BIM 可視化輔助下的隧道病害決策分析

龔佳琦 胡 珉 喻 鋼 施永泉

(1.上海大學(xué) 土木工程學(xué)系 建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心，上海 200072;2.上海大學(xué) 悉尼工商學(xué)院 建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心，上海 201800;3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200232)

1 引言

我們所提及的維護(hù)指事后維護(hù)、預(yù)防維護(hù)和預(yù)知維護(hù)三種，而后兩種屬于先決性維護(hù)，運(yùn)營(yíng)人員需根據(jù)已有信息查找病害源或隱性異常，在問(wèn)題出現(xiàn)前開(kāi)展維護(hù)工作，要做到這點(diǎn)僅依靠現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)維修管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)難度非常大，此原因在于建筑各資產(chǎn)之間存在系統(tǒng)且復(fù)雜的聯(lián)系。要想改善隧道運(yùn)維管理，需將運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)的常見(jiàn)病害和建筑資產(chǎn)間復(fù)雜關(guān)系相關(guān)聯(lián)以此來(lái)捕捉各病害之間的空間、邏輯聯(lián)系。并且在BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)中添加資產(chǎn)狀況、能源狀況、環(huán)境狀況等信息，用BIM 視覺(jué)分析方法輔助病害分析，追溯病害產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因子并推斷出病害可能產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行提前維護(hù)。BIM(Building Information Modeling)可以把建筑的物理特性與功能特性信息化的表達(dá)出來(lái)［1］，并在建筑全生命周期中的所有益相關(guān)者之間進(jìn)行信息的管理、共享、交換［2］。因此，BIM 可以很好地幫助上述工作的開(kāi)展。

另一方面，利用專業(yè)知識(shí)使各類數(shù)據(jù)可視化的思想在現(xiàn)階段不斷盛行，結(jié)合了自動(dòng)化分析技術(shù)和交互式可視化的視覺(jué)分析提高了管理者的洞察力和推理能力，使他們能夠直觀理解數(shù)據(jù)的含義并執(zhí)行復(fù)雜的分析過(guò)程，視覺(jué)分析可用在以下幾方面:1)通過(guò)分析病害在過(guò)去和現(xiàn)在的分布及出現(xiàn)頻率來(lái)推斷病害的時(shí)空分布模式和趨勢(shì);2)將建筑全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)及建筑空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表達(dá)來(lái)隧道隱性異常;3)可視化分析各設(shè)備與設(shè)備，結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間的連鎖效應(yīng)，模擬各資產(chǎn)之間的連鎖效應(yīng)的影響力度。

而B(niǎo)IM 可視化能力不僅能進(jìn)行隧道設(shè)備、空間、資產(chǎn)等管理，還可以進(jìn)行可視化病害分析，從而改善現(xiàn)階段的運(yùn)維管理工作。此文章運(yùn)用BIM 進(jìn)行隧道運(yùn)維全方面數(shù)據(jù)整合、并用時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和高維時(shí)空關(guān)聯(lián)分析剖析資產(chǎn)和病害之間的關(guān)系。并將所有資產(chǎn)和監(jiān)測(cè)信息都將創(chuàng)建自定義可視化，通過(guò)交互界面引導(dǎo)維修人員運(yùn)用探索式思維去展開(kāi)隧道維護(hù)工作。

2 文獻(xiàn)回顧

2.1 BIM 在運(yùn)維管理中的運(yùn)用

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)維管理系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)涵蓋量不廣、系統(tǒng)兼容性不夠的缺點(diǎn)。而B(niǎo)IM 能進(jìn)行信息的集成、交互以及協(xié)同管理，建筑所有相關(guān)者可以從建筑的全生命周期BIM 模型中得到高質(zhì)量的建筑信息。

Akcamete［3］等將建筑設(shè)備進(jìn)行重要度劃分后加入BIM 模型中，并整合日常巡檢信息和維修記錄，以BIM 模型為載體進(jìn)行信息的篩選、查詢與解鎖。之后，Hassanain［4］等人為了資產(chǎn)維護(hù)管理提出了一個(gè)面向?qū)ο蟮哪Ｊ絹?lái)支持不同領(lǐng)域之間的信息交換。傳感技術(shù)廣泛使用后，胡振中［5］等將BIM 模型和二維碼技術(shù)結(jié)合，用于設(shè)備維護(hù)維修、設(shè)備識(shí)別和應(yīng)急管理。過(guò)?。?］等開(kāi)發(fā)了建筑空間與設(shè)備管理系統(tǒng)，通過(guò)BIM 技術(shù)將設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)和用于設(shè)備快速定位、查詢、維護(hù)管理。但由于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)存在極大困難性，使得運(yùn)維期間的BIM 研究只停留在對(duì)設(shè)備的空間定位及運(yùn)維信息快速查詢上，在建筑設(shè)備故障管理中也只分析設(shè)備自身層級(jí)關(guān)系之間的影響，沒(méi)有涉及空間內(nèi)設(shè)備/設(shè)施的病害的關(guān)聯(lián)影響分析。

2.2 可視化方法

在已有研究中已提出多種方法去可視化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的信息:1)標(biāo)簽/符號(hào):符號(hào)用來(lái)可視化表示建筑構(gòu)件或設(shè)備狀態(tài)(如:安裝或更換)、屬性(如:溫度)、條件。Akcamete［7］等用符號(hào)來(lái)展現(xiàn)其資產(chǎn)安全狀況(如:組件狀態(tài)以及類型)，由于構(gòu)件及設(shè)備十分繁多，這種標(biāo)簽?zāi)Ｊ接泻艽蟊锥?，它?huì)使人產(chǎn)生迷惑從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的發(fā)生;2)色彩交互:Hammad和Motamedi［8］使用顏色編碼來(lái)可視化表示建筑資產(chǎn)狀態(tài)，通過(guò)色彩進(jìn)行建筑狀態(tài)交互;3)動(dòng)態(tài)效果交互:滾動(dòng)條一般只進(jìn)行文字、數(shù)據(jù)信息交互，對(duì)于圖片、圖形等信息使用縮放、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換等交互方式。動(dòng)態(tài)效果交互功能很好地展現(xiàn)重要信息，在界面主要運(yùn)用實(shí)時(shí)信息或重要信息的展現(xiàn)。上述的幾種交互手段有其各自不同的特點(diǎn)，應(yīng)按照不同的信息內(nèi)容使用不同的交互方式。

3 可視化隧道病害分析思路及框架

3.1 可視化病害分析框架

要進(jìn)行隧道病害的可視化分析，要先制定一個(gè)可視化分析框架，并結(jié)合BIM 可視化模型使運(yùn)管人員運(yùn)用其推理能力對(duì)隧道病害原因進(jìn)行分析。可視化病害分析分為以下三層:

(1)數(shù)據(jù)層

除了原計(jì)算機(jī)運(yùn)維管理系統(tǒng)中的運(yùn)管信息外，隧道設(shè)備、設(shè)施的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將通過(guò)多源數(shù)據(jù)采集模塊錄入系統(tǒng)，各數(shù)據(jù)根據(jù)其屬性進(jìn)行分類并在定義其從屬關(guān)系之后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。

(2)分析層

時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘模塊會(huì)自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)異常發(fā)生，接著異常數(shù)據(jù)會(huì)在BIM 模型中可視化表達(dá)，從而進(jìn)一步對(duì)異常進(jìn)行識(shí)別、分析以及根源追溯。最后，危險(xiǎn)評(píng)估模塊會(huì)對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)、成因、決策方案進(jìn)行自動(dòng)化報(bào)告。

(3)可視化交互層

用一系列可視化手段(如顏色編碼、滾動(dòng)條以及標(biāo)簽等)來(lái)展現(xiàn)隧道的健康狀態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)以及報(bào)警內(nèi)容。并且以BIM 為可視化工具策繪制配套三維視圖。

而用戶可通過(guò)交互界面進(jìn)行查詢內(nèi)容的輸入，一個(gè)查詢系統(tǒng)模塊將根據(jù)用戶輸入從集成數(shù)據(jù)庫(kù)中提取信息。在隧道運(yùn)維可視化系統(tǒng)中啟用了Revit 等可視化建模軟件，并為它提供了可視化信息查詢功能，用戶不僅可在用戶界面輸入內(nèi)容，也可直接點(diǎn)擊模型構(gòu)件獲取信息。如圖1 所示。

圖1 隧道病害可視化框架

3.2 隧道病害可視化分析流程

為了進(jìn)一步介紹可視化分析的中間過(guò)程，表1展示了巡檢人員或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)隧道病害后進(jìn)行分析展示的過(guò)程。隧道系統(tǒng)由傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及人工定期巡檢來(lái)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)各類異常。系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入病害分析，之后進(jìn)行可視化定義，最后顯示于模型上。管理人員運(yùn)用漫游功能進(jìn)行漫游巡檢，對(duì)于有顏色或標(biāo)簽標(biāo)記的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)段結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行調(diào)取，分析病害產(chǎn)生的原因。

4 實(shí)現(xiàn)隧道病害可視化決策分析的先決工作

病害的形成來(lái)自于各種原因，保護(hù)區(qū)內(nèi)超常載荷、潮汐變化、設(shè)施退化、設(shè)備故障、環(huán)境污染等都有可能導(dǎo)致隧道大小病害的產(chǎn)生。要進(jìn)行提前預(yù)防維護(hù)，則必須運(yùn)用大量傳感設(shè)備，使隧道現(xiàn)狀轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)信息，使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行隧道病害分析。

4.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

此系統(tǒng)不僅集成了隧道所有的設(shè)計(jì)施工信息，還加入了后期的設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境、運(yùn)維記錄等，所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)整合形成數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采取分布式與中心式存儲(chǔ)結(jié)合的方式進(jìn)行。從傳感器、人工獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及多媒體資料經(jīng)過(guò)中間表的轉(zhuǎn)換，按照業(yè)務(wù)類型存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器中?？紤]到部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有海量、高頻的特點(diǎn)，頻繁讀取會(huì)影響服務(wù)器的穩(wěn)定性，因此采取CSV 文檔分布式存儲(chǔ)的方案，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“鍵-值”形式，按時(shí)間目錄索引存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。多媒體資料(圖片、視頻、聲音等)將通過(guò)FTP 服務(wù)器端口，存放在數(shù)據(jù)服務(wù)器相關(guān)索引目錄下。如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)信息要想與BIM 模型對(duì)接，則必須對(duì)所有信息進(jìn)行了實(shí)體編碼設(shè)置，通過(guò)識(shí)別一個(gè)惟一的編碼為每個(gè)實(shí)體與其相應(yīng)的模型構(gòu)建進(jìn)行對(duì)接。表2 為編碼規(guī)則。

表1 故障/病害可視化分析/展示機(jī)制

表2 隧道元素編碼規(guī)則

4.2 病害發(fā)現(xiàn)基本原理

隧道病害主要由人工巡檢和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常報(bào)警兩種途徑發(fā)現(xiàn)。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是由相等時(shí)間間隔記錄的數(shù)值數(shù)據(jù)長(zhǎng)序列，是十分典型的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。時(shí)間序列中的異常是指偏離大部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的數(shù)據(jù)點(diǎn)或區(qū)段。針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常具有非線性、非平穩(wěn)性的特點(diǎn)，我們采用非線性時(shí)間序列分析方法來(lái)處理數(shù)據(jù)，尋找監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常。非線性時(shí)間序列分析的基本思想是將監(jiān)測(cè)獲得的原始時(shí)間序列轉(zhuǎn)換成描述該時(shí)序系統(tǒng)的特征，然后基于系統(tǒng)特征做數(shù)據(jù)挖掘和分析。

4.3 邏輯和空間關(guān)系的定義

隧道空間結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但在隧道內(nèi)部和兩端變電所內(nèi)有著大量設(shè)備，再加上隧道屬于地下工程，潮汐、土層沉降、環(huán)境惡劣等都會(huì)對(duì)隧道安全產(chǎn)生影響，因此要準(zhǔn)確定義隧道設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境等個(gè)元素之間的關(guān)系。一般建筑元素有兩種從屬關(guān)系:1)邏輯關(guān)系指的是元素之間相互層級(jí)關(guān)系，不僅指有直接相關(guān)的元素，還包括間接相關(guān)的元素(如:風(fēng)機(jī)和空氣質(zhì)量、開(kāi)裂和滲漏等);2)空間關(guān)系指元素的位置空間關(guān)系(是否相鄰、是否連接)以及時(shí)間關(guān)系。將系統(tǒng)中所有信息化分為三類:邏輯型、空間型以及空間-邏輯型，并將其相關(guān)的上下級(jí)元素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成元素關(guān)系鏈。

圖3 BIM 下的時(shí)空關(guān)聯(lián)分析流程

4.4 BIM 模型下的高維時(shí)空關(guān)聯(lián)分析

隧道運(yùn)營(yíng)中會(huì)產(chǎn)生大量高維時(shí)空數(shù)據(jù)，運(yùn)用IFC 標(biāo)準(zhǔn)從整合后的BIM 模型中提取構(gòu)件信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，可用于探測(cè)隧道內(nèi)病害產(chǎn)生的原因，也可以發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)不易發(fā)現(xiàn)的隱性病害。圖3 通過(guò)將高維時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析得出關(guān)聯(lián)性，根據(jù)相互關(guān)聯(lián)性對(duì)可能存在病害根源進(jìn)行分析。如圖4 所示，以隧道聯(lián)通段為例，聯(lián)通段兩端記錄襯砌環(huán)一定時(shí)間間隔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尋找出數(shù)據(jù)之間的不變關(guān)系。當(dāng)兩端數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同步時(shí)，聯(lián)通段高維數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)，由此可以推斷異?？赡茉斐陕?lián)通段的隱性問(wèn)題。在提取此段時(shí)間內(nèi)與之相關(guān)聯(lián)的其他數(shù)據(jù)(如隧道縱向沉降、潮汐等數(shù)據(jù))可進(jìn)行進(jìn)一步的異常原因深入分析。

圖4 關(guān)聯(lián)不變關(guān)系分析示意圖

5 虛擬漫游和信息可視化設(shè)置

病害的發(fā)現(xiàn)、分析都在系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行，而病害分析結(jié)果和處理建議是需要管理人員第一時(shí)間知道的，高效的報(bào)警手段和顯示方法成了人機(jī)交互的重要一環(huán)。隧道管理人員一般從三方面監(jiān)測(cè)隧道健康情況:一為隧道整體狀態(tài)查詢;二為隧道局部狀態(tài)查詢;三為緊急報(bào)警信息查詢。而系統(tǒng)根據(jù)這三方面制定了隧道虛擬巡檢和信息可視化功能，快速查看隧道各元素基本屬性以及病害記錄。

5.1 漫游功能設(shè)置

通常，只有隧道巡檢維修人員才會(huì)實(shí)時(shí)下隧道檢查，管理層人員則通過(guò)巡檢記錄或維修報(bào)告了解隧道情況。系統(tǒng)運(yùn)用BIM 進(jìn)行隧道的虛擬建設(shè)，將隧道運(yùn)維過(guò)程進(jìn)行算計(jì)機(jī)仿真。BIM 數(shù)據(jù)模型代替了傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄、報(bào)表，管理人員利用虛擬模型了解隧道結(jié)構(gòu)、查看隧道基本信息和病害信息，從而進(jìn)一步進(jìn)行病害決策分析。高效、方便的漫游技術(shù)有效輔助一系列工作的開(kāi)展，為此在系統(tǒng)中設(shè)置了多種漫游方式，如:隧道鳥(niǎo)瞰查看隧道分布及整體評(píng)估、駕車漫游查看隧道整體情況、人工漫游查看隧道細(xì)節(jié)、方位快速跳轉(zhuǎn)進(jìn)行視線切換以及隧道全透明設(shè)置展現(xiàn)資產(chǎn)空間關(guān)聯(lián)性。圖5 為漫游巡檢機(jī)制，圖6 為虛擬隧道漫游。

圖5 可視化漫游巡檢機(jī)制

5.2 基于BIM 的信息可視化展示

系統(tǒng)根據(jù)各類數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行不同的可視化功能設(shè)計(jì)。對(duì)于RFID 傳感數(shù)據(jù)以折線圖、條形圖等形式展現(xiàn)，可直觀了解數(shù)據(jù)時(shí)間變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)變化。對(duì)于隧道評(píng)估結(jié)果則以色值編碼實(shí)現(xiàn)，將隧道評(píng)估分為5 級(jí)值，藍(lán)色為正常、綠色為退化、黃色為劣化、橙色為惡化、紅色為危險(xiǎn)，顏色值具有很好的警示作用，可直觀地反映隧道整體健康情況如圖7。對(duì)于具有雙屬性的病害則使用標(biāo)簽及顏色值:1)病害類別由標(biāo)簽展示;2)病害嚴(yán)重度由色值表示。對(duì)于系統(tǒng)報(bào)警信息，以高亮顯示的形式提醒管理者。

5.3 BIM 模型和用戶界面的聯(lián)動(dòng)設(shè)置

如果漫游代替人工巡檢，可視化設(shè)置代替紙質(zhì)文件，那么聯(lián)動(dòng)設(shè)置則將兩者結(jié)合。點(diǎn)擊任意模型信息，該模型的全部信息都將被打開(kāi);查看任意設(shè)備、設(shè)施信息，模型自動(dòng)將視覺(jué)切換到該設(shè)備、設(shè)施處。這樣的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)很好的將信息和模型相結(jié)合。

同時(shí)用戶界面還設(shè)置了信息詳情、健康檔案等logo，以便更為詳細(xì)的信息查看，為了進(jìn)行病害/故障的根源追溯，將其與監(jiān)控中心相關(guān)界面相連接，調(diào)出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。如:結(jié)構(gòu)健康檔案間接結(jié)構(gòu)沉降信息、斷面收斂信息。

6 總結(jié)

結(jié)合日常隧道管理工作流程，將傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及BIM 可視化展示技術(shù)運(yùn)用其中，進(jìn)行隧道病害的發(fā)現(xiàn)、分析、展示、決策等工作，有效輔助隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作的開(kāi)展。

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