基于協(xié)同理念的BIM+GIS 橋梁定檢系統(tǒng)研究及業(yè)務(wù)流程開發(fā)

梁舜云LIANG Shun-yun；呂若丹LU Ruo-dan；汪軍WANG Jun

（①蜀道投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610095；②四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041）

0 引言

橋梁檢測是橋梁養(yǎng)護(hù)、維修、加固的信息前提，是決定維修與加固方案是否可靠的保證，也是橋梁評定、養(yǎng)護(hù)、維修與加固工作中必不可少的重要組成部分。橋梁檢測分為經(jīng)常性檢測、定期檢測和特殊檢測三種。定檢通常提供有關(guān)橋梁狀況的最新和最全面的數(shù)據(jù)，是維護(hù)計(jì)劃的關(guān)鍵輸入信息源。目前，橋梁定檢方法主要是傳統(tǒng)的人工檢測手段，存在諸多問題和弊病，如橋梁檢測數(shù)據(jù)采集仍然是手動檢測并紙質(zhì)記錄，質(zhì)量差，效率低，主觀性大[1]；原始數(shù)據(jù)線下記錄，錯(cuò)誤率高，且不易更改，無法多人協(xié)同，重復(fù)工作量大；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理工作量大，進(jìn)展遲緩，成果提交緩慢，檢測效率無法提升；檢測報(bào)告繁雜，整理工作量大，成果提交不規(guī)范不統(tǒng)一；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難，未形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，紙質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù)難追溯，難以匯總統(tǒng)計(jì)和分析；對檢測單位監(jiān)理工作繁重，缺乏橋梁檢測過程監(jiān)管等[2]。

1 國內(nèi)外橋檢技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

已有相關(guān)研究橋梁檢測的方法來解決當(dāng)前橋梁定檢的業(yè)務(wù)發(fā)展的各種問題，讓橋梁定檢信息化、數(shù)字化、智能化，提高效率和質(zhì)量。Javadnejad F 等人[3]將GIS 技術(shù)引入橋梁檢測中，開發(fā)了基于GIS 的BridgeDex 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了歷史橋梁圖像信息和多尺寸橋梁檢測圖像信息的集成。Zhu Z 等人[4]基于圖像分割技術(shù)將大尺寸墩柱通過多視場多圖像的融合，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測墩柱混凝土表面。湯懷勝[5]建立了橋梁信息資料庫以存儲信息，如基本信息、檢查信息、維護(hù)信息等，對橋梁構(gòu)件、病害信息等進(jìn)行了詳細(xì)的分類。吳曉輝[1]開發(fā)設(shè)計(jì)出了一個(gè)包含橋梁管理大部分業(yè)務(wù)流程的橋梁信息管理系統(tǒng)。針對橋梁管理員設(shè)計(jì)了基于Android 平臺的移動信息采集子系統(tǒng)，針對普通市民開發(fā)了基于微信小程序平臺的病害舉報(bào)子系統(tǒng)，針對決策人員開發(fā)了輔助決策子系統(tǒng)。

從當(dāng)前國內(nèi)橋檢業(yè)界，針對橋梁檢測信息化產(chǎn)品的研發(fā)，已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)，如招商橋梁智檢系統(tǒng)、遼寧院定檢系統(tǒng)等?？傮w來說，國內(nèi)橋檢系統(tǒng)在功能上主要服務(wù)于橋梁檢查，基本都實(shí)現(xiàn)了橋檢數(shù)據(jù)采集和處理的電子化、智能化，對橋檢數(shù)據(jù)采集、錄入和處理進(jìn)行有機(jī)集成，并有配套研制的橋梁定檢APP 用于數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)都基本能滿足橋梁定檢所需，可根據(jù)養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一、病害類型的統(tǒng)一，以及橋梁地理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化后實(shí)施。其他系統(tǒng)功能大同小異，有自己的特點(diǎn)，也有不足之處，包括系統(tǒng)底層基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不完整且建立費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用率較低，沒有真正支撐起橋梁全周期數(shù)字化應(yīng)用；規(guī)范內(nèi)置不完整、不合理，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高；數(shù)據(jù)采集的可操作性低，錄入病害的方式單一；系統(tǒng)功能可用性、易用性較差，沒有做到離線采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞與資源共享效率低；BIM+GIS 方面的應(yīng)用薄弱，沒有真正發(fā)揮BIM 技術(shù)的作用等諸多問題。

2 基于協(xié)同理念的BIM+GIS 橋梁定檢系統(tǒng)

鑒于以上行業(yè)痛點(diǎn)，本文引入?yún)f(xié)同與數(shù)字化理念，采用業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化思路與EBS+WBS 數(shù)據(jù)鏈等技術(shù)，研究基于協(xié)同理念的BIM+GIS 橋梁定檢系統(tǒng)。

2.1 協(xié)同工作

根據(jù)橋梁檢測和BIM 應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》《公路工程信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》等，按照橋梁檢測業(yè)務(wù)需求，建立統(tǒng)一橋梁協(xié)同檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表，包括EBS 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（圖1）、橋梁檢測病害庫、病害處置措施庫等。在橋梁檢測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能中調(diào)用基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集錄入，使得橋梁檢測工作在時(shí)間上和空間上實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)高效協(xié)同，保證集團(tuán)級或區(qū)域級的運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化，積累項(xiàng)目業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，支撐后續(xù)病害分析。同時(shí)，改變傳統(tǒng)橋梁定檢軟件的工作模式為業(yè)主主導(dǎo)、多方參與、協(xié)同工作，支持多家檢測單位、多家項(xiàng)目業(yè)主，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)檢測項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)作。

圖1 EBS 數(shù)據(jù)庫

2.2 EBS+WBS 數(shù)據(jù)鏈

根據(jù)待檢測橋梁結(jié)構(gòu)形式，利用EBS 類型庫劃分待檢測橋梁的EBS，并據(jù)此建立橋梁EBS 結(jié)構(gòu)樹。橋檢系統(tǒng)根據(jù)EBS 與WBS 映射關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動由EBS 生成WBS,構(gòu)建橋梁EBS-WBS 數(shù)據(jù)鏈[6]（圖2）。根據(jù)EBS-WBS 數(shù)據(jù)鏈建立現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)EBS 與橋梁定檢技術(shù)評定WBS 的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得橋梁檢測數(shù)據(jù)可傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)全周期數(shù)字化數(shù)據(jù)鏈條中。

圖2 EBS-WBS 數(shù)據(jù)鏈

2.3 BIM+GIS 集成融合

基于BIM+GIS 技術(shù)，將協(xié)同所獲取的病害數(shù)據(jù)、評分?jǐn)?shù)據(jù)、電子報(bào)告、業(yè)務(wù)開展情況（現(xiàn)場人員考勤、路線信息、統(tǒng)計(jì)信息）等在三維可視化系統(tǒng)總集成展示（圖3）。BIM+GIS 的三維場景融合可從宏觀上了解三類及以上的橋梁區(qū)域分布情況，也可從微觀層面了解病害構(gòu)件在橋梁中的位置。使分散、孤立的橋梁定檢信息能直觀、形象呈現(xiàn)，極大程度提高橋梁定檢業(yè)務(wù)開展的質(zhì)量和效率。

圖3 BIM+GIS 系統(tǒng)集成橋梁定檢數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)共享與數(shù)字化交付

2.4.1 數(shù)據(jù)共享

橋梁協(xié)同檢測系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的一大核心目標(biāo)是數(shù)據(jù)共享，包含四層含義：一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享，即根據(jù)橋梁檢測業(yè)務(wù)需要，將檢測涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建成基礎(chǔ)庫表，如病害庫、病害處置措施庫等，將這類數(shù)據(jù)向下沉淀，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)供給整個(gè)系統(tǒng)的不同功能使用，做到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享與利用；二是數(shù)據(jù)在不同終端、不同用戶、不同地域之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，這是基于云服務(wù)的軟件產(chǎn)品具備的基本特征；三是檢測過程中的數(shù)據(jù)共享，需要做到同一數(shù)據(jù)只錄入一次，在其他地方需要用的則調(diào)用數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)即可，避免重復(fù)錄入，提高數(shù)據(jù)利用率，讓數(shù)據(jù)共享即刻發(fā)揮作用；四是數(shù)據(jù)在不同階段之間共享，如EBS 是來自設(shè)計(jì)階段的，橋梁設(shè)計(jì)竣工圖是來自建設(shè)階段，兩類數(shù)據(jù)融合檢測數(shù)據(jù)，推送到養(yǎng)護(hù)運(yùn)營中用于橋梁養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營管理。

2.4.2 數(shù)字化交付

橋梁檢測交付的數(shù)據(jù)包含檢測橋梁信息（含EBS）、檢測原始數(shù)據(jù)（含WBS）、檢測報(bào)告、現(xiàn)場照片等信息，數(shù)據(jù)范圍涵蓋設(shè)計(jì)、檢測、運(yùn)維養(yǎng)護(hù)全過程。參與檢測全過程的單位很多，有建設(shè)方（企業(yè)）、檢測單位、運(yùn)營單位、養(yǎng)護(hù)單位等，不同單位交付的數(shù)據(jù)形式多樣，內(nèi)容有疊加，需要去除冗余數(shù)據(jù)，并按類庫的要求進(jìn)行組織，以確保能正確地加載到交付平臺，且關(guān)聯(lián)關(guān)系正確，實(shí)現(xiàn)有效的歸類存儲，供用戶瀏覽查詢。

交付的文檔屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)型數(shù)據(jù)，包括已蓋章的橋檢報(bào)告、圖形圖片、圖紙資料等，與交付的數(shù)據(jù)一樣，涵蓋設(shè)計(jì)、檢測、養(yǎng)護(hù)全過程，各單位提交前，應(yīng)按照數(shù)字化交付平臺要求調(diào)整文檔格式，如.docx、.dwg 等。

交付的三維模型是對橋梁工程及周邊地形地物的虛擬可視化表達(dá)，它包含但不限于橋梁結(jié)構(gòu)模型、周邊構(gòu)筑物模型、地形模型、設(shè)備模型等。為構(gòu)建這些種類繁雜的立體模型所使用的三維設(shè)計(jì)軟件如CREO、Solidworks、PDMS、TEKLA、Bentley、CATIA 等多達(dá)幾十種，因此需要將它們轉(zhuǎn)化為交付平臺要求的統(tǒng)一格式，并拼接成一個(gè)完整的模型。

通過數(shù)據(jù)傳遞與智能分析，實(shí)現(xiàn)針對橋梁健康狀況的自動評分，橋梁定檢報(bào)告自動生成，由紙質(zhì)報(bào)告交付模式變革為數(shù)字化交付。

3 橋檢業(yè)務(wù)流程開發(fā)

針對基于協(xié)同理念的BIM+GIS 橋梁定檢系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程開發(fā)，業(yè)務(wù)應(yīng)用主流程如圖4 所示。

圖4 橋梁定檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用主流程

3.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

為業(yè)主單位部署橋梁協(xié)同檢測系統(tǒng)，創(chuàng)建賬號、角色、組織，分配權(quán)限，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化。業(yè)主單位將待檢測的路線及相應(yīng)檢測橋梁信息向檢測單位開放，檢測單位統(tǒng)一使用橋梁協(xié)同檢測系統(tǒng)，創(chuàng)建檢測項(xiàng)目。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

檢測單位根據(jù)橋梁信息，應(yīng)用EBS 管理模塊快速標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建待檢測橋梁EBS 數(shù)據(jù)，后續(xù)所有檢測數(shù)據(jù)將基于統(tǒng)一的EBS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)同。

3.3 現(xiàn)場檢測

檢測人員通過APP（在線/離線）采集功能，調(diào)用項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過EBS 選擇對應(yīng)部位、部件、構(gòu)件，對病害種類、標(biāo)度、病害位置、病害照片等病害信息進(jìn)行模板化填報(bào)，系統(tǒng)自動生成病害數(shù)據(jù)記錄，并同步上傳云端服務(wù)器。

3.4 過程監(jiān)管

業(yè)主單位可通過APP 對現(xiàn)場檢測人員資質(zhì)（試驗(yàn)檢測工程師職業(yè)資格證書）、現(xiàn)場考勤及檢測進(jìn)度（按大類統(tǒng)計(jì)病害采集進(jìn)度）的監(jiān)管，保障項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度、質(zhì)量。

3.5 數(shù)據(jù)審查

現(xiàn)場檢測完成后，可在系統(tǒng)中對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、復(fù)核、修改、補(bǔ)充等操作，保障檢測數(shù)據(jù)的完整性及準(zhǔn)確性。

3.6 評分評級

外業(yè)采集完成后，檢測單位通過系統(tǒng)評分功能對橋梁進(jìn)行評分評級，系統(tǒng)自動根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/H21-2011）中的相關(guān)規(guī)定，對各構(gòu)件、部件、橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋梁總體技術(shù)狀況進(jìn)行評定，檢測單位專業(yè)技術(shù)人員也可對自動評定結(jié)果實(shí)施干預(yù)，根據(jù)專業(yè)判斷調(diào)整評定結(jié)果。技術(shù)評定基于橋梁EBS 自動生成的WBS 結(jié)構(gòu)樹完成，按照規(guī)范要求輸出評定結(jié)果。

3.7 成果輸出

橋梁檢測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作完成后，檢測單位通過使用系統(tǒng)的報(bào)告生成功能，能自動按標(biāo)準(zhǔn)化模板輸出橋梁檢測報(bào)告，系統(tǒng)生成的檢測報(bào)告經(jīng)檢測單位檢測工程師修改并內(nèi)部審核確認(rèn)后，出版裝訂蓋章并交付業(yè)主，掃描蓋章版可上傳至檢測系統(tǒng)歸檔。

3.8 統(tǒng)計(jì)分析

業(yè)主單位通過統(tǒng)計(jì)分析頁面可以實(shí)時(shí)、清晰地了解到橋梁的整體現(xiàn)狀，可以任意地導(dǎo)出相關(guān)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù)，如：主線橋的數(shù)量、長度統(tǒng)計(jì)，三類橋梁統(tǒng)計(jì)、單孔跨徑大于150m 的橋梁統(tǒng)計(jì)、主線橋梁長度的統(tǒng)計(jì)。檢測人員和管理人員通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可直觀查閱檢測橋梁病害情況，并對檢測項(xiàng)目進(jìn)行管理，同時(shí)分析結(jié)果支撐專業(yè)技術(shù)判定。（圖5）

圖5 檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.9 可視化顯示

系統(tǒng)以EBS 為中心將檢測數(shù)據(jù)、BIM 模型等形成數(shù)據(jù)鏈，通過BIM+GIS 可視化呈現(xiàn)橋梁各個(gè)部位、部件、構(gòu)件的健康狀況及檢測數(shù)據(jù)，讓管理者對橋梁檢測情況一目了然（圖6）。

圖6 檢測路線、項(xiàng)目及數(shù)據(jù)三維可視化展示

4 結(jié)語

基于協(xié)同理念的BIM+GIS 橋梁定檢系統(tǒng)引入?yún)f(xié)同工作理念，支撐橋檢業(yè)務(wù)參與各方實(shí)時(shí)協(xié)同支撐橋檢業(yè)務(wù)參與各方的實(shí)時(shí)協(xié)同，以橋梁構(gòu)件編碼的統(tǒng)一系統(tǒng)化、檢測數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化、檢測數(shù)據(jù)處理的自動化、檢測交付成果的數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)檢測業(yè)務(wù)全過程數(shù)字化及橋梁病害的智能化跟蹤數(shù)據(jù)。通過EBS+WBS 數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)組織，既保證了數(shù)據(jù)滿足與BIM 模型數(shù)據(jù)融合，又保證了數(shù)據(jù)滿足檢測業(yè)務(wù)需求，使檢測數(shù)據(jù)可在BIM+GIS 系統(tǒng)中集成展示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化交付，由紙質(zhì)報(bào)告交付模式變革為數(shù)字化交付，所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、BIM 模型均可作為交付物，提高交付范圍和質(zhì)量。橋檢工作檢測工作由結(jié)果管理變革為過程管理。相應(yīng)開發(fā)的橋梁業(yè)務(wù)流程高效支撐了橋檢業(yè)務(wù)的開展和管理。