基于IFC的傳感器信息存儲與應用研究

胡振中，田佩龍，李久林

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基于IFC的傳感器信息存儲與應用研究

胡振中1，田佩龍1，李久林2

(1. 清華大學土木工程系，北京 100084；2. 北京城建集團有限責任公司，北京 100081)

在建筑的施工和運維管理過程中，存在大量的傳感器采集的數據，但是這些數據存于各自的監測系統中，產生“信息孤島”局面，難以對其進一步的融合分析，使其產生更大的價值。建筑信息模型(BIM)技術支持將傳感器數據與工程數據集成管理和應用，但是面向BIM存儲的工業基礎類國際標準(IFC)對傳感器數據的定義和描述仍有缺陷。為此，提出了基于IFC的傳感器信息存儲方法與應用流程，分析了IFC中與傳感器有關的信息描述和關聯機制，進而通過自定義屬性集的方式擴展了IFC標準，最后以北京槐房再生水廠項目為應用案例驗證了IFC擴展內容的有效性。

建筑信息模型；工業基礎類；傳感器；監測；信息集成

在建筑的施工和運維管理過程中，存在大量的傳感器采集的數據，比如施工管理過程中結構監測系統的應力、應變、位移等監測數據，運維管理過程中暖通空調系統的房間溫度、濕度，風機轉速等監測數據。這些數據存入各自的監測系統中，產生“信息孤島”局面，難以對其進一步的融合分析，使其產生更大的價值。BIM (building information model/modeling，建筑信息模型)技術支持將監測數據與工程數據集成管理和應用，從而輔助建筑施工管理和運營維護過程中的綜合分析與決策，以充分發揮工程信息的價值。

然而，如何將BIM靜態數據與傳感器動態數據有效融合，并形成統一數據源，至今仍沒有成熟的方法，但已有相關學者做了一些嘗試，其中基于IFC (industrial foundation classes，工業基礎類)標準框架的研究成果最為豐富。例如，RIO等[1]分析了IFC中傳感器信息的表達方式，提出了基于IFC的結構健康監測信息的建模方法，并在案例研究中實現了位移、應力、角度和溫度等傳感器在IFC中的定義和表達，利用監測數據進行結構健康評估。王超[2]提出了IFC中結構健康監測信息的集成和表達方法，并基于Revit平臺，對結構健康監測信息進行了可視化的集成和管理。SMARSLY和TAUSCHER[3]提出了一種描述結構健康監測信息的語義模型，并通過擴展IFC模型實現了對該語義模型的描述和表達。LIU和AKINCI[4]分析了IFC、SensorML等標準對傳感器信息的支持程度，并將傳感器元數據(sensor metadata)和BIM整合，提出使用SensorML標準描述傳感器類型信息，使用IFC標準描述傳感器實體信息的思路。此外，RIAZ等[5]利用無線傳感器采集施工現場的環境監測數據，集成到BIM系統中，對不安全的施工環境進行預警。ATTAR等[6]利用無線傳感器采集辦公樓房間內照度、溫度、濕度等數據，集成到BIM系統中進行可視化的查詢和建筑性能分析。

然而，目前針對BIM數據與傳感器數據融合的研究大多僅限于某一領域的應用，針對融合數據的應用流程缺乏深入的梳理。本研究從信息存儲的角度探討了基于IFC的傳感器信息存儲與應用流程，分析了IFC中與傳感器有關的信息描述和關聯機制，然后通過自定義屬性集的方式擴展了IFC標準，最后以北京槐房再生水廠項目為應用案例驗證了IFC擴展內容的有效性。

1 基于IFC的傳感器信息存儲與表達

IFC是由buildingSMART組織創建和維護的開放BIM標準，現已成為國際標準，用于建筑工程領域不同專業(包括建筑、結構、機電等)、不同階段(包括規劃、設計、施工、運維和拆除)軟件之間的數據交換與共享。

IFC的數據模型包含4個層次：①資源層(resource layer)為所有的基礎資源定義，如時間、材料、幾何等；②核心層(core layer)為IFC的核心部分(如基礎實體、關系、屬性等的定義)和擴展部分，是IFC數據模式的基礎框架；交互層(interoperability layer)為一系列用于共享的實體、過程和資源定義，用于不同領域信息的交互；④領域層(domain layer)為一系列領域內的信息定義，如建筑控制、消防、暖通空調等領域。

其中，領域層的建筑控制領域包含了一系列與建筑自動化、控制、儀表和報警等有關的基本信息定義，該領域內主要的實體定義如圖1所示，分為執行器、報警、控制器、傳感器、流量儀表和統一控制元件幾個方面。

1.1 IFC中傳感器信息描述與關聯機制

由圖1可見，IFC數據模型中與傳感器信息的存儲和表達有關的信息定義包含在IfcSensor和IfcSensorType的信息定義中，如圖2所示。

除IfcSensor和IfcSensorType的信息定義外，與之關聯的其他工程屬性是通過IFC內部的關聯機制實現的，可以細分為基于屬性集和基于類型實體兩種類型。

(1) 基于屬性集的傳感器信息描述與關聯。屬性集是指由多條屬性組成的集合，在IFC中，用IfcSensor描述傳感器實體，用IfcProperty描述傳感器的屬性信息，將多條屬性信息組成屬性集IfcPropertySet，通過IfcRelDefinesByProperties關系將屬性集關聯到傳感器實體，IfcRelDefinesByProperties中可包含多個屬性集，同時，具有相同屬性值的傳感器可通過同一個IfcRelDefinesByProperties關聯到同一類屬性集上。

(2) 基于類型實體的傳感器信息描述與關聯。利用IfcSensorType定義具有相同特征的傳感器類型實體，通過屬性集描述該傳感器類型實體的特征，將傳感器實體通過IfcRelDefinesByType關系關聯到某個傳感器類型實體，從而描述傳感器實體的屬性。在最新的發布版IFC4 Add2中IfcSensorTypeEnum定義了24種傳感器類型實體，其中，濕度傳感器的預定義屬性集見表1~2，未定義的傳感器類型可通過用戶自定義的方式擴展。

1.2 基于IFC的傳感器信息存儲和擴展

IFC中預定義了一部分傳感器類型及其屬性集，但是，一方面IFC中預定義的傳感器類型并不能覆蓋實際應用中的所有傳感器類型，例如缺乏檢測空氣質量的PM2.5傳感器，檢測結構位移、撓度的傳感器等；另一方面，IFC中預定義的傳感器信息只能描述傳感器的極少部分特征，例如：濕度傳感器的預定義屬性集中只能存儲濕度傳感器設定值(量程、濕度閾值)，而無法存儲其型號、靈敏度、溫度系數、響應時間等信息。因此，需要對IFC中原有的傳感器信息模型進行擴展，以滿足利用IFC對實際應用中傳感器監測信息描述和存儲的需要。

圖1 建筑控制領域包含實體的EXPRESS-G表示

圖2 IFC中與監測信息相關的信息定義

表1 濕度傳感器屬性集定義

表2 Pset_SensorTypeHumiditySensor屬性定義

對IFC進行擴展有3種方式：通過自定義實體類型進行擴展、基于IfcProxy實體進行擴展和通過自定義屬性集的方式進行擴展。其中，通過自定義實體類型進行擴展的方式同現有BIM軟件和公開IFC版本的兼容性較差，基于IfcProxy實體進行擴展的方式識別效率較低，通過自定義屬性集的方式則兼容性較好，識別效率較高，因此本研究中采用自定義屬性集的方式對IFC監測數據進行擴展。

與傳感器相關的信息可以分為傳感器特征信息(包括描述傳感器型號、量程、精度、采集間隔等)、傳輸協議信息(協議名稱、版本號等)、作用對象信息(附屬的構件、監測范圍等)和歷史監測數據，針對以上不同類型的信息，在IFC中分別通過自定義屬性集的方式進行描述和存儲。

(1) 實體信息。在IFC中用IfcSensor代表傳感器實例，在實例屬性PreDefinedType存儲傳感器類型信息，對于IFC中未定義的傳感器類型，將PreDefinedType屬性值設為UserDefined，并IfcSensor關聯的類型屬性集中記錄類型信息。對于與類型相關的屬性信息，存儲到IfcSensorType關聯的屬性集中，并通過IfcRelDefinesByType建立IfcSensor實例與IfcSensorType的關聯，對于與傳感器實例有關的信息，直接存儲在與IfcSensor關聯的屬性集中。

(2) 傳感器特征信息。傳感器特征信息表示傳感器本身的特性以及輸出數據的特性，自定義屬性集見表3~4。

(3) 協議信息。傳感器在傳輸數據時需要采用特定的傳輸協議，為了描述協議信息的內容，自定義協議信息屬性集，見表5~6。

表3 Pset_SensorCommonFeature屬性集定義

表4 Pset_SensorCommonFeature屬性定義

表5 Pset_ExchangeProtocol屬性集定義

表6 Pset_ExchangeProtocol屬性定義

(4)作用位置信息。作用位置信息用來描述傳感器與IFC中其他實體的關系，便于在基于IFC的語義查詢中，建立對傳感器實體的語義描述。作用位置分為3類：①傳感器隸屬于某個設備，傳感器的用途是表征設備的某種運行狀態，如風機中的轉速傳感器。②傳感器隸屬于某個區域，區域采用IfcSpace的實體描述，例如某個房間的溫度傳感器。③不直接關聯到任何設備或區域，在IFC中記錄傳感器位置和檢測范圍，其中，傳感器位置信息借助關聯的傳感器實體的幾何坐標信息進行描述，關聯實體記錄在LocationElement中，例如人體紅外傳感器只能檢測一定范圍內的人體活動情況。作用對象信息采用如所示自定義屬性集進行存儲，見表7~8。

表7 Pset_SensorLocation屬性集定義

表8 Pset_SensorLocation屬性定義

(5) 傳感器歷史數據。傳感器采集的歷史數據是指一定時間段內傳感器采集到的所有數據。當數據量較小時，采用IFC中的IfcPropertyTableValue存儲，如圖3所示，其中，DefiningValue存儲數據采集時間，DefinedValues存儲采集到的數據，見表9。當查詢的時間段較長時，歷史數據量較大，并不適合直接存儲在IFC文件中，此時，通過外部引用的方式存儲歷史數據，例如，在IFC文件中存儲歷史數據所在RESTful API的地址。

2 基于IFC的傳感器信息應用流程

基于IFC的傳感器信息應用流程如圖4所示，包含IFC中傳感器信息的創建、傳遞、解析和應用等過程。

圖3 IfcPropertyTableValue定義

表9 IfcPropertyTableValue存儲的一段時間內數據

圖4 基于IFC的監測信息應用流程

2.1 傳感器信息的創建

傳感器信息的創建可以借助Revit等商品化BIM軟件完成。其中，Revit是Autodesk公司的商用BIM建模軟件，提供了參數化建模的能力，利用Revit進行傳感器信息創建的流程如下：

(1) 定義傳感器族。Revit族用來對Revit中包含共同屬性和相似集合的構件或設備分組，Revit中一個族可包含不同的子類別，不同的子類別包含的參數種類是一樣的，但是參數的值有所不同。通過創建傳感器族定義不同類型的傳感器，如，可定義溫度傳感器族，來代表用于室內溫度監測的傳感器，溫度傳感器又可分為很多不同的型號，不同型號的傳感器量程、測量精度等會有所不同，用Revit族的子類別來表示某一類型的傳感器，在子類別的族參數中，設定該類型傳感器的類型相關的屬性值。族的幾何圖形代表傳感器的形狀，如果對傳感器的形狀沒有要求，使用簡單的幾何形狀體即可。

(2) 傳感器建模。傳感器建模在建筑、結構、機電建模完成后進行，通過載入的自定義傳感器族進行傳感器的布置，在Revit中一個族實例代表某一個傳感器。在實例屬性中，輸入該傳感器的相關屬性，如傳感器數據采集間隔、采用的數據傳輸協議、協議內標識信息等。最后，定義傳感器與其他構件的關聯關系，將傳感器關聯到設備或者房間實例上。

2.2 傳感器信息的傳遞

在Revit中創建的傳感器信息通過IFC中性文件進行傳遞，IFC中性文件的導出可以借助“IFC for Revit”工具完成，該工具是SourceForge上的開源項目，用來增強Revit的IFC導出能力。在導出過程中，將自定義的傳感器族映射到IfcSensor實體，將族參數存儲到IFC自定義屬性集中。

IFC中性文件是專門格式的ASCII碼順序文件，如圖5所示，采用WSN (wirth syntax notation)形式化語法，是一種無二義性，上下文無關的文法，易于計算機處理。IFC中性文件主要由頭部段和數據段組成。頭部段是中性文件的第一段，提供了有關整個中性文件的數據概要，記錄內容為：文件名、文件生成日期、作者姓名、單位、文件描述、前后置處理程序等。數據段是文件的主體部分，包含了需交換的產品數據。數據段記錄的內容為實體的實例及其屬性值，每個實體實例用標識符和實體名稱表示，屬性值可以分為簡單數據值、枚舉數據值、聚合數據值(數組、列表、集合和包)以及引用其他對象的標識符等幾類。

圖5 IFC中性文件

其中，以“#”+ID的方式定義標示符，其后的“=”表示后面的內容為實體及其屬性的定義。緊接其后的以“IFC”開頭的大寫字母為該實體的類型名稱，隨后的括號內是對應于該實體類型的屬性值。屬性從基類開始，對顯示屬性逐個定義。屬性根據其類型又分別有如下表述：為簡單數據值類型時，直接標出數值；為枚舉數據類型時，在枚舉類型值的前后各加一個“.”；為聚合數據類型時，以“()”包裹，其數據以“，”作為分隔；為其他引用對象時，直接用“#”+ID方式表示；當為空對象時，以“$”表示。

2.3 傳感器信息的解析和應用

IFC中性文件將被分別傳遞給監測集成服務器、BIM客戶端和其他軟件進行使用，如圖4所示。其中，本研究所采用的監測集成服務器和BIM客戶端均是本課題組所開發的“基于BIM的建筑設備自動化集成系統”的組成部分，分別用于不同自動化系統中的監測數據集成和面向用戶的桌面系統。此外，監測集成服務器和BIM客戶端中IFC中性文件的解析在課題組已有的IFC解析接口[7]的基礎上完成，增加IfcSensor實體和傳感器關聯關系的識別和解析部分。

監測集成服務器通過解析IFC中性文件，提取出IFC中的所有傳感器實體信息、采用的數據傳輸協議信息和數據采集頻率等，這些信息一方面將傳遞給數據管理模塊進行存儲，另一方面傳遞給相應的協議插件模塊用來建立與監測系統的通信，完成插件模塊中傳感器信息的配置、進行傳感器監測數據訂閱等。監測系統包含控制器、傳感器等硬件設備，是布置在建筑內部用于數據采集的硬件系統。通信建立完成后，監測系統中傳感器采集到的數據會實時更新到監測集成服務器中。監測集成服務器提供數據服務，BIM客戶端和其他軟件可通過服務的形式調用任意傳感器采集到的所有監測數據。

BIM客戶端通過解析IFC中性文件，提取出IFC中的所有傳感器實體信息、位置信息、幾何形狀和標識信息等，以支持可視化的查詢和顯示，如圖6所示。此外，通過將標識信息傳遞給監測集成服務器提供的服務，來查詢傳感器相關的采集數據，為進一步的分析和應用提供基礎。

圖6 BIM客戶端中監測的可視化查詢和顯示

3 應用案例

本研究以北京槐房再生水廠(以下簡稱槐房水廠)項目中毒害氣體傳感器的建模與應用流程為例，進行了技術驗證和案例應用?；狈克畯S是北京市第一座全地下再生水廠，也是全國乃至全世界最大的主體處理工藝全部處于地下的再生水廠工程，其設計污水處理能力為60萬立方米/日，規劃流域面積為137 km2。槐房水廠采用生物處理工藝對污水進行處理，出水主要用于河湖補水、綠化、市政雜用、工業冷卻用水等。槐房水廠在設計、施工和運維過程中踐行智慧建造、智慧運營的理念，在設計過程中采用BIM技術進行設計；在施工過程中，利用BIM技術，探索基于IPD模式的項目管理方法；在運維過程中，探索基于BIM和物聯網的大型建筑工程智慧運維管理模式和方法。

在污水處理過程中，污水中含有的大量硫酸鹽會在還原菌的作用下產生硫化物，并以硫化氫(H2S)的形式擴散到空氣中，對人體產生嚴重損害，一般通過預曝氣、添加鐵鹽、硝酸鹽等方式可以減少H2S的釋放。然而，由于槐房水廠水區主要構筑物位于地下，一旦發生H2S超標的情況，將會對工作人員的生命健康產生嚴重損害。因此，需要在易發生H2S泄露部位設置傳感器，搭建毒害氣體監測與報警系統，用于H2S氣體的監測和報警。

本研究在槐房水廠已有BIM模型基礎上，在Revit中進行硫化氫傳感器信息建模，并通過IFC中性文件將信息傳遞到自主研發的基于BIM的槐房水廠運維管理系統，實現H2S監測和報警系統與BIM系統的集成、綜合管理。如圖7所示，在該運維系統中，可查看所有H2S濃度檢測傳感器當前檢測到的濃度值；通過選擇任意傳感器，亦可查看該傳感器的詳細參數以及檢測到的H2S濃度值的變化趨勢，并輸出報表等。

圖7 硫化氫傳感器檢測值變化趨勢查詢

當H2S濃度超過報警值時，現場聲光報警器會進行報警，該運維系統也會有相應提示，H2S濃度報警值根據國家規范[8]進行設定，見表10。報警記錄會保留在BIM運維系統中，方便事后進行查看，也可將報警記錄輸出成報表進行打印，如圖8所示。

表10 硫化氫各級濃度報警值

圖8 報警記錄查看

4 結 論

本研究對IFC中與傳感器有關的信息描述和關聯機制進行了分析，通過自定義屬性集的方式對IFC進行了擴展，以滿足BIM系統與監測系統集成過程中傳感器信息存儲和定義的要求。進一步梳理了基于IFC的傳感器信息應用流程，通過Revit二次開發、擴展IFC接口等方式，實現了對IFC中傳感器信息的創建、傳遞、解析與應用等。最后以北京槐房再生水廠項目為例，驗證了以上技術和方法的有效性。

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Research on IFC-Based Storage and Application of Sensor Information

HU Zhenzhong1, TIAN Peilong1, LI Jiulin2

(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084 China; 2. Building Urban Construction Group Co. Ltd., Beijing 100081, China)

There are a lot of sensor data collected in the construction, operation and maintenance of buildings, but these data only existed in the respective monitoring systems, leading to a situation of “information island”, thus the sensor data cannot be effectively used. BIM (building information model/modeling) technology can implement integrated management and application of sensor data and engineering data. The IFC (industrial foundation classes) standard which is an international standard for BIM storage, is still not sufficient for sensors and their data. In this paper, IFC-based sensor information storage method and application process are presented. Specifically, the description and association mechanism of sensor information in IFC are analyzed, followed by the extension of IFC property set to achieve the storage of such information. Finally, the IFC-based application process of sensor information is described. The proposed methods were applied to the HuaiFang Water Reclamation Plant in Beijing for validation.

building information model/modeling; industrial foundation classes; sensor; monitoring; information integration

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030522

A

2095-302X(2018)03-0522-08

2017-07-27；

2017-10-09

國家重點研發計劃課題(2016YFC0702107)；北京市科技計劃課題(Z151100002115054)；國家自然科學基金項目(51478249)

胡振中(1983–)，男，廣東惠州人，副教授，博士。主要研究方向為土木工程信息技術。E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn