CIM 在排水設施智能化改造中的應用
——以柳州市排水防澇信息化平臺（一期）項目為例

劉寧 曹兵 黃瑩瑩

(1.柳州市市政設施維護管理處；2.奧格科技股份有限公司)

1.研究背景與意義

在我國經濟高速發展的背景下，城市化建設快速發展，城市排水基礎設施得到較大完善，但隨著城市化快速擴張，也逐漸出現一些城市病，在極端暴雨天氣情況下，發現許多城市對抵抗暴雨等自然災害時仍存在短板，體現在面對城市內澇積水問題時，未能提前預警預知，反映速度不夠及時等問題，以及在水環境安全風險方面也存在不足，未能實時監控監測污水管網運行狀況，特別是偷排污水、污水溢流等問題較難監控，容易出現污染水環境事件。因此，通過排水設施智能化管理可在現狀基礎上進一步提升管理水平，及時獲取相關信息，快速處置，降低安全風險。當前社會建設整體數字化及網絡化水平雖不斷完善，但排水行業管理精細化能力、協同化水平、智慧化程度、強監管能力仍有待增強提升。主要表現在：排水資產數據種類繁多、各類數據分散；城市三維空間數字底板尚未形成；排水設施多頭建設導致數據難集成；缺乏對現狀排水設施的可視化管理與系統分析等。在此背景下，傳統的排水管理模式難以達到精準預判、快速響應工作要求，急需尋找到新的思路和方向解決排水系統當前面臨的問題。

近年來，國家、各部委陸續出臺了一系列政策法規，為排水設施智能化改造提供了參考依據，并奠定了堅實的建設基礎?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和 2035 年遠景目標綱要》《國務院辦公廳關于加強城市內澇治理的實施意見》《關于加快推進新型城市基礎設施建設的指導意見》等文件指出，加強智能化市政基礎設施建設和改造[2]，建立基于CIM 平臺的市政基礎設施智能化管理平臺，推動智慧水務行業發展，提升城市治理能力和現代化水平。另一方面，智慧排水和城市規劃之間有著緊密的關系，智慧排水為城市規劃建設提供了大量的數據和信息，輔助城市更好地進行規劃、設計、建設和監管等工作。同時，通過CIM 平臺的建設，能以更加精細、動態、靈活、高效的方式對城市排水進行規劃、設計和管理。

為響應國家政策部署要求、解決當前排水系統實際需求，亟待采用CIM、BIM、IOT、OT 等新一代信息技術，還原真實的城市排水系統情況，更加便捷直觀傳遞城市排水系統信息，了解城市排水系統現狀，實現排水設施資產管理、運行狀態全面感知、業務應用協同以及智能決策分析，解決城市排水系統現存不足和問題，提高城市排水基礎設施智能化水平，為城市發展轉型帶來新的機遇。

2.國內外相關研究

圖1 東京排水系統管道VR 現場圖

針對排水系統智能化改造問題，國內外已有大量的學者開展了相關的研究。國內研究主要從BIM、GIS、IOT 等技術在智慧排水中的應用開展研究，說明了在排水行業發展已由單一技術的應用發展至多技術應用，新一代信息技術在排水行業中逐漸占據主導地位。例如，北京[3]、深圳[4]、廣州[5]等國內城市充分利用CIM、BIM、GIS、IOT 等技術手段開展智慧排水建設，向著城市排水“智慧化決策”邁進。而國外研究主要從數據整合、智慧平臺建設、智能算法應用等方面開展智慧水務應用研究，結合計算機輔助（IT）和業務技術支持（OT），實現高效智能的自動化管理模式[6]。例如，東京、加拿大[6]、英國[6]等國外城市運用物聯網、數字化、VR 等技術開展智慧排水建設，實現排水設施信息化管理。

國內外針對排水智能化問題的研究已經非常豐富，通過對比分析國內外先進智慧排水的建設模式與內容得出結論，大量研究已經提出了新一代信息技術可以促進排水智慧化的建設，但是較少從CIM 技術側對排水設施智能化改造的應用進行深入分析和研究。因此本文將以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT、OT 等技術，分析CIM 技術在排水設施智能化改造中的應用，以期得出CIM 如何推動排水智能化管理的結論。

3.關鍵技術研究與應用

政策的推進也加速了技術的發展，逐步成熟的智慧技術為實現城市排水系統管理目標提供了重要的保障。因此，本文以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT、OT 等新型技術在CIM 中的應用，滿足排水設施智能化改造需求，實現排水精細化管理[2]。

3.1 CIM 技術

根據《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》，CIM 可簡單定義為：以BIM、GIS、IOT 等技術為基礎，整合多維多尺度信息模型數據和城市感知數據，構建三維數字空間的城市信息有機綜合體[7]。

CIM 是一種新型技術，它的核心技術分別為城市信息模型組織存儲、計算分析與可視化表達。其中，CIM 儲存包括不規則實體和規則實體等；CIM 計算分析包括空間沖突分析、空間連通分析、空間可視分析、空間模擬分析等；CIM 可視化表達包括3D Tiles、高仿真模型、概化模型等。

3.2 BIM 技術在CIM 中的應用

CIM 是對城市實體進行精細化表達，屬于宏觀表現，而BIM 更多的是展示模型內部信息，BIM 的靈魂是以模型為載體的信息[8]。在市政基礎設施建設中，BIM 側重于城市三維模型和微觀環境模擬[9]，展示城市建筑信息。例如，應用BIM 技術展示排水管線分布、構筑物以及內部信息，幫助城市管理者快速了解排水管線運行情況。

圖2 CIM 核心技術圖

3.3 IOT 技術在CIM 中的應用

海量的數據和信息是支撐CIM 的基礎，而IOT 技術就是CIM 獲取數據和信息的主要途徑[10]。結合IOT 技術，通過布設智能化感知終端設備，實現設備、空間信息的采集和傳輸，對物理實體進行全方位的監控，完成CIM 中物理實體的動態信息和靜態信息的關聯，利用可視化方式讓數據變得更直觀和容易理解，為決策提供依據。

3.4 OT 技術在CIM 中的應用

OT 技術就是“專門用于直接監控或控制物理設備 (諸如閥門、泵等)來檢測物理過程，或使物理過程發生變化的硬件和軟件。[11]”在CIM 場景中，利用OT 技術對物理實體進行監控或改變系統的物理狀態，實現對系統的自動化、智能化、精確化控制[2]，在虛擬空間中完成映射。

3.5 多源異構數據融合技術在CIM 中的應用

多源異構數據融合技術推進單數據深化應用和多數據間的數據融合應用，基于高效安全的三維引擎，通過融合視頻、圖片、矢量、柵格、表格、BIM 數據、基礎地理數據、空間數據、基礎設施數據、實時監控數據、三維GIS 數據（包括地形地質數據、三維傾斜攝影數據）等各類多源異構數據，實現對數據全要素、全過程的集成與展示，構建多源異構CIM 數據體系。

4.CIM 在排水設施智能化改造中的應用

以往排水設施智能化改造中多采用GIS 技術對排水設施進行管理，借助 GIS 的空間分析、空間操作和空間可視化等方式，促進排水設施信息化管理。但此方式主要為二維平面管理模式，多數存在缺乏城市地形地貌模型數據、排水設施數據完整度不高、管理手段智能化不足、業務能力賦能不足、可視化程度不高等問題。

本文以CIM 為核心，結合BIM、IOT、OT 等新一代信息技術，以排水設施智能化改造需求為導向，創建城市排水系統管理體系，實現排水資產數字化、排水設施操作流程化、排水設施管理精細化，突破傳統排水設施管理模式的局限性。

4.1 排水設施資產管理

城市排水設施主要包括排水管網、排水閘門、排水泵站、檢查井、截流井、溢流井、雨水調蓄池、污水處理廠等。城市排水設施具備基數大、種類繁多、涉及范圍廣、空間分布不均等特點[2]，在傳統的二維管理模式下，往往存在排水設施基礎信息不完善和不準確、可視化程度不高等問題，導致排水設施資產管理難，故有必要借助新型測繪、CIM、GIS、BIM 等技術，對排水設施進行數據采集、BIM 建模、數據匯聚、融合建庫等操作，實現設施信息化、賬冊化管理，提升排水設施資產管理精細化水平。

（1）排水設施BIM 建模

圖3 管網剖切示意圖

通過外業采集、測量、傾斜攝影等方式，獲取排水設施數據，以BIM 技術為基礎，按照統一的數據標準，對污水廠、排水管網、閘門泵站等重點排水設施進行BIM 建模，建立排水設施BIM 檔案，直觀反映排水設施幾何現狀、接駁情況以及排水規則等情況，支撐排水業務系統的可視化展示和綜合分析。例如，基于已有GIS 數據生產BIM 數據或基于排水管網普查紙質數據構建排水管網BIM 模型，對排水管網進行流向分析、埋深分析、混接分析、高程邏輯、大管接小管等管網分析，形成空間關系清楚、拓撲關系明確的排水管網資產數據[2]，直觀展示排水管網地下空間位置情況，實現排水管網精細化管理。

（2）排水設施數據治理

利用CIM 技術，將海量多類、多維、多尺度、多時態要素的BIM 模型數據進行匯聚和融合，對排水設施二三維數據進行處理，并基于統一的服務標準與規范，實現數據服務的發布與管理。

（3）排水設施數據建庫

對排水設施資產數據進行分類、清洗、融合，形成基礎數據庫、監測數據庫、業務數據庫以及模型數據庫，實現排水全業務數據的統一管理與維護，為排水業務應用提供支撐。

4.2 排水設施運行管理

為滿足城市排水系統監管業務需求，展示排水系統實時動態信息，需要借助IOT 技術完成CIM 中物理實體的動態信息和靜態信息的關聯，為平臺提供數據支撐。因此，將IOT技術和CIM技術進行融合，實現排水設施運行情況監管，分析預警排水系統潛在問題，提升排水系統運營管理水平。

（1）物聯感知監測網布設

構建一張物聯感知監測網，為業務系統提供基礎數據支撐，監測對象包括排水管網、排水閘門、排水泵站、檢查井、截流井、溢流井、雨水調蓄池、污水處理廠、易積水點、低洼下穿通道、河湖排口等重要排水設施關鍵位置，監測指標涵蓋水位、水質、流量、雨量、視頻和結構安全運行工況等，在片區老舊排水干渠溝墻結構上安裝位移監測傳感器，實時監控重要排水干渠薄弱結構部位安全狀況，實時掌握排水系統運行狀況。

（2）IOT 數據接入

在BIM 模型的基礎上集成物聯感知監測數據、設備等運行信息，對排水設施運行狀態進行監控和直觀呈現，構建排水設施靜態與動態資產管理體系，輔助管理者掌握排水設施運行狀況。

（3）視頻融合

接入監控視頻，基于啟發式算法的多路視頻與CIM 場景自動融合技術，將視頻與CIM 模型進行融合，實現虛擬現實整合。例如，利用CIM 技術模擬內澇場景過程中，結合視頻與CIM 場景自動融合技術，實現真實內澇場景與虛擬內澇場景的整合重現。

4.3 排水設施智能化改造

基于BIM 模型和OT 技術，直觀展示排水閘泵站各個設備的空間位置情況，通過對排水系統中的排水閘泵站運行工況監控和自動化控制系統改造，實現排水閘泵站“智能化管理”和自動化調度，實現遠程監控和調控，減少人工投入，降低排水閘泵站運行管理和企業運營成本，提升工作效率。

（1）數據采集與監控

對排水系統中的排水閘泵站加裝水位計、視頻、智能儀器儀表等設備，結合CIM 技術，集成展示排水閘泵視頻監控、工況信息（電壓、電流、機組狀態等）、監測信息等運行狀態信息，實現數據采集與監控，為排水設施的日常安全管理、運營管理、科學決策提供依據。

（2）遠程控制與自動化

圖4 視頻融合示意圖

圖5 閘門遠程控制示意圖

對排水系統中的排水閘泵站進行自動化控制系統改造，將CIM 技術、OT 技術運用到排水閘泵站遠程控制中，利用BIM 模型清楚地展現整個排水閘泵站各個設備的空間布局以及邏輯情況，結合視頻監控、工況監測等信息，實現對排水閘泵站在安全網絡隔離下的遠程自動控制，完成物理空間實體和真實世界的交互映射，實現排水閘泵站設施“智能化管理”、遠程操控及安全操作自動化、智能化，保障排水設施安全運行。

4.4 基于CIM 業務應用

以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT 等新一代信息技術，圍繞排水設施管理、排水防澇應急等業務主線，建設具備業務協調聯動、實時監控預警、模型決策分析、事件應急處置能力的業務應用系統，實現排水設施業務全覆蓋，輔助城市管理者提升排水管理水平。

（1）一張圖管理

基于CIM、BIM、GIS、IOT 融合可視化技術，集成城市基礎地形、排水設施資產、排水設施運行、排水防澇應急等數據，構建可表達城市排水設施信息等三維空間全要素綜合數據的底圖，通過二三維地圖、BIM 模型、CIM 場景、統計圖表、屬性彈窗、列表等顯示方式將排水數據進行可視化展示，便于用戶簡便、直觀地了解轄區范圍的排水概況。

（2）排水防澇管理

建設基于CIM 的排水防澇應用，構建“事前預警、事中調度、事后統計分析”三位一體的防內澇處置流程，在城市防洪排澇工作過程中，氣象、水利、水文、交警等多部門實現數據共享，強化各相關部門之間工作聯動，資源銜接，共同響應城市內澇積水處置，科學統一調度，提高排水防澇指揮決策效率，最大限度減少災害損失。

（3）模型決策分析

結合排水管網、下墊面結構、暴雨強度、地表徑流系統等信息，依托CIM 技術，建立內澇分析模型等，模擬城市真實內澇淹沒場景，分析模擬災情演變態勢，提前預警潛在的內澇積水風險，輔助城市管理者在應急搶險過程中決策更加科學、高效、合理，以及為后續城市排水設施改造提供數據支持。

5.具體案例應用

按照國家和地方政策文件的要求，柳州市根據當前城市排水系統的現狀[12]，基于IOT、大數據、AI、水動力模型、BIM、CIM、微服務、GIS、OT 等先進技術，啟動柳州市排水防澇信息化平臺（一期）項目建設，并得到了一定的應用成效。

5.1 BIM 技術在柳州項目中的應用

項目對柳州市13 座排水泵站進行智能化管理改造，并構建了排水設施BIM 模型，通過融合物聯感知數據，實現對排水泵站運行態勢實時感知。通過BIM 模型泵站的可視化呈現，直觀反映排水泵站的運行工況（電壓、電流、機組狀態、溫度、振幅、流量、前池水位、視頻等），精準定位問題并及時處理，日常管理實現了排水泵站的“無人值守”，平時通過手機端可隨時掌握了解泵房設備運行狀況，極大提高運維、檢修效率，減低了運維成本。

5.2 IOT、IT、OT 融合技術在柳州市防洪排澇工作中的應用

在柳州市排水設施智能化改造中，利用IOT、IT、OT三種技術的融合，通過物聯網感知水位變化，平臺發出預警與指令，泵站智能化管理系統自動開啟排水泵站進行排水，最終實現柳州市排水設施智能化管理，及時掌握城市排水設施運行狀況，提前采取措施應對城市積水問題，降低了道路交通安全風險。

圖6 柳州項目系統頁面圖

以排水泵站為例，首先，通過物聯網（IOT）感知水位變化，對上游排水管網水位、流量及排水泵站進水前池水位進行實時監測；然后，平臺（IT）將監測數據、泵站抽排量以及泵站進水前池當前水存量進行運算，判斷是否需要提前將進水前池進行預騰空以及機組抽排的時長，自動生成指令轉發到排水泵站智能化管理系統（OT）中；最后，泵站智能化管理系統（OT）按照指令進行自動開啟排水泵站進行排水，實現遠程獲取運行狀況，實時科學操控泵房運行。

5.3 CIM 技術在柳州市防洪排澇工作中的應用

在柳州市排水防澇工作中，項目依托CIM 技術，根據柳州市地形地貌、降雨、管網等數據，在魚峰區柳石干渠流域構建柳州市試點排水防澇區域的內澇分析模型，自動分析研判內澇過程，實現應急指揮智能化、科學化，做好提前布防準備，保障城市排水設施正常運行。具體思路為：

首先，摸清柳州市歷史內澇點對應的排水設施狀況（雨水口、窨井、管線、泵站、排水口、河道）及對應拓撲關系，構建內澇點排水通道；然后，根據內澇點排水通道開展物聯監測設備（雨量、水位、流量、泵站工況、閥門工況等）布設，同時構建監測設備與排水通道的關聯關系，梳理出地面標高、降雨量、河道水位、道路積水、管網上下游水位之間的平衡關系；最后，建立內澇分析模型。當發生暴雨天氣時，依托CIM 技術，調用水動力模型的計算成果，預測柳石干渠排水分區排水管網的當前運行態勢，展示內澇點、淹沒面積、積水時長以及影響區域，模擬內澇風險的態勢，分析出當前內澇點的內澇成因，做好預警并提醒相關單位提前對下游抽排泵站進行科學調度，統籌調控的排水管網、排水泵站、檢查井等排水設施，最大化提高現狀排水系統運行效率，盡量減輕城市內澇積水風險，并給出應急搶險的措施和建議，同時為后續城市排水內澇改造提供數據支撐。

6.結語

在排水行業高質量發展的愿景下，CIM 技術在排水設施智能化改造中凸顯的優勢越來越顯著。通過本文的介紹，CIM 技術的應用可以提高城市排水系統的效率、可靠性和安全性，提高城市排水設施智能化水平，增強防災減災能力，提升城市的韌性和可持續發展能力，因此其應用也必然越來越廣泛。排水行業發展至今，CIM 技術已在國內多個城市中進行應用，并取得一定的成效，例如本文提到的柳州市排水防澇信息化平臺項目建設。CIM 技術是新興技術，雖然CIM 技術在排水行業中逐漸占據主導地位，但當前技術發展水平和實際經驗不足，建立和完善城市地形地貌模型數據、城市排水普查數據等數據仍需投入大量資金，排水應用需求復雜也是當前研究領域亟須解決的重要矛盾，需在信息化技術發展的推動下進一步研究CIM 技術在排水設施智能化改造中的應用，打造排水行業發展的新理念和新模式，為城市治理提供數字賦能、智慧賦能。