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基于BIM的服務區物聯網綜合管理平臺研究

文/江蘇沿江高速公路有限公司

張兵 吳繼森 戴震

 文/中設設計集團股份有限公司

陳鵬 楊軍志 李文軍 聞佳

1、前言

目前，高速公路服務區已經由傳統的加油加氣、 如廁休息和餐飲汽修三項基本需求逐步發展成以休閑娛樂、餐飲商超、特產購物、宣傳促銷等多種經營模式于一體的新型經營管理理念。且隨著云計算、物聯網、移動互聯網、大數據、人工智能（簡稱“云物移大智”）等新一代信息技術的迅猛發展以及BIM技術的快速發展，高速公路服務區可視化、信息化、智能化問題已日益得到關注，智慧型服務區的建設已經呼之欲出。服務區經過長期的建設與發展，在公眾服務的硬件、軟件方面取得了很大的進步，但是離智慧服務區的目標還存在一定的距離。通過長期的調研與公眾問卷調查，智慧服務區的建設需求主要包含以下幾個方面。

1.1 經營管理方面

（1）建設統一的經營管理與信息決策平臺，實現現場情況、經營狀況、公眾服務、安全運營、網上服務區等方面的數據化運營分析與關聯分析。

（2）實現公眾服務與車流、人流鎖定，通過實體服務區與虛擬服務區，不斷了解公眾的出行需求、出行規律、行為偏好，通過CRM和個性化應用服務逐步實現精準營銷和新的商業契機。 

（3）實現有機協同服務與關聯信息共享的機制。服務區與服務區之間、服務區與高速公路之間應該形成有機的協同管理與關聯信息共享，以便更好地發揮區域和線路上的協同指揮與智慧服務。

（4）打造綠色節能服務區，通過智能硬件建設服務區終端設備的物聯網化，并通過一體化的信息平臺對運行狀態加以展示。

（5）實現跨界資源平臺合作，拓展服務區的經營業務與合作空間。目前多省都在實施“走出去”戰略，借助移動互聯網技術和“第四方物流”、“非現金支付”等多種手段，實現省際服務區在多資源、多體系、多方面的跨界合作。 

1.2 公眾服務方面

（1）信息獲取服務。主要包括實時路況與出行類（包括路線、出入口名稱、位置、違章查詢信息、通行費信息等）、查詢與預訂類（包括周邊景點、旅游 攻略、商旅訂餐、促銷活動等）方面的信息查詢服務和票務預訂服務。

（2）網絡休閑與社交分享類服務。通過提供免費網絡資源來滿足公眾的剛需并細分，通過多媒體休閑與游戲類服務來延長粉絲在服務區的停留時間，從而通過營銷活動增加其消費幾率。

（3）商業展銷與消費類服務。大部分消費者愿意到服務區購買當地特產，并對餐飲種類、品牌和質量等方面表現出差異化的消費需求，這也倒逼服務區根據客流量和客戶需求開展多業態經營服務。

（4）求助與救援類服務。調查顯示，出行人員對汽修、充電、緊急狀況報警、一鍵定位求助、車輛救援等方面有較大需求，并愿意為此付費。

1.3 商業模式方面

（1）服務區的經營狀況與車流、人流的數據和行為緊密相關。隨著互聯網的飛速發展，服務區也需要通過新的手段，從原有被動的“等顧客上門”模式，轉變為主動的“引進來、留得住、促消費、保增長”的經營理念和商業模式。

（2）實現實體服務區與虛擬服務區相結合，并通過對服務區的各類數據進行“深加工”，為經營決策、行業管理和增值利潤服務，實現數據變現。

本文根據智慧服務區的建設需求，提出了一種綜合利用互聯網、物聯網和計算機軟件、數據庫、BIM等技術的基于BIM的服務區物聯網綜合管理平臺（以下簡稱平臺）。平臺可以實現萬物互聯，并對區域內所有聯網設備進行管控，具備靈活的鏈接方式，具有高安全性和大數據處理能力。 

從廣泛意義上來說，平臺是一套集成的工具和服務，可以幫助開發人員創建應用程序。通常來說，平臺也可以理解為一個中間層，它管理硬件設備和應用程序層之間所有的交互，其目的是充當硬件和應用層的中介。其主要的任務包括：通過不同的接口協議從不同的設備中收集數據，并實現遠程對設備進行配置、管理以及無線固件更新。平臺不依賴于底層智能硬件和上層應用軟件而獨立存在，正是這種獨立性使得物聯網平臺能夠輕松和直接地管理聯網設備。 

平臺對服務區起著關鍵的作用，具有重要意義，例如可以通過平臺實現對智能產品的遠程控制和實時監控，設置特定場景下的預警和報警功能，接入云服務，以及與消費者的手機或其他設備的聯通。平臺具有多樣化展示性、開放性、安全性、穩定性、先進性、可擴展性及可復制性等特性，具體表現如下： 

（1）多樣化展示性：用戶可以通過Web/手機APP遠程查看設備的實時數據，數據以表格、曲線、餅圖、柱狀圖等多樣化顯示。 

（2）開放性：平臺支持多種傳統和新興協議，并且還提供協議轉換。例如基于SCADA的RTU和PLC，在通信設備中常見的BACnet、ModBus和CANBus。

（3）安全性：數據采用加密方式進行傳送，避免數據被他人獲取。對用戶有著嚴格權限，可絕對避免自己的賬號被他人入侵。 

（4）穩定性：穩定的硬件設計、分布式服務器，優化的數據庫結構，保證設備可以24小時實時在線。 

（5）先進性：考慮到各類技術的迅速發展，物聯網平臺應采用國內外先進的、成熟的技術和產品，且能代表當今國內外市場的先進技術水平。 

（6）可擴展性：隨著服務區數據的快速增長，處理起來就越來越困難，為了能夠處理快速增長的數據，平臺的可擴展性變得越來越重要。

（7）可復制性：平臺可根據相似的應用場景進行復制，減少工作量和開發成本。

2、BIM在平臺中的應用

2.1 BIM概述

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）是一種多維（三維空間、四維時間、五維成本、N維更多應用）模型信息集成技術，可以使建設項目的所有參與方（包括政府主管部門、業主、設計、施工、監理、造價、運營管理、項目用戶等）在項目從概念產生到完全拆除的整個生命周期內，都能夠在模型中操作信息和在信息中操作模型（如圖1所示），從而從根本上改變從業人員依靠符號文字形式圖紙進行項目建設和運營管理的工作方式，實現在建設項目全生命周期內提高工作效率和質量以及減少錯誤和風險的目標。

圖1 BIM建設的參與方

BIM的含義總結為以下三點：

 （1）BIM是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。

 （2）BIM是一個完善的信息模型，能夠連接建筑項目生命期不同階段的數據、過程和資源，是對工程對象的完整描述，提供可自動計算、查詢、組合拆分的實時工程數據，可被建設項目各參與方普遍使用。

 （3）BIM具有單一工程數據源，可解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題，支持建設項目生命期中動態的工程信息創建、管理和共享，使項目實時地共享數據平臺。

綜上所述，BIM具有信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性八大特點。它不是簡單地將數字信息進行集成，而是一種數字信息的應用，并可以用于設計、建造、管理的數字化方法。

2.2 BIM在平臺中的應用場景

平臺是一個以整合資源為重點、集成服務為原則，以實現服務區內部管理網絡化和對外服務智能化為目標，實現服務區管理服務工作的三個轉化，即從分散應用向集中應用轉化，從固定服務向個性化服務轉化，從一般的信息管理向智慧服務轉化。BIM具有信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性八大特點，在平臺中應用對實現服務區信息化、可視化、智能化起到重要作用。 

BIM在平臺中的應用場景可分為：方案設計階段、施工圖設計階段、施工階段、運維階段四個階段。 

2.2.1 方案設計階段 

（1）策劃和論證

在設計過程中，需要對建筑進行策劃并論證，BIM能夠幫助在建筑策劃階段，通過對空間和建筑功能進行分析，來理解復雜空間的標準和法規，在和客戶討論需求、選擇以及分析最佳方案時，快速做出關鍵性的決定。BIM在建筑策劃階段的應用成果，還能夠隨著BIM設計的不斷深化，持續幫助設計師在真正的設計階段中保證設計符合業主的要求，滿足建筑策劃階段得到的設計依據，通過BIM連貫的信息傳遞或追溯，大大減少深化設計階段發現不合格需要修改設計的消耗。 

2.2.2 施工圖設計階段 

（1）信息整合

一個項目有多個參與方，每一個參與方所做的工作在整個項目中都是一個信息孤島，這在傳統的設計施工模式中尤為明顯。可建立一個統一的平臺，這個平臺具有統一的數據格式，利用BIM對數據信息進行整合，形成最終的BIM模型，實現BIM模型維護。

（2）場地分析

所謂場地分析，就是確定建筑物的空間方位和外觀，監理建筑物與周圍景觀聯系的過程。將平臺與BIM相結合，可以在平臺上監理建筑物與周圍景觀之間的聯系，且可以與GIS結合，這樣我們不僅可以精確地分析整幢建筑甚至是每一個房間的日照情況，還可以動態地分析一年甚至每一天各個時間段的日照情況。如海綿城市和地下管廊的建設，管網系統將不再是獨立于地理系統的建筑內部數據，而是與建筑所在的地形和地貌結合到一起（如圖2所示）。 

圖2 建筑物的BIM模型

（3）協同設計

協同設計是一種新興的建筑設計方式，它可以使分布在不同地理位置的不同專業的設計人員，通過網絡協同展開設計工作，簡單來說，就是把互聯網這個帶來便捷和效率的工具引入到我們的設計中來，可以通過平臺進行協同設計，協同設計可以從設計階段擴展到建筑全生命周期，這就需要規劃、設計、施工、運營等各方的集體參與，在協同設計中，可以用豐富的權限管理辦法來保持協作和機密管理，因此具備了更廣泛的意義。

（4）性能分析

這里的性能，指的就是建筑物本身的一些物理性能。如建筑室內的采光情況，建筑的墻、柱、梁等系統的受力安全情況等。這些情況在建筑物實際建造出來之前，是無法實際進行現場考察的，那就只能在電腦中先進行模擬和計算，分析這些性能是否能夠達到要求。在BIM模型中，建筑師在設計過程中創建的虛擬建筑模型，已經包含了大量的設計信息，如幾何信息、材料性能、構件屬性等，可以大大縮短性能分析的周期，提高設計質量，同時也使設計公司能夠為業主提供更專業的技能和服務。

（5）可視化設計

通過BIM進行三維可視化設計，讓設計師能使用三維的思考方式來完成建筑設計，同時也使業主及最終用戶真正擺脫技術壁壘的限制，隨時知道自己的投資能獲得什么。每一個階段的設計深化和變更，都跟隨著一個幾乎是自動生成的效果圖和漫游動畫，使可視化跟設計真正結合到一起。

（6）碰撞檢查和管線綜合

利用BIM的三維技術在前期進行碰撞檢查，直觀解決空間關系沖突，優化工程設計，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤和返工，而且優化凈空，優化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優化后的方案，進行施工交底、施工模擬，提高施工質量，同時也提高了與業主溝通的能力。

2.3 施工階段

（1）工程量的統計

BIM是一個富含工程信息的數據庫，可以真實地提供造價管理需要的工程量信息，借助這些信息，計算機可以快速對各種構件進行統計分析，大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，非常容易實現工程量信息與設計方案的完全一致。當然，工程量統計的精確度完全取決于我們在建立BIM模型時信息錄入的精確程度，這也就代表在設計的不同階段，我們可以通過控制模型的深度來控制材料表的詳細程度。 

（2）施工進度模擬

三維可視化功能再加上時間維度，可以進行進度模擬施工。隨時隨地直觀快速地將施工計劃與實際進展進行對比，同時進行有效協同，項目參建方對工程項目的各種問題和情況都能了如指掌。從而減少建筑質量問題、安全問題，減少返工和整改。利用BIM技術進行協同，可更加高效地進行信息交互，加快反饋和決策后傳達的周轉效率。利用模塊化的方式，在一個項目的BIM信息建立后，下一個項目可類比的引用，達到知識積累，同樣的工作只做一次。 

（3）施工場地規劃

施工過程中，現場除了我們在BIM模型中和竣工后看到的那些建筑構件，還有很多其他的東西，比如臨時建筑、物料堆和工程機械等，因此在施工之前對施工資源進行合理的布置尤為重要。利用三維的BIM模型就可以對施工場地進行科學的三維立體規劃，包括工人的生活區、材料加工區、材料倉庫、現場材料堆放場地、現場道路等的布置，也可以對施工機械和車輛的路線進行規劃。這樣，我們就能夠直觀地反映施工現場情況，減少施工用地、保證現場運輸道路暢通、方便施工人員的管理，有效避免二次搬運及事故的發生。 

（4）知識管理

保存信息模擬過程可以獲取施工中不易被積累的知識和技能，使之變為施工單位長期積累的知識庫內容。

2.4 運維階段

（1）三維可視化管理

BIM可以將服務區建筑信息精確到構件級別，并且可以用三維模型將整個服務區環境展示出來，使數據可以精確地展現現實狀況，這對于平臺在維護和檢修設備時，可通過BIM進行三維可視化定位，信息查詢提供了很大的幫助。 

（2）應急管理

基于BIM技術的管理不會有任何盲區。公共建筑、大型建筑和高層建筑等作為人流聚集區域，突發事件的響應能力非常重要。傳統的突發事件處理僅僅關注響應和救援，而通過BIM技術的運維管理對突發事件管理包括：預防、警報和處理。通過BIM系統我們可以迅速定位設施設備的位置，避免了在浩如煙海的圖紙中尋找信息，如果處理不及時，將釀成災難性事故。

 （3）節能減排管理

通過BIM結合物聯網技術的應用，使得日常能源管理監控變得更加方便。通過安裝具有傳感功能的電表、水表、煤氣表后，可以實現建筑能耗數據的實時采集、傳輸、初步分析、定時定點上傳等基本功能，并具有較強的擴展性。系統還可以實現室內溫濕度的遠程監測，分析房間內的實時溫濕度變化，配合節能運行管理。在管理系統中可以及時收集所有能源信息，并且通過開發的能源管理功能模塊，對能源消耗情況進行自動統計分析，比如各區域、各戶主的每日用電量和每周用電量等，并對異常能源使用情況進行警告或者標識。 

（4）空間管理

空間管理主要應用在照明、消防等各系統和設備空間定位。獲取各系統和設備空間位置信息，把原來編號或者文字表示變成三維圖形位置，直觀形象且方便查找。 

（5）隱蔽工程管理

在建筑設計階段會有一些隱蔽的管線信息是施工單位不關注的，或者說這些資料信息可能在某個角落里，只有少數人知道。特別是隨著建筑物使用年限的增加，人員更換頻繁，這些安全隱患日益顯得突出，有時直接導致悲劇釀成。基于BIM技術的運維可以管理復雜的地下管網，如污水管、排水管、網線、電線以及相關管井，并且可以在圖上直接獲得相對位置關系。當改建或二次裝修的時候可以避開現有管網位置，便于管網維修、更換設備和定位。內部相關人員可以共享這些電子信息，有變化可隨時調整，保證信息的完整性和準確性。

3、平臺建設方案

3.1 方案概述

平臺以實現服務區內部管理網絡化和對外服務智能化為目標，以服務區日常管理和公眾出行服務為核心，集成移動互聯網、圖像識別、傳感器、地理信息系統（GIS）、在線支付、數據倉庫等先進軟硬件技術，打造基于統一技術標準的資源集中管理、數據融合共享、業務線上辦理、服務個性化的一體化管理平臺。

平臺由底層各技術子系統和網絡傳輸系統為支撐，通過對視頻、人流、車流、車位、廁位、巡更、機電設施、能耗及服務區商業數據等多種信息的采集和分析及處理，為上層服務區和交通出行的整體管理提供服務。

平臺基于物聯網架構設計，通過開放標準rest API接口實現平臺的開放性，通過微服務架構設計支持平臺的平滑可擴展性，通過HA高可用部署、N/A負載均衡保障平臺的穩定性，通過MD5密碼加密、權限控制、日志記錄等方式充分保障平臺的安全性，平臺采取模塊化、搭積木式設計，主要包括公眾服務及管理控制兩部分，具體分為服務管理、業務管理、設施管理、數據管理四大功能模塊，說明如下： 

（1）服務管理

服務管理主要包含智慧廁所、智慧停車、智慧照明、智慧安防、智能空調、智能引導、信息發布、公共廣播、無線覆蓋、會員服務、微信公眾號、手機APP服務等。 

（2）業務管理

業務管理包含考核管理、商業管理、收銀稽查管理等。

（3）設施管理

設施管理主要包含安防管理、設備監控、能耗管理、基礎設施管理等。將空調、電機、燈具、攝像頭等基礎設備的功耗、維保、運行狀態、環境參數、人流等信息輸入機器學習算法，自動預測未來的使用情況，從而可以針對性地提前自動打開或者關閉設備，并對需要保養的設備提前提醒。這樣既可以提高用戶體驗，同時也達到節能減排的效果。

（4）數據管理

數據管理為整個服務區物聯網綜合管理平臺提供基礎的IT架構。包括本地和云服務器的虛擬化管理、數據存儲、數據組織、營銷提升、數據輸入輸出等。

3.2 平臺主要功能

平臺的功能實現主要由多個子系統協同合作完成，主要核心系統有3D-GIS+BIM可視化系統、智慧停車系統、智慧安防系統、設備管理系統、能耗監測系統、智慧廁所系統、公共廣播系統、信息發布系統、人流統計系統、商業運營系統等。 

圖3 平臺三維可視化展現效果

（1）3D-GIS+BIM可視化系統

圖3為平臺三維可視化展現效果，可以實現服務區的三維圖形的瀏覽、漫游、旋轉、第一、三人稱操控、查看設備基本信息、實時數據、進行事件交互、美化特效等。 

（2）智慧停車系統

系統以智慧燈桿為載體，捕獲進入服務區的車流信息，結合對服務區實時剩余車位的監控，通過對進入服務區的車輛的智慧引導，實現智慧停車。 

（3）智慧安防系統

系統可實現不同的AR全景視頻間互相切換、查詢、搜索等功能，可通過聯動監控資源，實現聯網布控及聯動指揮功能。從而打造一個全新的集視頻聯動、報警聯動、數據展示于一體的智慧安防時代。

（4）設備管理系統

可以實現查詢瀏覽機電系統設備運行參數、運行狀態信息以及BIM模型中的位置信息，并以趨勢線形式顯示其當前及歷史時間運行變化，可控制部分設備的啟停，同時對故障信息給出故障原因、解決方案、派發工單或直接觸發自動處理，與報警系統聯動，并與模型相關聯。 

（5）能耗監測系統

可實現對建筑的風、水、電、燃氣等能耗進行實時監控，以熱力圖來區分能耗的數值高低，與報警系統聯動，與商業平臺關聯，并與模型相關聯。

（6）智慧廁所系統

通過網絡協議獲取廁所傳感設備狀態信息，在BIM綜合運維管理平臺展示廁位使用信息統計和廁位占用狀態，當廁位中的臭味傳感器濃度超出標準值時，會以短信形式發送到保潔人員及相關管理人員手機端，使保潔人員及時發現并迅速處理。 

（7）公共廣播系統

可對室內外廣播分區管理，可播報免費服務、收費業務、消防、商鋪營銷、背景音樂、天氣、環境、周邊交通實時路況、周邊旅游資源等信息，與商業平臺關聯，并與模型相關聯。 

（8）信息發布系統

可發布室內店鋪分布和導航信息、免費服務、收費業務、消防、商鋪營銷、周邊旅游資源、周邊交通實時路況、天氣、環境等信息，與商業平臺關聯，并與模型相關聯。 

（9）人流統計系統

系統支持人流量統計功能，通過對接人臉識別系統，獲取當前不同區域人流量信息并形成人員熱力分析圖，通過人員熱力圖統計出人員集中的重點區域，對此區域進行重點管理，區域可設置人流數預警上限，當該區域人流達到上限值時發出預警通知。 

（10）商業運營系統

與商業平臺相互調用，從商業平臺獲取餐飲銷售、商店銷售、加油銷售等各類銷售數據，同時為商業運營平臺提供客流、車流、能耗等分析數據。

結語

為實現對高速公路服務區信息化、智能化管理， 本文提出了基于BIM的服務區物聯網綜合管理平臺。將BIM技術應用于平臺的方案設計階段、施工圖設計階段、施工階段、運維階段，對于實現服務區信息化、可視化、智能化具有重要作用。基于BIM的服務區物聯網綜合管理平臺以實現服務區內部管理網絡化和對外服務智能化為目標，以服務區日常管理和公眾出行服務為核心，集成移動互聯網、圖像識別、地理信息系統（GIS）等先進軟硬件技術，打造基于統一技術標準的資源集中管理、數據融合共享、業務線上辦理、服務個性化的一體化管理平臺，對于提高服務區服務質量具有重要意義。

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本文轉自《智能建筑》雜志2020年8月/總第240期