安全設(shè)計視角下基于BIM-Ontology的安全風(fēng)險自動識別系統(tǒng)

黃怡萱， 佘健俊， 葉 嵩

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211800； 2. 中建八局第三建設(shè)有限公司， 江蘇 南京 210046)

安全設(shè)計(Design For Safety，DFS)是指在設(shè)計階段就通過可行的方法或工具識別風(fēng)險，并采取相關(guān)安全措施消除隱患，降低安全事故發(fā)生的可能性。雖然目前施工安全風(fēng)險研究的重點是在施工階段進行安全風(fēng)險評價及預(yù)警，但施工前的安全風(fēng)險識別仍是排查安全隱患的關(guān)鍵，能為后續(xù)施工階段安全管理打下基礎(chǔ)。Carter等[1]提出危險識別是安全事故預(yù)防的最關(guān)鍵要素；Manuele[2]認為在設(shè)計階段消除危險是安全管理最高層次；Szymberski[3]提出的時間-安全影響曲線也表明，隨著項目進行，安全管理的能力將逐漸下降。

盡管已經(jīng)有大量研究證實在設(shè)計階段識別安全風(fēng)險是十分有效的，但目前安全設(shè)計的實施仍受到阻礙。在國外，大多研究集中于特定類型的安全風(fēng)險，如洞口墜落風(fēng)險[4,5]等，未能系統(tǒng)性地考慮安全設(shè)計的內(nèi)容；提出的DFS工具應(yīng)用效果很大程度取決于專家的經(jīng)驗[5,6]，且實踐過程費時費力；信息技術(shù)的使用多基于IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)或商業(yè)模型檢查器[7,8]，存在信息遺漏、缺乏集成等問題，安全知識利用率低，數(shù)據(jù)互操困難。在國內(nèi)，大多相關(guān)研究針對地鐵工程設(shè)計階段的安全風(fēng)險[9,10]，較少圍繞民用建筑工程設(shè)計階段的安全風(fēng)險展開，對于如何利用信息技術(shù)在設(shè)計階段集成、管理以及運用行業(yè)安全知識更是鮮有涉及。因此，亟需開發(fā)一個集成知識管理與信息技術(shù)的面向設(shè)計階段的安全風(fēng)險自動識別系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)險超前預(yù)控。

與此同時，以本體技術(shù)為代表的信息技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，已在煤礦、地鐵、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本體是一個特定領(lǐng)域中重要概念共享的、形式化的描述。本體的描述語言O(shè)WL(Ontology Web Language)[11]是一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法，它能對概念層次進行清晰準(zhǔn)確的表達。本體為領(lǐng)域內(nèi)信息交互提供了統(tǒng)一的計算機能夠識別的語義基礎(chǔ)，可以很好地解決不同軟件間的互操作性問題，支持基于規(guī)則的推理，實現(xiàn)領(lǐng)域本體知識的復(fù)用。而BIM(Building Information Modeling)技術(shù)具有面向?qū)ο蠼?、?shù)字化、可視化等特點，在建設(shè)項目早期階段應(yīng)用具有巨大的安全管理優(yōu)勢。

綜上，本文針對目前DFS實施所存在的問題及BIM與本體技術(shù)的優(yōu)勢，提出了基于BIM與本體的安全風(fēng)險自動識別原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于建設(shè)項目設(shè)計階段，集成與設(shè)計有關(guān)的安全風(fēng)險內(nèi)容，實現(xiàn)安全風(fēng)險的智能推理。由于安全設(shè)計涉及的內(nèi)容較多，篇幅有限，本文以建設(shè)項目防火設(shè)計為例，驗證所提出系統(tǒng)的可行性，以期為后續(xù)DFS的實施與拓展提供有效的方法與工具。

1 安全設(shè)計視角下基于BIM-Ontology安全風(fēng)險自動識別系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)前述DFS在實施過程中的困境，進行安全風(fēng)險識別系統(tǒng)需求分析，如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能需求分析

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

為實現(xiàn)完整的安全風(fēng)險自動識別過程，采用以本體論為代表的信息表達工具構(gòu)建領(lǐng)域本體知識庫，將相關(guān)安全規(guī)范進行結(jié)構(gòu)化處理，翻譯為能夠被計算機識別的語言，同時結(jié)合BIM模型信息表達的特點，對模型加載所需要的信息，實現(xiàn)特定信息的提取，最后通過SWRL(Semantic Web Rule Language)規(guī)則算法與推理引擎實現(xiàn)安全風(fēng)險識別，并基于語義的查詢算法輸出識別結(jié)果。

根據(jù)上述系統(tǒng)總體設(shè)計思路，本文將系統(tǒng)設(shè)計為知識管理、BIM模型信息處理、規(guī)則推理等3個子系統(tǒng)，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計框架

知識管理子系統(tǒng)是圍繞本體知識庫展開的，主要內(nèi)容為基于本體描述語言O(shè)WL對領(lǐng)域知識進行建模，并通過規(guī)則語言SWRL對安全規(guī)范條例進行表達。本體知識庫是一個動態(tài)開放的知識庫，推理后的知識將不斷更新存儲在本體知識庫中以供后續(xù)查詢以及管理使用。主要作用為實現(xiàn)安全規(guī)范的結(jié)構(gòu)化表達，完成知識的采集、轉(zhuǎn)換、存儲和查詢，提高安全知識的重用效率。

BIM模型信息處理子系統(tǒng)的主要內(nèi)容為在對安全規(guī)范進行語義分析的基礎(chǔ)上，賦予BIM模型所需要的信息，將提取的信息進行語義轉(zhuǎn)換，以匹配本體知識庫中的數(shù)據(jù)格式。主要作用為提供BIM模型實例信息，實現(xiàn)不同平臺之間數(shù)據(jù)的互操作。

規(guī)則推理子系統(tǒng)是安全規(guī)則算法、推理算法以及查詢算法的集成，該子系統(tǒng)主要通過系統(tǒng)內(nèi)置的算法將BIM模型中的信息與安全規(guī)則庫中的信息進行智能匹配，識別不一致項并將結(jié)果返回到本體知識庫中進行更新，用戶通過查詢得到識別結(jié)果，最終輸出識別報告。

1.3 系統(tǒng)工作流程

BIM模型作為建筑信息數(shù)據(jù)庫，為安全風(fēng)險識別系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而DFS本體知識庫為安全規(guī)范知識提供了重用的平臺，集成BIM與DFS本體知識庫，能夠識別安全風(fēng)險的同時解決信息共享和知識重用問題，提升安全知識管理水平。上述三個子系統(tǒng)之間涉及的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

1.3.1 檢查規(guī)則集的生成

生成檢查規(guī)則集是將現(xiàn)行相關(guān)安全規(guī)范進行結(jié)構(gòu)化表達的過程，本文選取GB 50720-2011《建設(shè)工程施工現(xiàn)場消防安全技術(shù)規(guī)范》中的典型條例作為檢查規(guī)則集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要步驟為：(1)對規(guī)范文本進行語義、邏輯分析，梳理規(guī)范條文的安全約束類型；(2)對能夠結(jié)構(gòu)化表達的規(guī)范條文，利用OWL語言對概念本體進行描述，利用SWRL語言進行結(jié)構(gòu)化處理。具體步驟如圖3所示。

圖3 生成SWRL檢查規(guī)則集

1.3.2 BIM模型實例映射

目前尚沒有開發(fā)出直接將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OWL格式的插件，因此實現(xiàn)數(shù)據(jù)互操作是完成推理的關(guān)鍵所在。現(xiàn)行研究中模型信息提取與轉(zhuǎn)換功能并不完善，基于IFC框架的信息交互，存在邏輯性缺乏且表達范圍有限等問題，而商業(yè)模型檢查器局限于特定的規(guī)則檢查，可拓展性差，知識利用率低。Revit有多種信息輸出方式，其中共享參數(shù)可以通過明細表導(dǎo)出EXCEL格式，同時本體Cellfie模塊可以直接將表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OWL語言映射至現(xiàn)有本體中，實現(xiàn)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這為數(shù)據(jù)互操作帶來可能。本文將基于Cellfie模塊構(gòu)建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，實現(xiàn)表格數(shù)據(jù)到OWL本體的鏈接與映射，提高數(shù)據(jù)的處理效率，為建模軟件與應(yīng)用軟件之間數(shù)據(jù)互操作提供一種可行的方法。

1.3.3 基于規(guī)則的推理

此步驟通過構(gòu)建DFS本體完成Tbox領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)的定義，并基于前述BIM數(shù)據(jù)映射形成本體中ABox實例斷言的集合，系統(tǒng)將ABox交給內(nèi)置的推理引擎，推理引擎執(zhí)行1.3.1的檢查規(guī)則集，完成推理后系統(tǒng)將推理結(jié)果返回到用戶，如圖4所示。

圖4 BIM模型的數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換和規(guī)則推理過程

1.3.4 可視化報告輸出

此步驟設(shè)計人員通過查詢得到一些必要的安全信息，如查詢對象、識別結(jié)果和優(yōu)化措施，識別結(jié)果存儲在知識庫中形成經(jīng)驗供以后借鑒，對于識別出的不安全設(shè)計，能鏈接到BIM模型中高亮表示。

1.4 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

本文采用斯坦福大學(xué)開發(fā)的Protégé 5.5.0作為本體開發(fā)工具。Protégé是一個免費的OWL本體開發(fā)環(huán)境，目前被廣泛用于學(xué)術(shù)領(lǐng)域知識模型的構(gòu)建，Protégé OWL編輯器支持本體中領(lǐng)域知識的類、屬性和實例的創(chuàng)建，并且具有很強的擴展性。

系統(tǒng)在Java環(huán)境下運行，整個過程主要依靠三個程序接口實現(xiàn)：即OWL API(Application Programming Interface)[12]，Revit API和SWRL API[13]。OWL API可以訪問OWL模型以及模型中元素(類、屬性、實例等)，通過定義命名空間的前綴來訪問和辨別本體資源；Revit API允許使用者通過任何與.NET兼容的語言來編程，通過Revit API接口可以訪問模型的圖形數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)以及集成第三方應(yīng)用鏈接到外部數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行分析應(yīng)用等；SWRL API提供了Built-ins內(nèi)置庫，可以擴展SWRL，這給規(guī)則描述帶來了方便，另外，查詢語言SQWRL(Semantic Query-enhanced Web Rule )正是基于SWRL API的Built-ins機制進行的擴展[14]。

本系統(tǒng)的規(guī)則推理與檢索功能采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)口徑，用戶能夠從底層繁瑣的語義、邏輯數(shù)據(jù)操作中抽離出來，將更多的時間和精力分配到應(yīng)用層面上去，這對于推廣智能化安全管理具有重要意義。

2 DFS本體構(gòu)建

2.1 DFS本體概念體系

構(gòu)建DFS本體應(yīng)盡可能詳盡地將與設(shè)計有關(guān)的安全知識表達出來。由于本文工程實例信息的載體是BIM模型，而BIM模型不僅能集成各設(shè)計專業(yè)的工作，還能將臨時設(shè)施等因素與模型結(jié)合起來，從而更加完整地涵蓋與設(shè)計有關(guān)的安全風(fēng)險因素，因此本文基于上述特點，結(jié)合安全規(guī)范以及四類主要的安全事故(高處墜落、坍塌、物體打擊、火災(zāi))與設(shè)計的關(guān)系，將風(fēng)險因素進行分類，如表2所示。

表2 與設(shè)計有關(guān)的安全風(fēng)險因素分類

依據(jù)表2將DFS本體分為設(shè)計主題、設(shè)計要點、風(fēng)險前兆信息、潛在危險、預(yù)防措施五個核心要素，結(jié)合文獻整理構(gòu)建DFS本體概念體系，如圖5所示。

圖5 DFS本體概念體系

2.2 DFS本體構(gòu)建

本體最重要的兩個部分是“概念”與“關(guān)系”，“概念”通過類進行描述，表達“概念”之間的“關(guān)系” 則依靠屬性和語義關(guān)系的定義。在本體中屬

性是對類的特征所進行的描述，包括對象屬性(Object properties)和數(shù)據(jù)屬性(Data properties)，并通過領(lǐng)域(Domain)與范圍(Range)來定義兩個個體之間定義域與值域的關(guān)系[15]。本文在Protégé中構(gòu)建本體的層次結(jié)構(gòu)及其可視化界面，如圖6所示。

圖6 Protégé類的層次結(jié)構(gòu)及可視化

2.2.1 本體推理規(guī)則的建立

SWRL是基于W3C開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則語言，它能夠?qū)WL中表達的安全規(guī)則知識集成到規(guī)則中[16]。SWRL 語法結(jié)構(gòu)由推理前提(body)、推理結(jié)果(head)組成，body通過SWRL 內(nèi)置的邏輯比較(Built-Ins)關(guān)系推理得到head，兩者由運算符“->”相連。

選取GB 50720-2011《建設(shè)工程施工現(xiàn)場消防安全技術(shù)規(guī)范》中的兩條典型條例進行SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換：

(1)條例6.2.2：儲藏間墻上設(shè)置的門應(yīng)采用乙級防火門。

Rule1:abox:Door(?d)^Position(?d,Storage_room)^Fireproof_door(?d,?e)^swrlb:lessThan(?e,1)->Cause_hazard(?d,fire)^Adjust_design(?d,Adjust_fireproof_door)

(2)條例6.4.3 ：防煙樓梯間前室的使用面積，公共建筑高層廠房(倉庫)不應(yīng)小于6.0 m2。

Rule1:abox:Building_Information_Model(?a)^Building_attribute(?a,public_building)^Anteroom(?r)^Position(?r, Smoke-proofstairwell)^Has_usage_area(?r,?m)^swrlb:lessThan(?m,6)->Cause_hazard(?r,fire)^Adjust_design(?r,Adjust_usage_area)

2.2.2 基于SQWRL的查詢

SQWRL查詢語言是對SWRL Built-Ins 進行了擴展，由此定義了一套查詢操作符，因此SQWRL能夠很好地兼容SWRL規(guī)則[17]?；赟QWRL進行語義查詢，結(jié)果將返回為一張二維表，表中呈現(xiàn)查詢推理后的實例信息。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

中建A公司在南京的某社區(qū)綜合服務(wù)中心項目如圖7所示，該項目建筑高度54.650 m，地上11層，地下2層，地上建筑面積20715.17 m2，地下建筑面積14426.60 m2，建筑耐火等級為一級，為一類高層公共建筑。本文將對前室和防火門與設(shè)計有關(guān)的安全風(fēng)險識別作示例。

圖7 南京某社區(qū)中心項目

對模型信息進行預(yù)處理。本文通過添加共享參數(shù)的方式對需要的安全屬性信息進行賦值。

以防火門為例，對BIM模型信息處理的過程如圖8a所示。需要說明的是，部分信息將作數(shù)字化處理，如門的防火等級：無等級、丙級、乙級、甲級轉(zhuǎn)換成0，1，2，3安全性能逐次增強的形式表達。

以前室為例，在Revit中，前室的屬性附著在房間構(gòu)件上，而房間的屬性是通過標(biāo)記的方式來進行添加的，因此這一步中不需要添加共享參數(shù)。對地下室的前室設(shè)置為房間并添加房間標(biāo)記，在“注釋”中描述位置屬性，同樣該屬性信息能夠通過Revit明細表功能輸出，過程如圖8b所示。

圖8 Revit共享參數(shù)添加與明細表輸出

明細表統(tǒng)一導(dǎo)出成EXCEL后，對表格數(shù)據(jù)進行整理，如表3所示。調(diào)用Protégé中內(nèi)置的Cellfie將表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至OWL格式，該語義轉(zhuǎn)換遵循 MappingMaster DSL規(guī)則[18]，編輯轉(zhuǎn)換公理，每個單元格地址生成實例的唯一標(biāo)識符，單元格內(nèi)容通過 Types與Facts連接本體類及屬性，結(jié)果如圖9所示。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成功了56條公理，將結(jié)果添加至現(xiàn)有本體中。

表3 提取的部分Revit模型信息

圖9 表格數(shù)據(jù)到OWL格式的映射

OWL語義轉(zhuǎn)換的結(jié)果在Protégé的Individuals模塊呈現(xiàn)。BIM模型構(gòu)件的屬性信息表現(xiàn)為不同的數(shù)據(jù)類型，如數(shù)值數(shù)據(jù)、字符串?dāng)?shù)據(jù)，Protégé將根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同在Object property或Data property中新增相應(yīng)屬性。至此BIM模型上的數(shù)據(jù)成功映射至本體中，實現(xiàn)了模型與本體知識庫的鏈接。

通過Protégé中的SWRLTab完成2.2.1節(jié)規(guī)則條款的編輯，結(jié)果如圖10黑框內(nèi)所示。調(diào)用Protégé中Drools推理引擎進行推理，Drools 是一種基于描述邏輯的規(guī)則推理機，與Protégé一樣支持 Java語言，具有良好的兼容性與推理功能。在推理引擎界面運行推理，推理結(jié)果返回到“Individuals”中更新DFS本體知識庫。

圖10 SWRLTab+Drools推理引擎界面

基于SWRL+Drools的推理后，實例“B1F前室2”“單嵌板木門1：M1022”各增加了2條屬性描述，推理完成。如圖11所示。

圖11 前室與門的識別結(jié)果面板

B1F前室2的位置設(shè)置在防煙樓梯處且面積小于6 m2，面積小于安全規(guī)范中的臨界值，存在安全隱患。圖11左側(cè)系統(tǒng)推理出了“Cause_hazard fire”這一不安全因素，并給出了優(yōu)化措施“Adjust_design Adjust_usage_area”即調(diào)整前室使用面積，以達到安全水平。

設(shè)置在儲藏室的門應(yīng)該具備防火等級乙級，否則具有潛在安全隱患，如圖11右側(cè)，系統(tǒng)成功推理出了該單嵌板木門1的安全風(fēng)險。“Cause_hazard fire”表示該木門防火等級的參數(shù)設(shè)計存在潛在的安全隱患，同時，系統(tǒng)還輸出了優(yōu)化措施，“Adjust_design Adjust_fireproof_door”表示需要對該木門調(diào)整設(shè)計，提升防火等級。

推理完成后基于SQWRL查詢語言實現(xiàn)識別結(jié)果的查詢。對門可能存在的不安全因素以及優(yōu)化措施進行查詢輸入：

Q1:abox:Door(?d)^Cause_hazard(?d,?hazrad)->sqwrl:select(?hazrad)

Q2:abox:Door(?d)^Cause_hazard(?d,fire)^Adjust_design(?d,?result)->sqwrl:select(?result)

查詢頁面如圖12，查詢顯示存在不安全因素2個，相應(yīng)優(yōu)化措施2個。用戶可通過查詢識別結(jié)果和措施來優(yōu)化設(shè)計，減少不必要的設(shè)計變更。查詢結(jié)果將存儲在DFS本體知識庫中，作為經(jīng)驗為以后的設(shè)計提供依據(jù)。

圖12 查詢結(jié)果

通過將BIM實體模型中的信息與已構(gòu)建的 DFS 本體知識庫中的安全規(guī)則信息進行匹配，實現(xiàn)了對防火設(shè)計安全風(fēng)險的智能識別。

本文提出的集成 BIM與DFS本體知識庫的風(fēng)險識別方法能夠極大地減少目前安全風(fēng)險識別工作對專家知識的依賴，提高風(fēng)險識別的效率、準(zhǔn)確性和智能化水平，為后續(xù)開展安全風(fēng)險管控提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

本文提出了面向設(shè)計的安全風(fēng)險自動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于BIM與本體技術(shù)集成安全設(shè)計的內(nèi)容，獲取設(shè)計安全風(fēng)險信息，為設(shè)計階段集成、管理和運用安全知識提供了新的視角和方法。通過完善DFS本體架構(gòu)為DFS實踐與推廣提供基礎(chǔ)，設(shè)計實例數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與本體映射算法為實現(xiàn)信息匹配提供了解決方案，實現(xiàn)工程實例到風(fēng)險信息的智能化輸出，對推動BIM、本體與語義網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及安全管理的智能化管理有重要意義。以防火設(shè)計為例通過某社區(qū)服務(wù)中心項目實現(xiàn)了安全設(shè)計視角下的安全風(fēng)險自動識別，驗證了所提出方法的有效性。

此外，安全設(shè)計包含的內(nèi)容較廣，DFS本體的構(gòu)建是長期不斷完善的過程，不同的業(yè)態(tài)或結(jié)構(gòu)類型有不同的安全設(shè)計知識，需要基于本文的系統(tǒng)在之后的研究中進一步完善。后續(xù)還可結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)安全知識的自動獲取、自然語言處理技術(shù)輔助安全規(guī)范的結(jié)構(gòu)化表達，實現(xiàn)安全風(fēng)險的全自動識別。