BIM 提升運維管理的研究

李少偉

(上海建坤信息技術有限責任公司，上海 200000)

1 概述

運維管理處在整個建筑行業最后的環節，但是卻是不可或缺和非常重要的階段。運維環節持續時間最長，對建筑價值的體現非常重要。但是目前大多數的運維系統都只停留在大量運維數據的簡單處理上，管理方法反復不高效，資源數據利用率低造成資源浪費。運維管理階段有著豐富的數據依托，各種設備，建筑，人員，輔助系統等產生的大量的有效數據和建筑從設計和施工階段積累下來的大量數據，可以為運維系統提供更加豐富和高效的手段和入口。但是目前沒有比較好的手段和方法對這些數據進行利用和打通。基于這些方面的原因和BIM所特有的特點，進行討論和研究，將BIM作為傳統運維管理的數據整合展示處理平臺。從傳統的數據采集到基于BIM的數據采集，將輔助系統的數據接入BIM實現系統整合，同時通過定位，尋路等先進技術的研究引入BIM擴展BIM的功能，從多個方面進行討論和研究，使整個運維管理更加高效。

2 討論與研究

BIM是建筑設備等所有與建筑相關的信息的系統集合。這樣的信息集合是可以在建筑各個生命周期中提供專業的信息參考。而傳統的運維系統在沒有引入BIM前，數據從體量上來說遠遠沒有BIM中包含的信息全面，同時也只是對信息的簡單收集和處理，無法進行信息的整體連通。BIM的引入將可以自運維的過程甚至建筑的過程中隨時的更新，修改刪除設備建筑信息，同時實時的根據新的信息構建整個BIM信息關系網，相比傳統的運維系統，BIM運維系統對數據的存儲和展示做了非常好的結合，人員可以從數據快速的得到設備的可視化狀態效果，同時通過可視化的效果可以快速得到設備的或者建筑模型的相關信息。

2.1 基于BIM的數據采集方案

運維系統所涉及的管理對象包括建筑本身的管理、空間管理和各類設施設備的管理。所涉及的數據種類和數量是非常繁多的。如果對這些數據都進行簡單的人工采集將耗費非常大的工作量。面對這樣的問題，我們設計出了基于BIM的數據采集方案。該方案將在一定程度上簡化人工數據采集的工作量。我們首先要了解運維數據量龐大數據接入的途徑，將BIM三維模型引入到移動手持設備上，同時安排物業和巡邏人員在日常的巡邏過程中，將發現的設備在手持設備的BIM模型中可視化的進行簡單的標注和記錄。最后記錄后的信息將自動通過手持設備發送到BIM運維系統的后臺中，后臺服務將對設備進行歸類處理和保存，如此完成一部分數據的采集和實際現場中設備的安裝情況和安裝數量的采集。同時后臺系統能夠手動錄入設備的數量和種類，如此方便進行設備安裝的情況的檢測和統計。

這套BIM數據采集方案，其中一個問題就是體量巨大的BIM模型如何流暢的運行在移動設備上，BIM模型在制作過程中一層一個專業就有將近3 000萬個面，如此龐大的數據如果原封不動的移植到移動端，將是不現實的。為此專門針對BIM模型，在移動端的展示上進行了多重的數據優化和處理，包括技術和非技術上的處理。將BIM模型數據進行整合壓縮主要是在模型處理軟件中進行合適的壓縮處理，對模型進行多專業和多樓層的分類。同時在三維BIM模型的加載上也進行分類加載和隱藏。

2.2 BIM和其他運維系統的聯通方案

智能運維系統中，設備報警自動定位的功能是非常重要的。傳統的運維系統無法直觀的將報警信息展現出來，因此通過人工和BIM數據采集等方式將所有智能報警設備的信息都接入到BIM智能運維系統中。同時從后臺接入智能報警系統IBMS系統，通過WEBSOCKET技術實現兩個系統之間持久的鏈接和通信。WEBSOCKET是HTML5一種新的協議，它實現了瀏覽器與服務器全雙工通信(full-duplex)。整個架構是智能BIM系統啟動websocket server，IBMS和安防系統啟動 socket client，兩個系統通過socket連接上智能BIM系統，實現三者之間的雙向數據交互。當IBMS監控系統監控到有設備報警后通過后臺連通接口將報警信息，包括報警設備、報警類型和級別等傳送到智能BIM運維系統中。智能BIM運維系統在接到IBMS系統的報警信息后快速將報警位置投射到三維BIM模型中，并根據報警級別給出不同程度的動態標識。運維人員將擺脫傳統的確定報警來源、報警級別、報警位置等模式，通過智能BIM運維系統之間可視化的，一目了然的確定設備報警的所有信息，同時做出最快的應對措施。智能BIM運維系統后臺還接入了傳統的安防和門禁系統，并將所有監控攝像頭等安防設備也集成顯示在三維BIM模型中，運維人員可以通過BIM智能系統直觀的調動距離報警最近的監控和門禁等安防設備，真正實現三大系統的可視化聯動。

2.3 快速的設備定位方案提高設備管理和報警管理的效率

在基于BIM的運維數據采集方案中提到解決了BIM三維模型在移動終端上的流暢顯示問題。基于此上海中心BIM運維智能系統開發了一套基于移動端的投訴保修功能。巡邏人員和普通的用戶拿著安裝了這套功能的移動終端就可以方便快捷的將發現的問題上報到智能BIM運維系統中。在上報問題的過程中提供基于BIM的三維定位功能，上傳的問題都將帶有三維空間信息。這些上報問題將被實時的展示在BIM三維平臺中，直觀快速方便簡潔的管理每一條上報問題。整個移動端是基于android進行開發。同時還基于移動端支持的NFC功能開發了NFC定位功能。在主要的設備上貼上NFC標簽，預先寫入相關的設備信息和設備唯一標識，當巡邏人員在需要查看這個設備的相關信息時，只要用移動端設備輕輕一掃就能將這個設備中的相關信息加載到移動端設備上供巡邏人員查看。選擇NFC主要是因為NFC在短距無線通信中的特點。

NFC通信原理，工作在13.56 MHz頻率上，標準定義了NFC兩種通信模式，主動和被動通信模式。NFC國際標準ISO/IEC 18092，ISO/IEC 21481涵蓋通信模式、調制與解碼、防沖突機制、幀結構等內容［1，2］。在近距通訊中，我們對NFC和RFID進行了對比，兩者關系密切。NFC是一種基于RFID的無線通信技術，它和RFID在以下兩點相同。第一采用相同的頻率。第二NFC被動模式的通信原理和RFID的通信原理類似，都是基于無線頻率的電磁感應耦合原理。雖然NFC脫胎于射頻識別與無線互聯技術，但與RFID還是有區別的。NFC增加了點對點的通信功能，可以快速建立藍牙設備之間的無線通信，NFC設備彼此尋找對方進而建立連接。RFID建立于主從關系上，以被動的方式通過能源設備進行讀取。NFC設備卻能被設置為主動和被動兩種模式，即使在設備關機的情況下仍然可以發送識別數據，也正是這一特點使其成為智能卡應用的理想選擇。同時它在主動模式下與其他的主動或者被動RFID設備進行通信［3］。NFC的應用針對移動性的特點，用于識別和數據交換，而RFID的主要用途是識別。

2.4 真實可視化的培訓體系提升運維管理人員的管理能力

BIM智能運維系統中還開通了針對物業和運維人員的培訓功能。整個培訓功能基于BIM的數據整合能力和可視化效果，擺脫了傳統的只針對參數和圖紙進行的枯燥和不直觀的培訓。整個培訓過程采用BIM三維模擬的方式進行。培訓人員可以直觀的看到相關設備的可視化仿真效果圖，同時可以對仿真效果圖進行拆解，向培訓人員清楚的展示設備的內部結構和部件。同時設置模擬參數可以看到仿真設備展示不同的狀態效果。預先將主要設備進行三維的建模，同時設置相關的物理動畫和骨骼動畫。將模型倒入系統中，整個模型構建的過程中都是采用部件拼接的形式。主要部件上增加關節動畫，這樣就可以根據相關參數的改變調整動畫執行的程度，來模擬設備運行的狀態。整個模擬的引擎采用unity3D進行。它是一個游戲引擎，有非常完備的動畫，通過它的三維渲染和動畫功能完成設備仿真模擬運行。

2.5 BIM為傳統運維管理中的應急預案提供可視化的高效管理

在日常的運維管理中，運維管理人員需要應對突發事件、事故制定應急預案和應急分析。在傳統的運維管理中，應急預案一直停留在書面和應急文檔中，應急預案制定的是否最優沒有合適的方式進行檢查和檢驗。面對突發事件應急預案的啟動也比較耗時，往往影響對突發事件的響應速度。預案的制定功耗也相對較高。在BIM智能運維系統中，提供了預案的直接加載和模擬演示的功能。直接將應急預案導入BIM智能運維系統中，系統將加載預案，按照預案進行可視化的模擬演示，從而給檢查和調整預案提供了依據。在BIM智能運維系統中，還提供了預案的制定功能。幫助管理人員在三維可視化的界面中進行應急事件的直接可視化模擬展示。整個功能是基于三維空間的尋路算法，目前主要針對地圖尋徑的算法有狀態空間搜索和啟發式搜索等。傳統的狀態空間搜索是將搜索空間中所有可以通過的節點組成一張圖。其缺陷是在于總是要按照一定的方法遍歷整張圖，具有盲目性。空間較大時搜索效率下降。啟發式搜索對狀態空間搜索進行了改進，它主要解決了狀態空間搜索的盲目性問題。其基本思想是根據一個啟發函數選擇下個需要檢測的節點。啟發函數總是選擇代價最小的節點，使得算法在找到最優路徑同時檢測較少的節點。A*算法是一種在狀態空間中進行啟發式搜索的算法，也是BIM智能運維系統采用的算法。它主要是通過檢查特定狀態的相鄰或相鄰狀態來搜索從起始狀態到目標狀態的最小代價路徑［5］。只要搜索空間越簡單，算法的計算量越小，程序運行也就越快。只有不斷的對三維空間進行簡化和對算法進行優化，才能完成日常模擬演示的需求。

2.6 數據連通分析實現自動故障定位提升問題的處理能力

在整個BIM智能系統中，存在非常多的重要設備，即相送風管，排水管等具有連通性的設備。在傳統運維管理系統中無法對這些設備進行有效的管理，只能靠人工來進行檢查。在BIM智能系統中引入了管線流向分析技術，可以非常方便直觀的看到整個排水管道的水流方向和判斷每個水閥出現問題所影響的區域和樓層。同理可以進行反向的推導，可以預設某些區域供水出現問題的情況下，快速推導出可能哪些閥門出現問題，或者哪些閥門可以控制異常情況。并可視化清晰的給出這些閥門處在的位置，對維修和運維人員來說非常的有用。采用圖形建模和拓撲分析的思想，引入不同的拓撲分析策略，有效的實現了多分枝有回流的流體網絡自動識別與求解。即可以由流程圖識別拓撲結構并自動建模與求解管路的流量壓力［6］。對爆管分析、流向分析等提供技術支撐。當出現爆管時，利用管線拓撲信息，根據爆管點的位置，分析并顯示出受影響的管段和地區，給出關閥方案。

3 結語

上海中心BIM智能運維系統，是在傳統運維系統上結合最新BIM技術和其他的技術進行整合和創新得到的更加智能更加方便物業和運維人員進行日常管理的系統。在整個系統中智能化的對IBMS、安防、物業等系統進行了整合，使這些傳統的系統數據得到了全新的可視化和方便的展示方式，三大系統進行聯動同時進行相互的補充，使得功能實現質的飛躍。同時引入了比較流行和先進的輔助技術使整個系統實現了一些更加先進的功能，使整個系統更加的方便和智能。

［1］International Organization for Standardization.ISO/IEC 21481.Information technology-Telecommunications and informationexchange between systems-NearFieldCommunication Interface and Protocol-2(NFCIP-2)［S］.

［2］李云杰.新興低速近距離無線通信技術簡介［J］.移動通信，2008，32(6):12-13.

［3］智能移動消費技術:NFC簡介［Z/OL］.中國安防展覽網，2007.

［4］韓麗英.近距通信的應用研究［D］.北京:北京郵電大學網絡技術學院，2010.

［5］徐 鵬.基于啟發式搜索算法的地圖尋徑的研究［D］.北京:北京工業大學，2009.

［6］秦 導，王健紅.管道網絡拓撲模型與分析計算［J］.北京化工大學學報，2002，29(2):55-56.