WebBIM的分布式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李光威

摘要：關(guān)于基于Web的BIM（Building Information Modeling）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)此方面的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究與討論。當(dāng)前WebBIM的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)多種多樣，同濟(jì)大學(xué)學(xué)生將介紹WebBIM的分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，給出一整套開(kāi)發(fā)方案，并對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行突破并實(shí)現(xiàn)WebBIM在線可視化系統(tǒng)的示范性應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BIM;軟件架構(gòu);分布式;Web;數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）31-0073-02

1 背景

建筑信息模型BIM是近年來(lái)興起的新概念，在建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的全生命周期中應(yīng)用價(jià)值極高，已成為建筑業(yè)的新趨勢(shì)。理論中的BIM應(yīng)能夠貫穿建設(shè)項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，并支持項(xiàng)目全部信息的存儲(chǔ)與交互。目前我國(guó)的BIM技術(shù)應(yīng)用大體分為以下兩大類：1）單機(jī)模式。每個(gè)用戶都有一個(gè)工作站，BIM數(shù)據(jù)模型一般都是保存在本地的，由自己掌握。2）基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理模式。BIM可視化管理平臺(tái)使企業(yè)內(nèi)部的所有設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)與管理。每個(gè)用戶還擁有一個(gè)工作站。

然而傳統(tǒng)BIM應(yīng)用模式中尚且存在一些問(wèn)題：

1）投入的成本比較高。

2）BIM模型數(shù)據(jù)的安全性讓人擔(dān)憂。

3）BIM模型的交互性較差。

所以仍需要一個(gè)以實(shí)際技術(shù)搭建的系統(tǒng)將BIM的這些特性實(shí)現(xiàn)，BIM服務(wù)器應(yīng)運(yùn)而生。目前主流的BIM服務(wù)器多為C/S架構(gòu)，而C/S架構(gòu)的桌面應(yīng)用程序?qū)﹄娔X軟硬件和軟件使用者都有一定的要求。隨著HTML5標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)，帶來(lái)了支持瀏覽器硬件圖形加速的WebGL技術(shù)，更帶來(lái)了一系列劃時(shí)代的Web技術(shù)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)下的BIM信息管理與模型三維瀏覽奠定了基礎(chǔ)。HTML5的出現(xiàn)為Web瀏覽器帶來(lái)了各式各樣的功能支持，引領(lǐng)我們走向內(nèi)嵌式富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新紀(jì)元。于是面向Web的BIM服務(wù)器有了理想的技術(shù)支撐。

因此，隨著B(niǎo)IM技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)基于B/S架構(gòu)的WebBIM系統(tǒng)越來(lái)越重要。該文的主攻方向是設(shè)計(jì)基于WebBIM開(kāi)發(fā)的后端架構(gòu)方式，該課題現(xiàn)階段還有許多尚未攻克的技術(shù)難題。一方面，基于B/S架構(gòu)的WebBIM系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)受到物理環(huán)境的影響;另一方面，WebBIM場(chǎng)景中的模型的5V特性（大量化（Volune）、多樣性（Variety）、高速性（Velocity）、價(jià)值（Value）和可視化（Visualization））使得對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)提出了負(fù)載均衡性能的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 大型WebBIM軟件架構(gòu)方式

雖然已有基于服務(wù)器的BIM軟件架構(gòu)方式，但是對(duì)于大型WebBIM系統(tǒng)的架構(gòu)方式仍在探索階段。所以該課題借鑒其他項(xiàng)目的分布式架構(gòu)方式，設(shè)計(jì)大型WebBIM的分布式軟件架構(gòu)。

2.2 大型WebBIM系統(tǒng)前端與后端的高效網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

使用Node.js+MongoDB+Redis作為整體服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前端與后端的高效傳輸。主要功能在于交互式地瀏覽和修改數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)Web內(nèi)容。目前基于Web的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)很多是使用Node.js來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。在大型WebBIM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，后端數(shù)據(jù)庫(kù)要與前端通信，并配合前端語(yǔ)義表達(dá)。

2.3 大規(guī)模WebBIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

該文就BIM行業(yè)內(nèi)某公司需求，設(shè)計(jì)并實(shí)施了以FastDFS為主HDFS為輔的分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)室前期已經(jīng)IFC的BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化，形成了DAT文件，每個(gè)DAT文件只有幾KB級(jí)別的數(shù)據(jù)，一個(gè)大型建筑總的文件只有幾十兆級(jí)別的。而主流分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)HDFS適合存儲(chǔ)大文件，為節(jié)省研發(fā)HDFS針對(duì)小文件存儲(chǔ)算法方面的成本，該文引入適合存儲(chǔ)中小型文件的輕量級(jí)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)FastDFS，以此為主要存儲(chǔ)系統(tǒng)，并部署HDFS，存儲(chǔ)大文件，為之后優(yōu)化小文件存儲(chǔ)，遷移全部存儲(chǔ)平臺(tái)至HDFS，并在此之上建立分布式計(jì)算平臺(tái)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 基于IFC文件的BIM模型數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

WebBIM模型的集合數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)都將存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，前端需要加載幾何數(shù)據(jù)，我們將集合數(shù)據(jù)放在分布式文件系統(tǒng)中，而描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)（元數(shù)據(jù)）放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.5 針對(duì)IFC文件的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)遷移工具

該項(xiàng)目目前將模型文件存儲(chǔ)在MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中，現(xiàn)在需要將這些文件通過(guò)MySQL遷移到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中。初步使用Sqoop，此開(kāi)源工具主要用于Hadoop與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，在遷移過(guò)程中，設(shè)計(jì)基于該項(xiàng)目目前開(kāi)發(fā)中的數(shù)據(jù)，遷移到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中的方法。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用Node.js作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言環(huán)境，選擇MongoDB作為模型數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)WebBIM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的實(shí)際情況，結(jié)合業(yè)務(wù)流程，確定了系統(tǒng)的整體框架，對(duì)功能模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析，研究與探討。切實(shí)完成了WebBIM系統(tǒng)設(shè)計(jì)，代碼編寫(xiě)，系統(tǒng)壓力測(cè)試，如圖1。

由于該系統(tǒng)功能模塊較多，受篇幅限制，只給出技術(shù)路線圖與Web展示，如圖2。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)瀏覽器端提出一套WebBIM軟件開(kāi)發(fā)的架構(gòu)方式，該解決方案具有通用性強(qiáng)、適用性廣、兼容性好的特點(diǎn)，并且有很好的功能拓展性和完整的對(duì)外接口。對(duì)下列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究并形成研究報(bào)告，主要體現(xiàn)下列關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容：大型WebBIM軟件架構(gòu)方式;大型WebBIM系統(tǒng)前端與后端的高效網(wǎng)絡(luò)傳輸方式;大規(guī)模WebBIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì);基于IFC文件的BIM模型數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)設(shè)計(jì);針對(duì)IFC文件的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)遷移工具。最終形成一整套WebBIM軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的架構(gòu)方案。

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