基于本體的隧道盾構過程中地表沉降的風險因素推理與應對

杜　娟　何仁志　戴靈鈞

(1. 上海大學悉尼工商學院, 上海　201800;2.上海大學上海城建集團建筑產業化研究中心, 上海　200072)

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基于本體的隧道盾構過程中地表沉降的風險因素推理與應對

杜娟1,2何仁志1戴靈鈞1

(1. 上海大學悉尼工商學院, 上海201800;2.上海大學上海城建集團建筑產業化研究中心, 上海200072)

【摘要】建筑信息模型(BIM)為傳統建筑業的信息化變革帶來大量技術革新，可優化建筑過程并提升建筑效率與效益。在行業應用中，圍繞建筑全生命周期不同階段的異構軟件間存在諸多異構信息系統與數據交互問題，本文通過分析目前建筑行業信息交互現狀，提出基于本體的異構數據交互模式，并闡述IFC數據模型、異構數據庫和本體模型間的映射方法及基于事件的本體推理模式。本文針對隧道盾構施工中的地表沉降，通過Protégé軟件構建地下隧道施工本體，并利用Jena推理機分析地表沉降的關聯風險因素，并通過異構數據互用與交互實現地表沉降應對方案的提供與更新。

【關鍵詞】建筑信息模型；工業基礎類；本體建模；地表沉降

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.16

1引言

隨著建筑信息模型(BIM)為代表的信息技術在建筑工程項目全生命周期中的應用，各信息系統和異構建筑模型數據的交互成為阻礙BIM技術推廣與應用的重要瓶頸：首先，針對建筑項目不同階段不同參與方的異構信息系統之間難以實現信息共享與交互，海量的建筑數據難以充分共享以及傳遞；其次，雖然IFC、IDM等信息交互標準的出現從一定程度上可以解決部分建筑數據的交互，然而建筑信息的集成及管理難以用單一的標準或者規范來實現。楊寒光提出站點自主性的分布式異構數據庫造成了信息孤島，并提出了將數據查詢進行標準化抽象差異屏蔽的處理方法[1]。靳強勇分析了異構數據集成系統的幾種技術包括CORBA、XML等，并建立了異構數據解決平臺[2]。通過本體實現建筑信息虛擬和柔性整合，為建筑信息的有效交互提供了新的思路。基于本體的建筑信息交互機制具有集成化概念模型的特點，令用戶可以在不了解各建筑領域專業知識的情況下進行知識的共享，有效解決建筑過程中異構數據帶來的施工問題，同時，可以促進組織間隱性知識的積累，有助于多方用戶針對自身特點進行知識儲備，減少決策失誤并降低延誤工期的風險。趙潔應用本體技術設計了基于本體集成的建筑信息共享平臺框架[3]。Karan結合地理信息系統與語義網，利用施工的標準化本體整合查詢異構數據[4]。

目前國內關于如何將BIM和本體運用于建筑全生命周期的研究仍處于發展階段。Zhang提出了包括建筑產品模型、建筑過程模型和建筑安全模型在內的建筑安全本體來解決建筑項目安全管理問題[5]。Yildiz基于本體技術提出了一種風險評估與管理模式[6]。周娟將UML與本體結合以研究工程預算管理系統的建模問題[7]。胡云中提出了基于本體的建筑施工質量規范知識的建模[8]。張建則在BIM環境下對項目建設領域的本體的語意檢索進行了研究[9]。然而，上述研究主要集中在理論化知識體系的構建，虛擬建模環節或僅是從單方面將BIM或本體應用于建筑領域。本文將研究如何將本體論與BIM有機結合并運用于實際項目問題。

2基于本體的建筑信息交互機制

2.1建筑信息交互機制概述

目前諸多建筑項目采用了IFC標準(Industry Foundation Class——工業基礎類，即一種公共產品數據模型格式)作為BIM標準格式應用于實現建筑過程中異構數據的交互。除此之外，BIM相關數據交互機制還有直接交換機制，專用中間文件格式機制，基于XML的交互格式機制[9]。

IFC機制基于三維對象的數據表達式，可以描述建筑對象的三維幾何形狀和其屬性。雖然該標準是目前業內認可度最高的BIM標準格式，但IFC機制并不能完全應對建筑業中的復雜的信息交換需求[13]，主要原因在于： 1)其獲得的來自各BIM軟件的支持不盡相同，異構系統間的構件識別與交互出現問題[13]；2)IFC標準并沒有針對具體的需求定義數據交互[14]，當不同的交換功能實現者對信息的表達方式不一致時，該標準則不再適用。

本體的概念起源于哲學，應用到計算機領域后，本體指的是共享概念模型的明確的形式化規范說明，其具有概念化、明確化、形式化和共享化的特征。因此，基于本體的信息交互方式則具備更好的靈活性和適應性，主要表現在： 1)在各異構數據及系統保持原有存儲狀態的前提下，當具體的應用環境產生突變，本體可以憑借其自身較好的可維護性及時根據新需求產生出新數據類型，并利用其可共享模型的概念使知識能被共享及交互；2)本體憑借鮮明的層級結構[14](應用本體層，領域本體和任務本體層以及頂級本體層)，可以根據需要靈活的進行本體間的組合；3)該機制支持知識的重用并且對數據有很好的兼容性，保持了數據的完整。

2.2基于本體的建筑信息交互機制模型

基于本體概念化、明確化、形式化和共享化的特征[9],本文提出基于本體空間的信息交互機制，以簡化用戶的交互過程，如圖1所示。

基于本體空間的信息交互機制有效銜接了數據源(關系型數據庫，其中包括非結構化的音、視頻數據以及BIM模型庫中的結構化數據，如IFC格式數據)和各應用軟件(包括本體編輯器，邏輯推理機以及BIM可視化軟件)。對于推理結果，用戶可選擇用可視化或文本化的方式呈現，實現了海量建筑信息的交互。其作用機理如下：

1)用戶將各類型建筑信息數據錄入關系型數據庫；

2)將數據映射到本體空間中進行整合；

3)從本體空間中調用目標本體模型與Jena推理機交互。Jena根據OWL本體定義對原始數據進行RDF資源標注，形成帶有語義信息的數據，然后通過RDF/XML解析器和RDF API轉換成RDF Model，RDF Model結合推理子系統和Ontology子系統生成具有語義推理能力的OntModel，然后用于下一步的信息檢索；

4)通過故障樹(Fault Trees)設定相關推理規則，使用Jena推理機推理得到對應的推理結果；

5)將新的推理結果通過本體空間錄入知識庫，作為新的解決方案備份；

6)將推理結果映射到關系型數據庫中；

7)用戶使用BIM應用軟件以可視化的方法得到推理結果和圖示(也可以通過直接查詢以文字的方式查看推理結果)。

簡言之，基于本體空間的信息交互機制通過本體建模、推理和查詢以及可視化，將異構數據轉換成本體模型，并依據項目數據，挖掘隱含的項目信息，從而幫助用戶構建完善的知識體系。

本文選取項目為上海虹梅南路-金海路通道越江段，由于一次性掘進距離長、盾構直徑大以及隧道埋深大，地層復雜，該項目為高風險工程。為了及時發現潛在的建設問題，需要對采集的大量異構數據進行基于本體的建模，并通過本體推理進行問題原因的追溯和相關事故解決方案的確認，為管理決策提供依據。通過RFID技術的應用，對虹梅南路-金海路越江通道越江段1～1700環進行了實時監控數據采集和處理。主要收集的信息類型包括：①管片信息，如工人對鋼筋原材料的檢查數據，管片成型后蒸養環節升溫和降溫時的記錄數據，RFID標簽信息；②盾構機推進過程中的姿態、角度、受力等數據；③隧道中的空間信息，即幾何信息、環境地質數據等；④隧道監測信息，通過工人質量巡檢和系統自動采集兩種方式進行收集，信息統一進入數據庫，同時巡檢所收集到的問題也會和隧道BIM模型一一綁定。本文將基于本體對上述異構數據間的集成交互進行分析。

3異構數據與本體的映射

本節針對基于本體的建筑信息集成機制的作用過程，分別就圖1步驟1中IFC模型及關系型數據庫到本體的映射，以及步驟5、6中本體推理結果更新知識庫和寫入關系型數據庫的方法進行說明。

3.1異構數據到本體的映射

傳統關系型數據庫只能表達二維或低維數據關聯，而在實際的建筑項目中各數據間存在時間、空間等多維數據關聯，通過將本體的思想引入到異構數據關聯分析中，可以使維度不同的數據虛擬整合，從而在不影響數據原有存放狀態的前提下，實現數據的交互與共享。

(1)IFC模型到本體的映射

分別將IFC的實體、屬性、類型和關系從EXPRESS的描述格式，轉換為本體中相對應的以OWL語言所描述的類、屬性和關系。如表1所示。

以工業基礎類標準(IFC標準)實體IfcShieldDriving(盾構掘進)為例，進一步闡述以上轉化機制：

IFC格式信息及關系如下：

將上述實體轉換為對應的OWL語言描述的類，并將IFC中記錄的實體間的關系轉映射為OWL語言描述的基本關系：

(2)數據庫到本體的映射

與IFC到本體的映射類似，將項目數據庫中的信息轉換成本體，也需要將數據庫中的表、約束等內容轉換成本體所對應的類、公理，即映射實體、實體的屬性、數據庫完整性約束條件、向本體中加入實例[15]。

本體論包括5個基本的建模元語，即本體(Ontology)=<類(Classes)，關系(Relations)，函數(Functions)，公理(Axioms)，實例(Instance)>。因此，將數據庫的數據映射到本體要從類(class)，屬性(properties)，層次(hierarchy)，基數(cardinality)，實例(instances)進行映射。對應關系如表2所示。

以盾構過程中的表“監測點(Monitoring)”和表“監測點地理位置信息(MonitoringGeo)”為例，進行關系型數據庫到本體的轉換：

數據庫中的表Monitoring除了記錄相應監測點的測量值以外，還存有監測點的地理位置(GeoCor，外鍵，用提前劃分的數字代號表示)，同時是表MonitoringGeo的主鍵。關系如表3所示。

數據庫中的數據映射為OWL語言描述的基本關系：

3.3本體推理結果的導出

對本體進行推理并且得到相應推理結果之后，可以將其導出到知識庫或寫入關系型數據庫中。因此，將本體空間與項目知識庫相連通，這樣將有助于整個項目團隊進行知識管理，同時可以提高推理效率和準確性。

以存入MySQL數據庫類型的知識庫為例：

4構建本體模型

在實際隧道盾構掘進過程中，受多種復雜因素影響，地表沉降成為重要的安全隱患之一，不僅破壞建筑的美觀性，也易造成墻體破裂，影響其使用。單就上海市而言，其每年由于地下施工不當引起的地表沉降占據總地表沉降的30%，造成約2 100萬人民幣的沉降經費支出。因此合理運用BIM技術和本體思想分析，針對盾構掘進過程中的地表沉降，查明沉降原因，并通過知識庫尋找解決方案，同時根據時序數據對可能的沉降隱患進行預警具有重要意義。

根據隧道盾構施工過程中地表沉降的實際特征，盾構過程中地表沉降本體需要考慮五方面的內容：圍繞隧道事件(TunnelEvent)，盾構過程中的隧道環境(TunnelEnvironment)，沉降標準(SettlementStandard)，盾構掘進(ShieldDriving)以及沉降案例(SettelementCase)。基于本體的類與類之間的繼承、部分與整體、屬性、實例四種基本關系，建立相應的本體以及各子本體，如圖2所示。其中隧道事件本體主要針對盾構施工過程中的監控信息預警、沉降事件而設置，以此查找事件發生的原因及確定合理的解決方案；盾構掘進本體則對盾構掘進過程中一些地表沉降的影響因子的定義；隧道環境本體主要對隧道周邊及施工環境進行監控記錄；沉降標準本體則用于判斷檢測數據是否異常；沉降案例本體則用于記錄發生的沉降事件及處理方式，為后續的處理進行知識儲備。

根據上述的建模思路，可以利用Protégé 4.3對盾構過程中地表沉降本體進行可視化處理，并生成相應的.owl本體文件。

5基于故障樹的本體推理機制

5.1地表沉降成因分析

對于每一個監測點，當地表沉降數據超過預定值后，即隧道環境本體中的測點數據異常時，將會觸發報警，沉降標準本體中的盾構參數子類將會依據隧道環境本體中的地質條件信息，確定在該條件下，盾構掘進過程中的盾構標準。而盾構掘進本體中的盾構參數，如：土壓、掘進速度、注漿等，將會與該盾構標準對比，以此確定地表沉降的原因，同時，隧道事件本體的沉降子本體也會記錄該沉降原因，如圖3所示。

5.2基于故障樹的推理規則

本文用故障樹(Fault tree)來描述本體所遵循的相關的規則，如圖4所示，頂層事件為發生地表沉降，而導致地表沉降的原因可以分為外界因素和人為因素兩方面，外界因素包括管網線漏水、地下水影響、臨近土體干擾、盾構自身重力等因素，而人為因素則包括開挖面積、土體進入后尾空隙、盾構后退、注漿固化、襯砌變形等原因。[12]

如圖4所示，由于圖中所示原因可以導致地表沉降，從而引入判斷這些原因的相關因素，并將這些因素與本體中的參數相對應。

利用故障樹，可以清晰地展示導致地表沉降的原因，根據本體中的參數對比相關標準，可以判斷特定情況下是否滿足該故障樹中的條件[9]，從而引發地表沉降。而可以與沉降原因聯系的相關參數關系如表4所示[9]。

5.3地表沉降修正方案處理

在確定沉降原因之后，根據該事件的特征，需要在沉降案例本體中尋找解決方法；當該本體中沒有相關案例時，則需要從專家處獲取參考意見，同時將確認后的處理方案記錄到沉降案例本體和隧道事件本體的沉降子類中，如圖5。

6推理結果與分析

6.1尋找沉降相關參數

沉降成因推理主要基于故障樹(Fault Tree)得出的推理規則，生成.rules文件，通過Jena推理機可以得到相關推理結果。推理規則如下：

對于監測點Position_101_911，在該點獲得的監測點值(33.125544)大于標準的監測點值(33)因此確定Position_101_911處發生了沉降，該事件記為沉降事件Settle IncNo_001189。

監測點Position_101_911有地理信息Geoinfo_101_911(N31.120418 E121.408235)，該信息與地理條件GeoCondition_101 _911位置信息相符。該條件對應沉降參數SettlementParameterNo_190923，從而得出該沉降參數為監測點Position_101_911的標準參數集合。

監測點Position_101_911有盾構參數集合ShieldDrivingParameterB，其中包含了刀頭轉速，土壓，盾構速度等參數項，將這些參數與該位置的標準參數集合內的各個參數進行對比，發現改點的即時刀頭轉速超過了標準到頭轉速，從而得出監測點Position_101_911的沉降是由于到頭轉速過快導致，并生成記錄ReasonSE101_911用于修正方案推理。

6.2尋找解決方案

得到與沉降原因相關的參數后，通過對本體實體的推理，前往方案庫中尋找對應的解決方案。

對監測點Position_101_911的沉降事故原因ReasonSE101_911的推理，發現有已存解決方案CaseSolutionNo_98762。

6.3 產生新的修正方案

若該事發原因是前所未有的，則需要咨詢專家意見，同時將其在數據庫中更新備份，若未來在發生該類事件，則能自動使用。

7總結及展望

BIM越來越受到行業的認可，但由于不同軟件間的信息交互問題嚴重影響了BIM的運行效率，本文引入了本體思想，對基于本體的建筑異構數據柔性交互機制進行了分析與應用：

(1)判斷了基于本體的建筑信息交互方法的有效性，論證了基于本體的建筑信息交互方法的優勢。

(2)提出了基于本體的建筑信息交互模型，簡化了信息交互方式，并解釋了該模型的建筑信息交互流程。

(3)闡述了建筑信息從IFC格式和數據庫到的本體的轉換過程以及把生成的本體存入數據庫的方法。

(4)通過對盾構過程中地表沉降的實例研究，利用Protégé4.3構建了盾構領域本體，并基于Jena推理預測地表沉降，從而驗證上述研究成果的有效性。

本文對以本體思想來解決建筑信息交互與共享問題進行了探索，并通過應用實例進行了驗證。

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Corporation)，Shanghai201800，China)

Ontology-based Analysis on the Early Warning of the Surface Subsidence in the Process of Tunnel Shield Project

Du Juan1， 2，He Renzhi1，Dai Lingjun1

(1.SILCBusinessSchool，ShanghaiUniversity，Shanghai201800，China；2.ResearchCenterforBuildingIndustrialization，ShanghaiUniversityandShanghaiUrbanConstruction(Group)

Key Words：Building Information Modeling (BIM); Industry Foundation Information (IFC); Ontology Modeling; Surface Subsidence

Abstract:Building information model (BIM) brings the fundamental technological innovation to traditional architecture industry, which can optimize the construction process and improve the efficiency and effectiveness of the building process. Based on the information exchange of heterogeneous information systems and data throughout the different stages of the whole life cycle of the practical building project, the article analyzes the existing situation of building information interoperability, proposes the ontology-based heterogeneous exchange model, explores the method of mapping the IFC data and relationship database with ontology model, and puts forward the ontology-based reasoning model. The article takes the surface subsidence in the tunnel shield construction as an example, creates the ontology model of underground tunnel through the Protégé software, and proposes the early warning analysis of groud subsidence reasons through Jena inference engine.

【基金項目】上海市自然科學基金項目“基于本體和Petri網的復雜隧道工程數據的精益化管理研究”(編號：15ZR1415000)

【作者簡介】杜娟(1981-),女,博士,講師。主要研究方向：建筑信息化。

【中圖分類號】TP3-05

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0100-09