基于BIM技術的公路隧道運維協(xié)同管理平臺框架的研究

摘 要：近幾十年來，我國公路隧道建設的速度急劇增長，隧道數(shù)量的不斷增長對設施管理提出了挑戰(zhàn)，高速公路隧道由于運行環(huán)境差、設計壽命長、地理分布廣、多專業(yè)協(xié)同等原因，運維管理十分復雜。建筑信息模型（BIM）技術為解決行業(yè)遇到的挑戰(zhàn)提供了一種改變現(xiàn)狀的方案，但在現(xiàn)有文獻中罕見應用BIM技術解決隧道運營和管理公用設施的具體案例。對此，本研究基于BIM技術提出了一種新的管理框架，對促進運營階段隧道管理信息集成，檢查數(shù)據(jù)的采集、技術狀況評價、病害采集與處置、養(yǎng)護計劃制定與實施提供了有效的技術手段。

關鍵詞：隧道養(yǎng)護；BIM；協(xié)同管理；框架文章編號：2095-4085（2024）06-0233-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）是一項廣泛應用于建筑項目的技術，能夠在設計、施工、運維以及項目整個生命周期的發(fā)揮價值。BIM技術的應用對建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有諸多積極影響，包括經(jīng)濟、環(huán)境和社會等方面。近年來，工程界學者對BIM技術在建筑設施管理中的應用進行了大量的研究，特別是BIM技術與地理信息系統(tǒng)（GIS）、信息管理系統(tǒng)等跨專業(yè)技術的集成［1］。與建筑設施管理不同，公路隧道是一個線性建筑，涉及更多專業(yè)及管理角色，這使得運維管理的實施具有挑戰(zhàn)性。在目前的實踐中，BIM技術已經(jīng)廣泛應用于隧道的規(guī)劃、設計和施工階段。然而，學術界和工業(yè)界都很少利用BIM來協(xié)助公路隧道的運維管理，實現(xiàn)信息協(xié)同共享。為了解決這一問題，本研究提出了一個新的管理框架，在BIM技術的支持下，促進高速公路隧道的可持續(xù)運維。

1 基于BIM技術的公路隧道運維框架

基于BIM技術的公路隧道運維協(xié)同管理平臺由“隧道竣工模型、數(shù)據(jù)庫及功能模塊”組成。其中隧道的竣工模型是實現(xiàn)養(yǎng)護可視化的核心組件，不僅能夠可視化展示隧道結構和機電設施的三維信息，同時也是各類數(shù)據(jù)信息的載體；數(shù)據(jù)庫存儲海量數(shù)據(jù)，并提供查詢、檢索等基本服務；功能模塊是實現(xiàn)隧道三維展示、管理與協(xié)同、檢查、維修、安全與應急管理的內置模塊。

1.1 平臺的總體框架

平臺總體框架基于GIS平臺和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立B/S架構的的公路隧道運營管理系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸平臺，將隧道結構現(xiàn)場檢測、監(jiān)測、維護、維修數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心有機地鏈接為一個分布式的整體，同時遠程用戶可以通過Internet，對前端采集進行控制、配置?，F(xiàn)場測站、外業(yè)巡檢養(yǎng)護終端通過互聯(lián)網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)實時傳輸至云計算數(shù)據(jù)中心，進行集中存儲管理；使用者通過PC端WEB瀏覽器、終端APP等遠程訪問客戶端可以直接獲得隧道結構的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能對隧道的應急響應進行可視化調度。整個系統(tǒng)利用GIS技術實現(xiàn)空間信息和非空間信息的集成，即存儲、顯示、查詢、分析和表示各種與隧道結構相關聯(lián)的信息。

1.2 平臺邏輯框架

結合公路隧道運維管理的業(yè)務功能，將隧道運營管理系統(tǒng)從邏輯上劃分為五層。分別為BIM模型、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口、綜合管養(yǎng)應用系統(tǒng)、信息展示交互。

1.2.1 BIM模型

建立隧道BIM模型，虛擬地呈現(xiàn)隧道3D外觀并輸入養(yǎng)管信息。針對每種類型的設施部件，規(guī)范的養(yǎng)護需求進行結構化和分類。應用編碼將模型元素與養(yǎng)護需求以及文檔鏈接。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口

采用分布式的數(shù)據(jù)存儲與管理模式，對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行管理，并保障高效的訪問利用，提供海量數(shù)據(jù)的存儲和管理；建立適用于隧道綜合管養(yǎng)的數(shù)據(jù)預處理方法和數(shù)據(jù)庫集群，管理系統(tǒng)中的專業(yè)數(shù)據(jù)。包括海量數(shù)據(jù)存儲管理設計、數(shù)據(jù)庫備份還原策略設計、面向大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)倉庫設計、數(shù)據(jù)預處理和二次處理設計等。

1.2.3 綜合管養(yǎng)應用系統(tǒng)

通過對隧道管理需求的實地調查和對先行隧道養(yǎng)護規(guī)范的解讀，提出了公路隧道管理系統(tǒng)框架下的業(yè)務模板，主要功能模塊包括檔案管理、養(yǎng)護檢查管理、養(yǎng)護維修、安全與應急管理。

1.2.4 信息展現(xiàn)交互

BIM平臺遵循手機移動優(yōu)先、多終端可用、多層次展示的方式。通過APP端收集數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)錄入的工作量。在多終端協(xié)同方面，開發(fā)手機APP、微信公眾號、巡檢設備、電腦端等多個終端應用系統(tǒng)，針對不同用戶的展示需求，開發(fā)出既可應用于業(yè)務管理的三維協(xié)同平臺，也可用于形象展示的三維虛擬演示平臺。

2 公路隧道運維協(xié)同管理功能設計

2.1 功能需求

公路隧道健康監(jiān)測具有傳感器數(shù)量多、監(jiān)測的構件多，監(jiān)測系統(tǒng)界面用戶體驗差的特點。由于健康監(jiān)測系統(tǒng)的封閉性特點，存在監(jiān)測數(shù)據(jù)與養(yǎng)護管理脫節(jié)，傳感器設備維護與機電設備養(yǎng)護脫節(jié)的現(xiàn)實問題［2］。

同時由于隧道地理分布長，缺乏熟練的維護人員及基于規(guī)范的標準化檢測、維修流程，在運營管理過程中缺乏數(shù)字化手段，隧道日常檢查、經(jīng)常性檢查沒有得到足夠的重視，同時存在養(yǎng)護措施不到位的情況，公路隧道管理與運營安全面臨挑戰(zhàn)。

BIM以3D模型為介質，既包含隧道結構、設備、設施信息，也包含外部環(huán)境信息。將BIM模型和隧道運營管理數(shù)據(jù)庫集成在一起，便于信息的訪問和利用，本研究通過對隧道管理需求的實地調查和對先行隧道養(yǎng)護規(guī)范的解讀，研究了隧道運維管理的功能需求：

（1）信息實時采集：通過傳感器、監(jiān)控設備實時采集結構響應、環(huán)境特征數(shù)據(jù)、車流量數(shù)據(jù)，基于人工智能、圖像識別技術，將視頻攝像應用于隧道巡檢工作，實現(xiàn)隧道的自動、定期巡查，以減少目前繁重的人工巡檢工作。

（2）有效的信息整合與分發(fā)：通過輕量化數(shù)據(jù)分發(fā)技術，實現(xiàn)基于BIM模型數(shù)據(jù)整合、流暢顯示和養(yǎng)管數(shù)據(jù)快速分發(fā)。

（3）信息可視化管理：將隧道運維信息可視化，基于3D模型，顯示設備及管道運行狀態(tài)、合同信息、安全信息、維修進度、成本控制等信息。

（4）安全自動監(jiān)控報警：隧道需要采集溫濕度、含氧量、混凝土裂縫、變形或位移等參數(shù)。此外，還需要監(jiān)測管道爆裂、超載、車輛撞擊、火災等情況，當有報警產(chǎn)生時，系統(tǒng)可實時獲取各類報警事件的數(shù)據(jù)及圖像并通知相關人員。

2.2 功能設計

2.2.1 檔案管理

公路隧道在長時間的運營階段，交付的文檔格式來源多、形式異構，管理難度大。施工階段過后，文件丟失、多版本現(xiàn)象頻繁發(fā)生。工程文檔是至關重要的，因為它包含了隧道結構和設備的信息。為避免在維修加固和應急救援過程中，因信息不準確、不完整而造成人力、物力浪費或反應滯后，建設電子文檔檔案數(shù)據(jù)庫十分重要，數(shù)據(jù)庫包括竣工圖紙、BIM模型、檢查資料、養(yǎng)護維修以及招標資料等。在項目電子文檔檔案模塊中，3D模型為竣工模型，各類工程養(yǎng)護資料均通過編碼與竣工模型掛接。

2.2.2 養(yǎng)護檢查

隧道養(yǎng)護檢查根據(jù)規(guī)范可分為：日常檢查、經(jīng)常性檢查、定期檢查、特殊檢查。基于BIM技術公路隧道運維協(xié)同管理平臺，實時導入檢查數(shù)據(jù)并在三維模型中進行展示，實現(xiàn)隧道結構狀態(tài)、病害信息的可視化展示與追蹤［3］。

2.2.3 養(yǎng)護維修

隧道土建結構的養(yǎng)護維護包括日常清潔、保養(yǎng)，定期維護，預防性維護維修。日常清潔保養(yǎng)的目為保持隧道路面清潔暢通，排水設施疏浚淤積，交通標志完整、清晰醒目，機電設備處于無滲水的工作狀態(tài)；定期維護和預防性維護維修，旨在維護和恢復隧道結構的功能，清除松動的巖石和泥土、修補襯里裂縫的輕微損壞、清理排水系統(tǒng)等。設備維護和維修是對機電設備的完整性進行檢查，以確定所需的維護措施，并在發(fā)生故障后對設備或部件進行維修和更換。

將BIM技術應用于隧道養(yǎng)護工程質量管控中，拆解養(yǎng)護工程施工工藝操作流程和質量控制要點，形成標準化養(yǎng)護工藝流程，既能從整體上把握養(yǎng)護工程質量，又能形成對構件質量的監(jiān)督。在BIM模型的支持下，工程養(yǎng)護的整體質量、局部構件質量能夠清晰、明確地在3D模型中呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)對隧道工程養(yǎng)護質量的有效管理。

2.2.4 安全與應急管理

隧道的安全管理包括運輸組織、維護工作和突發(fā)事件期間的安全保護。采用監(jiān)視、監(jiān)控、人員檢查等手段，通過BIM協(xié)同管理平臺可及時掌握異常情況，做出判斷和應對措施。BIM協(xié)同管理平臺可實現(xiàn)災害、突發(fā)事件、應急預案的模擬展示，可對突發(fā)事件進行快速定位，模擬應急路線。災害發(fā)生后，BIM可以為應急救援提供支持，利用BIM技術三維可視化動態(tài)的特點，救援負責人通過協(xié)同管理平臺進行指揮，向救援人員提供災害的實時信息，在接收到災害發(fā)生的詳細情況之后，救援人員根據(jù)應急預案采取科學的救援方案，開展救援疏散，減少人員傷亡。遇到設備異常的情況，技術人員可利用BIM技術快速定位設備的位置，顯示設備的布設情況，有效緩解災害事件，減少二次事故的發(fā)生。

2.2.5 歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢融入在每個檢查和養(yǎng)護模塊中，可以根據(jù)橋梁結構、病害類型、時間等維度對巡檢養(yǎng)護信息進行查詢；并提供GIS地圖查詢的方式，可以通過GIS信息管理對橋梁和病害以及巡檢養(yǎng)護人員進行實時、歷史查詢?；贐IM技術的公路隧道運維協(xié)同管理平臺采用基于B/S架構的遠程訪問功能，具有采集數(shù)據(jù)的事實監(jiān)測與預警功能，歷史數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計功能，以及整個系統(tǒng)的軟、硬件的工作狀態(tài)監(jiān)控，方便用戶維護系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)安全

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供嚴格的數(shù)據(jù)庫恢復和事務完整性保障機制，提供完整的角色管理和自主控制安全機制。同時支持軟、硬件容錯，邏輯備份與恢復，物理備份與恢復，在線聯(lián)機備份和恢復等功能，保證在發(fā)生故障和災難后能夠很好地恢復或重構數(shù)據(jù)庫。

為確保系統(tǒng)網(wǎng)絡訪問安全，利用防火墻技術界定網(wǎng)絡邊界、傳輸加密技術實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)信息傳遞。

3.1 訪問控制

為了實現(xiàn)不同的業(yè)務組織訪問不同的網(wǎng)絡資源，可以采用VLAN和域控制器的方法，限制用戶訪問服務器的權限。在局域網(wǎng)內，對于可以訪問系統(tǒng)的一組終端單獨劃分VLAN，只有這些VLAN才可以通過網(wǎng)絡訪問到WEB服務器，不能直接訪問應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器。

3.2 防火墻

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡邊界安全，確保整個內部網(wǎng)絡中設備和應用的安全，采用硬件防火墻提供安全保障，在防火墻上設置服務映射［4］。

3.3 傳輸加密

平臺采用的是B/S架構，客戶端通過IE瀏覽器實現(xiàn)對應用系統(tǒng)的訪問。為了避免明文傳輸帶來的安全隱患，應用軟件平臺提供SSL機制對在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，提供數(shù)據(jù)流的認證、機密性和完整性，以防敏感數(shù)據(jù)在傳輸過程中被泄露及篡改。

4 數(shù)據(jù)權限安全

4.1 數(shù)據(jù)的訪問權限

基于BIM技術的公路隧道運維協(xié)同管理平臺是一個大型的分布式數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)，它包括信息量巨大以及不同程度的信息敏感度，各種有訪問需求的用戶，使得其安全管理非常復雜?；诮巧南到y(tǒng)安全控制模型是目前國際上流行的先進的安全管理控制方法。平根據(jù)需要定義各種角色，并設置合適的訪問權限，而用戶根據(jù)其責任和資歷再被指派為不同的角色。這樣，整個訪問控制過程就分成兩個部分，即訪問權限與角色相關聯(lián)，角色再與用戶關聯(lián)，從而實現(xiàn)了用戶與訪問權限的邏輯分離，如下圖所示，角色可以看成是一個表達訪問控控制策略的語義結構，它可以表示承擔特定工作的資格。

在用戶權限管理中，可以查詢用戶信息、新增用戶、修改用戶信息以及刪除用戶。系統(tǒng)建立后，將會根據(jù)公路隧道運維協(xié)同管理平臺的管理職責及工作界面劃分，建立各職能部門的基本信息。按照管理角色及職責為不同用戶設置相應權限，并配置對應的系統(tǒng)使用功能和辦公角色。

4.2 數(shù)據(jù)庫安全

數(shù)據(jù)權限是數(shù)據(jù)庫安全的關鍵。對于任何范圍內的數(shù)據(jù)，規(guī)定必須在授權情況下才能準許進行操作。

對于數(shù)據(jù)庫的操作可分為：擁有、只讀、只寫、讀寫、刪除等。一般這種權限是在一級上定義的，通過對視圖（View）的授權也可以對表的列定義訪問權限。

數(shù)據(jù)庫的用戶也是分組、分級的，數(shù)據(jù)庫管理員擁有全部特權，數(shù)據(jù)擁有者次之，數(shù)據(jù)查詢又均低一等。

在系統(tǒng)整個網(wǎng)絡用戶管理中，采用域管理模式對用戶進行集中管理。用戶須首先通過域控制安全系統(tǒng)認證獲得授權后，才能訪問網(wǎng)絡系統(tǒng)［5］。

5 結論

為了促進BIM在公路隧道運維中的應用，本文在現(xiàn)有相關研究的基礎上，提出了基于BIM技術的協(xié)同管理框架，該框架包含檔案管理、養(yǎng)護檢查管理、養(yǎng)護維修、安全與管理四個功能模塊，可輔助公路三隧道的可持續(xù)運維。各模塊數(shù)據(jù)通過BIM模型進行交換，隧道管理人員可以在做出管理決策前獲得完整、實時的信息?；谠摽蚣芟碌膮f(xié)同管理系統(tǒng)實現(xiàn)了隧道在運營管理工程中的信息實時采集、信息有效集成與分發(fā)、信息可視化管理和安全自動監(jiān)控報警四個目標，可為隧道養(yǎng)管單位科學高效地制定維護策略提供信息化支持。

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