BIM+GIS+IOT管理平台主要应用功能研究

王荥桂

（上海宝冶集团有限公司建筑设计研究院，上海 200941）

0 引言

随着BIM与GIS技术的日渐成熟，逐渐出现采用BIM+GIS技术的平台。利用BIM+GIS的三维特性，可方便项目建设过程中的可视化管理。结合IOT设备的使用，通过对模型的融合和数据对接，实现项目宏观和微观两方面的管理需求。

1 平台系统现状

1）目前建筑物信息模型（BIM）已广泛应用于工程建设中，通过数字化建模方式将各专业工程生成三维工程模型，模型包含必要的工程数据。将专业图纸可视化后可进行直观的模型展示和实际应用。BIM模型展示能力偏向项目本身，所用软件展示空间小，对工程项目周围的地形数据无法有效承载分析及展示。

2）地理信息系统（GIS）以测绘、测量为基础，该系统设计用来支持空间数据采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。因其展示数据宏观，所以无法创建精细化、信息精确的建筑模型。

3）物联网（IOT）是指通过各种装置与技术，实时采集需要监控、连接、互动的物体和过程，将物与物、物与人通过网络相关联，实现所有物体相互联网的一个系统概念。随着5G新一代蜂窝移动通信技术的演进升级，其三大应用场景包括：增强移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）、大规模机器类通信（massive machine type communications，mMTC）和超高可靠低时延通信（ultra-reliable and low latency communs，uRLLC），后两项都将助力实现“万物互联”。

建筑信息模型（BIM）和地理信息系统（GIS）均为工程建设行业如今常用的信息技术。将BIM、GIS、IOT技术进行结合使用，可解决宏观和微观数据同时展示的实际需求，提升工程可视化所展现信息的广度及丰富程度。

2 关键技术分析

2.1 GIS

地理信息系统即GIS（geographic information system），用来支持空间数据采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。其技术在近年内取得很大的发展，主要应用于商业金融、资源调查、灾害预测、城市规划、有点通信、交通运输、国土管理、军事公安、水利水电、公共设施管理、环境评估、农林牧业、统计等领域。

GIS技术主要具备数据管理及挖掘、大数据可视化、空间分析、地图可视化表达等多种应用。其模型大部分为表面模型，只有外部轮廓信息。结合GIS信息数据后可进行宏观层面的数据分析及展示。

2.2 WebGL轻量化模型

在BIM数据导入GIS系统时，需进行不同程度的轻量化处理。当前主流使用WebGL技术进行模型轻量化处理。

WebGL（web graphics library）是一项在浏览器体现3D画面的技术。其工作原理实际上就是遍历每一个像素点，然后给各像素点填充颜色，借助计算机硬件3D加速渲染，然后构成一幅让使用者通过浏览器可流畅浏览的3D场景及模型。

一个合适的架构选型将提高今后平台的使用效率，WebGL 3D引擎的选型由今后使用场景决定。当前主流架构分B/S架构（浏览器和服务器架构模式）和C/S架构（服务器-客户端架构模式）。WebGL是网页3D必须要用到的技术，而客户端应用OpenGL。

B/S架构采用Three.js，是基于原生WebGL封装运行的三维引擎，其程序结构包含模型几何体信息、材质、光照的颜色和分类（环境光、点光源、平行光），观察视角的位置、视线方向、投影方式（透射投影、正射投影）及渲染。通常Three.js压缩文件比源文件缩小约2倍，可用于在线部署。但因每次加载模型均需重新加载，如果BIM模型体量较大，则对使用环境的网速带宽要求高。

C/S架构采用OpenGL，是用于渲染2D、3D矢量图形的应用程序编程接口（API）。OpenGL非常依赖厂商提供的硬件，由显示设备厂商提供，即对计算机显卡有基本要求，平时办公用计算机基本可以满足要求。

2.3 摄影测量+LIDAR系统

通过遥感测量技术可实现模型的快速更新。

1）低空摄影测量系统的应用 利用无人机上的摄像机进行拍摄，根据拍摄出来的照片进行测绘工作并生成三维模型，再添加已有的数据资料，建立三维空间。该系统对无人机搭载的摄像机有较高的分辨率要求。

2）倾斜摄影测量的应用 倾斜摄影测量技术是一种将遥感技术、空间技术及信息技术等有机结合起来的测绘技术。通过无人机采集数据，对在空中拍摄时的照片空间位置和角度姿态进行记录。由于航测系统飞行高度较低，可获取地面高质量的多角度影像。经处理后生成密集点云模型，借助ContextCapture软件，在POS数据和地面GPS-RTK采集控制点数据等技术的基础上，对不规则三角网进行重新构建，实现被扫描物体的三维模型创建。

3）LIDAR系统的应用 集激光，全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）3种技术于一体，通过使用传感设备对激光波段进行分析，计算激光会波信息，采取有效的方法获得点云数据并生成精确的数字化三维模型。

2.4 5G+物联网

近几年，物联网技术得到迅速发展与广泛应用，利用物联网技术可实现对数据信息的及时有效处理。

5G是新一代蜂窝移动通信技术，分为三大应用场景：eMBB、mMTC、uRLLC。面对不同应用场景有针对性地部署无线网络架构，助力做大做强移动物联网。

eMBB为增强型移动宽带，部署方式为密集布置，需通过更大带宽及提升基带速率实现。mMTC为大规模机器类通信，是在NB-IOT基础上演进，针对低时延高可靠场景，无线网可采用本地化网络布置架构。uRLLC为超高可靠低时延通信，针对低功耗大连接场景。

工程项目平台针对建设项目特点，宜采取mMTC模式。mMTC属于低速率传输，因其可扩展性好，带宽灵活，使其具有低功耗、大量连接的特点，填补了传统技术无法海量连接技术的不足，可用于至少10万用户数量的大规模数据采集。其中窄带物联网（NB-IOT）因其信号更强，在mMTC 中用于远距离传输，大幅提升了设备对场景的覆盖能力，同时又因为抄底的功耗和间歇性启动的工作原理，使其待机时长最长可达10年。

2.4.1 定位技术

针对室内定位场景，由于无线电信号在遇到障碍物（如墙壁等）会发生大幅衰减和散射，无法提供准确的定位信息，此时需要有针对性地选用适用于室内环境的定位技术完成精确定位，如无线局域网（WLAN）、蓝牙、紫蜂（ZigBee）、蜂窝网络等技术。

1）无线局域网 无线局域网（WLAN）定位技术是应用最广泛的室内技术，部署时无需添加额外设备，而且定位精度高可满足绝大部分使用要求，性价比高。采用RSSI距离交汇定位法（复杂环境下信号衰减严重）和基于RSSI指纹定位法（定位精度极度依赖于校准点密度）。目前常用的WLAN室内定位系统主要使用基于RSSI的距离交汇定位法，能实现1～3m的定位精度。

2）蓝牙 蓝牙定位系统稳定性差且易受到干扰，主要与无线局域网（WLAN）用于室内定位。施工现场通过安全帽对人员位置进行定位就是基于此技术。通过安全帽内加装蓝牙模块，在施工现场位置设置蓝牙感应设备，当蓝牙模块靠近感应设备时，蓝牙模块更新定位信息并发送至管控平台。定位精度近距离可达0.5～3.0m。

3）紫蜂（ZigBee） ZigBee的通信距离短，适用于短距离和低速率的情况，使用时通过增加ZigBee的节点密度，完成定位需求。其定位精度可达1.5m。人员现场巡检可在关键位置设置ZigBee节点，通过现场人员在指定位置进行签到，该地点部署的ZigBee节点会记录所检测到打卡的位置和时间，并实时传回数据后台，从而实现管理现场人员的巡检工作。

4）蜂窝网络 主要依靠手机进行定位，通过测量用户手机与多个基站的距离实现，其精度可达2～4m。

2.4.2 基于NB-IOT的火灾报警

1）烟雾感应器 除具有一般烟雾感应功能外，还在内部加装了NB-IOT无线通信模块。IOT终端不同于手机，其绝大部分时间处于休眠状态，按天或周间断上报信息，上报完成后继续休眠。不随时监听网络，当触发声光报警的同时，报警信息也会同步发送至监控终端，同时还能与其他智能消防器材进行联动配合使用。

2）智能消火栓 在智能消火栓出现异常情况时，其内置的监测水压传感器和NB-IOT模块监测到异常数据，随即触发报警机制，及时提醒使用人员和维护人员。

3）“火眼”可视图像早期火灾报警系统 该系统采用先进的视频图像分析技术，无需更换现有摄像头，只需在安防系统局域网下接入“火眼”软件即可实现可视图像早期火灾报警，可在极短时间内准确发现火灾早期情况，同时发出报警信号，防患于未然。

4）物联网电气火灾预警云监控 通过及时采集加装IOT模块的智能消防器材数据，并上报IOT云监控平台，实现对建筑内供电系统隐患的全天候监控。

2.4.3 电梯

电梯的应用主要体现在设备的“可视化管理”“按需维保”“安全事故应急指挥”3个方面。

利用GIS技术展现电梯在宏观上的具体位置信息，利用BIM技术将现实中的结构、电梯构造、墙体、门窗和装修等信息数字化展现，方便在电梯出现故障时发出故障报警信息。

平时电梯运行正常，采用NB-IOT短链接方式，终端的NB-IOT模组长期保持休眠状态直到获取电梯故障信号，NB-IOT模组唤醒并将故障信息（电梯故障代码）发送到云平台。之后终端将持续保持连接状态，持续反馈故障信息到云平台，直到工作人员完成维修工作，结束连接状态。当电梯处于检修、停电状态也会通知平台。

此外，NB-IOT具有强穿透的特点，可在网络不良的特定场景中进行部署。又因其工作原理为短链接方式，可持续更长的供电时间，从而可为停电状态下的电梯进行异常监控。

2.5 监控运维

BIM和GIS应用的均为静态数据，平台系统接入物联网数据后，同时通过对获取到的传感器数据进行实时展示，可直观生动地呈现物联网数据，实现对项目的监控运维，并对发生危险情况进行预警提示，例如：摄像头通过添加AI算法，发现人员未佩戴安全帽、未穿反光背心及进入危险区域、塔式起重机吊钩下方有碰撞危险等，将预警信息及定位信息反馈在平台上。日常监测数据的及时展示包括水文数据、气象数据等。

3 结语

如今，建设项目管理需引入更多技术和应用，其中BIM、GIS、IOT技本的应用和融合使各类信息实现交互操作，同时提升了系统应用的深度和广度，包括建筑改造、数字防灾等领域。尽管BIM+GIS+IOT的应用过程中会有很多挑战，但随着技术进步，软硬件的不断迭代升级，BIM+GIS+IOT管理平台将不断推动建设项目在建设、管理、运维全生命周期的进步。