盾构隧道BIM数据一体化运维管理平台的开发

本文将介绍通过融合BIM技术、数据库技术、物联网等技术，建立基于B/S的盾构隧道的可视化监测及运维平台，本平台能完成运维过程数据的汇总、异常数据报警等功能。

1 需求分析及总体架构设计

1.1需求分析

如图1所示，根据梳理的业务流程，运维管理平台的主要内容应包括三个部分。

首先，利用压力传感器等设备进行盾构管片应力变化数据采集，供运维管理人员远程监控盾构管片运行状态，进行实时监测。

其次，设置自动预警阈值，当实时采集的数据超过设置的阈值时，系统自动进行故障报警，管理人员快速定位故障位置并安排维修任务。

此外，定期检测也是运维管理平台必要的能力，管理人员根据实际情况派发巡查检测任务，如有发生故障的可能性，则第一时间制定解决方案，达到早发现、早解决的目的。

因此，将盾构隧道运维管理平台的功能需求总结为以下几点：

（1）BIM模型数据的参数化及可视化。建立隧道盾构管片的三维模型，并将三维模型的属性数据进行数据库存储，实现属性数据的可视化展示[2]。

（2）传输数据的智能监控及异常数据自动报警。通过将BIM模型属性数据与实时监测数据的绑定，实现基于BIM信息的监测数据实时查询，当传输数据出现异常实现自动报警功能。

（3）巡查检测、维修保养、报警记录的汇总及信息自定义查询。将盾构隧道巡检、维修及报警记录自动保存，并支持管理人员可按照构件名称、时间等自定义条件进行信息筛选查询。

（4）监测地点信息的总预览。将平台监测的盾构隧道地点在地图中标明并显示该工程项目的基本信息，可一键定位到监测工程项目的可视化界面。

图1 运维管理平台业务流程

Fig.1 Business process

1.2 平台总体架构

根据业务流程可知，为满足运维管理需求，本平台系统架构主要包括数据层、服务接口层以及业务层三个部分。

（1）数据层

数据层主要包括数据采集、数据存储两部分。为了实现在线实时监测功能，本平台需要利用传感器收集盾构管片应力变化数据，物联网网关进行数据采集并通过MQTT协议上传至物联网阿里云平台。

（2）服务接口层

服务接口层主要负责完成各服务之间的逻辑关联，实现服务整合。以及利用轻量化引擎完成BIM模型的轻量化转换。

（3）业务层

通过服务接口层将服务功能整合关联，业务层将整个平台面向用户，为用户提供业务服务。主要功能将分为可视化管理、巡查检测、维修保养、智能预警等模块。具体功能设计在第三章详细阐述。

图2系统架构图

Fig.2 System architecture diagram

2 技术路线及实现途径

针对上述的应用需求，本文使用BIM建模软件、BIM轻量化工具、C#语言、数据库技术及网页开发技术等对盾构隧道运维管理平台进行研发。

2.1 BIM技术

本研究选用inventor软件进行盾构管片的建模，如图3所示。

图3盾构管片建筑信息模型

Fig.3Shield pipe sheet building information model

由于BIM模型的复杂性导致BIM模型的应用往往会受到计算机软硬件的限制[5]。因此，本文基于BIMFACE轻量化平台对BIM模型进行“瘦身”，再利用BIM轻量化引擎调用API开发完成对盾构隧道运维管理平台进行开发。

2.2 数据库技术

本平台数据主要包括BIM模型的属性数据、实时监测数据以及在运维管理中的活动数据等。属性数据的获取主要通过将模型上传至BIMFACE轻量化平台后，通过调用BIMMFACE的API获取，导出到数据库中，并根据实际情况完成对构件属性信息的扩展。例如，对构件添加设备安装单位、安装时间、所在位置等信息[6]。

本文选用MySql关系型数据库作为底层数据库。在获取BIM模型属性数据时，每个构件有一个ID，将此ID与巡检维修活动信息表的主键及传输数据表主键进行逻辑关联，通过SQL语句建立关系映射，实现BIM属性与运维活动的数据连接及模型与传输数据的动态绑定，达到根据不同条件筛选查询相对应构件信息的目的，以及多方位信息的智能监控。

图4数据处理逻辑过程

Fig.4Data processing logic processes

3 系统功能设计

基于需求分析本文对系统功能进行设计，主要包括可视化管理、用户管理、巡检维修管理、智能管理、监测地点总预览五个模块。

3.1 可视化管理

本文在BIMFACE平台提供的开发文档的基础上完成了运维管理平台三维可视化管理模块专业功能的开发。图5为可视化管理界面，包含功能如下：

（1）构件隔离：对指定的构件进行隔离显示，方便管理人员查看构件。

（2）构件定位：实现对重要构件的快速定位。

（3）模型属性实时查询：实现对每个构件进行实时的属性数据查询。

（4）构件着色：对于正在维修的设备可予以着色警示。

（5）工具条：实现模型的三维空间距离测算，以及全屏显示等功能。

（6）绘制标签：管理人员可对三维模型进行添加文字、符号的标签绘制，增强多人员工作的协同性。

（7）实时监测：通过数据链接方式，将构件与传输数据绑定，实现构件监测数据的实时查看，完成对构件的应力变化分析，如图6所示。

图5可视化管理界面

Fig.5Visual management interface

图6传输数据实时监测界面

Fig.6Real-time monitoring interface for transmission data

3.2 用户管理

用户管理模块主要包括对用户信息的添加、用户角色划分、用户权限设置等。用户信息不仅仅只包括姓名、联系电话、邮箱等常规信息的录入，还将对用户当前的工作状态进行监测，方便管理人员派发任务。并且用户管理模块可对人员进行权限划分，管理人员在对巡检人员、维修人员进行角色划分的同时，也将对其使用权限进行划分，以此提高平台的安全性、稳定性。

3.3 巡检维修管理

盾构管片周围地层环境复杂难以监测，当前的巡查检测管理多是按照指定区域划分检修任务，缺少对巡检地点的进一步精细划分，容易造成人力资源的浪费，工作效率低下。本平台按照对检修流程的梳理如图7所示，增加BIM模型在检修管理中的应用，从而提高检修的效率及质量。

管理人员依据实际情况派发巡检任务，并对任务内容的任务区域、任务具体内容等进行详细的描述，如图8。

同时在可视化管理界面对巡检地点进行标注，如图9。

从而方便巡检人员对巡检任务进一步加深理解。巡检人员在平台接收任务后，就可在可视化界面查看巡检内容及构件信息，增加巡检管理的可视性。任务执行完成后，巡检人员在平台进行巡检任务反馈。

如有故障，可对故障点进行故障详情、故障图片等方面的描述，在平台反馈报修，如图10。

管理人员在收到反馈保修后，完成对工单的审核，依据报修内容或异常监测数据向维修人员派发维修任务工单，同时将维修故障点的描述情况一并传达，并对维修构件予以着色警示。

图7检修流程

Fig.7Inspection process

图8巡检任务派发

Fig.8Inspection task dispatch

图9BIM模型检查点标注

Fig.9BIM model checkpoint labeling