CIM 在排水设施智能化改造中的应用
——以柳州市排水防涝信息化平台（一期）项目为例

刘宁 曹兵 黄莹莹

(1.柳州市市政设施维护管理处；2.奥格科技股份有限公司)

1.研究背景与意义

在我国经济高速发展的背景下，城市化建设快速发展，城市排水基础设施得到较大完善，但随着城市化快速扩张，也逐渐出现一些城市病，在极端暴雨天气情况下，发现许多城市对抵抗暴雨等自然灾害时仍存在短板，体现在面对城市内涝积水问题时，未能提前预警预知，反映速度不够及时等问题，以及在水环境安全风险方面也存在不足，未能实时监控监测污水管网运行状况，特别是偷排污水、污水溢流等问题较难监控，容易出现污染水环境事件。因此，通过排水设施智能化管理可在现状基础上进一步提升管理水平，及时获取相关信息，快速处置，降低安全风险。当前社会建设整体数字化及网络化水平虽不断完善，但排水行业管理精细化能力、协同化水平、智慧化程度、强监管能力仍有待增强提升。主要表现在：排水资产数据种类繁多、各类数据分散；城市三维空间数字底板尚未形成；排水设施多头建设导致数据难集成；缺乏对现状排水设施的可视化管理与系统分析等。在此背景下，传统的排水管理模式难以达到精准预判、快速响应工作要求，急需寻找到新的思路和方向解决排水系统当前面临的问题。

近年来，国家、各部委陆续出台了一系列政策法规，为排水设施智能化改造提供了参考依据，并奠定了坚实的建设基础。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》《关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见》等文件指出，加强智能化市政基础设施建设和改造[2]，建立基于CIM 平台的市政基础设施智能化管理平台，推动智慧水务行业发展，提升城市治理能力和现代化水平。另一方面，智慧排水和城市规划之间有着紧密的关系，智慧排水为城市规划建设提供了大量的数据和信息，辅助城市更好地进行规划、设计、建设和监管等工作。同时，通过CIM 平台的建设，能以更加精细、动态、灵活、高效的方式对城市排水进行规划、设计和管理。

为响应国家政策部署要求、解决当前排水系统实际需求，亟待采用CIM、BIM、IOT、OT 等新一代信息技术，还原真实的城市排水系统情况，更加便捷直观传递城市排水系统信息，了解城市排水系统现状，实现排水设施资产管理、运行状态全面感知、业务应用协同以及智能决策分析，解决城市排水系统现存不足和问题，提高城市排水基础设施智能化水平，为城市发展转型带来新的机遇。

2.国内外相关研究

图1 东京排水系统管道VR 现场图

针对排水系统智能化改造问题，国内外已有大量的学者开展了相关的研究。国内研究主要从BIM、GIS、IOT 等技术在智慧排水中的应用开展研究，说明了在排水行业发展已由单一技术的应用发展至多技术应用，新一代信息技术在排水行业中逐渐占据主导地位。例如，北京[3]、深圳[4]、广州[5]等国内城市充分利用CIM、BIM、GIS、IOT 等技术手段开展智慧排水建设，向着城市排水“智慧化决策”迈进。而国外研究主要从数据整合、智慧平台建设、智能算法应用等方面开展智慧水务应用研究，结合计算机辅助（IT）和业务技术支持（OT），实现高效智能的自动化管理模式[6]。例如，东京、加拿大[6]、英国[6]等国外城市运用物联网、数字化、VR 等技术开展智慧排水建设，实现排水设施信息化管理。

国内外针对排水智能化问题的研究已经非常丰富，通过对比分析国内外先进智慧排水的建设模式与内容得出结论，大量研究已经提出了新一代信息技术可以促进排水智慧化的建设，但是较少从CIM 技术侧对排水设施智能化改造的应用进行深入分析和研究。因此本文将以CIM 技术为基础，结合BIM、IOT、OT 等技术，分析CIM 技术在排水设施智能化改造中的应用，以期得出CIM 如何推动排水智能化管理的结论。

3.关键技术研究与应用

政策的推进也加速了技术的发展，逐步成熟的智慧技术为实现城市排水系统管理目标提供了重要的保障。因此，本文以CIM 技术为基础，结合BIM、IOT、OT 等新型技术在CIM 中的应用，满足排水设施智能化改造需求，实现排水精细化管理[2]。

3.1 CIM 技术

根据《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》，CIM 可简单定义为：以BIM、GIS、IOT 等技术为基础，整合多维多尺度信息模型数据和城市感知数据，构建三维数字空间的城市信息有机综合体[7]。

CIM 是一种新型技术，它的核心技术分别为城市信息模型组织存储、计算分析与可视化表达。其中，CIM 储存包括不规则实体和规则实体等；CIM 计算分析包括空间冲突分析、空间连通分析、空间可视分析、空间模拟分析等；CIM 可视化表达包括3D Tiles、高仿真模型、概化模型等。

3.2 BIM 技术在CIM 中的应用

CIM 是对城市实体进行精细化表达，属于宏观表现，而BIM 更多的是展示模型内部信息，BIM 的灵魂是以模型为载体的信息[8]。在市政基础设施建设中，BIM 侧重于城市三维模型和微观环境模拟[9]，展示城市建筑信息。例如，应用BIM 技术展示排水管线分布、构筑物以及内部信息，帮助城市管理者快速了解排水管线运行情况。

图2 CIM 核心技术图

3.3 IOT 技术在CIM 中的应用

海量的数据和信息是支撑CIM 的基础，而IOT 技术就是CIM 获取数据和信息的主要途径[10]。结合IOT 技术，通过布设智能化感知终端设备，实现设备、空间信息的采集和传输，对物理实体进行全方位的监控，完成CIM 中物理实体的动态信息和静态信息的关联，利用可视化方式让数据变得更直观和容易理解，为决策提供依据。

3.4 OT 技术在CIM 中的应用

OT 技术就是“专门用于直接监控或控制物理设备 (诸如阀门、泵等)来检测物理过程，或使物理过程发生变化的硬件和软件。[11]”在CIM 场景中，利用OT 技术对物理实体进行监控或改变系统的物理状态，实现对系统的自动化、智能化、精确化控制[2]，在虚拟空间中完成映射。

3.5 多源异构数据融合技术在CIM 中的应用

多源异构数据融合技术推进单数据深化应用和多数据间的数据融合应用，基于高效安全的三维引擎，通过融合视频、图片、矢量、栅格、表格、BIM 数据、基础地理数据、空间数据、基础设施数据、实时监控数据、三维GIS 数据（包括地形地质数据、三维倾斜摄影数据）等各类多源异构数据，实现对数据全要素、全过程的集成与展示，构建多源异构CIM 数据体系。

4.CIM 在排水设施智能化改造中的应用

以往排水设施智能化改造中多采用GIS 技术对排水设施进行管理，借助 GIS 的空间分析、空间操作和空间可视化等方式，促进排水设施信息化管理。但此方式主要为二维平面管理模式，多数存在缺乏城市地形地貌模型数据、排水设施数据完整度不高、管理手段智能化不足、业务能力赋能不足、可视化程度不高等问题。

本文以CIM 为核心，结合BIM、IOT、OT 等新一代信息技术，以排水设施智能化改造需求为导向，创建城市排水系统管理体系，实现排水资产数字化、排水设施操作流程化、排水设施管理精细化，突破传统排水设施管理模式的局限性。

4.1 排水设施资产管理

城市排水设施主要包括排水管网、排水闸门、排水泵站、检查井、截流井、溢流井、雨水调蓄池、污水处理厂等。城市排水设施具备基数大、种类繁多、涉及范围广、空间分布不均等特点[2]，在传统的二维管理模式下，往往存在排水设施基础信息不完善和不准确、可视化程度不高等问题，导致排水设施资产管理难，故有必要借助新型测绘、CIM、GIS、BIM 等技术，对排水设施进行数据采集、BIM 建模、数据汇聚、融合建库等操作，实现设施信息化、账册化管理，提升排水设施资产管理精细化水平。

（1）排水设施BIM 建模

图3 管网剖切示意图

通过外业采集、测量、倾斜摄影等方式，获取排水设施数据，以BIM 技术为基础，按照统一的数据标准，对污水厂、排水管网、闸门泵站等重点排水设施进行BIM 建模，建立排水设施BIM 档案，直观反映排水设施几何现状、接驳情况以及排水规则等情况，支撑排水业务系统的可视化展示和综合分析。例如，基于已有GIS 数据生产BIM 数据或基于排水管网普查纸质数据构建排水管网BIM 模型，对排水管网进行流向分析、埋深分析、混接分析、高程逻辑、大管接小管等管网分析，形成空间关系清楚、拓扑关系明确的排水管网资产数据[2]，直观展示排水管网地下空间位置情况，实现排水管网精细化管理。

（2）排水设施数据治理

利用CIM 技术，将海量多类、多维、多尺度、多时态要素的BIM 模型数据进行汇聚和融合，对排水设施二三维数据进行处理，并基于统一的服务标准与规范，实现数据服务的发布与管理。

（3）排水设施数据建库

对排水设施资产数据进行分类、清洗、融合，形成基础数据库、监测数据库、业务数据库以及模型数据库，实现排水全业务数据的统一管理与维护，为排水业务应用提供支撑。

4.2 排水设施运行管理

为满足城市排水系统监管业务需求，展示排水系统实时动态信息，需要借助IOT 技术完成CIM 中物理实体的动态信息和静态信息的关联，为平台提供数据支撑。因此，将IOT技术和CIM技术进行融合，实现排水设施运行情况监管，分析预警排水系统潜在问题，提升排水系统运营管理水平。

（1）物联感知监测网布设

构建一张物联感知监测网，为业务系统提供基础数据支撑，监测对象包括排水管网、排水闸门、排水泵站、检查井、截流井、溢流井、雨水调蓄池、污水处理厂、易积水点、低洼下穿通道、河湖排口等重要排水设施关键位置，监测指标涵盖水位、水质、流量、雨量、视频和结构安全运行工况等，在片区老旧排水干渠沟墙结构上安装位移监测传感器，实时监控重要排水干渠薄弱结构部位安全状况，实时掌握排水系统运行状况。

（2）IOT 数据接入

在BIM 模型的基础上集成物联感知监测数据、设备等运行信息，对排水设施运行状态进行监控和直观呈现，构建排水设施静态与动态资产管理体系，辅助管理者掌握排水设施运行状况。

（3）视频融合

接入监控视频，基于启发式算法的多路视频与CIM 场景自动融合技术，将视频与CIM 模型进行融合，实现虚拟现实整合。例如，利用CIM 技术模拟内涝场景过程中，结合视频与CIM 场景自动融合技术，实现真实内涝场景与虚拟内涝场景的整合重现。

4.3 排水设施智能化改造

基于BIM 模型和OT 技术，直观展示排水闸泵站各个设备的空间位置情况，通过对排水系统中的排水闸泵站运行工况监控和自动化控制系统改造，实现排水闸泵站“智能化管理”和自动化调度，实现远程监控和调控，减少人工投入，降低排水闸泵站运行管理和企业运营成本，提升工作效率。

（1）数据采集与监控

对排水系统中的排水闸泵站加装水位计、视频、智能仪器仪表等设备，结合CIM 技术，集成展示排水闸泵视频监控、工况信息（电压、电流、机组状态等）、监测信息等运行状态信息，实现数据采集与监控，为排水设施的日常安全管理、运营管理、科学决策提供依据。

（2）远程控制与自动化

图4 视频融合示意图

图5 闸门远程控制示意图

对排水系统中的排水闸泵站进行自动化控制系统改造，将CIM 技术、OT 技术运用到排水闸泵站远程控制中，利用BIM 模型清楚地展现整个排水闸泵站各个设备的空间布局以及逻辑情况，结合视频监控、工况监测等信息，实现对排水闸泵站在安全网络隔离下的远程自动控制，完成物理空间实体和真实世界的交互映射，实现排水闸泵站设施“智能化管理”、远程操控及安全操作自动化、智能化，保障排水设施安全运行。

4.4 基于CIM 业务应用

以CIM 技术为基础，结合BIM、IOT 等新一代信息技术，围绕排水设施管理、排水防涝应急等业务主线，建设具备业务协调联动、实时监控预警、模型决策分析、事件应急处置能力的业务应用系统，实现排水设施业务全覆盖，辅助城市管理者提升排水管理水平。

（1）一张图管理

基于CIM、BIM、GIS、IOT 融合可视化技术，集成城市基础地形、排水设施资产、排水设施运行、排水防涝应急等数据，构建可表达城市排水设施信息等三维空间全要素综合数据的底图，通过二三维地图、BIM 模型、CIM 场景、统计图表、属性弹窗、列表等显示方式将排水数据进行可视化展示，便于用户简便、直观地了解辖区范围的排水概况。

（2）排水防涝管理

建设基于CIM 的排水防涝应用，构建“事前预警、事中调度、事后统计分析”三位一体的防内涝处置流程，在城市防洪排涝工作过程中，气象、水利、水文、交警等多部门实现数据共享，强化各相关部门之间工作联动，资源衔接，共同响应城市内涝积水处置，科学统一调度，提高排水防涝指挥决策效率，最大限度减少灾害损失。

（3）模型决策分析

结合排水管网、下垫面结构、暴雨强度、地表径流系统等信息，依托CIM 技术，建立内涝分析模型等，模拟城市真实内涝淹没场景，分析模拟灾情演变态势，提前预警潜在的内涝积水风险，辅助城市管理者在应急抢险过程中决策更加科学、高效、合理，以及为后续城市排水设施改造提供数据支持。

5.具体案例应用

按照国家和地方政策文件的要求，柳州市根据当前城市排水系统的现状[12]，基于IOT、大数据、AI、水动力模型、BIM、CIM、微服务、GIS、OT 等先进技术，启动柳州市排水防涝信息化平台（一期）项目建设，并得到了一定的应用成效。

5.1 BIM 技术在柳州项目中的应用

项目对柳州市13 座排水泵站进行智能化管理改造，并构建了排水设施BIM 模型，通过融合物联感知数据，实现对排水泵站运行态势实时感知。通过BIM 模型泵站的可视化呈现，直观反映排水泵站的运行工况（电压、电流、机组状态、温度、振幅、流量、前池水位、视频等），精准定位问题并及时处理，日常管理实现了排水泵站的“无人值守”，平时通过手机端可随时掌握了解泵房设备运行状况，极大提高运维、检修效率，减低了运维成本。

5.2 IOT、IT、OT 融合技术在柳州市防洪排涝工作中的应用

在柳州市排水设施智能化改造中，利用IOT、IT、OT三种技术的融合，通过物联网感知水位变化，平台发出预警与指令，泵站智能化管理系统自动开启排水泵站进行排水，最终实现柳州市排水设施智能化管理，及时掌握城市排水设施运行状况，提前采取措施应对城市积水问题，降低了道路交通安全风险。

图6 柳州项目系统页面图

以排水泵站为例，首先，通过物联网（IOT）感知水位变化，对上游排水管网水位、流量及排水泵站进水前池水位进行实时监测；然后，平台（IT）将监测数据、泵站抽排量以及泵站进水前池当前水存量进行运算，判断是否需要提前将进水前池进行预腾空以及机组抽排的时长，自动生成指令转发到排水泵站智能化管理系统（OT）中；最后，泵站智能化管理系统（OT）按照指令进行自动开启排水泵站进行排水，实现远程获取运行状况，实时科学操控泵房运行。

5.3 CIM 技术在柳州市防洪排涝工作中的应用

在柳州市排水防涝工作中，项目依托CIM 技术，根据柳州市地形地貌、降雨、管网等数据，在鱼峰区柳石干渠流域构建柳州市试点排水防涝区域的内涝分析模型，自动分析研判内涝过程，实现应急指挥智能化、科学化，做好提前布防准备，保障城市排水设施正常运行。具体思路为：

首先，摸清柳州市历史内涝点对应的排水设施状况（雨水口、窨井、管线、泵站、排水口、河道）及对应拓扑关系，构建内涝点排水通道；然后，根据内涝点排水通道开展物联监测设备（雨量、水位、流量、泵站工况、阀门工况等）布设，同时构建监测设备与排水通道的关联关系，梳理出地面标高、降雨量、河道水位、道路积水、管网上下游水位之间的平衡关系；最后，建立内涝分析模型。当发生暴雨天气时，依托CIM 技术，调用水动力模型的计算成果，预测柳石干渠排水分区排水管网的当前运行态势，展示内涝点、淹没面积、积水时长以及影响区域，模拟内涝风险的态势，分析出当前内涝点的内涝成因，做好预警并提醒相关单位提前对下游抽排泵站进行科学调度，统筹调控的排水管网、排水泵站、检查井等排水设施，最大化提高现状排水系统运行效率，尽量减轻城市内涝积水风险，并给出应急抢险的措施和建议，同时为后续城市排水内涝改造提供数据支撑。

6.结语

在排水行业高质量发展的愿景下，CIM 技术在排水设施智能化改造中凸显的优势越来越显著。通过本文的介绍，CIM 技术的应用可以提高城市排水系统的效率、可靠性和安全性，提高城市排水设施智能化水平，增强防灾减灾能力，提升城市的韧性和可持续发展能力，因此其应用也必然越来越广泛。排水行业发展至今，CIM 技术已在国内多个城市中进行应用，并取得一定的成效，例如本文提到的柳州市排水防涝信息化平台项目建设。CIM 技术是新兴技术，虽然CIM 技术在排水行业中逐渐占据主导地位，但当前技术发展水平和实际经验不足，建立和完善城市地形地貌模型数据、城市排水普查数据等数据仍需投入大量资金，排水应用需求复杂也是当前研究领域亟须解决的重要矛盾，需在信息化技术发展的推动下进一步研究CIM 技术在排水设施智能化改造中的应用，打造排水行业发展的新理念和新模式，为城市治理提供数字赋能、智慧赋能。