BIM+GIS技術(shù)在公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

編者按：為了解決高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)維護(hù)量大、效率低、成本高的問題，文章引入BIM+GIS技術(shù)，借助BIM+GIS技術(shù)的可視化和共享數(shù)據(jù)信息的功能，整合了高速公路隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)庫信息，通過BIM+GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速公路隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)維綜合管理平臺的構(gòu)思。文章提出了BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建高速公路隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)維的綜合管理平臺和多方面功能的構(gòu)思。根據(jù)多年高速公路機(jī)電工程從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，探索了在高速公路機(jī)電工程維護(hù)階段引進(jìn)BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行管理的可能性和必要性，分析了BIM+GIS在機(jī)電工程管理中的具體應(yīng)用，論證了BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用的可行性和實(shí)用性，展望了BIM+GIS技術(shù)在高速公路機(jī)電工程施工中的應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景。

課題研究的現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1988年，我國內(nèi)地建成了第一條高速公路，實(shí)現(xiàn)了零突破，此后，我國高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，截至2013年12月底，我國高速公路總里程達(dá)104468km，已經(jīng)超越了美國的9.2萬km，居世界第一。

雖然我國高速公路總里程位居全球第一，但是高速公路隧道設(shè)施的運(yùn)維成本占設(shè)施全壽命周期成本的80%左右，且運(yùn)維中故障發(fā)生的概率都是隨機(jī)的，而傳統(tǒng)的設(shè)施管理辦法是監(jiān)控管理和設(shè)施數(shù)據(jù)庫管理分開獨(dú)立的，有些地方還存在手工文檔管理的模式。

目前，我國高速公路管理機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備養(yǎng)護(hù)主要依靠養(yǎng)護(hù)人員日常人工巡檢，各類資料仍主要以書面紙質(zhì)存檔為主，不便于記錄、查詢、保存，尤其不利于數(shù)據(jù)資源的收集與共享，亟需更好的信息化工具為高速公路機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備養(yǎng)護(hù)管理提供長久有效的支持，提升高速公路養(yǎng)護(hù)的信息化、智能化程度勢在必行。

課題研究的內(nèi)容

本文主要討論BIM+GIS技術(shù)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用。通過討論BIM+GIS技術(shù)集成，構(gòu)建三維立體、智慧、可感知的建筑運(yùn)維服務(wù)管理平臺。從而實(shí)現(xiàn)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維階段的智慧管養(yǎng)。進(jìn)而論證了BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)中的必要性和可行性。

課題研究的意義

在我國社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時(shí)期，高速公路建設(shè)所起到的關(guān)鍵作用更加凸顯，在機(jī)電工程建設(shè)技術(shù)不斷革新的背景下，對我國高速公路建設(shè)帶來了一定的挑戰(zhàn)。目前，BIM技術(shù)在國外的工程管理上已得到大量應(yīng)用，其產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益得到業(yè)界廣泛關(guān)注和普遍認(rèn)可。

傳統(tǒng)使用的工程管理系統(tǒng)，手二維平面模型或不精確的三維模型對系統(tǒng)拆分的限制，在管理中往往是以某個(gè)系統(tǒng)分部或者節(jié)點(diǎn)作為最小管理單位來進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的信息及管理，其精確性、可視性和交互性不足，使得發(fā)生故障時(shí)不能為維護(hù)人員提供和傳達(dá)直觀的信息和位置，從而影響工作效率。而BIM+GIS技術(shù)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維階段有明顯的優(yōu)勢，鑒于其管養(yǎng)需要很大的成本支撐，借助BIM模型可以有效組織和管理隧道養(yǎng)護(hù)階段的資源，同時(shí)，通過GIS技術(shù)搭建外圍地理環(huán)境信息庫，為隧道工程的綜合管養(yǎng)提供科學(xué)支撐。因此，運(yùn)用先進(jìn)的新技術(shù)，加強(qiáng)高速公路機(jī)電集成，達(dá)到降本增效就顯得極為重要。

因此，BIM模型和GIS技術(shù)的集成應(yīng)用，對于全面掌握隧道的運(yùn)營安全、可靠、穩(wěn)定以及有效利用資源具有降本增效的重要意義。此外，我們在高速公路機(jī)電工程建設(shè)管理中應(yīng)用高科技的BIM+GIS技術(shù)有利于我們提升高速公路運(yùn)行中機(jī)電系統(tǒng)的工作效率，為我國交通事業(yè)的發(fā)展提供助推力。

隧道機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)概述

概述

目前，建筑行業(yè)項(xiàng)目的常見生命周期分為四部分，即規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段、施工建設(shè)階段、運(yùn)營與維護(hù)階段和報(bào)廢拆除階段。其中，運(yùn)維階段的資金成本構(gòu)成了建筑全生命周期的絕大部分，占總成本的82.5%。

由此可見，運(yùn)維階段是項(xiàng)目生命周期的重要組成部分，其管理是否高效是項(xiàng)目運(yùn)維階段首要考慮的問題。但是我國目前建筑行業(yè)管理模式粗放，傳統(tǒng)的運(yùn)維管理與服務(wù)主要是通過簡單的二維或三維圖形和紙質(zhì)資料匯總來保存建筑項(xiàng)目各個(gè)階段的信息資料，以滿足項(xiàng)目在運(yùn)維階段的管理需求，顯然，這種方式存在很多的弊端，主要體現(xiàn)在：

（1）建筑運(yùn)維信息保存時(shí)間有限，易丟失或篡改，其準(zhǔn)確性與安全性無法保障。

（2）運(yùn)維數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大、周期長、內(nèi)容層次復(fù)雜，數(shù)據(jù)量往往很龐大，在查找時(shí)需要閱讀大量信息，因而效率低。

（3）運(yùn)維數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)縱向關(guān)聯(lián)，例如，涉及到設(shè)計(jì)變更，變更信息難以及時(shí)反饋到圖紙上。

（4）運(yùn)維階段管理與服務(wù)難度和經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本提高的主要原因是運(yùn)維階段數(shù)據(jù)的集成與傳遞缺少高效管理。

因此，項(xiàng)目建設(shè)階段就需要建立建筑設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)庫，完善運(yùn)維管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)運(yùn)維服務(wù)存在的問題，構(gòu)建三維立體、智慧、可感知的建筑運(yùn)維服務(wù)平臺。

1.BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)、集成建筑工程項(xiàng)目相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，包含了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程的參數(shù)信息。BIM技術(shù)模型能夠整合分散信息源，為隧道的智慧管養(yǎng)提供有效的數(shù)據(jù)支撐和可視化檢測。

2.GIS技術(shù)

GIS地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）有時(shí)又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

GIS是以空間分析、空間數(shù)據(jù)庫和三維可視化為核心，以地理空間數(shù)據(jù)為對象進(jìn)行存儲、管理、分析、顯示和描述的信息系統(tǒng)。目前，應(yīng)用GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)出了公路隧道信息管理系統(tǒng)，為用戶提供了準(zhǔn)確的“建、管、養(yǎng)、運(yùn)”數(shù)據(jù)。

3.BIM+GIS技術(shù)的集成應(yīng)用

GIS側(cè)重于宏觀地理空間的信息表達(dá)，一般對于隧道內(nèi)部或結(jié)構(gòu)等信息采用生成外部模型的方式。因此，缺少隧道內(nèi)部信息，而BIM模型在構(gòu)架隧道三維空間信息和結(jié)構(gòu)性能方面有著強(qiáng)大的能力。

將BIM模型和GIS技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)BIM模型與二維、三維地理信息的交互融合，延長高速公路機(jī)電系統(tǒng)的使用壽命、降低高速公路機(jī)電系統(tǒng)維護(hù)成本、提高運(yùn)營管理效率，為運(yùn)營管理、科學(xué)決策提供技術(shù)支撐，最終實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的“智慧管養(yǎng)”。

在BIM+GIS模型中，可以隨時(shí)查看機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)、工作狀態(tài)、維護(hù)預(yù)案、維護(hù)記錄、維護(hù)路徑等信息，而且當(dāng)配套設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以快速、準(zhǔn)確地通過模型對故障設(shè)備進(jìn)行三維定位，幫助維護(hù)人員快速分析故障原因、調(diào)用并顯示相應(yīng)的解決方案。

隧道機(jī)電系統(tǒng)智慧管養(yǎng)系統(tǒng)平臺框架設(shè)計(jì)

公路隧道機(jī)電系統(tǒng)智慧管養(yǎng)系統(tǒng)平臺是基于BIM+GIS技術(shù)，獲取隧道基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、使用性能檢測、安全評估預(yù)警等功能。將現(xiàn)場業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及外場健康檢測設(shè)備的信息，融合云計(jì)算、云存儲、數(shù)據(jù)倉庫，以及大數(shù)據(jù)分析處理等技術(shù)，對隧道基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的生命周期、養(yǎng)護(hù)信息、運(yùn)行信息進(jìn)行深度挖掘、關(guān)聯(lián)分析與預(yù)測分析。建立系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施管養(yǎng)模型，通過BIM+GIS技術(shù)將隧道管養(yǎng)檢測信息可視化，為隧道養(yǎng)護(hù)部門提供有力的決策和支持。

隧道機(jī)電系統(tǒng)使用性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

公路隧道使用性能數(shù)據(jù)具有種類繁多、受環(huán)境因素影響等特性，主要包括隧道機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、隧道機(jī)電設(shè)備監(jiān)控檢測數(shù)據(jù)和隧道機(jī)電設(shè)備維修數(shù)據(jù)。

1.隧道機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

將隧道機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要是隧道種類、隧道機(jī)電系統(tǒng)組成，及公路隧道機(jī)電系統(tǒng)施工技術(shù)等信息分類整理后錄入數(shù)據(jù)庫中存儲。

2.隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施檢測系統(tǒng)

隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施處于健康狀態(tài)是保障隧道安全運(yùn)行的充分必要條件。該系統(tǒng)主要應(yīng)用傳感技術(shù)、自動化數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等構(gòu)建一個(gè)智能化的系統(tǒng)開展日常檢查、定期檢測、特殊檢測和專項(xiàng)檢測，為相關(guān)管理人員提供及時(shí)的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。隧道檢測系統(tǒng)主要包括：視頻檢測、車道線圈檢測、風(fēng)速風(fēng)向檢測、光亮度檢測、感溫光柵火災(zāi)檢測等部分，通過傳感技術(shù)、自動化數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為能夠進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與決策的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲于云平臺中。

3.隧道維修數(shù)據(jù)

隧道維修數(shù)據(jù)主要為隧道的維修記錄，包括維修內(nèi)容、維修工藝、材料等，采用三維分布模型對應(yīng)，從而有助于后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘與分析。

通過創(chuàng)建BIM模型集成隧道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及無線傳感器技術(shù)采集到的隧道監(jiān)控檢測數(shù)據(jù)和隧道維修數(shù)據(jù)等信息，融合多維GIS技術(shù)，形成多維度的信息模型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)管養(yǎng)信息的可視化。管養(yǎng)人員可通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)掌握隧道運(yùn)行屬性，了解隧道結(jié)構(gòu)、設(shè)備分布、維修記錄等信息。

4.隧道機(jī)電系統(tǒng)安全評估預(yù)警平臺

應(yīng)用GIS技術(shù)，采集隧道機(jī)電工程施工參數(shù)、隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測信息，將檢測到的信息和BIM模型進(jìn)行集成整合。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)層次的挖掘，并對未來隧道運(yùn)行進(jìn)行輔助分析評估，并對可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析、評估、告警，實(shí)現(xiàn)主動實(shí)時(shí)的安全管控，如圖2所示。

將隧道檢測系統(tǒng)得出的檢測結(jié)果分別傳輸?shù)皆O(shè)在現(xiàn)場和設(shè)在管理中心的計(jì)算機(jī)上。使用預(yù)測模型和關(guān)聯(lián)分析，對檢測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，形成不同的評價(jià)方法，對準(zhǔn)則層的危險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分，從而得出目標(biāo)層的危險(xiǎn)等級。最終形成隧道安全分級的預(yù)警體系，同時(shí)對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正，最終形成目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用平臺。

結(jié)論

基于BIM+GIS技術(shù)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)維過程中的信息數(shù)據(jù)靜態(tài)和動態(tài)管理，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以節(jié)省大量的運(yùn)維階段的人力物力，大大提高運(yùn)維管理的工作效率和質(zhì)量。本文通過對目前BIM+GIS技術(shù)在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討，得出結(jié)論：基于BIM提供的信息共享展示平臺，應(yīng)用BIM建模技術(shù)，利用高速公路機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)備信息的BIM+GIS模型對高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的設(shè)備信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢與匯總，從而建立設(shè)備運(yùn)維管理與服務(wù)數(shù)據(jù)庫，通過BIM提供的運(yùn)維數(shù)據(jù)模型共享平臺，使參與高速公路機(jī)電系統(tǒng)管理、維護(hù)等參與方對系統(tǒng)的運(yùn)營與維修的管理服務(wù)信息進(jìn)行共享，實(shí)現(xiàn)智能、高效且直觀的操作和維修服務(wù)高度集成到平臺化管養(yǎng)。

這不僅消除了傳統(tǒng)信息不對稱弊端，而且平臺化運(yùn)營可實(shí)現(xiàn)快速查詢、設(shè)備信息的數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計(jì)功能，大幅度延長運(yùn)維數(shù)據(jù)保存時(shí)間，提高數(shù)據(jù)信息反饋速度與安全性，為機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維管理節(jié)約時(shí)間、節(jié)約成本、提高工作效率。但是，該智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)尚處于初步階段，該階段的數(shù)據(jù)信息和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善，仍需繼續(xù)深入研究相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲、整合、優(yōu)化及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定等問題。進(jìn)一步完善運(yùn)維BIM+GIS展示平臺管理系統(tǒng)，以便盡早推廣應(yīng)用，服務(wù)于實(shí)體工程。

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作者簡介：胡永亮（1987—），甘肅白銀人，技術(shù)人員，助理工程師，現(xiàn)就職于甘肅隴原信息科技有限公司。