面向信息物理融合的建筑信息模型擴(kuò)展方法

楊啟亮，馬智亮，邢建春，袁生貴

（1. 陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京210007；2. 清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084；3. 陸軍研究院，江蘇無錫214035）

建筑信息模型（building information modeling，BIM）［1］是當(dāng)前土木建筑領(lǐng)域最為重要的技術(shù)進(jìn)展之一。建筑設(shè)施及其生命周期過程不斷增長的復(fù)雜性，要求虛擬化的BIM能夠?qū)崟r(shí)、真實(shí)地疊加物理建筑實(shí)體與過程的動(dòng)態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)快速、精確、安全、高效的建筑全生命周期管理和決策，即需要實(shí)時(shí)向虛擬BIM 實(shí)體反饋其所對(duì)應(yīng)建筑物理實(shí)體的變化，實(shí)現(xiàn)建筑的虛擬信息實(shí)體與物理實(shí)體的融合交聯(lián)、交互。但當(dāng)前BIM 主要側(cè)重于對(duì)建筑幾何數(shù)據(jù)、空間位置、關(guān)系模型、質(zhì)量屬性等靜態(tài)信息的定義與刻畫，是一種“聾啞模型”，導(dǎo)致在開發(fā)BIM運(yùn)維監(jiān)控等信息物理融合系統(tǒng)時(shí)存在程序復(fù)雜，程序開發(fā)效率低的問題。如何對(duì)現(xiàn)有BIM進(jìn)行擴(kuò)展使其能夠打破現(xiàn)有建筑虛擬BIM 實(shí)體與物理實(shí)體的信息邊界、進(jìn)而支撐BIM 虛擬實(shí)體與物理實(shí)體動(dòng)態(tài)耦合交互的BIM新模型是迫切需要解決的難題。當(dāng)前有若干工作已關(guān)注BIM擴(kuò)展研究，一部分工作開展了BIM面向設(shè)計(jì)、施工等的擴(kuò)展模型［2-3］研究，還有部分工作重點(diǎn)研究了BIM 與建筑環(huán)境數(shù)據(jù)交互技術(shù)等［4-5］。但總體而言，現(xiàn)有工作依然缺少對(duì)支持信息物理融合能力的BIM 通用化模型及其支撐技術(shù)的系統(tǒng)性研究。

本文旨在借鑒信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）［6］的思想，探索BIM 固有的靜態(tài)模型與來自建筑物理世界動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行疊加融合的一般性方法與支撐機(jī)制，研究建立有機(jī)融合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息的面向信息物理融合的BIM 新基礎(chǔ)模型，為高效構(gòu)造基于BIM的建筑運(yùn)維動(dòng)態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互等新型技術(shù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的技術(shù)支撐。

1 背景知識(shí)與相關(guān)工作

1.1 BIM擴(kuò)展相關(guān)研究工作

1. 1. 1 BIM擴(kuò)展研究現(xiàn)狀

BIM 技術(shù)已滲透至建筑工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期，尤其是在設(shè)計(jì)［2，7］、施工階段［3，8］研究應(yīng)用得更為深入和成熟［9］。如，國內(nèi)學(xué)者張建平等［3］研制了基于BIM的施工管理擴(kuò)展模型。Zhai等［8］研發(fā)基于BIM和IoT（internet of things，物聯(lián)網(wǎng)）的模塊化集成施工平臺(tái)。BIM 還在建筑能源［10］、安全分析［11-12］、設(shè)施運(yùn)維［13-14］等方面取得較好的研究進(jìn)展。

由 于IAI（ industry alliance for interoperability，國際協(xié)作聯(lián)盟）發(fā)布的基于IFC（industry foundation class）的BIM 基本模型［15］中包含對(duì)象實(shí)體的有限性，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自身需要研究了BIM 的對(duì)象集擴(kuò)展問題。如Oti等［16］對(duì)BIM實(shí)體進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)性（sustainability）分析。國內(nèi)陳立春等［17］以電氣實(shí)體為例，提出IFC 領(lǐng)域?qū)訉?shí)體擴(kuò)展方法。

相關(guān)學(xué)者在BIM 擴(kuò)展方面開展了有益的探索，但總體而言，現(xiàn)有研究工作多將BIM 視為與外部物理世界隔離的、封閉的、純粹的虛擬模型，主要考慮如何構(gòu)造能夠在虛擬信息世界中高效運(yùn)行的BIM實(shí)體模型，對(duì)面向CPS的BIM方面還缺乏研究。而現(xiàn)有BIM 及其支撐技術(shù)體系，缺乏對(duì)具有與外部物理世界交互協(xié)同能力的BIM 及其軟件設(shè)施的支持，即BIM仍然是“聾啞模型”。

1. 1. 2 BIM與物理環(huán)境數(shù)據(jù)交換研究現(xiàn)狀

近年來，隨著BIM 技術(shù)在建筑工程運(yùn)維動(dòng)態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)［18］等領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員開始考慮如何將外部物理環(huán)境和對(duì)象動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成接入到BIM平臺(tái)中的問題。例如，Chen等［19］綜述了實(shí)現(xiàn)BIM與建筑過程信息同步的方法與技術(shù)，但并沒有從根本上研究支持信息物理融合與交互的BIM 基礎(chǔ)模型。Lee等［4-5］研究了BIM與建筑設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的方法與技術(shù)，但缺乏對(duì)統(tǒng)一的通用化交互模型的研究。另外，近年來也有少部分學(xué)者開始將CPS 的概念和思想引入到土木建筑工程領(lǐng)域［20］，但這些工作只側(cè)重于構(gòu)建一種面向土木建筑工程的信息物理融合系統(tǒng)，而缺少對(duì)支持信息物理融合能力的BIM通用化模型及其支撐技術(shù)的系統(tǒng)性研究。

從現(xiàn)有研究工作不難看出，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工程動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)響應(yīng)和獲取良好的用戶體驗(yàn)，關(guān)于BIM與外部物理環(huán)境交互這一問題已經(jīng)開始得到研究人員的關(guān)注，現(xiàn)有研究工作也取得了一定的進(jìn)展。但是，現(xiàn)有研究工作仍大多只是針對(duì)某一個(gè)具體問題（如對(duì)RFID（radio frequency identification）對(duì)象擴(kuò)展［20］等），通用性不強(qiáng)；且大多只能實(shí)現(xiàn)信息單向傳遞，依然缺乏能夠解決BIM 虛擬實(shí)體與物理實(shí)體雙向?qū)崟r(shí)交互、動(dòng)畫展示等問題的通用化BIM 實(shí)體與模型及其支持技術(shù)。

1.2 CPS的概念及結(jié)構(gòu)特征

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）一般是指嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制物理過程，并采用反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)物理過程和計(jì)算進(jìn)程的相互作用［6］。其核心技術(shù)特征或要素主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：傳感（感知）器、控制器、執(zhí)行器、反饋閉環(huán)。傳感器、控制器和執(zhí)行器是CPS的核心組成單元，反饋閉環(huán)是CPS運(yùn)行交互的基本方式，是實(shí)現(xiàn)信息物理融合的基礎(chǔ)手段。CPS的核心技術(shù)要素構(gòu)成特征如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)某一問題領(lǐng)域的信息與物理的融合、構(gòu)建信息物理融合系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)與問題領(lǐng)域密切相關(guān)的感知器、控制器和執(zhí)行器等要素實(shí)體，進(jìn)而形成反饋閉環(huán)，是一種行之有效的技術(shù)手段。

圖1 基于反饋閉環(huán)的CPS技術(shù)要素構(gòu)成Fig. 1 Abstract of elements in CPS based on feedback loop

2 面向信息物理融合的BIM擴(kuò)展總體框架

2.1 基本實(shí)現(xiàn)思路

BIM在本質(zhì)上是基于面向?qū)ο笏枷雽?duì)建筑物理世界的一種相對(duì)嚴(yán)格的信息描述，即BIM 空間中的虛擬實(shí)體是建筑空間中物理實(shí)體的對(duì)偶映射。但現(xiàn)階段的BIM 框架所支持的這種映射，只是一種建筑實(shí)體靜態(tài)屬性（如尺寸、安裝位置、形狀等）的映射，缺乏對(duì)建筑實(shí)體參數(shù)和行為（如旋轉(zhuǎn)、平移等）動(dòng)態(tài)變化的映射支持，使得BIM 空間中的虛擬實(shí)體難以真實(shí)、實(shí)時(shí)地反映建筑空間物理實(shí)體動(dòng)態(tài)變化。因此，實(shí)現(xiàn)建筑實(shí)體對(duì)象信息物理融合的目的在于確保BIM空間虛擬實(shí)體和建筑空間物理實(shí)體參數(shù)和行為動(dòng)態(tài)變化的一致性，使BIM 空間能真實(shí)反映建筑物理空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這種建筑實(shí)體在虛擬空間和物理空間的狀態(tài)一致性，本文借鑒CPS 的技術(shù)思想來開展研究。建筑實(shí)體信息物理融合的基本實(shí)現(xiàn)思路如圖2 所示。基于CPS 的思想，在BIM空間中定義了4種虛擬對(duì)象，即感知器對(duì)象、控制器對(duì)象、執(zhí)行器對(duì)象和動(dòng)畫對(duì)象。這里以空調(diào)機(jī)組為例來說明其采用這4 種對(duì)象的信息物理融合實(shí)現(xiàn)過程。

為保證BIM空間中空調(diào)機(jī)組與建筑物理空間中真實(shí)空調(diào)機(jī)組的狀態(tài)一致性，首先要在BIM 空間中添加感知器對(duì)象，用來感知和獲取物理空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，該感知器對(duì)象與空調(diào)機(jī)組對(duì)象鏈接或綁定（如圖2 虛線所示），用于描述這個(gè)感知器對(duì)象采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是屬于空調(diào)機(jī)組而非其他對(duì)象。通過感知器對(duì)象，完成了從物理世界到信息世界的信息傳遞過程，使得原本靜態(tài)的BIM虛擬實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）變成了具有實(shí)時(shí)感知能力的虛擬實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)BIM虛擬實(shí)體與建筑物理實(shí)體狀態(tài)一致性奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 建筑實(shí)體信息物理融合的基本實(shí)現(xiàn)思路圖示Fig. 2 Idea of implementing cyber physical entities of buildings

其次，在BIM空間中添加執(zhí)行器對(duì)象，用來執(zhí)行（用戶或控制器對(duì)象）施加到BIM虛擬實(shí)體上的控制動(dòng)作（如啟動(dòng)、停止、參數(shù)設(shè)定等），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)建筑物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的改變。該對(duì)象與常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）相綁定鏈接（如圖2 虛線所示），用于標(biāo)識(shí)該執(zhí)行器對(duì)象服務(wù)于特定的BIM 對(duì)象（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）。通過引入和定義執(zhí)行器對(duì)象，完成了信息（或控制指令）從BIM空間到建筑物理空間的傳遞，使得原本靜態(tài)的BIM虛擬實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）演變成具有受控能力的虛擬實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)建筑物理實(shí)體與BIM虛擬實(shí)體狀態(tài)一致性提供了支持。

然后，在BIM空間中添加控制器對(duì)象，用來自動(dòng)對(duì)基于感知器傳來的信息進(jìn)行決策推理，并將決策結(jié)果（控制指令）傳遞給執(zhí)行器對(duì)象，由執(zhí)行器對(duì)象驅(qū)動(dòng)建筑物理實(shí)體改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。控制器對(duì)象與常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）相綁定（如圖2 虛線所示），用于標(biāo)識(shí)該控制器對(duì)象服務(wù)于特定的BIM對(duì)象（如空調(diào)機(jī)組對(duì)象）。通過引入和定義控制器對(duì)象，使得BIM 虛擬實(shí)體具有自我控制能力，從而在BIM 空間與建筑物理空間之間形成了反饋控制閉環(huán)。另外，需要說明的是，BIM空間與建筑物理空間之間的反饋控制閉環(huán)的形成，不完全依靠引入控制器對(duì)象，也可以基于“人在環(huán)中（human in the loop）” 的思想構(gòu)建，即可由用戶充當(dāng)控制器對(duì)象的角色，基于感知器的信息進(jìn)行決策，而后通過執(zhí)行器對(duì)建筑實(shí)體實(shí)施控制。

最后，在BIM 空間中添加動(dòng)畫對(duì)象，用來在BIM空間中動(dòng)態(tài)展示與建筑物理世界中建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體與物理實(shí)體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上的一致性呈現(xiàn)。動(dòng)畫對(duì)象是對(duì)建筑實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的直觀描述，由于建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)存在多種形式，因此需要定義多種動(dòng)畫對(duì)象來描述建筑實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一般而言，建筑實(shí)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要有旋轉(zhuǎn)（機(jī)電設(shè)備）、填充（水池、液位）、移動(dòng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等類型，所以動(dòng)畫對(duì)象在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以按照這些類型進(jìn)行分別定義。

上述4種對(duì)象對(duì)于構(gòu)造基于BIM的建筑信息物理融合系統(tǒng)并非缺一不可，而是可以根據(jù)具體應(yīng)用場景有選擇地組合。例如，如果只需要在BIM 空間中動(dòng)態(tài)監(jiān)視建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，則只需要添加感知器對(duì)象和動(dòng)畫對(duì)象即可；如果在BIM 空間中既需要監(jiān)視又需要由用戶遠(yuǎn)程控制建筑實(shí)體，即需要使BIM虛擬實(shí)體同時(shí)具有感知能力和受控能力，則需要同時(shí)添加感知器對(duì)象、執(zhí)行器對(duì)象和動(dòng)畫對(duì)象；如果需要使BIM 虛擬實(shí)體具有自我調(diào)控能力，則需要同時(shí)添加感知器對(duì)象、控制器對(duì)象、執(zhí)行器對(duì)象和動(dòng)畫對(duì)象。

2.2 基于IFC的BIM實(shí)體擴(kuò)展框架

BIM 技術(shù)的核心是信息描述、共享與轉(zhuǎn)換，而IFC 標(biāo)準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)BIM 信息描述、共享與轉(zhuǎn)換的一種事實(shí)上的BIM 通用標(biāo)準(zhǔn)［15］?；贗FC 的BIM 框架目前只支持對(duì)建筑對(duì)象的靜態(tài)屬性描述，缺少支持信息物理能力的動(dòng)態(tài)參數(shù)和行為的描述。本文在IFC 的標(biāo)準(zhǔn)框架下擴(kuò)展前文所述的CPS 感知器、控制器、執(zhí)行器等相關(guān)要素實(shí)體，從而使得BIM虛擬對(duì)象能夠具有信息物理融合能力。

BIM 的 擴(kuò) 展 一 般 有3 種 擴(kuò) 展 方 式［21］：基 于IFCProxy實(shí)體的擴(kuò)展，基于增加實(shí)體對(duì)象類型的擴(kuò)展，基于屬性集的擴(kuò)展。本文采用重新定義增加新實(shí)體的方式在BIM的領(lǐng)域?qū)舆M(jìn)行信息物理融合對(duì)象擴(kuò)展。

2. 2. 1 總體框架

在現(xiàn)有基于IFC 的BIM 框架內(nèi)，新建與定義信息物理融合感知器對(duì)象IfcCPSSensor、信息物理融合控制器對(duì)象IfcCPSController、信息物理融合執(zhí)行器對(duì)象IfcCPSActuator、信息物理融合動(dòng)畫對(duì)象IfcCPSAnimation 這4 個(gè)對(duì)象。這些對(duì)象之間的交互協(xié)作關(guān)系如圖3所示。

圖3 基于IFC擴(kuò)展的信息物理融合對(duì)象交互關(guān)系Fig. 3 Interactive relationships between cyber physical objects based on IFC

信息物理融合感知器對(duì)象IfcCPSSensor用于實(shí)時(shí)感知信息，其通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序接口與物理傳感器相連接，實(shí)時(shí)獲取建筑空間中建筑物理實(shí)體的運(yùn)行信息。其通過IFC內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM對(duì)象（例如門（IfcDoor）等）相連接，使常規(guī)建筑BIM虛擬對(duì)象具有獲取其所對(duì)應(yīng)的建筑物理實(shí)體動(dòng)態(tài)信息的能力。

信息物理融合控制器對(duì)象IfcCPSController 用于封裝控制策略，其通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制分別與信息物理融合感知器對(duì)象IfcCPSSensor和信息物理融合執(zhí)行器對(duì)象IfcCPSActuator 相連接，基于信息物理融合感知器對(duì)象IfcCPSSensor 感知的信息，實(shí)現(xiàn)自主推理決策功能，并將決策結(jié)果傳輸至信息物理融合執(zhí)行器對(duì)象IfcCPSActuator。信息物理融合控制器對(duì)象IfcCPSController 通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM對(duì)象相連接，使常規(guī)建筑BIM對(duì)象及其所對(duì)應(yīng)的建筑物理實(shí)體具有基于動(dòng)態(tài)信息的自主決策和自適應(yīng)能力。

信息物理融合執(zhí)行器對(duì)象IfcCPSActuator 用于實(shí)現(xiàn)控制信息的輸出，其通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與信息物理融合控制器對(duì)象IfcCPSController 相連接，接收信息物理融合控制器對(duì)象IfcCPSController 的決策推理結(jié)果；其通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序接口與物理執(zhí)行器相連接，將該控制器決策結(jié)果通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序接口發(fā)送至物理執(zhí)行器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)控現(xiàn)實(shí)世界中的建筑物理實(shí)體。IfcCPSActuator通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM 對(duì)象相連接，使常規(guī)建筑BIM對(duì)象具有自我調(diào)控能力。

信息物理融合動(dòng)畫對(duì)象IfcCPSAnimation，用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)建筑BIM對(duì)象在虛擬空間中的動(dòng)畫顯示（如旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、填充、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等）能力。其通過IFC內(nèi)部綁定機(jī)制與感知器對(duì)象IfcCPSSensor相連接，獲取真實(shí)建筑物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)信息，并與常規(guī)建筑BIM對(duì)象相連接，驅(qū)動(dòng)常規(guī)建筑BIM對(duì)象在虛擬空間中依據(jù)建筑物理實(shí)體真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)畫顯示。

2. 2. 2 與常規(guī)BIM對(duì)象綁定的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

本文定義的4種信息物理融合對(duì)象需要與常規(guī)BIM對(duì)象進(jìn)行鏈接綁定。這種綁定機(jī)制采用IFC框架中的物理關(guān)系連接實(shí)體IfcRelConnectsElements來實(shí)現(xiàn)。基于IfcRelConnectsElements 的CPS 對(duì)象與常規(guī)BIM對(duì)象的綁定原理如圖4所示。

圖4 基于IfcRelConnectsElements實(shí)體的綁定機(jī)制Fig. 4 Binding mechanism of IfcRelConnects Elements entity

通過這種綁定機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)前文定義的4 種CPS對(duì)象與常規(guī)BIM對(duì)象的綁定，如圖5所示。

圖5 CPS 4種對(duì)象與BIM常規(guī)對(duì)象實(shí)體的綁定示意圖Fig. 5 Binding of four CPS objects and common BIM objects

2. 2. 3 BIM 信息物理融合擴(kuò)展實(shí)體在IFC 框架中的位置

文中擴(kuò)展的4 種信息物理融合實(shí)體可以IFC 主體 框 架 中 的 分 布 式 控 制 元 素 對(duì) 象IfcDistributionControlElement為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，即這4 種對(duì)象均繼承了IfcDistributionControlElement 的屬性。新擴(kuò)展的4 種信息物理融合對(duì)象實(shí)體在IFC框架中的位置如圖6所示。

圖6 4種信息物理融合對(duì)象在IFC主體框架中的繼承位置Fig. 6 Inheritance position of four CPS objects in IFC main framework

2.3 基于UML 的BIM 信息物理融合實(shí)體協(xié)作關(guān)系模型

為了實(shí)現(xiàn)BIM 對(duì)象的信息物理融合能力，本文在BIM 空間中添加了4 種信息物理融合實(shí)體，而BIM 對(duì)象信息物理融合能力的實(shí)現(xiàn)，是通過這些對(duì)象與常規(guī)BIM對(duì)象之間的交互協(xié)作來完成的。為了更清晰地刻畫這種交互，依據(jù)BIM 融合了面向?qū)ο笏枷脒@一事實(shí)，采用在面向?qū)ο筌浖治雠c設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的UML（unified modeling language，統(tǒng)一建模語言）建模工具來對(duì)BIM 信息物理融合對(duì)象的交互關(guān)系進(jìn)行建模。

2. 3. 1 基于UML 的BIM 信息物理融合對(duì)象協(xié)作關(guān)系類圖

類圖是面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模中最常見的圖，其顯示了一組類、接口、協(xié)作以及它們之間的關(guān)系。類圖一般用于描述對(duì)象系統(tǒng)的靜態(tài)連接關(guān)系。圖7 為BIM 信息物理融合對(duì)象、常規(guī)BIM 對(duì)象（如門窗）、以及物理空間中的建筑實(shí)體等之間的交互類圖。從圖中可以看出，信息物理感知器類IfcCPSSensor、控制器類IfcCPSController、信息物理融合執(zhí)行器類IfcCPSActuator 構(gòu)成了一個(gè)反饋閉環(huán)，這個(gè)環(huán)與常規(guī)BIM對(duì)象相連接，構(gòu)成了特定的綁定關(guān)系。

圖7 BIM信息物理融合對(duì)象UML類圖及對(duì)應(yīng)物理對(duì)象Fig. 7 UMLClass diagram of BIM CPS objects and corresponding physical objects

另外，動(dòng)畫類IfcCPSAnimation 有4 個(gè)子類：移動(dòng)動(dòng)畫類IfcCPSMovingAnimation、填充動(dòng)畫類Ifc-CPSFillingAnimation、旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫類IfcCPSRotating-Animation、數(shù)據(jù)顯示動(dòng)畫類IfcCPSShowingData-Animation。感知器類IfcCPSSensor 有2 個(gè)子類：模擬量感知器類IfcCPSAnalogSensor、開關(guān)量感知器類IfcCPSSwitchSensor。執(zhí)行器類IfcCPSActuator同樣也包含了2 個(gè)子類：模擬量執(zhí)行器類IfcCPSAnalogActuator、開關(guān)量執(zhí)行器類IfcCPSSwitch-Actuator。

2. 3. 2 基于UML 的BIM 信息物理融合對(duì)象協(xié)作交互圖

交互圖又稱順序圖，是面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模中刻畫對(duì)象之間動(dòng)態(tài)行為的工具。順序圖按照時(shí)間順序?qū)刂屏鹘?。圖8刻畫了為BIM信息物理融合對(duì)象之間的協(xié)作交互關(guān)系，清晰地給出了對(duì)象之間的交互控制流及其發(fā)生順序。

如圖8 所示，每次信息物理融合對(duì)象之間的協(xié)作首先由物理空間中的感知器實(shí)體發(fā)起，將物理對(duì)象數(shù)據(jù)傳入到BIM 空間中的IfcCPSSensor，而后該對(duì)象順序地將數(shù)據(jù)傳入IfcCPSController 對(duì)象（供自動(dòng)決策）和IfcCPSAnimation 對(duì)象（供動(dòng)畫顯示），同時(shí)并發(fā)地（圖中par parallel 表示），控制器決策結(jié)果傳遞給執(zhí)行器對(duì)象IfcCPSActuator，進(jìn)而該BIM 對(duì)象將數(shù)據(jù)輸出到物理空間中的物理執(zhí)行器實(shí)體，最后物理執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)物理對(duì)象改變運(yùn)行狀態(tài)，從而完成了一個(gè)信息物理融合閉環(huán)的交互過程。

3 BIM信息物理融合實(shí)現(xiàn)機(jī)制

與IFC 標(biāo)準(zhǔn)定義BIM 實(shí)體的方法一致，這里主要采用Express 語言［22］來定義和描述信息物理融合BIM 實(shí) 體。 本 文 重 點(diǎn) 研 究 了IfcCPSSensor、IfcCPSController、IfcCPSActuator、IfcCPSAnimation這4類對(duì)象的BIM實(shí)體構(gòu)建和描述，受篇幅所限，這里重點(diǎn)選取IfcCPSSensor 和IfcCPSAnimation 來討論其實(shí)現(xiàn)和描述機(jī)制。

3.1 基于Express 的信息物理融合IFC 感知器對(duì)象描述

基于物理世界感知器的一般原理，來定義和描述BIM 空間中的信息物理融合感知器對(duì)象IfcCPSSensor。正如物理世界的感知器一般分為模擬量感知器和開關(guān)量感知器兩種，本文也將BIM 中的信息物理融合感知器分為兩類：信息物理融合模擬量感知器和信息物理融合開關(guān)量感知器。

圖8 信息物理融合BIM對(duì)象的UML協(xié)作交互圖Fig. 8 UML collaboration diagram of BIM CPS objects

3. 1. 1 信息物理融合模擬量感知器

在基于IFC的BIM空間中，將信息物理融合模擬量感知器命名為IfcCPSAnalogSensor，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物理實(shí)體的連續(xù)變化的模擬量值（如溫度、濕度、照度等）進(jìn)行感知和采集。 其基類為IfcDistribution-ControlElement，如圖9 所示，在該基類的下級(jí)添加了新的實(shí)體IfcCPSAnalogSensor、IfcCPSSwitch-Sensor 及其對(duì)應(yīng)的類型IfcCPSAnalogSensorType、IfcCPSSwitchSensorType。在定義這些實(shí)體時(shí)，可以事先提供預(yù)定義、用于特定場合（predefinedType）的感知器實(shí)體（如防護(hù)門開度感知器），采用IfcCPSAnalogSensorTypedNum 和 IfcCPSSwitch-SensorTypedNum 表達(dá)。即IfcCPSAnalogSensor 對(duì)象繼承了IfcDistributionControl Element 類作為分布式元素的基本屬性，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識(shí)屬性以及Connected to 等連接屬性。另外新定義了反映信息物理傳感器特征的系列屬性，基于Express的IfcCPSAnalogSensor實(shí)體具體定義如圖10所示。主要屬性包括實(shí)時(shí)工程測量值（RTEngineering-Value）、實(shí)時(shí)原始測量值（RTOriginalValue）、工程測量值報(bào)警上限（AlarmUpLimit）、工程測量值報(bào)警下限（AlarmLowLimit）、工 程 單 位（Engineering-Unit）等。

3. 1. 2 信息物理融合開關(guān)量感知器

開關(guān)量感知器對(duì)象IfcCPSSwitchSensor 是一種對(duì)開關(guān)量類型信息進(jìn)行感知的BIM 抽象實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物理實(shí)體的開關(guān)型狀態(tài)值（門的開閉、設(shè)備運(yùn)行的啟停等）進(jìn)行感知和采集。其繼承于IFC 已有框架中的元素對(duì)象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識(shí)屬性以及Connected to 等連接屬性。采用Express 語言定義和描述的信息物理融合開關(guān)量感知器對(duì)象如圖11所示，其新定義了反映信息物理開關(guān)量傳感器特征的關(guān)鍵屬性，其屬性主要為實(shí)時(shí)開關(guān)量值（RTOnOffValue）。

3. 1. 3 信息物理融合感知器對(duì)象與其他對(duì)象的交互關(guān)系

在整個(gè)面向信息物理融合的BIM 擴(kuò)展框架中，信息物理融合感知器實(shí)體對(duì)象需要與其他3種對(duì)象建立2種不同的關(guān)系。

第一種是基于數(shù)據(jù)接口交互的連接關(guān)系，即信息物理融合感知器對(duì)象要分別與信息物理融合控制器對(duì)象和動(dòng)畫對(duì)象連接，建立數(shù)據(jù)層面上的接口連接關(guān)系，為這兩種對(duì)象提供感知來的數(shù)據(jù)。這種連接關(guān)系由于存在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸，本文采用IfcConnectPorts對(duì)象建立此種關(guān)系。

第二種是依附關(guān)系，即信息物理融合感知器對(duì)象與被感知的常規(guī)BIM實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組）建立一種組合，說明該感知器對(duì)象專屬于這個(gè)常規(guī)BIM實(shí)體，可以理解為感知器對(duì)象是依附于常規(guī)BIM對(duì)象的一個(gè)組件，因此本文采用IfcRelConnectsElements 對(duì)象來構(gòu)建此種關(guān)系。

圖9 信息物理融合感知器在IFC框架中的位置Fig. 9 BIM CPS sensor in IFC main framework

圖10 基于EXPRESS的IfcCPSAnalogSensor實(shí)體的定義Fig. 10 Definition of IfcCPSAnalogSensor based on EXPRESS

圖11 基于EXPRESS的IfcCPSSwitchSensor實(shí)體的定義Fig. 11 Definition of IfcCPSSwitchSensor based on EXPRESS

3.2 基于Express的信息物理融合IFC動(dòng)畫對(duì)象描述

3. 2. 1 BIM信息物理融合動(dòng)畫對(duì)象的定義與描述

動(dòng)畫顯示是為了在BIM空間中直觀地表達(dá)建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，并使之與現(xiàn)實(shí)建筑物理空間中的相應(yīng)實(shí)體運(yùn)動(dòng)保持一致。根據(jù)建筑物理實(shí)體的運(yùn)行形式，本文主要將動(dòng)畫顯示分為4種類型：旋轉(zhuǎn)、填充、移動(dòng)、數(shù)據(jù)顯示。與前述定義的BIM 信息物理融合對(duì)象相同，動(dòng)畫對(duì)象的基類也為IfcDistribution-ControlElement。在該基類的下級(jí)添加了新的實(shí)體IfcCPSRotatingAnimation、IfcCPSMovingAnimation、IfcCPSFillingAnimation、IfcCPSShowingDataAnimation及其對(duì)應(yīng)的類型IfcCPSRotatingAnimationType、IfcCPSMovingAnimationType、IfcCPSFillingAnimationType、IfcCPSShowingDataAnimationType。同樣地，在定義這些實(shí)體時(shí)，可以事先提供預(yù)定義、用于特定場合（predefinedType）的動(dòng)畫實(shí)體（如防護(hù)門旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫），采用IfcCPSRotatingAnimationTypedNum、IfcCPSMovingAnimationTypedNum、IfcCPSFillingAnimation-TypedNum、IfcCPSShowingDataAnimationTypedNum表達(dá)。下面分別討論這4種類型動(dòng)畫對(duì)象的定義與建模方法。

（1）旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫對(duì)象

旋轉(zhuǎn)是一種實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)象繞其中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSRotatingAnimation，其在BIM虛擬環(huán)境中根據(jù)其所連接的模擬量感知器對(duì)象數(shù)據(jù)源的值的變化，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)該動(dòng)畫類所連接的建筑BIM對(duì)象繞其中心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

采用Express 語言定義和描述的信息物理融合旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫對(duì)象如圖12 所示，其繼承于IFC 已有框架中的元素對(duì)象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識(shí)屬性以及Connected to 等連接屬性。另外新定義了反映旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫對(duì)象特征的系列屬性，其主要屬性包括旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)X維坐標(biāo)（CenterPointX）、Y維坐標(biāo)（CenterPointY）、Z維坐標(biāo)（CenterPointZ）、旋轉(zhuǎn)角度（RotatingAngle）、重復(fù)次數(shù)（RepeatCount）等。

圖12 基于EXPRESS語言的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫對(duì)象描述Fig. 12 Description of rotating animation object based on EXPRESS

（2）移動(dòng)動(dòng)畫對(duì)象

移動(dòng)動(dòng)畫對(duì)象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)象移動(dòng)的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSMovingAnimation，其在BIM 虛擬環(huán)境中通過改變對(duì)建筑物理對(duì)象BIM 實(shí)體的空間坐標(biāo)位置屬性來實(shí)現(xiàn)建筑物理對(duì)象實(shí)體的移動(dòng)。

采用Express 語言定義和描述的信息物理融合平移動(dòng)畫對(duì)象如圖13 所示，其繼承于IFC 已有框架中的元素對(duì)象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識(shí)屬性以及Connected to 等連接屬性，另外新定義了反映平移動(dòng)畫對(duì)象特征的系列屬性，主要屬性包括目標(biāo)位置的X、Y、Z軸坐標(biāo)（NewPlaceX、NewPlaceY、NewPlaceZ），初始位置的X、Y、Z軸 坐 標(biāo)（OldPlaceX、 OldPlaceY、OldPlaceZ）等。

（3）填充動(dòng)畫對(duì)象

圖13 基于EXPRESS語言的移動(dòng)動(dòng)畫對(duì)象描述Fig. 13 Description of moving animation object based on EXPRESS

填充動(dòng)畫對(duì)象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)象填充的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSFillingAnimation，其在BIM虛擬環(huán)境中根據(jù)其所連接的模擬量傳感器對(duì)象數(shù)據(jù)源值的變化，動(dòng)態(tài)填充該動(dòng)畫類所連接的建筑BIM對(duì)象中的圖元區(qū)域，使圖元區(qū)域能以填充區(qū)域的百分比來反映模擬量數(shù)據(jù)源值的變化。采用Express語言定義和描述的信息物理融合填充動(dòng)畫對(duì)象如圖14所示，其繼承于IFC已有框架中的元素對(duì)象IfcDistributionControl-Element，獲 取GlobalID、Name 等 標(biāo) 識(shí)屬 性 以 及Connected to等連接屬性。另外新定義了反映平移動(dòng)畫對(duì)象特征的系列屬性，主要屬性包括填充顏色（FillingColor）、填充方向（FillDirection）、填充最小百分比（FillingMinPerValue）、填 充 最 大 百 分 比（FillingMaxPerValue）、填充下限輸入值（Filling-MinValue）、填充上限輸入值（FillingMaxValue）等。

圖14 基于EXPRESS語言的填充動(dòng)畫對(duì)象描述Fig. 14 Description of filling animation based on EXPRESS

（4）數(shù)據(jù)顯示動(dòng)畫對(duì)象

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示動(dòng)畫對(duì)象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)象相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示的BIM 抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSShowingDataAnimation，其在BIM 虛擬環(huán)境中動(dòng)態(tài)顯示其所連接的模擬量傳感器對(duì)象數(shù)據(jù)源。其繼承于IFC 已有框架中的元素對(duì)象Ifc-DistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識(shí)屬性以及Connected to等連接屬性，另外新定義了反映數(shù)據(jù)顯示動(dòng)畫對(duì)象特征的系列屬性，主要屬性包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值（RTVALUE）等。

3. 2. 2 信息物理融合動(dòng)畫對(duì)象與其他對(duì)象的交互關(guān)系

與信息物理融合執(zhí)行器等對(duì)象類似，在整個(gè)面向信息物理融合的BIM 擴(kuò)展框架中，動(dòng)畫實(shí)體對(duì)象需要與其他兩種對(duì)象建立兩種不同的關(guān)系。

第一種是基于數(shù)據(jù)接口交互的連接關(guān)系，即動(dòng)畫對(duì)象要與信息物理融合感知器對(duì)象建立數(shù)據(jù)層面上的接口連接關(guān)系，即接收感知器對(duì)象的數(shù)據(jù)輸入。這種連接關(guān)系由于存在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸，采用IfcConnectPorts對(duì)象建立此種關(guān)系。

第二種是依附關(guān)系，即動(dòng)畫對(duì)象與被調(diào)控的常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組）建立一種組合，說明該動(dòng)畫對(duì)象是專屬于這個(gè)常規(guī)BIM 實(shí)體的，可以理解動(dòng)畫對(duì)象是依附于常規(guī)BIM 對(duì)象的一個(gè)組件，因此本文采用IfcRelConnectsElements 對(duì)象來構(gòu)建此種關(guān)系。

4 BIM信息物理融合模型的原型系統(tǒng)驗(yàn)證

近年來，由于具有富信息、三維可視等突出優(yōu)勢(shì)，BIM 技術(shù)開始在人防工程的運(yùn)維監(jiān)控中得到應(yīng)用。采用BIM 技術(shù)，可以為用戶提供貼近真實(shí)建筑空間場景的監(jiān)控軟件人機(jī)界面。但是由于傳統(tǒng)BIM框架，不支持信息物理融合能力，使得BIM與建筑物理空間的對(duì)象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無法緊密耦合，導(dǎo)致監(jiān)控軟件中BIM三維對(duì)象無法在同一軟件界面動(dòng)態(tài)顯示對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，即存在BIM 靜態(tài)模型與其動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)分離、用戶體驗(yàn)和人機(jī)交互友好性不強(qiáng)等不足。本節(jié)利用前文建立的信息物理融合擴(kuò)展模型和實(shí)現(xiàn)機(jī)制，來構(gòu)造基于BIM 擴(kuò)展模型的人防工程運(yùn)維監(jiān)控原型系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖15所示。原型系統(tǒng)設(shè)置1 臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，運(yùn)行基于BIM 擴(kuò)展模型的工程運(yùn)維監(jiān)控軟件，采用LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與人防工程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。原型系統(tǒng)設(shè)置1 臺(tái)LM1204 開關(guān)量控制器和1 臺(tái)LM1101 模擬量控制器。圖16 為原型系統(tǒng)基于BIM 擴(kuò)展模型的監(jiān)控軟件界面。該軟件界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程防護(hù)門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)立體監(jiān)控功能。通過該軟件界面可在BIM三維虛擬空間中實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，通過雙擊防護(hù)門設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)門的開閉控制。

通過原型系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文研究所提出的BIM信息物理融合擴(kuò)展模型和實(shí)現(xiàn)機(jī)制是可行、可用的。這種BIM信息物理融合擴(kuò)展模型使得監(jiān)控軟件中的BIM空間中動(dòng)態(tài)顯示與物理世界一致的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，有效解決了現(xiàn)有基于BIM的建筑運(yùn)維監(jiān)控軟件系統(tǒng)存在的BIM靜態(tài)實(shí)體與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分離、開發(fā)難度大、交互性不強(qiáng)等問題。

圖15 基于BIM的人防工程運(yùn)維原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 15 Structure of BIM based operation and maintenance system in civil air-defense construction

圖16 原型系統(tǒng)基于BIM擴(kuò)展模型的監(jiān)控軟件界面Fig. 16 Prototype system monitoring software interface based on BIM extension model

5 結(jié)論

本文針對(duì)建筑生命周期過程對(duì)信息物理融合交互的新需求，提出了一種面向信息物理融合的BIM擴(kuò)展方法，并嘗試將其應(yīng)用到人防工程運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)中，分別從面向信息物理融合BIM 擴(kuò)展的總體框架、實(shí)體定義與實(shí)現(xiàn)機(jī)制、原型系統(tǒng)等方面開展了研究。本文研究成果是對(duì)IFC 框架的有益補(bǔ)充，使得支持信息物理融合能力的BIM 成為現(xiàn)實(shí)，為高效構(gòu)造基于BIM 的建筑運(yùn)維動(dòng)態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互等新型系統(tǒng)提供了較好的技術(shù)支撐。

但總體而言，本文的研究工作仍是初步的，筆者仍將在以下兩個(gè)方面展開進(jìn)一步的研究：①BIM 信息物理融合對(duì)象實(shí)體的進(jìn)一步擴(kuò)充完善，需要進(jìn)一步結(jié)合具體工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，如擴(kuò)展動(dòng)畫對(duì)象，使BIM 能支持更為復(fù)雜運(yùn)作狀態(tài)呈現(xiàn)能力。②基于BIM擴(kuò)展模型的建筑運(yùn)維監(jiān)控平臺(tái)的工程應(yīng)用。在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善基于BIM 擴(kuò)展模型的建筑運(yùn)維監(jiān)控平臺(tái)的功能，提高其可靠性，加快其工程化應(yīng)用進(jìn)程。