面向大壩信息建模：建筑、工程、施工及設(shè)施管理領(lǐng)域的最佳實(shí)踐

美國·In-Soo Jung，Jennifer Frazier，Burcu Akinci，Mario Berges，Semiha Ergan，James H.Garrett Jr.，Christopher J.Kelly（.美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)；.美國陸軍工程師兵團(tuán)）

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面向大壩信息建模：建筑、工程、施工及設(shè)施管理領(lǐng)域的最佳實(shí)踐

美國·In-Soo Jung1，Jennifer Frazier1，Burcu Akinci1，Mario Berges1，Semiha Ergan1，James H.Garrett Jr.1，Christopher J.Kelly2
（1.美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)；2.美國陸軍工程師兵團(tuán)）

摘要：當(dāng)工程師評(píng)估大壩的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，他們需要各種各樣的信息，如儀器數(shù)據(jù)、事故的歷史記錄、之前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、施工記錄、大壩幾何形狀、地理位置信息等。然而，這些信息大多記錄在不同文件中，或者由機(jī)構(gòu)、個(gè)人掌握。這種大壩相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式過于分散，無助于綜合評(píng)估以及在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中挖掘知識(shí)以及分析數(shù)據(jù)的有效可視化。如果沒有綜合的信息庫，工程師很難有效地做出風(fēng)險(xiǎn)確定的決策。為改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)確定決策制定過程，先進(jìn)的信息建模、分析和可視化技術(shù)已成功應(yīng)用在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。筆者概述并評(píng)價(jià)了這些最佳實(shí)踐應(yīng)用在大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的適用性、優(yōu)勢(shì)和局限性。具體而言，筆者回顧了信息模型、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、可視化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的最佳實(shí)踐，并探討如何利用它們改進(jìn)大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。筆者提出的最佳實(shí)踐可以使工程師在一個(gè)綜合環(huán)境中審查和交換所有必要信息，有可能改進(jìn)現(xiàn)有大壩風(fēng)險(xiǎn)管理過程。

關(guān)鍵詞：大壩；信息模型；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；可視化系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析

0　前言

大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程包括評(píng)估各種荷載條件下的不同潛在失事模式，并識(shí)別每個(gè)失事模式的后果。在大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，工程師們需要審查一系列文件，并進(jìn)行分析，以做出明智的決策。這些文件（如施工照片、檢驗(yàn)報(bào)告、儀器數(shù)據(jù)等）出自不同來源，難以有效地審查和分析所有文件。最具挑戰(zhàn)性的問題是，所有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需的信息存儲(chǔ)在不同的文件內(nèi)。因此，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中審查這些文件需要耗費(fèi)時(shí)間和精力。此外，工程師們依賴于二維可視化系統(tǒng)來比較多個(gè)圖形或了解大壩結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)工程師們需要進(jìn)一步分析（如從不同角度、設(shè)置等將信息可視化）或進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢時(shí)，在現(xiàn)有的環(huán)境（即現(xiàn)有的基于文件的存儲(chǔ)形式和二維可視化系統(tǒng)）中很難實(shí)現(xiàn)。建筑、工程、施工及設(shè)施管理（AEC/FM）等其他領(lǐng)域中也曾有類似問題，已通過建筑信息模型（BIM）等新技術(shù)解決。筆者在文章中提出了可以改進(jìn)上述大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中的問題的最佳實(shí)踐。

在AEC/FM領(lǐng)域廣泛采用的信息標(biāo)準(zhǔn)和信息建模技術(shù)對(duì)審查大壩風(fēng)險(xiǎn)也是適用的。具體來說，筆者將對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）和BIM進(jìn)行評(píng)價(jià)，IFC是建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期中相關(guān)信息存儲(chǔ)和交換的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，BIM是“建筑物模型生成、溝通、分析的技術(shù)和相關(guān)過程”。通過IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以獲得語義豐富的建筑信息模型，代表各組成部分除幾何尺寸以外的信息，以及它們之間的聯(lián)系。BIM包含智能的組成部分，可以了解它們的形式、功能和性態(tài)，并包含這些組成部分的集成信息，同時(shí)BIM是支持互操作的，因此，它們可以無縫交換數(shù)據(jù)（施工數(shù)據(jù)、建筑組成部分、工程量、成本、進(jìn)度等），改善設(shè)計(jì)、施工和設(shè)備管理過程。同樣，如果為大壩開發(fā)這些信息模型，可以更有效地進(jìn)行信息檢索和評(píng)價(jià)，加快大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程。筆者還評(píng)估了如奇異譜分析等數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以及三維可視化和沉浸式可視化等可視化技術(shù)。筆者在文中提出了關(guān)于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析和可視化的最佳實(shí)踐，可以考慮用于改善現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)管理過程。

1　信息庫

BIM是儲(chǔ)存關(guān)于建筑物物理和功能特性信息的一種集成方式。由于BIM擁有多種功能，并且可以應(yīng)用于項(xiàng)目整個(gè)生命周期（設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)），目前在AEC/FM行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。早期設(shè)計(jì)決策以及利益相關(guān)者之間的概念設(shè)計(jì)溝通也可以通過BIM實(shí)現(xiàn)。BIM還包含詳細(xì)的三維可視化功能，可以進(jìn)行建筑物的功能分析。此外，BIM可以提供信息來進(jìn)行能量、生命周期評(píng)估、LEED認(rèn)證①LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）是一個(gè)評(píng)價(jià)綠色建筑的工具，由美國綠色建筑協(xié)會(huì)建立并于2003年開始推行，在美國部分州和一些國家已被列為法定強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。、照明等模擬及其他分析，因而也被認(rèn)為是智能模型。

BIM最重要的優(yōu)勢(shì)之一是它支持機(jī)械、電氣、管道領(lǐng)域在施工階段的協(xié)調(diào)，通過整合基于模型的沖突檢測(cè)來減少順序變更的數(shù)量。其他的施工效益包括建筑構(gòu)件的預(yù)加工、4D調(diào)度和仿真、基于模型的評(píng)估等?？紤]到項(xiàng)目復(fù)雜和空間沖突，BIM在提前識(shí)別邏輯錯(cuò)誤和在多個(gè)參與方之間的溝通方面非常有用。為成本估算而生成的工程量估算也可以節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。此外，BIM可以與激光掃描儀和其他數(shù)據(jù)采集技術(shù)共同使用。因此，設(shè)計(jì)模型、施工進(jìn)度及現(xiàn)有的竣工條件等方面的進(jìn)步都可以用來比較和有效地驗(yàn)證。

BIM也可以用于施工后的階段，作為竣工文件。通過整合設(shè)施資產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)相關(guān)數(shù)據(jù)，BIM可以為設(shè)施經(jīng)營(yíng)者和管理者提供相關(guān)信息。計(jì)算機(jī)維護(hù)管理系統(tǒng)（Computerized Maintenance Manage?ment Systems，簡(jiǎn)稱CMMS）等其他設(shè)施管理工具可以集成到BIM中，從而減少再次上傳設(shè)施信息的重復(fù)勞動(dòng)。要想在建筑物整個(gè)生命周期完全利用到BIM的所有用途，需要不斷引入恰當(dāng)?shù)男畔砀履Ｐ?，從而使所有的變化都能反映到設(shè)施和各利益相關(guān)者。

同樣地，大壩信息模型也可以保持大壩整個(gè)生命周期的豐富信息，提供許多先進(jìn)、多樣化的功能（可視化、數(shù)據(jù)分析等）。圖1為大壩信息模型的愿景。

研究愿景是開發(fā)一個(gè)大壩信息模型，可以提供集成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如儀器數(shù)據(jù)、施工照片、之前的報(bào)告等），還可以提供先進(jìn)的可視化（如三維建模等）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)（如規(guī)律識(shí)別等）。

2　數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

AEC/FM領(lǐng)域使用的是特定的軟件系統(tǒng)，因此集成的數(shù)據(jù)模型可以使各企業(yè)輕松實(shí)現(xiàn)高效合作。要開發(fā)這樣的數(shù)據(jù)模型，首先應(yīng)制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為了使信息可以一致交換，制定AEC/FM領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的工作一直持續(xù)進(jìn)行著。Kiziltas等人詳細(xì)解釋了各種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括它們的制定時(shí)間，如何應(yīng)用于項(xiàng)目產(chǎn)品和過程以及許多其他類信息的信息交換。制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范用于交換：（1）幾何和拓?fù)湫畔?，如圖形交換格式（DXF）、產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）；（2）AEC/ FM領(lǐng)域內(nèi)特定信息，如CIM鋼結(jié)構(gòu)集成標(biāo)準(zhǔn)（CIM?Steel Integration Standards，簡(jiǎn)稱CIS2）、綠色建筑可擴(kuò)展標(biāo)記模式（Green Building eXtensible markup schema，簡(jiǎn)稱gbXML）、建筑施工可擴(kuò)展標(biāo)記語言分類（Building ConstructioneXtensible Markup Lan?guage taxonomy，簡(jiǎn)稱bcXML）等；（3）跨領(lǐng)域和跨學(xué)科的信息，以開發(fā)語義豐富的建筑信息模型，模型中的每個(gè)對(duì)象都可以根據(jù)其包含的信息來理解，目前可用的標(biāo)準(zhǔn)有工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）、國際字典框架（International Framework for Dictionaries，簡(jiǎn) 稱IFD）、美國BIM國家標(biāo)準(zhǔn)（National Building Informa?tion Modeling Standard，簡(jiǎn)稱NBIMS）等。各種應(yīng)用程序之間的互操作性問題仍然存在，不是所有的必要信息交換需求都能得到滿足，信息的軟件表示和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)之間的映射關(guān)系尚不明確。然而，這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為項(xiàng)目在特定領(lǐng)域或階段進(jìn)行信息條目交換的進(jìn)展提供了可能。

圖1　大壩信息模型的愿景Fig.1 Research vision

IFC是最廣為人知的建筑數(shù)據(jù)模型，可以在AEC/FM領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信息交換。IFC標(biāo)準(zhǔn)由build?ingSMART聯(lián)盟制訂，允許BIM互操作，因此不同軟件供應(yīng)商的建筑模型可以輸出為IFC文件，而后為不同的軟件包使用。對(duì)比常見的二維或三維圖形文件格式（如AutoCAD DXF、DraWinG和DWG），IFC是基于模型的。每一個(gè)實(shí)體（如墻、柱等）包含一組屬性，如名稱、幾何形狀和材料、關(guān)系和約束關(guān)系等。語義建模和參數(shù)化建模的使用實(shí)現(xiàn)了基于模型的信息交換，也支持計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、施工過程中的復(fù)雜任務(wù)。

自1996年以來，buildingSMART國際組織就已經(jīng)制訂了IFC規(guī)范?；贗FC的信息支持XML或STEP21文件格式（ASCII文件，它是由標(biāo)頭和每一實(shí)體用獨(dú)立號(hào)碼表示的數(shù)據(jù)段組成）。目前，符合IFC的軟件涵蓋了AEC/FM領(lǐng)域的大部分，如暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱分析、代碼檢查、成本估算等。

包含每個(gè)組件的幾何特征、性質(zhì)以及組件和空間結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系的產(chǎn)品信息可以通過IFC實(shí)現(xiàn)交換。IFC也包含成本、進(jìn)度、資源和文件；其最新版本IFC 2X3共有653個(gè)實(shí)體定義。如圖2所示，主要的IFC模型分為四層：域（提供進(jìn)一步的模型細(xì)節(jié)）、互操作性（定義共同概念）、核心（定義抽象概念）、資源（定義低層次的概念）。每個(gè)層包含不同類別，如結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)和在各個(gè)類別中定義的單個(gè)實(shí)體（如結(jié)構(gòu)類別里的梁、柱）。

由于IFC可以從八個(gè)領(lǐng)域（暖通空調(diào)、電氣、建筑、施工管理、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)分析、管道和消防、建筑控制）擴(kuò)張，它被認(rèn)為是AEC/FM領(lǐng)域內(nèi)可最廣泛互操作的數(shù)據(jù)模型。因此，若在AEC/FM領(lǐng)域內(nèi)新的設(shè)計(jì)、施工和其他必要任務(wù)中可實(shí)現(xiàn)更多特定的數(shù)據(jù)交換，IFC可以進(jìn)一步擴(kuò)充。

在大壩安全領(lǐng)域，通過案例研究，我們發(fā)現(xiàn)，至少在美國陸軍工程師兵團(tuán)就有不同的軟件包用于不同的目的，例如：在事件樹分析中使用“大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具”（Dam safety Risk Assessment En?gine，簡(jiǎn)稱DAMRAE）；在水位控制中使用“兵團(tuán)水位管理系統(tǒng)”（Corps Water Management System，簡(jiǎn)稱CWMS），CWMS是基于地理信息系統(tǒng)軟件；在大壩監(jiān)測(cè)中使用“Windows設(shè)備數(shù)據(jù)庫包”（Windows Instrumentation Database Package，簡(jiǎn)稱WinIDP）。不同的軟件包在任何給定項(xiàng)目中都是并行使用的，不一定集成到一起。例如，WinIDP中包含儀器讀數(shù)，而CWMS中帶有水位控制管理信息。僅靠Win?IDP中的儀器讀數(shù)無法解釋工程師檢測(cè)到的異常情況。為了解結(jié)構(gòu)性能，工程師需要CWMS中的信息，使其可以獲取儀器異常讀數(shù)被記錄時(shí)的流量信息。由于這些軟件包沒有集成到一起，如果要分析WinIDP中的水位控制管理數(shù)據(jù)，從CWMS中獲取的一些信息就需要復(fù)制、存儲(chǔ)到WinIDP中，反之亦然。由于不是所有的軟件系統(tǒng)都采用同一標(biāo)準(zhǔn)，想要跨系統(tǒng)作進(jìn)一步分析時(shí)，不太容易進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此外，由于大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的工程師眾多，包括巖土工程、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)等方面，想要通過一個(gè)集成模型來識(shí)別所有希望通過這個(gè)系統(tǒng)解決的問題十分有挑戰(zhàn)，因此針對(duì)大壩監(jiān)測(cè)的架構(gòu)應(yīng)具有靈活性，可以擴(kuò)展、納入新的概念和關(guān)系。筆者致力于面向?qū)ο蟮谋硎痉ǖ囊粋€(gè)主要原因是由于它在擴(kuò)展現(xiàn)有概念上的靈活性，并且仍可以通過使用面向?qū)ο竽Ｐ偷睦^承和封裝特性，繼續(xù)使用預(yù)定義的屬性。在面向?qū)ο蟊硎痉ㄖ?，行業(yè)內(nèi)特定的知識(shí)和概念按類、這些類的屬性、它們之間的關(guān)系來表示，由于信息的模塊化和透明化表示，模型可以擴(kuò)展。

圖2　IFC 2×4模型中的高級(jí)架構(gòu)Fig.2 High-level architecture of the IFC 2x4 model

3　可視化方法

有效的可視化環(huán)境可以使用戶更容易理解海量信息。工程師們通常使用二維可視化技術(shù)，這是傳統(tǒng)的視角，包括平面圖、剖面圖和立面圖。筆者在對(duì)美國陸軍工程師兵團(tuán)的初步研究中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)項(xiàng)目都有這種類型的可視化。目前的視圖停留在大壩軸線的正交視圖，不允許用戶在其他任何角度進(jìn)行研究。此外，數(shù)據(jù)可視化也是分散的，不允許數(shù)據(jù)集成。例如，測(cè)壓管與庫水位高程的數(shù)據(jù)是在一個(gè)圖上，而庫水位高程與降雨的數(shù)據(jù)是在另一個(gè)圖上，因此很難評(píng)估這些參數(shù)之間的相關(guān)性。用戶只能評(píng)估已經(jīng)可用的數(shù)據(jù)，無法選擇和選取想要的參數(shù)呈現(xiàn)在同一張圖上。此外，垂直土層的性質(zhì)往往是基于測(cè)壓管處收集到的鉆孔記錄。由于測(cè)壓管在示意圖中是被投射到站點(diǎn)的平面圖上的，目前信息可視化的方式?jīng)]有辦法準(zhǔn)確地表示出站點(diǎn)之間的土壤性質(zhì)。

舉個(gè)具體的例子，為了利用儀器讀數(shù)來評(píng)估大壩風(fēng)險(xiǎn)，巖土工程師們需要知道測(cè)壓管位置、深度等基本信息。因此，需要參考帶有儀器信息的位置圖。工程師們首先需要找到平面圖上有測(cè)壓管的點(diǎn)，然后從相關(guān)圖上沿著測(cè)壓管編號(hào)找到其在平面圖上的正確位置，從而理解測(cè)壓管相對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的位置。除此之外，由于測(cè)壓管是被投射到站點(diǎn)上的，工程師們需要偏移信息來評(píng)估這個(gè)信息的重要性。即使使用了位置圖，剖面圖上經(jīng)常也沒有偏移距離的定量信息。此外，工程師們需要了解某些截面的巖性，將數(shù)據(jù)融入其中。因此，測(cè)壓管鉆孔時(shí)獲得的鉆孔記錄需要作為額外信息。綜上，要想準(zhǔn)確評(píng)估讀數(shù)，工程師至少需要整合4種不同類型的數(shù)據(jù)來源：截面示意圖、位置圖、鉆孔記錄和細(xì)節(jié)圖。當(dāng)大壩的測(cè)壓管處于不同深度，需要評(píng)價(jià)大壩所有點(diǎn)性能時(shí)，需要重復(fù)這一過程。為了解大壩風(fēng)險(xiǎn)，橫跨多個(gè)點(diǎn)的信息將需要額外圖形形式的信息。筆者在文中提出2種先進(jìn)的可視化環(huán)境，可以滿足大壩安全監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需求。

3.1三維可視化法

目前有各種為不同行業(yè)開發(fā)的商業(yè)軟件包可以適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的三維可視化。三維可視化可以使用戶對(duì)項(xiàng)目有個(gè)總體了解，搞清儀器和大壩各部分之間的關(guān)系。結(jié)合旋轉(zhuǎn)、縮放、平移以及開關(guān)圖層等內(nèi)置功能的使用，用戶可以通過模型及時(shí)熟悉項(xiàng)目，更容易理解一些現(xiàn)有的數(shù)據(jù)。例如，離散鉆孔目前的記錄和顯示方式讓人很難理解含泥量和儀器讀數(shù)之間的關(guān)系。但是使用三維模型可以讓工程師們直觀地理解大壩巖性。因此，可以將更多的精力放在分析儀器讀數(shù)上，以解決大壩安全問題的根源。此外，三維可視化還支持?jǐn)?shù)據(jù)疊加。例如，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以疊加到三維模型中，以便更容易地觀測(cè)大壩沉降隨時(shí)間的變化過程。此外，商業(yè)軟件包可以允許生成非正交視圖。因此，用戶可以定義他們所希望分別查看的大壩部分，并在高水平的審查中理解大壩的地質(zhì)條件。

三維可視化工具的一個(gè)挑戰(zhàn)是必須根據(jù)其使用目的來確定模型構(gòu)建的詳細(xì)程度。換句話說，無論是高水平還是基本水平，為了選擇合適的三維可視化方法，要先調(diào)查需要表示的信息量。例如，巖性的精確程度與現(xiàn)場(chǎng)收集的鉆孔記錄的數(shù)量呈線性相關(guān)，也就是說，當(dāng)有足夠鉆孔記錄來構(gòu)建三維模型時(shí)，包含巖性信息的有價(jià)值的三維模型只能用于風(fēng)險(xiǎn)分析。三維環(huán)境是一種精確的模型圖形顯示，但它不一定含有包括標(biāo)準(zhǔn)化信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。然而，一個(gè)建筑信息模型要包含與建筑物每個(gè)組成部分相關(guān)的語義信息。

3.2沉浸式可視化

沉浸式可視化可以讓用戶被環(huán)境所包圍，給人一種真實(shí)感。有許多不同類型的沉浸式可視化環(huán)境，如洞穴狀自動(dòng)虛擬系統(tǒng)（Cave Automatic Virtual Environment，簡(jiǎn)稱CAVE）等，這些環(huán)境包括至少3面、可以多達(dá)4面的投影墻、一面頂板和一面底板。許多研究已經(jīng)調(diào)查了使用沉浸式可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的好處。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些環(huán)境可以將描述性和解釋性的會(huì)話類型切換到評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)性，從而增加群體溝通的有效性。同時(shí)也可以看出，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備原型也可以改善設(shè)計(jì)決策過程。

沉浸式可視化可以為工程師提供一個(gè)更直觀的方式來了解大壩復(fù)雜部位的幾何信息（如壩基的節(jié)理和斷層），也可以促進(jìn)工程師們更好地溝通和決策，改善大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4　數(shù)據(jù)分析

工程師需要審查儀器讀數(shù)以評(píng)估大壩的性能。在這個(gè)過程中會(huì)生成不同類型的圖形，以便工程師們可以從不同的角度來理解數(shù)據(jù)。但是這些評(píng)估往往是定性或主觀的。大壩上安裝了很多儀器，諸如環(huán)境變化、傳感器誤差等一系列因素都可能影響儀器讀數(shù)，使工程師在解讀數(shù)據(jù)時(shí)很難考慮到所有影響讀數(shù)的因素。因此，為提高大壩安全性、減少不必要的工作，應(yīng)用系統(tǒng)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析方法非常重要，應(yīng)采用可以定性、減少主觀數(shù)據(jù)解讀的分析方法。

Gall（2007）的作者列舉了幾個(gè)測(cè)壓管在土石壩上的應(yīng)用，結(jié)果表明可以利用相關(guān)圖確定：（1）是否有庫水位以外的因素可以影響測(cè)壓管；（2）通過分開不同的時(shí)間段，確定這些因素之間的關(guān)系是否會(huì)隨時(shí)間變化。盡管相關(guān)圖對(duì)確定靜力水準(zhǔn)和庫水位之間的關(guān)系通常是十分有用的，但眾多因素造成的異常數(shù)據(jù)或離群值往往很難在相關(guān)圖中靠人工檢查識(shí)別出來。

在質(zhì)量控制、變化檢測(cè)、圖像處理等其他領(lǐng)域，可以自動(dòng)識(shí)別異常的算法開發(fā)一直是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題。例如，自回歸積分移動(dòng)平均法（ARIMA）、基于小波分析、控制圖以及主成分分析法等許多數(shù)學(xué)方法已作為數(shù)據(jù)分析工具廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。此外，奇異譜分析（SSA）是一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列分析技術(shù)，可用于提取數(shù)據(jù)的趨勢(shì)及諧波成分，從而更容易從正常數(shù)據(jù)中識(shí)別異常數(shù)據(jù)。

大壩儀器暴露在惡劣的環(huán)境中，環(huán)境的影響有時(shí)可能會(huì)掩蓋或混淆測(cè)量歷史中值得關(guān)注的變化。因此，代替單純依靠回歸模型從以往的數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)未來值的數(shù)據(jù)分析法，使用奇異譜分析等統(tǒng)計(jì)方法有時(shí)能獲得更可靠的結(jié)果。

5　結(jié)語

筆者在文中提出了數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)、可視化和分析的最佳實(shí)踐，可用于改善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程。

BIM是一建筑信息模型，可作為數(shù)據(jù)集成的平臺(tái)，其中也包含著語義豐富的信息。與BIM類似，大壩信息模型可以用更加集成的方式來保存項(xiàng)目數(shù)據(jù)，使用戶可以更加有效地理解、訪問和評(píng)估數(shù)據(jù)。工程師或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員需要的全部信息在大壩信息模型中都能輕易獲取。與為BIM制訂IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)類似，為了給大壩信息模型提供互操作性，應(yīng)制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。大壩信息模型要能夠提供三維和沉浸式可視化等先進(jìn)的可視化技術(shù)。先進(jìn)的可視化技術(shù)可以減少工程師們?cè)诙S圖紙上進(jìn)行大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所花費(fèi)的認(rèn)知工作量。

最后，筆者介紹了奇異譜分析這一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，它是可以檢測(cè)儀器數(shù)據(jù)異常值的潛在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析法。這樣的統(tǒng)計(jì)技術(shù)可以減少對(duì)儀器數(shù)據(jù)的主觀解讀，提高大壩安全性。此外，它們是更強(qiáng)大的方法來解讀數(shù)據(jù)的真實(shí)性態(tài)，減少工程師任何不必要的工作。

文獻(xiàn)來源：ICOLD 2013 International Symposium

翻譯：邱祥興

校核：許傳桂

Title:Towards dam information modeling:best practices learned from the AEC/FM domain//by In-Soo Jung，Jennifer Frazier，Burcu Akinci，Mario Berges，Semiha Ergan，James H.Garrett Jr.and Christopher J.Kelly//Carnegie Mellon University

Abstract:When engineers assess the risk of dams，they require a wide variety of information such as in?strumentation data，historical records of incidents，previous risk assessment reports，construction re?cords，dam geometry，geolocation information，etc.However，the majority of this information is typically found in disparate documents，as well as in institutional and/or personal knowledge.This dispersed way of storing dam related historical data does not help in integrated assessment，knowledge discovery in stored data or effective visualization of analyzed data.Without an integrated information repository，it can bedifficult for engineers to make risk-informed decisions efficiently.To improve the risk informed deci?sion making process，advanced information modeling，analysis and visualization techniques have been successfully applied in building and facilities domains.In this paper，such best practices are overviewed and assessed for their applicability，benefits，and limitations for dam risk assessment.Specifically，we re?view best practices on information models，data standards，visualization systems，and data analytics from other domains and discuss how they may be leveraged for improving the risk assessment of dams.The best practices presented in this paper could have the potential to improve the existing dam risk manage?ment process by allowing engineers to review and exchange all necessary information in an integrated en?vironment.

Key words:dam；information models；data standards；visualization systems；data analytics

中圖分類號(hào)：TP315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1092（2016）01-0065-06

收稿日期：2015-12-25