基于BIM的運營綜合管控平臺養(yǎng)護系統(tǒng)研究與應用

潘和興，韓水泉，王愷杰，范澤鑫 (深圳高速公路集團股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

近年來，我國公路建設量逐漸增大，公路的養(yǎng)護需求也日益增長。在公路養(yǎng)護工作中，養(yǎng)護管理系統(tǒng)發(fā)揮著至關重要的作用。因此，建立公路智能養(yǎng)護系統(tǒng)對于高速養(yǎng)護工作來說具有非常重要的意義，是工程領域信息化具體應用實踐的關鍵一環(huán)，有助于進一步貫徹落實公路養(yǎng)護質量管理體系與管理制度的目標，從而加強養(yǎng)護質量管控能力建設，切實保障養(yǎng)護質量。

國外公路信息養(yǎng)護管理系統(tǒng)較為成熟的應用為美國的AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）管理部門的PONTIS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有擴展性好、魯棒性佳及容易訪問性等優(yōu)點。PONTIS 系統(tǒng)主要設置了系統(tǒng)管理、程序模擬、橋梁預覽及清單檢查、項目數(shù)據(jù)管理等模塊。程序模擬模塊是該系統(tǒng)的特色功能，基于系統(tǒng)中的項目技術、橋梁及歷史的相關信息提供在不同病害情況下的橋梁工作建議[1]。

國內(nèi)養(yǎng)護管理平臺的應用主要聚焦于橋梁檢測與監(jiān)測工作，并基于此開發(fā)相關系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)基于工程現(xiàn)場的實際需求開發(fā)了橋梁的基礎信息、檢測數(shù)據(jù)管理、安全狀況評定、養(yǎng)護維修工程管理等功能，通過不同的模塊設置實現(xiàn)橋梁的數(shù)字化管理[2]。監(jiān)測系統(tǒng)應用于橋梁數(shù)字化管理，主要涉及監(jiān)測標準及數(shù)據(jù)管理、安全預警、采集設備管理等基礎功能和其他的定制功能。

BIM（Building Information Modeling）技術已在國際上廣泛應用于已建項目，且有部分國家將其應用于新建的承包項目。國內(nèi)的BIM 技術應用于交通領域要晚于建筑行業(yè)，2017 年交通運輸部頒發(fā)《開展公路BIM 技術應用示范工程建設的通知要求》[3]，要求在公路項目的全壽命周期內(nèi)展開BIM 技術應用示范的新建工程，在信息化管理、工程量統(tǒng)計、3D參數(shù)化建模、方案比選等[4]領域要有所突破。除對新建項目提出要求外，在建項目也要逐步應用BIM 技術，以BIM 技術為核心，建立起具有項目協(xié)同管理的平臺框架設計，在此設計框架下，重點對安全管理、質量管理、進度管理、計量支付管理協(xié)同等功能進行開發(fā)。

2 基于BIM的公路養(yǎng)護系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基本原理

BIM 養(yǎng)護管理應用系統(tǒng)是基于成熟先進的企業(yè)技術平臺和架構進行開發(fā)及拓展的系統(tǒng)，兼顧目前主流應用現(xiàn)狀，并可與已有技術路線兼容，實現(xiàn)業(yè)務過程管控及平臺間各模塊協(xié)同作業(yè)的目的，最終達到縱向管控與橫向集成的信息交互目的[5]。

技術平臺基于微服務架構模型構建系統(tǒng)，基于完整的生態(tài)體系，設計了公用系統(tǒng)組件與底層業(yè)務組件。此外，平臺具有一定靈活性，可根據(jù)高速公路運營管理需求設置快速高效流程配置及表單配置等功能。

為滿足系統(tǒng)多方協(xié)作的設計要求，采用先進性、實用性、可擴充性等設計原則[6]，在綜合考慮平臺的穩(wěn)定性、實用性、拓展性、可交互性以及安全性的基礎上，兼顧易用性和可維護性，采用Java開發(fā)語言、SpringBoot 應用開發(fā)框架、Spring Cloud微服務架構，集成了API網(wǎng)關、注冊中心、配置中心等開源組件。使用MyBatis 數(shù)據(jù)持久層框架和MySQL數(shù)據(jù)庫，將系統(tǒng)架構分為三層，從上到下依次為接入層、服務層、數(shù)據(jù)層。其中接入層主要負責數(shù)據(jù)采集和頁面展示；服務層負責接收接入層傳入的數(shù)據(jù)，梳理數(shù)據(jù)之間的邏輯關系，在此基礎上，完成數(shù)據(jù)模型挖掘、模型解析轉換等；數(shù)據(jù)層主要負責接收來自經(jīng)服務層處理過的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用具有持久層結構的Mybatis 框架，將數(shù)據(jù)存儲到PostgreSql、redis等數(shù)據(jù)庫中。

2.2 養(yǎng)護系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)是GIS 與BIM 的融合，可同時實現(xiàn)宏觀層次上路網(wǎng)及設施的性能演變與微觀層面上構建的病害問題，適用于參與養(yǎng)護的各方。為分配參建各方的權限，養(yǎng)護管理平臺設置養(yǎng)護管理相關圖層，用戶登錄后根據(jù)自己的權限不同，可獲取不同的待辦事項推送。

系統(tǒng)是基于GIS 的多模態(tài)數(shù)據(jù)形式，平臺以三維模型（BIM 模型）為載體，根據(jù)實際需求不同，設置了LOD400 和LOD100 兩個級別。其中，LOD100 服務于WEB 和APP 大批量數(shù)據(jù)輕量加載，如圖1 所示。LOD400 能展現(xiàn)設施的構件級細節(jié)，進行工程的數(shù)值孿生及仿真模擬，可精細定位至橋梁橫隔板、隧道洞口、邊坡的擋墻、道路的龍門架等信息，如圖2所示。

圖1 LOD100模型-橋梁整體

圖2 LOD400模型-龍門架、標志牌

3 系統(tǒng)特色模塊介紹

為滿足外化運維階段的各項工作需求，本系統(tǒng)設計了養(yǎng)護地圖、資產(chǎn)管理、巡查管理、日常養(yǎng)護、專項工程、合同管理、定期檢查、計劃管理、安全管理與應急處置等模塊。限于篇幅，以下將介紹該系統(tǒng)的特色模塊。

3.1 養(yǎng)護地圖

基于BIM 的養(yǎng)護管理應用系統(tǒng)采用BIM 與北斗等新一代信息技術實現(xiàn)工程數(shù)字化的目的，依托業(yè)務大數(shù)據(jù)實現(xiàn)管理的智慧決策功能。養(yǎng)護地圖如圖3 所示。該工程利用傾斜攝影[7]、激光點云、BIM 建模手段建立外環(huán)高速數(shù)字模型，并在橋梁、隧道、立交互通、邊坡的關鍵設施賦予精度信息屬性，實現(xiàn)數(shù)字化的高速公路基礎設施及其運維業(yè)務。

圖3 養(yǎng)護地圖示例

養(yǎng)護地圖模塊通過二維GIS 地圖可查詢路、橋、隧、涵、坡等構造物位置，在地圖上顯示地理坐標，查看該設施的相應屬性信息，并通過360°全景技術與道路資產(chǎn)的三維模型數(shù)據(jù)進行動態(tài)關聯(lián)，從不同維度掌握外環(huán)高速設施資產(chǎn)現(xiàn)狀。

3.2 基礎數(shù)據(jù)

平臺的基礎數(shù)據(jù)庫可平滑接收建設期項目完整的“虛擬資產(chǎn)”，并根據(jù)養(yǎng)護特點開發(fā)滿足國家及行業(yè)對路面、橋梁、涵洞、通道、隧道等設施資產(chǎn)屬性信息的管理要求功能。通過該功能，可添加構件屬性，并根據(jù)設施資產(chǎn)關聯(lián)追溯相應的業(yè)務數(shù)據(jù)，對重要結構物生成二維碼身份信息。

為實現(xiàn)數(shù)字化資產(chǎn)與工程實體相對應，采用二維碼工具對各構造物進行唯一編碼，通過現(xiàn)場掃碼，可查詢到構造物上的病害及維修信息，實現(xiàn)動靜態(tài)結合的設施資產(chǎn)管理模式。在資產(chǎn)管理的同時，以行業(yè)規(guī)范為依托，根據(jù)不同資產(chǎn)類別，通過知識庫的形式分類匯總病害類型、維修措施等內(nèi)容，為養(yǎng)護業(yè)務提供有效的支持。

3.3 巡查管理

本系統(tǒng)通過將管養(yǎng)單位的養(yǎng)護要求內(nèi)置于平臺，針對不同設施巡查頻率自動生成巡查計劃，并自動規(guī)劃最優(yōu)巡查路線，巡查人員在途經(jīng)巡查點時，可自動提醒巡查人員進行簽到。此外，APP 根據(jù)巡查人員坐標實時記錄更新巡查軌跡，根據(jù)待巡查設施自動實時更新巡查線路，確保工作高效且不漏項。

針對日常巡查的巡查計劃實施流程如下。巡查計劃自動推送至APP，系統(tǒng)巡查人員接到巡查任務后，可利用GIS二維地圖的導航與最優(yōu)路徑規(guī)劃功能，自動導航至需巡查位置，到巡查位置后可自動簽到，簽到信息可與BIM 模型關聯(lián)。系統(tǒng)支持二維與三維地圖便捷切換，巡查人員到達現(xiàn)場后，若發(fā)現(xiàn)病害，可以應用BIM 模型定位至具體構件，通過模型查看構件具體屬性與歷史病害信息，以輔助巡查人員判斷病害情況。巡查人員可將病害記錄在具體構件上，在病害上報成功后，有權限用戶可以在PC同步查看病害信息。在構件精準病害信息的基礎上，可為大數(shù)據(jù)分析與運營提供支持[8]。

3.4 日常養(yǎng)護

養(yǎng)護管理平臺對小修病害采用數(shù)據(jù)庫的管理方式，通過手機APP 和電腦線上審批相結合的方式，完成工作指示單、工程聯(lián)測表、工程驗收單等管理表單的審批，完整高效地記錄病害的維修、驗收過程信息，實現(xiàn)病害維修的全過程閉環(huán)運轉。

外環(huán)養(yǎng)護管理系統(tǒng)以BIM 模型為載體，每一條病害都被精準地記錄在構件/設施上，結合三維模型中構件化的病害記錄信息，實現(xiàn)病害發(fā)現(xiàn)、維修、驗收的全過程閉環(huán)管理。

在日常養(yǎng)護的過程中，內(nèi)業(yè)人員在復核巡查上報病害時，平臺會根據(jù)病害的圖片、描述信息，自動推送病害的建議處理方案，供內(nèi)業(yè)人員進行選擇。平臺以巡查管理中記錄的病害為處理對象，完善病害列表的統(tǒng)計查詢與展示功能，并針對政府來文、領導指派等特殊事項完善事項列表。以病害/事項為處置對象，參照合約清單信息，按照外環(huán)高速養(yǎng)護管理的實際需求在線生成對應的工作指示單、工程聯(lián)測表、工程驗收單等管理表單，優(yōu)化線上審批與工作流轉的流程。

系統(tǒng)施工維修人員接到任務后，可利用GIS 導航功能與最優(yōu)路徑規(guī)劃功能，自動導航至需要維修的位置，施工人員到達現(xiàn)場維修完成后，可上傳維修照片，維修照片自動與BIM 模型關聯(lián)，有權限用戶可以在PC 同步查看病害信息和維修情況，如圖4 所示。病害照片、病害信息與BIM 模型關聯(lián)，可方便用戶查看。

圖4 PC端病害復核示例

3.5 安全管理與應急處置

高速公路突發(fā)事件常具有時間緊迫性、不可預知性、后果嚴重性、救援復雜性等特點，現(xiàn)有情況下，對突發(fā)事件的處置通常是多部門、多單位協(xié)同配合處理，在復雜的處理過程中容易出現(xiàn)信息交流不暢及配合聯(lián)動脫節(jié)等問題。因此，在強化應急聯(lián)動機制的同時，也亟需搭建應急通信平臺[9]。

外環(huán)養(yǎng)護管理系統(tǒng)安全管理與應急處置模塊的應用場景如下。一線巡查員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況判斷病害是否為應急搶修類，若為應急搶修類病害，病害信息提交至系統(tǒng)后，施工員將在第一時間收到待辦通知，收到通知后施工人員可立即采取措施對應急類病害開展搶修工作。在施工員收到待辦的同時，內(nèi)業(yè)資料人員可下發(fā)、審批指示單。待現(xiàn)場搶修工作完成、搶修資料上傳完畢，且指示單審批工作完成后，應急搶修類項目可申請驗收。

外環(huán)養(yǎng)護管理系統(tǒng)安全管理與應急處置模塊協(xié)助養(yǎng)護管理人員的工作，有效提升管理人員監(jiān)管到位、協(xié)調(diào)聯(lián)動、響應迅速、處置有效的水平，保障高速公路暢通、高效、安全運行，降低事故損失，減少阻塞與延誤頻率[10]，提高人民群眾出行的幸福感。

4 結語

深圳外環(huán)高速采用BIM 與GIS 技術建立的運營期管理養(yǎng)護平臺，將重要設施進行三維建模，系統(tǒng)中自動記錄需要養(yǎng)護的信息，保證了信息的完整與準確。針對復雜繁瑣的線下審批流程，將審評優(yōu)化后內(nèi)置到平臺中，提高審評效率，增加應急處理能力?；诟咚俟返酿B(yǎng)護內(nèi)容與業(yè)主要求，設置多個模塊，使參與養(yǎng)護人員只需專注自身需要的功能，減少了軟件的學習成本。該平臺成功應用于外環(huán)高速，為BIM 技術在公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)中的應用提供了一定的借鑒意義。