基于BIM的攝像技術(shù)在隧道運(yùn)維中的應(yīng)用探索

李明玉?黃強(qiáng)

摘要：近年來(lái)，我國(guó)公路隧道建設(shè)里程快速增長(zhǎng)，但是隧道運(yùn)維管理中存在技術(shù)落后、管理人員配置不足、應(yīng)急反應(yīng)遲緩等問(wèn)題。針對(duì)管理中存在的問(wèn)題，將新型攝像技術(shù)引入公路隧道的運(yùn)維管理，通過(guò)制定具體實(shí)施規(guī)劃及設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可視化的公路隧道運(yùn)維管理。并且建立基于BIM的公路隧道運(yùn)維管理平臺(tái)，攝像技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，為公路隧道運(yùn)維管理提供一種直觀、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；公路隧道；攝像系統(tǒng)；三維掃描成像；運(yùn)維管理

一、前言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路建設(shè)的重要性變得越來(lái)越突出。截至2022年末，全國(guó)公路里程達(dá)到535.48萬(wàn)公里。其中，公路養(yǎng)護(hù)里程535.03萬(wàn)公里，占公路里程比例為99.9%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，全國(guó)建成通車的公路隧道共計(jì)10756.7km，同比2013年分別增長(zhǎng)12%[1]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的快速發(fā)展，土木工程領(lǐng)域也在逐步進(jìn)行智能化變革，首先應(yīng)用較廣泛的就是BIM技術(shù)。據(jù)交通運(yùn)輸部的發(fā)展目標(biāo)顯示，到2025年應(yīng)達(dá)到在一定規(guī)模工程建設(shè)中全面應(yīng)用BIM技術(shù)[2]。目前，我國(guó)對(duì)于技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用尚處于初步階段。因此，在公路隧道建設(shè)的全壽命周期設(shè)計(jì)中有效利用BIM技術(shù)就更顯得很有必要。

公路隧道有它自身的壽命周期，近年來(lái)隨著交通量迅速擴(kuò)大，公路隧道在后期的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較多病害問(wèn)題，比如：第一，隧道土建結(jié)構(gòu)病害較多。隨著運(yùn)營(yíng)周期的增長(zhǎng)，受自然氣候和地質(zhì)災(zāi)害的影響，公路隧道洞口邊坡失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)滲水、襯砌裂縫、混凝土材質(zhì)劣化、排水系統(tǒng)堵塞等病害日趨增多。第二，運(yùn)維過(guò)程中公路隧道預(yù)防性養(yǎng)護(hù)開(kāi)展不足。由于人員配備和資金保障等客觀因素的影響，日常的修理與維護(hù)深入程度不夠，容易忽視小病害問(wèn)題，持續(xù)發(fā)展以至于后期出現(xiàn)嚴(yán)重的病害。第三，采用人工和信息化技術(shù)手段對(duì)病害問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，但現(xiàn)階段存在主要信息化程度不高、處理信息能力有限和管理技術(shù)落后等問(wèn)題。第四，隧道交通事故、火災(zāi)等安全形勢(shì)嚴(yán)峻。隧道具有狹長(zhǎng)、空間密閉等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，其一旦發(fā)生事故或者火災(zāi)，將會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。第五，隧道專業(yè)養(yǎng)護(hù)管理人員數(shù)量和專業(yè)技術(shù)能力亟待加強(qiáng)。一方面，公路隧道養(yǎng)護(hù)人員配備較少；另一方面，隨著信息化程度提高，對(duì)現(xiàn)有管理人員也沒(méi)有系統(tǒng)和科學(xué)的日常培訓(xùn)制度[3-5]。

在以往的研究中，曹華[6]通過(guò)多種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)隧道實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)、電纜火警預(yù)告和異常報(bào)警功能。龔佳琦等[7]通過(guò)構(gòu)建 BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)與日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了可視化的病害決策分析。?，摰萚8]提出信息化管理理念，將工程各階段的信息儲(chǔ)存在BIM云平臺(tái)，使工程管理更便捷，數(shù)據(jù)管理更透明化。李俊松等[9]提出利用BIM模型集成隧道信息并模擬火災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)的人員疏散路徑和通風(fēng)組織。施永泉等[10]針對(duì)日益突出的隧道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，提出基于BIM技術(shù)建立隧道運(yùn)維管理平臺(tái)，解決隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多和巡檢問(wèn)題追溯困難等問(wèn)題。段友祥等[11]基于Web服務(wù)研究和實(shí)現(xiàn)鉆井工程數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)和可視化，隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的可視化和解釋，鉆遇地下地質(zhì)對(duì)象的可視化和分析等。深入研究了隨鉆過(guò)程的工程過(guò)程及關(guān)鍵技術(shù)，得到了隨鉆鉆井及測(cè)井過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的獲取、表示方法，基于Web服務(wù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了多源隨鉆信息的可視化。解曉明[12]針對(duì)工程全壽命周期的運(yùn)維管理進(jìn)行了研究，從進(jìn)度、質(zhì)量、成本管理方面分析了BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決了運(yùn)維過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提高了項(xiàng)目的可控性和管理的效率。

總結(jié)上述問(wèn)題得出，現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)公路隧道信息化運(yùn)維管理顯得很有必要。它不僅能提高監(jiān)測(cè)效率，而且能夠節(jié)省人力和大大增加病害監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)運(yùn)維階段公路隧道出現(xiàn)的病害問(wèn)題，以BIM技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋傳感器等技術(shù)手段，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于解決目前管理中存在的技術(shù)落后、效率低的問(wèn)題。

二、BIM技術(shù)在公路隧道運(yùn)維階段的應(yīng)用

現(xiàn)階段我國(guó)在公路隧道信息化運(yùn)維管理中仍存在很多不足，主要存在以下幾個(gè)方面原因：第一，老舊的公路隧道設(shè)計(jì)施工缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料、新建的信息化程度還比較有限，構(gòu)建完整的信息化數(shù)據(jù)鏈比較困難；第二，有關(guān)公路隧道信息化運(yùn)維管理方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善；第三，缺少公路隧道運(yùn)維安全預(yù)警的信息化標(biāo)準(zhǔn)，使得在運(yùn)行過(guò)程中難以判定安全和事故病害原因，進(jìn)而很難制定有效應(yīng)對(duì)病害的管理方案。

建筑信息模型（BIM）在統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建實(shí)體物理模型，并在實(shí)體模型中存入、提取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)在模型中信息的儲(chǔ)存、提取與查看[13]。

BIM技術(shù)在公路隧道運(yùn)維管理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：第一，在公路隧道建設(shè)初期，將設(shè)計(jì)圖紙導(dǎo)入BIM模型中，共享工程設(shè)計(jì)、施工等信息；第二，利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立BIM虛擬仿真模型，實(shí)現(xiàn)可視化的管理方目的；第三，將公路隧道建設(shè)過(guò)程中各專業(yè)的過(guò)程信息整合到BIM信息平臺(tái)上，信息共享，解決各專業(yè)之間溝通不暢的問(wèn)題；第四，BIM技術(shù)將公路隧道全壽命周期的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，便于后期查閱工程信息，從而解決信息斷流的問(wèn)題。

三、新型攝像系統(tǒng)的暢想

BIM建立的建筑模型在隧道運(yùn)維中為其他設(shè)施提供了一個(gè)平臺(tái)，BIM具有的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[14]。根據(jù)工程對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的相關(guān)要求，依據(jù)建立的BIM技術(shù)運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)施以BIM技術(shù)為背景的三維管理。針對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理、模擬實(shí)景培訓(xùn)、應(yīng)急管理等，將GIS、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和文中建立的BIM技術(shù)進(jìn)行高度的集成化，從而保障工程項(xiàng)目的管理實(shí)行人工智能化和信息自動(dòng)化[15]。利用BIM強(qiáng)大的功能，本文通過(guò)移植當(dāng)前其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)提出一種功能強(qiáng)大的攝像系統(tǒng)，可用于隧道日常監(jiān)控、維護(hù)和預(yù)警。

（一）基于聲音和影像的隧道監(jiān)控分析系統(tǒng)

當(dāng)前社會(huì)，信息化程度飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，而新的技術(shù)往往有著廣泛的應(yīng)用面。本節(jié)將人工智能領(lǐng)域的影像識(shí)別系統(tǒng)和聲音識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種新型隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

現(xiàn)代的影像系統(tǒng)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，手機(jī)行業(yè)、汽車行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。手機(jī)行業(yè)中的面部識(shí)別系統(tǒng)可以識(shí)別人臉，并美顏，甚至可以識(shí)別年齡。汽車行業(yè)中，像特斯拉依靠圖像語(yǔ)義分割（semantic image segmentation）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛，如圖1所示。圖像語(yǔ)義分割技術(shù)可以將畫面信息分為多塊，車輛通過(guò)分析有用畫面分析路況，對(duì)無(wú)用畫面即刻屏蔽，減少信息的處理量同時(shí)增加分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖像信息在別的領(lǐng)域已經(jīng)被充分分析，同樣隧道中可以移植這種技術(shù)，對(duì)過(guò)往車輛狀態(tài)進(jìn)行分析；另一方面，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在當(dāng)代也達(dá)到了一個(gè)新的高度。微軟公司有語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)微軟小娜，蘋果公司有siri，搜狗、百度都有自家語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。對(duì)聲音在軟件層面上分析，現(xiàn)在的聲音識(shí)別精確度已經(jīng)非常高。這種技術(shù)也可以用于分析隧道中的異常聲響，如車禍?zhǔn)鹿省?/p>

攝像技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于隧道的監(jiān)控，但是普通監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)只能提供畫面參考或只能簡(jiǎn)單對(duì)車輛異常情況提供預(yù)警。在隧道設(shè)置高精度攝像機(jī)，同時(shí)布置聲音傳感器，兩種信息同時(shí)傳輸?shù)紹IM平臺(tái)，在BIM平臺(tái)中移植影像信息處理技術(shù)和聲音識(shí)別技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)在后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一智能化分析，聲音與影像兩種信息交叉對(duì)比，相比只分析視頻影像，能夠提高識(shí)別準(zhǔn)確度，如圖2所示。

通過(guò)上述兩種技術(shù)的結(jié)合，BIM平臺(tái)可以對(duì)隧道中出現(xiàn)的車禍、火災(zāi)事故及時(shí)響應(yīng)，其原理示意圖如圖3所示。

（二）基于影像系統(tǒng)的隧道變形分析系統(tǒng)

自隧道施工完成通車后，其內(nèi)部變形一直是關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。由于隧道變形比較緩慢、周期長(zhǎng)，傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還有很多設(shè)置傳感器的方法，但這些方法需要單獨(dú)施工完成，并且造價(jià)較高，需要專業(yè)技術(shù)人員完成。眾所周知，公路和隧道在運(yùn)營(yíng)中，為實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)配道路安全運(yùn)營(yíng)，在此運(yùn)行路線中會(huì)布置較多的監(jiān)控?cái)z像機(jī)?；诖?，作者提出利用相關(guān)的攝像機(jī)，再結(jié)合當(dāng)下時(shí)興的三維掃描成像技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，不需要單獨(dú)使用專業(yè)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。該監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是三維掃描成像儀，如圖4所示。三維光學(xué)掃描儀按照其原理分為兩類，一種是“照相式”，一種是“激光式”，這兩種設(shè)備均不需要與被測(cè)物體接觸。通過(guò)兩臺(tái)或多臺(tái)高速相機(jī)，即可獲取三維數(shù)據(jù)，其照相式三維掃描儀的精度可達(dá)0.03mm。

在隧道的墻壁上布置三維掃描儀標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合攝像技術(shù)，在隧道的監(jiān)控?cái)z像機(jī)旁布置高速相機(jī)，攝像機(jī)通過(guò)同步截圖與高速相機(jī)共同組成拍照式三維掃描儀。在本系統(tǒng)中，攝像機(jī)既作為監(jiān)控用的攝像機(jī)又作為拍照式三維掃描儀的相機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。將三維掃描成像技術(shù)應(yīng)用到BIM中，得到三維模型，在不同的時(shí)間對(duì)三維模型進(jìn)行對(duì)比，可以得到隧道的變形情況，對(duì)隧道的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，掃描系統(tǒng)如圖5所示。

對(duì)隧道不同時(shí)段掃描對(duì)比，通過(guò)軟件進(jìn)行變形分析，利用分析云圖能清楚顯示不同區(qū)域的變形狀況。將實(shí)時(shí)的變形數(shù)據(jù)與隧道標(biāo)準(zhǔn)BIM三維模型進(jìn)行比對(duì)，可將某一隧道的變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出整個(gè)隧道的破壞程度。隨著科技的進(jìn)步，如果三維掃描技術(shù)達(dá)到足夠的精度還可以對(duì)隧道中混凝土的收縮、徐變情況進(jìn)行記錄，及時(shí)反饋到混凝土攪拌站，以促進(jìn)材料技術(shù)的進(jìn)步。

四、難點(diǎn)

本系統(tǒng)基于BIM技術(shù)對(duì)隧道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出建議，但由于當(dāng)前技術(shù)所限，以下幾點(diǎn)的研發(fā)可能會(huì)受到限制：第一，用于隧道高清晰度的攝像機(jī)。由于攝像機(jī)同時(shí)應(yīng)用于隧道三維掃描技術(shù)，要求攝像機(jī)有極高的分辨率。第二，影像—聲音分析系統(tǒng)及三維掃描系統(tǒng)與BIM接口的兼容性問(wèn)題。BIM廣泛應(yīng)用于建筑的信息化模型，而影像、聲音和三維掃描系統(tǒng)多用于工業(yè)和IT行業(yè)。

五、結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)當(dāng)前已有技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)，對(duì)隧道的運(yùn)維系統(tǒng)提出幾種可行方案。利用當(dāng)前聲音、影像識(shí)別技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)交通、災(zāi)害狀況時(shí)時(shí)分析、動(dòng)態(tài)決策和及時(shí)預(yù)警；通過(guò)三維掃描技術(shù)對(duì)隧道變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。相比傳統(tǒng)方案，本方法反應(yīng)更加靈敏，準(zhǔn)確度更高，省時(shí)省力且能夠做到全天候動(dòng)態(tài)測(cè)量。

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作者單位：洛陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院

責(zé)任編輯：尚丹