基于全生命周期信息和BIM的隧道運維決策支持系統

胡 珉， 劉攀攀， 喻 鋼， 施永泉

(1. 上海大學悉尼工商學院， 上海 201400； 2. 上海大學-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072； 3. 上海大學土木工程系， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200232)

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基于全生命周期信息和BIM的隧道運維決策支持系統

胡 珉1, 2， 劉攀攀2, 3， 喻 鋼1, 2， 施永泉4，*

(1. 上海大學悉尼工商學院， 上海 201400； 2. 上海大學-上海城建建筑產業化研究中心， 上海 200072； 3. 上海大學土木工程系， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200232)

針對公路隧道運維管理對象眾多、信息分散異構、時空特性復雜等導致管理決策困難的問題，從隧道全生命周期信息出發，建立隧道可視化智能決策系統。系統以標準化、可視化和智能化為設計原則，以隧道BIM運維模型為基礎，通過標準化編碼和信息映射表實現設計、施工和運維的多源信息集成，由感知層、網絡層、數據層、分析層和交互層組成，利用智能分析技術實現結構健康評估和病害追溯、設備異常發現和故障診斷、養護決策優化等功能，通過三維圖形化引擎與用戶交互，幫助用戶快速掌握現場情況，獲取自動輔助決策結果，提高運維工作效率和質量。將該決策支持系統應用在上海大連路隧道工程中，可幫助隧道管理者更快速、清晰地了解隧道運營狀況，提供運營養護的輔助決策建議，取得了很好的應用效果。

公路隧道； 全生命周期； BIM； 隧道運維； 決策支持系統

0 引言

截至2010年，我國公路隧道建設長度累計為512.26萬m，自2011年以來，公路隧道年均凈增超過1 000 km，已建公路隧道總長超過1萬km，在規模上已成為世界第一[1]。公路隧道正逐漸從大規模的建設到大規模的運營管理方向轉變，這對我國隧道運維管理提出了新的挑戰。

傳統的隧道運維管理系統以隧道監控為核心，主體功能定位在交通和重要設備的基礎實時信息采集。在公路隧道設備的檢測與維護方面，文獻[2]利用GPS、GIS和GSM技術建立隧道機電管理系統； 文獻[3]提出隧道內各種軟硬件設備的故障檢測機制； 文獻[4]提出隧道機電系統的日常維護與管理方法。在隧道結構病害監測方面，文獻[5]研究了運維過程中隧道結構變形的預測方法； 文獻[6]對基于光纖光柵技術的基礎結構沉降實時監測系統軟硬件進行設計和現場實施； 文獻[7]利用傳感技術、光纖和網絡技術建立TMS系統，實現對隧道結構的遠程監控； 文獻[8]利用GIS系統進行隧道病害信息管理； 文獻[9]從數據分析的角度對隧道結構風險進行分析。鑒于運維信息的異構、離散和空間復雜性，文獻[10]開發三維地下空間信息管理系統對隧道施工和運維信息進行整合和管理； 文獻[11]提出隧道安全監測數據倉庫的概念和面向對象的隧道安全監測時空數據建模與表達技術思想。綜合以上研究可知，目前隧道運維類系統以實時監控系統為主，數據較為割裂，缺乏有效的分析手段； 結構病害管理研究正轉向全生命周期的信息整合，在充分利用隧道全生命周期數據方面的研究較少。

移動互聯技術[12]、大數據分析技術[13]和BIM技術[14]等新一代信息技術的發展，為隧道運營管理水平的提高提供了契機。本文從全生命周期數據出發，提出并開發了基于全生命周期和BIM技術的公路隧道運維決策系統，滿足隧道狀態快速檢測、病害診斷分析、日常運營優化等運營管理核心需求，全面提升隧道管理的質量和效率，降低隧道管理能耗和成本。

1 公路隧道運維管理

相對于公路、橋梁等交通設施，隧道運維管理具有以下主要特點。

1.1 管理對象眾多

公路隧道運維管理主要涉及結構安全維護、設備健康保障以及日常運營管理3方面： 1)結構方面，包括隧道主體結構以及道路、護墻板等附屬設施； 2)設備方面，包括高低壓柜、風機、水泵等機電設備，以及計算機控制、通訊廣播和照明等其他系統設備； 3)日常運營管理方面，包括隧道交通管理和隧道外保護區巡視，以及對隧道內光照、溫度和空氣質量等的管理。

1.2 信息分散異構

公路隧道監測和管理往往需要多個信息采集系統相配合[15]。以上海大連路隧道為例，除了用于實時和定期巡檢的設備點檢定修管理系統、隧道養護管理系統、中央控制系統、視頻監控系統、隧道光纖光柵報警系統、風機監測系統和結構健康監測系統等多個信息系統外，還有許多人工檢測、保養、維修的紙質文本信息。信息具有典型的異構、分散存儲特征，會給隧道動態監視和管理決策帶來不便。

1.3 時空特性復雜

隧道內設施設備具有顯著的時空關系。如隧道結構病害與周邊結構和施工期均有關聯，但傳統管理方式下施工信息缺失和異形空間描述困難，使得決策者無法了解結構全生命周期的演變規律以及分析其發展趨勢，給隧道巡檢和維養方案的制定帶來不利影響。

1.4 決策方式落后

在管理決策方面，目前主要還是由管理人員結合一些局部數據的統計和分析，根據經驗完成隧道日常管理決策和年度養護方案設計。由于缺乏對隧道長期性能的分析能力[16]，使存在安全隱患的一些設備和設施未被及時發現，導致隧道養護經費使用不合理等情況時常發生。

2 信息處理關鍵技術

信息是公路隧道運維決策管理系統設計的關鍵。系統圍繞全生命周期信息展開設計，以管理對象為核心，從信息規范、采集、組織和分析各環節入手，利用標準化、可視化和智能化的手段，打破傳統運維系統中信息不完整、不一致的瓶頸。

2.1 基于編碼的信息規范

為了實現信息標準化，建立一套完整的信息編碼體系對于設施設備的維護有著重要的意義[17]。系統從唯一性、易讀性和長期有效性的角度對隧道內所有的設施、設備、監測點進行編碼。編碼格式見圖1，采用字母和數字混編的方式，總長22位，由主編碼和擴展碼組成。主編碼由項目名稱、管理單元(便于網格化管理工作)、設施設備分類代碼(包括對象屬性、大類和小類3部分，覆蓋設施、設備、監測、周邊環境和標簽運維過程所有觀察對象)和物理位置代碼依次連接組成； 擴展編碼主要用于細節特征的標注。通過編碼可以快速定位隧道中任一設施和設備的準確位置，了解其所屬類別，并通過唯一代碼實現與BIM模型的關聯。

圖1 公路隧道編碼格式

2.2 全過程全方位的信息采集

全過程全方位的信息是實現正確決策的保障。系統圍繞隧道管理的主體對象(結構、設備和環境)，從全生命周期的角度進行信息源梳理與采集，并將財務信息、地理信息和天文氣象等關聯信息納入其中。信息類別及其所屬階段見表1。

表1 信息類別與所屬階段

2.3 基于BIM的信息組織

由于隧道信息具有顯著的空間特性，系統建立了隧道模型，包含隧道主體結構、變電所和保護區周邊的BIM模型，根據設施和設備的運維評估需求，進行土建結構的構件劃分和設施設備的構建,并通過標準化編碼，實現不同信息系統之間的信息交換，以及將編碼與BIM模型和實體綁定，為信息交互與追溯提供基礎。圖2展示了通過標準編碼和BIM模型映射，整合各分散信息源，實現數據時空融合的過程。

2.4 智能化的信息分析

系統在全生命周期信息和BIM模型提供的空間關系基礎上，開展隧道運維信息分析，包括健康評估、隱患發現、養護計劃和環境優化等。分析手段主要有

圖表統計、數據透視、數據過濾和基于分析模型的輔助決策。考慮到R語言在大數據統計和分析上的優勢[18]，系統將其作為數據分析引擎與oracle數據庫相配合。

圖2 基于編碼的信息關聯

圖3描述了行數據分析基本過程。整個分析圍繞決策需求展開，根據決策問題和需求，選擇對應分析模型(基于R語言的分析引擎)，對數據分析，并給出決策建議。模型分析所用數據來源于BIM模型、歷史數據庫和實時數據庫。為了便于規范化處理，BIM模型文件按IFC文件格式存儲，系統利用直接關聯對象id，結合ifcRelAggregate的對象間聚合關系，從ifcObject類中讀取關聯對象的編號和基本屬性，通過編號與數據庫關聯，根據模型需求，對一定時間段的字段進行提取和處理，形成待分析數據表并傳送至分析引擎。

圖3 數據智能分析流程

3 系統設計

3.1 系統構架

隧道運維決策系統由5層架構組成(見圖4)： 1)第1層為感知層，由傳感設備、點檢儀和智能手機等監測和檢測設備組成，其主要目的是采集隧道設施、設備和環境等動態信息，并通過通信網絡傳遞至中央數據庫； 2)第2層為網絡層，通過隧道內的環網光纖和無線Zigbee網絡進行數據傳輸； 3)第3層為數據層，將獲取的信息根據其不同的特性轉換為適合的存儲方式。例如實時高頻流數據被存儲在 Hadoop Distributed File System (HDFS) 中、歷史數據被存儲在關系數據庫(RDBMS)中、空間數據存儲在BIM模型中； 4)第4層為分析層，提供了分析中常用的算法和工具，根據分析需求，從數據中獲取信息，找到所需的實體，根據語義查詢關聯數據，并進行計算； 5)第5層為交互層，用戶不僅可以通過可視化界面實時監視隧道動態，獲悉警告消息，并發送給感興趣的使用者，而且可以進行性能指標評估，確定有效的養護策略。交互應用層采用儀表板和三維可視化的交互形式進行信息展示，為用戶自助式查詢、問題分析和統計歸納提供便利。

圖4 公路隧道運維決策系統構架

3.2 功能設計

隧道運維決策系統分為監控中心、決策中心、數據中心、模型管理和系統管理5部分。其中，數據中心、監控中心和決策中心體現了系統的核心功能。

3.2.1 數據中心

數據中心是系統的基石，通過統一的編碼和數據接口方式，提供設計、施工和運維全過程的信息，覆蓋地質、氣象、設備、設施、運營多方面內容，為智能分析提供基礎，而且還提供信息錄入、修改、查詢、刪除和統計等多種功能。

3.2.2 監控中心

20世紀90年代初，瑞士辛德勒車輛公司制造的以CFRP為主的整體式車體結構(見圖1)，在運行試驗中跑出了140 km/h的速度。該車體結構具有質量輕、舒適度好和安全性高等特點，但由于纏繞工藝復雜，難以實現量產。

監控中心以BIM模型為基礎，管理者可以采用自動巡檢、駕車巡檢、定點檢查和人工巡檢等多種方式的虛擬漫游，隨時查看設施或設備的基礎信息和監測檢測信息，通過健康檔案、曲線展示、快速測量和半透明觀察等功能實現空間關系、事件發展趨勢和管理區域的分析。

為了提升用戶體驗，對監控中心的模型進行了輕量化處理，提供全景模型、隧道實景和變電所3個情境體驗。全景建模深度為LOD200，展現整條隧道的土建結構和周邊地理信息，通過點擊標簽、建筑物和隱藏圖層等方法，用戶可對周邊建筑物與隧道關系以及建筑物信息、周邊監控信息等有更多的了解(見圖5)。隧道實景是將隧道作為研究主體，土建建模深度為LOD350(體現隧道管片、道路和主體結構)，其關鍵設備的幾何建模深度為LOD300，結合關聯數據庫，不僅全面展示隧道竣工交付時設計、施工和安裝的完整信息，而且還提供資產狀況、評估結果(見圖6)、實時監測信息和預警信息(見圖7)。變電所土建建模深度為LOD250，機電幾何建模深度為LOD300，主要用于了解設備的基本信息和工作動態，并對發生異常的設備進行分析(見圖8)。

圖5 建筑物信息查詢

圖6 隧道內設施查詢

圖7 隧道內監測信息查詢

圖8 變電所設備信息查詢

3.2.3 決策中心

決策中心分為運營分析、設備分析、設施分析和綜合分析4部分，以大數據分析引擎為支撐，不僅從多角度展示了交通、環境、能源、結構、設備現狀和歷史信息，而且可根據歷史和實時數據給出異常預警、設備控制、維修養護的意見，提升隧道管理決策水平。決策中心通過圖表的方式直觀地表達隧道當前狀態、數據的變化趨勢、各種特征統計值，并給出當前管理建議。環境分析界面見圖9，界面上方的滾動字幕概述了東線和西線2條隧道的空氣質量和光照情況，并根據交通流量趨勢，給出運營控制建議。數據區域給出即時監測數值、單日極值及關聯信息，為管理人員分析隧道環境提供方便。下部色帶區域幫助管理人員快速了解隧道內各關鍵指標的分布，并結合控制設備狀態，為設備的優化控制提供參考。隧道內環境的計算分析結果通過可視化方式展示，采用三維俯視圖的方式體現整條隧道的空氣質量分布，不同的顏色反映出空氣污染程度； 采用三維隧道內景進行隧道環境舒適度的展示，有利于決策者體驗隧道環境舒適度的變化過程，觀察當前風機的允許開啟狀態。

圖9 環境分析界面

4 系統應用

系統采用B/S架構進行設計，其中BIM模型的展示引擎為Unity3D，在系統中應用推廣比較方便，客戶端用戶只要安裝能夠接受Unity3D插件的網頁瀏覽器即可。除了網絡要求，計算機硬件要求為4G以上內存來保證模型流暢運行。系統自2015年12月起全面應用于上海大連路隧道管理中，主要應用優勢如下。

4.1 可視化問題發現機制

系統提供了全方位的虛擬巡檢功能，不僅提高了巡檢效率，而且通過可視化的信息浮現機制，為發現問題提供便利。例如管理人員可以通過虛擬巡視(見圖10)，全面掌握周邊動態，實現快速響應。

圖10 周邊環境活動虛擬巡檢

4.2 隧道隱患的快速捕捉

上海大連路隧道運維決策系統與實時監控系統無縫連接，隨時獲取隧道內部的結構健康和設備監測信息以及環境變化信息。一旦發現有異常的監測數據，系統會快速進入實時預警的流程。管理人員通過查看設備設施的相關圖紙、歷史巡檢記錄以及實時監測曲線，實現對設備故障和設施病害的在線診斷(見圖11)。

(a) 異常報警

(b) 在線診斷

4.3 時空融合的病害分析

平臺可根據基礎隧道檢查和監測數據進行土建結構評估(見圖12)，并利用結構健康檔案，分析病害記錄，了解隧道病害的變化過程，追溯周邊土質條件、設計信息、施工階段的盾構推進參數(見圖13)和周邊地面沉降信息，為準確定位病害位置、設計維修方案提供依據。

圖12 隧道結構的健康評估

4.4 隧道養護方案的優化

合理的養護方案對于隧道壽命和性能具有重要意義。系統提供了設施、設備狀態的統計分析功能，計算設備故障率和完好率、評估主體結構健康，并以決策者的管理需求為優化目標，結合隧道年度經費定額標準，優化下一年度養護方案。

圖13 施工階段的盾構推進參數

4.5 應用效果

在系統的輔助管理下，大連路隧道內空氣質量和光照質量始終保持優良。與2014年度相比，CO體積分數和煙塵含量分別下降11%和19%，暢通率和社會滿意度均達到了100%。系統幫助隧道管理者更快速、清晰地了解隧道運營狀況，獲得運營養護的輔助決策建議。

5 結論與討論

隧道運維決策系統將BIM技術、物聯網技術、移動互聯技術和大數據技術結合在一起，并將原先分散的系統和數據集成，不僅有利于信息的管理，而且可通過BIM模型將數據有機組織并呈現給管理人員，為隧道的信息查詢、多因素分析、評估和決策提供新的手段，也為城市公共設施的智慧化管理探索出一條新的途徑。

該運維決策系統在上海大連路隧道運維中取得了一定的成果，但是還存在一些問題，如： 基于編碼的信息集成以及信息的查詢和推理方面存在一定的局限性； Unity3D的圖形化引擎漫游效果好，但是在模型體量增大的情況下，會對運行效果產生一定的影響，這些問題均有待繼續完善。

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Decision Support System for Tunnel Operation and Maintenance Based on BIM and Tunnel Whole Life Cycle Information

HU Min1, 2, LIU Panpan2, 3, YU Gang1, 2, SHI Yongquan4,*
(1.SHU-UTSSILCBusinessSchool,ShanghaiUniversity,Shanghai201400,China; 2.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 3.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China)

Visual and intelligent decision support system based on building information modeling (BIM) and tunnel whole life cycle information is built so as to solve management and decision difficulties of highway tunnel operation and maintenance, i.e. numerous management objects, decentralized information and complex space-time characteristics, etc. Standardization, visualization and intelligentization are regarded as design principles for the system based on BIM operation and maintenance model. The multi-source information integration of design, construction and operation and maintenance of the system can be realized by code standardization and information mapping table. It is composed of 5 layers of perception layer, network layer, data layer, analysis layer and interaction layer. The disease diagnoses and assessment, abnormal detecting and fault diagnosis of equipment and maintenance decision optimization of the system can be realized by intelligent analysis technology. The users can learn the site situation quickly and improve the efficiency and quality of tunnel operation and maintenance through 3D visualization interface of the system. The system has been successfully used in tunnel on Dalian Road in Shanghai and good effects have been achieved.

highway tunnel; whole life cycle; BIM; tunnel operation and maintenance; decision support system

2016-12-12;

2017-03-22

上海市科委重點項目(13511504803)； 上海市國資委重大科研項目(2014008)

胡珉(1970—)，女，浙江上虞人， 2006年畢業于上海大學，控制理論與控制工程專業，博士，副教授，現主要從事智能信息處理和建筑信息化方面的教學和科研工作。E-mail： minahu@shu.edu.cn。*通訊作者： 施永泉， E-mail： 18964864912@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.002

U 457

A

1672-741X(2017)04-0394-07