数据丢失、内容模糊的情况。而系统在验收各项用水信息时，最关键的步骤就是对验收评价指标与权重的确认，其中缺陷关闭率通过下列公式进行数据反馈：

(4)

式中：p为缺陷关闭率；s1与s2分别为关闭缺陷数和有效缺陷数。

系统根据上述公式的反馈结果，确定每一集成数据组的信息集成效果，并按照下列公式设定管理扣分评定规则：

f=p×10

(5)

式中：f为扣分评定规则下得到的实际得分。

但若p<85%时，则不再通过式(5)确定得分，系统直接将f值默认为0，即用水信息的集成管理不合格，需要重新进行数据集成。反之，则系统根据p的实际结果输出f值，显示界面直接给出信息集成管理数据[15]。至此在BIM模型应用的条件下，水利灌区用水信息集成管理系统设计完毕。

3 系统质量测试

3.1 响应时间测试

响应时间作为一项重要的参数，是系统质量的衡量标准之一，因此进行系统质量测试时，离不开对相应时间的测试。选择若干台PC Server，分别作为应用服务器和数据库服务器，该服务器的CPU型号为Intel Xeon 3.0 GHz*4，共有16 G内存和500 G硬盘，支持Windows Server 2018操作系统。实验共选择2个对照组，将此次开发设计的系统作为实验组，分别利用不同的系统，对水利灌区的用水信息进行集成管理。为了让实验结果更具备说服性，分别对信息集成系统进入信息集成首页、进入水利灌区管理页面、进入灌溉技术管理页面、进入用水管理页面的响应时间进行测试。图4为系统响应时间测试结果。

图4 系统响应时间测试结果

根据4组测试曲线可以明显看出，文中系统的响应时间要低于传统系统。因此，导出4组系统的总响应用时，并汇总到表1中。

表1 系统平均响应时间统计结果 /s

根据表1中的测试结果可知，文中系统的响应时间明显要少于两组传统系统。因此，进行下一阶段的系统质量测试任务。

3.2 质量控制测试

选择一块水利灌区作为测试基本背景，分别利用3组系统对该区域的用水信息进行集成管理，比较系统反馈数据的真实性和完整性。表2为该测试区域中，存在的用水灌溉问题。

根据表2中的统计数据可知，该水利灌区各个项目的问题发生频率较高，因此会产生大量的用水信息。利用3个测试组，对该测试条件下的用水信息进行集成管理，利用统计报表中的条形图，统计每组系统的信息集成效果，并通过用水信息的类别划分结果，计算数据比重。见图5。

表2 水利灌区用水问题统计

图5 用水信息类别划分结果

根据图5中的测试结果可知，3组系统下各个类别显示的集成数据比重，合计值分别为99.16%、90.19%及92.15%。经计算，两组传统系统的集成数据比重，比文中系统分别低8.97%和7.01%。由此可见，此次开发的信息集成管理系统在反馈集成数据时，能够显示99%以上的用水数据。综合上述两组测试结果，验证了文中系统的管理质量更佳。

4 结 语

此次研究在两组传统集成管理系统的基础上，将BIM模型应用到信息集成管理系统中，通过实验分析，证实了此次研究的系统取得了重大进步。但根据实验测试结果可知，尽管系统将99%左右的数据均进行了有效集成，但还存在约1%的数据遗失问题。今后的研究工作可以将数据的完整度作为研究重点，对系统进行优化升级，为复杂海量的数据处理工作提供更加先进的技术支持。