基于BIM與知識圖譜的深基坑施工安全風(fēng)險識別研究

胡園園 劉俊生 王行風(fēng)

(1.南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019;2.中國礦業(yè)大學(xué)與環(huán)境測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.自然資源部國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,我國城市地下空間開發(fā)應(yīng)用的規(guī)模在不斷擴(kuò)大,這對深基坑工程的安全實施以及協(xié)調(diào)管理提出了巨大挑戰(zhàn),也對深基坑施工安全風(fēng)險評估提出了更高效、更專業(yè)和更準(zhǔn)確的要求,開展針對深基坑施工安全風(fēng)險智能識別和評估已經(jīng)成為行業(yè)的迫切需求。

受益于大數(shù)據(jù)、信息化以及物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技的發(fā)展,深基坑施工監(jiān)管已經(jīng)進(jìn)入了一個智能感知、大數(shù)據(jù)的時代[1-3],但由于深基坑工程的風(fēng)險安全評估涉及到生產(chǎn)、施工、監(jiān)測、地質(zhì)等多方面的知識,專業(yè)跨度大、分析對象之間關(guān)系復(fù)雜、安全規(guī)范繁雜、評估模型多樣等特點,使得目前的安全風(fēng)險評估大多依然依賴專家經(jīng)驗,因此不可避免地存在主觀、低效、海量數(shù)據(jù)挖掘和利用力度不足等問題,距離智能識別、智慧推理尚有很大的差距。BIM 是建筑和工程領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一,近年來已被大量應(yīng)用于基坑模型設(shè)計[4-5]、監(jiān)測[6-7]、預(yù)警[8]、施工[9-11]以及管理[12-14]的深基坑施工監(jiān)管的各個階段,但該類系統(tǒng)多注重數(shù)據(jù)采集,強(qiáng)調(diào)可視化表達(dá),BIM 模型中所蘊(yùn)含的知識尚未得到有效挖掘,BIM 模型的應(yīng)用價值有待進(jìn)一步提升。地學(xué)知識圖譜的概念于20世紀(jì)90年代提出以來[15-16],就以其強(qiáng)大的語義處理能力和開放組織能力,為大數(shù)據(jù)時代信息的智能應(yīng)用提供了有效工具,國內(nèi)外學(xué)者已在圖譜構(gòu)建、圖譜推理以及圖譜應(yīng)用等方面開展了探索[17-18],取得了一定的研究成果。近年來,基于知識圖譜的智能應(yīng)用、圖譜推理、安全評估等已經(jīng)成為建筑行業(yè)的研究熱點之一。

針對以上研究存在的不足以及發(fā)展趨勢,本研究基于深基坑工程項目管理實踐,集成監(jiān)測感知、人工巡檢、施工進(jìn)度、地質(zhì)、安全要求及綠色施工等關(guān)鍵管理要素,采用基于BIM 和知識圖譜的深基坑安全風(fēng)險智能識別技術(shù)和方法,探索融合BIM 和知識圖譜的地下深基坑工程領(lǐng)域的協(xié)同監(jiān)管新模式,以提升我國城市深基坑風(fēng)險安全識別管理的技術(shù)水平和應(yīng)用能力。

1 集成BIM 的深基坑施工安全風(fēng)險識別知識圖譜框架

1.1 深基坑施工安全風(fēng)險識別知識構(gòu)成

知識圖譜是一種結(jié)構(gòu)化的語義網(wǎng)絡(luò),其利用實體、關(guān)系、屬性等基本單元描述物理世界中對象之間的相互關(guān)系[19],本研究針對深基坑施工安全風(fēng)險識別的實際需求,綜合和參考相關(guān)學(xué)者的研究成果[20-22],將深基坑施工安全風(fēng)險知識劃分為兩大類(表1):① 實體對象類知識,主要包括工程對象、關(guān)聯(lián)對象以及環(huán)境對象,分別指深基坑施工工程,地質(zhì)環(huán)境,場地周邊的管網(wǎng)、地下水、居民樓、天氣以及地形等;② 認(rèn)知類知識,多通過專業(yè)理論、評估模型、施工方案、工作安全以及安全事故經(jīng)驗等進(jìn)行綜合分析或提取所得,可進(jìn)一步劃分為規(guī)范知識、工作安全知識、事故案例類知識。這兩大類知識之間相互作用、相互關(guān)聯(lián),共同影響著深基坑施工的安全狀況。

表1 深基坑風(fēng)險評估實體類型、結(jié)構(gòu)和屬性Table 1 Safety risk identification entity type,structure and attributes of foundation pit

1.2 集成BIM 的深基坑施工安全風(fēng)險識別知識圖譜框架

本研究結(jié)合深基坑施工安全風(fēng)險識別評估的需求,結(jié)合深基坑安全施工要求,顧及BIM 模型特點和監(jiān)測感知信息數(shù)據(jù)集,采用自頂向下的方式進(jìn)行實體識別與關(guān)聯(lián)、語義屬性邏輯映射、關(guān)系抽取等工作,構(gòu)建了基于BIM 的深基坑施工安全風(fēng)險識別的知識圖譜框架(圖1),主要包括知識抽取、知識表示、知識融合、知識存儲和知識應(yīng)用等5 個部分。

圖1 深基坑風(fēng)險安全識別知識圖譜總體框架Fig.1 General framework of knowledge graph for risksafety identification of deep foundation pit

(1)知識抽取。知識提取是知識圖譜構(gòu)建過程中的核心模塊,主要是從施工工程、周邊環(huán)境、事故案例、施工方案、監(jiān)測感知、風(fēng)險識別模型與風(fēng)險防控策略等方面入手,挖掘其中蘊(yùn)含的風(fēng)險知識,明晰知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等,為構(gòu)建知識圖譜奠定基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同,可以采用結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化方式分別提取。認(rèn)知類知識可以從安全規(guī)范、工作條件、施工方法、事故經(jīng)驗以及評估模型等專業(yè)領(lǐng)域知識中,采用數(shù)理統(tǒng)計等方法定義實體對象類型,并進(jìn)行相關(guān)屬性信息抽取,進(jìn)而確定知識概念對象之間的邏輯關(guān)系特征,構(gòu)建深基坑施工風(fēng)險安全識別知識圖譜概念模型。實體對象類知識則主要根據(jù)深基坑施工BIM 模型,利用GIS 技術(shù)提取工程對象、工程對象之間以及工程對象與關(guān)聯(lián)對象、周邊對象之間的拓?fù)潢P(guān)系,對接深基坑施工階段信息與監(jiān)測感知數(shù)據(jù),輔助提取、優(yōu)化和完善知識圖譜中的知識構(gòu)成,以方便與知識的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。

(2)知識表示。知識表示是面向深基坑施工安全風(fēng)險識別需求,明晰風(fēng)險識別過程中的實體對象集合,設(shè)計針對性的屬性特征,關(guān)聯(lián)實體對象及概念知識,選擇合適的知識描述方法(如語義網(wǎng)等方法)描述知識之間的關(guān)系[23],為深基坑施工安全風(fēng)險識別提供極為關(guān)鍵的幫助。

(3)知識融合。知識融合可以從實體、語義邏輯等方面入手,目的是解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、概念、特征以及關(guān)系表達(dá)方面的歧義和不一致,以實現(xiàn)知識圖譜中多源異構(gòu)信息的無礙溝通和交流。實體融合是通過將施工主體、關(guān)聯(lián)對象、場地周邊環(huán)境以及致險因子相關(guān)聯(lián),實現(xiàn)對象數(shù)據(jù)源的語義關(guān)聯(lián),明確各評估對象的風(fēng)險安全知識信息,確定對象之間的相互關(guān)系,進(jìn)而有效評估深基坑施工可能出現(xiàn)的風(fēng)險。語義邏輯融合主要采用數(shù)據(jù)同化方式,解決多源異構(gòu)信息中的屬性、特征、表達(dá)方式等不一致的問題,以實現(xiàn)評估對象屬性信息的統(tǒng)一操作和相互聯(lián)系。另外,工程技術(shù)的發(fā)展、施工方案的逐步優(yōu)化和完善、更有效的風(fēng)險管控措施等都會出現(xiàn)越來越多的安全知識,需要及時更新,需采取效果更明顯的控制措施。因此,系統(tǒng)需要實現(xiàn)知識的增量建模、更新融合以使其能夠更好地滿足知識圖譜概念模型的演進(jìn)與優(yōu)化需求。

(4)知識存儲。對所提取的認(rèn)知類知識、評估對象類知識以及知識之間的關(guān)系,一般可以利用圖/表進(jìn)行系統(tǒng)地存儲,以便在評估過程中根據(jù)不同的條件進(jìn)行查詢調(diào)用,以指導(dǎo)施工風(fēng)險安全評估工作。

(5)知識圖譜應(yīng)用。知識圖譜是集成各類有效性數(shù)據(jù)的中心,以所構(gòu)建的深基坑風(fēng)險安全知識圖譜為基礎(chǔ),對接監(jiān)測、感知、巡檢等各種數(shù)據(jù)信息,通過風(fēng)險評估,可以提前感知深基坑施工過程中可能存在的孕險因子,主要包括:① 將施工工程模型數(shù)據(jù)集與風(fēng)險評估知識圖譜中的規(guī)則進(jìn)行匹配分析,識別施工過程中不符合規(guī)范的內(nèi)容,實現(xiàn)施工方案優(yōu)化與控制。② 將施工工程與感知監(jiān)測數(shù)據(jù)有效對接,及時識別施工過程中可能存在的危險點(區(qū)域),分析風(fēng)險存在的原因,方便監(jiān)管人員及時采取有效的風(fēng)險預(yù)控措施。

2 基于BIM 的安全風(fēng)險知識提取與構(gòu)建

BIM 模型集成了與建筑和施工相關(guān)的大量信息,包含了基本建筑構(gòu)件的幾何和非幾何信息,這些信息蘊(yùn)含著與對象有關(guān)的各種知識,為深基坑施工過程中的致險因素以及危險源識別奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。近年來,深基坑建筑行業(yè)中基于BIM 的知識生成、提取的研究成果不斷涌現(xiàn)[24-25],為本研究分析提供了有益參考。

基于BIM 的深基坑施工安全風(fēng)險識別,充分挖掘和提升BIM 數(shù)據(jù)的價值,關(guān)鍵在于如何利用BIM數(shù)據(jù),從中提取風(fēng)險識別對象的信息(屬性、幾何等)、風(fēng)險識別對象與關(guān)聯(lián)對象之間的拓?fù)潢P(guān)系。從風(fēng)險識別角度來看,基于BIM 的知識提取需滿足“單體化、語義化、結(jié)構(gòu)化”的要求,在此基礎(chǔ)上,關(guān)聯(lián)、映射和對應(yīng)風(fēng)險評估領(lǐng)域知識,構(gòu)建知識圖譜,以實現(xiàn)對深基坑施工相關(guān)數(shù)據(jù)的分析、知識挖掘、風(fēng)險識別和決策支持(圖2)。

圖2 基于BIM 的知識數(shù)據(jù)提取流程Fig.2 Process of knowledge extraction based on BIM

2.1 單體化—風(fēng)險識別對象單體提取

實體單體化的目的是從BIM 模型中識別與風(fēng)險評估相關(guān)的實體對象,此處實體可以被視為知識圖譜的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。BIM 模型多以Curve2D、GeometricSet、GeometricCurveSet、SurfaceModel 和SolidModel 為基本元素來描述點、線、曲面和體之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用這種層級關(guān)系,可對BIM 模型從幾何層面進(jìn)行分解得到原始構(gòu)件集CS,集合中元素為BIM 模型中的原始構(gòu)件,如天花板、墻、樓板等。再結(jié)合風(fēng)險識別需要,從CS集合組合、抽取得到風(fēng)險安全評估所需的實體對象集ES,集合中元素為評估對象單元,如地連墻、支護(hù)樁等。

2.2 語義化—風(fēng)險識別對象屬性信息提取

語義化可以通過同化、消歧方法將深基坑施工監(jiān)測感知的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成,使得計算機(jī)可以方便靈活地挖掘數(shù)據(jù)的深層含義、識別風(fēng)險識別語義模型、總結(jié)規(guī)律、提煉知識,更好地滿足行業(yè)需求。

在確定風(fēng)險識別對象集合的基礎(chǔ)上,利用BIM龐大的信息數(shù)據(jù)庫,關(guān)聯(lián)、抽取和映射相關(guān)風(fēng)險識別單體的幾何信息和屬性信息,關(guān)聯(lián)、抽取和映射與深基坑施工相關(guān)的工作條件、施工規(guī)范和事故案例經(jīng)驗,識別出評估實體對象在施工中的安全風(fēng)險因素,建立實體單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),進(jìn)行語義邏輯化表達(dá),以滿足評估對象關(guān)聯(lián)查詢和推理分析需求,最終得到風(fēng)險安全識別單體數(shù)據(jù)集RS。

2.3 結(jié)構(gòu)化—風(fēng)險識別對象實體集合語義網(wǎng)絡(luò)

除了語義邏輯之外,當(dāng)前BIM 支持的知識管理逐漸關(guān)注通過BIM 模型內(nèi)的幾何信息提取空間關(guān)系,采用語義網(wǎng)絡(luò)來支持不同數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)集成和復(fù)雜的搜索需求,以提高BIM 的利用價值。

關(guān)系抽取的目的是識別實體之間的關(guān)系,這些關(guān)系成為圖譜中連接節(jié)點的邊,形成語義網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),語義網(wǎng)絡(luò)描述了實體之間如何關(guān)聯(lián)、相互影響以及如何協(xié)同。實體對象的結(jié)構(gòu)化是指從拓?fù)鋵用婷枋鲲L(fēng)險識別對象之間的鄰接、連通關(guān)系,可以分為:① 模型構(gòu)件之間的關(guān)系。在BIM 中,建筑構(gòu)件之間多采用“包含”“位于”“整體—部分”等謂詞語義來描述模型內(nèi)部的語義邏輯關(guān)系,基于這種組織關(guān)系,可根據(jù)BIM 模型內(nèi)的空間信息和風(fēng)險評估所定義的識別規(guī)則生成對象的邏輯關(guān)系鏈。② 風(fēng)險識別對象和關(guān)聯(lián)對象、周邊對象之間的拓?fù)潢P(guān)系。主要用來識別風(fēng)險識別對象與相關(guān)工程對象之間的關(guān)聯(lián)和影響。一般可以在明確施工場地范圍的基礎(chǔ)上,利用GIS 的空間分析功能,根據(jù)外聯(lián)事故經(jīng)驗總結(jié)、施工安全風(fēng)險因素及安全規(guī)范,識別施工場地周邊一定范圍內(nèi)其他對象與風(fēng)險識別對象之間的安全風(fēng)險因素(或安全問題,包括隱藏的安全知識)。

不同實體對象BIM 實體間的關(guān)系類型見表2。施工中幾種對象之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 評估實體之間關(guān)系Fig.3 Relationship between evaluation objects

表2 評估實體對象之間的關(guān)系類型Table 2 The relationship type between evaluation entities

3 應(yīng)用實例

為驗證本研究所提方法的適用性與可行性,也為了配合動態(tài)監(jiān)測和評估的業(yè)務(wù)需求,本研究在本單位的深基坑智慧監(jiān)管平臺(圖4)上設(shè)計實現(xiàn)了基于BIM 和知識圖譜的深基坑施工風(fēng)險安全識別模塊。該模塊集成了GIS 與BIM 模型,基于風(fēng)險評估實體唯一編碼標(biāo)識,對接監(jiān)測和智能感知數(shù)據(jù)(如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、視頻、位移、水位、應(yīng)力、支撐軸線等實時監(jiān)測信息)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù),關(guān)聯(lián)了施工場地信息、工作安全、風(fēng)險預(yù)控策略和功能服務(wù)實體,由此運(yùn)用風(fēng)險安全評估知識圖譜網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)針對用戶需求的智能化信息風(fēng)險識別功能,滿足深基坑施工風(fēng)險安全識別的智能化分析需求。

圖4 智慧監(jiān)管平臺首頁Fig.4 Home page of intelligent supervision platform

以南京阿里巴巴基坑項目為例分析圖譜構(gòu)建過程。首先,構(gòu)建了阿里巴巴深基坑施工相關(guān)的BIM模型(圖5),主要包括地質(zhì)模型、支撐體系、圈梁、連續(xù)墻、承臺等BIM 模型,利用BIM 模型,抽取實體和關(guān)系,關(guān)聯(lián)周圍道路、居民樓、地下管線等對象,建立評估實體模型,同時融合評估領(lǐng)域理論知識,構(gòu)建了深基坑施工風(fēng)險評估知識圖譜,圖譜共抽取理論知識、施工安全、地理信息認(rèn)知類實體816 個,BIM 中提取所有的評估實體對象72 個,知識結(jié)點以及關(guān)系采用Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫存儲。該基坑風(fēng)險安全評估知識圖譜的部分節(jié)點及關(guān)系如圖6所示,主要描述了深基坑建設(shè)過程中的各個環(huán)節(jié),例如場地平整、土方開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)等。

圖5 BIM 基坑建模Fig.5 BIM models of foundation pit

監(jiān)管平臺結(jié)合BIM 和監(jiān)測感知數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險識別的效果如圖7所示。監(jiān)管平臺基于所構(gòu)建的知識圖譜,利用物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險識別和預(yù)警,當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時,系統(tǒng)顯示黃色的預(yù)警波紋(圖7(b));當(dāng)達(dá)到警告值時,顯示紅色的警告波紋(圖7(c)),可以根據(jù)需要進(jìn)一步點擊自動化監(jiān)測點實現(xiàn)風(fēng)險信息在深度和廣度層面上的知識關(guān)聯(lián)和梳理分析。

圖7 監(jiān)測預(yù)警效果Fig.7 Effects of monitoring and warning

4 結(jié)論

(1)結(jié)合深基坑安全風(fēng)險識別需求,在對知識圖譜、BIM 特征概括和歸納的基礎(chǔ)上,從知識描述、提取、管理、應(yīng)用等方面,設(shè)計了融合BIM 和知識圖譜于一體的深基坑施工安全風(fēng)險識別框架,為深基坑施工風(fēng)險安全智能識別奠定了基礎(chǔ)。

(2)對基于BIM 的深基坑風(fēng)險實體對象識別、關(guān)系抽取和知識構(gòu)建展開重點分析,通過與深基坑風(fēng)險安全知識圖譜信息關(guān)聯(lián)、映射,采用語義網(wǎng)絡(luò)來支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的集成,以實現(xiàn)深基坑施工風(fēng)險安全高效和智慧識別。

(3)融合BIM 和知識圖譜的風(fēng)險識別方法能在一定程度上解決深基坑風(fēng)險安全識別中的“專家依賴”“效率低下” “分析主觀”等問題,擴(kuò)展了知識圖譜在深基坑施工安全識別領(lǐng)域的應(yīng)用。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上,繼續(xù)完善知識的自動高效提取、領(lǐng)域知識與方法的融合與集成方法,進(jìn)一步提升深基坑施工風(fēng)險安全工作的智能識別、評估和智能推理水平。