面向對象和服務的橋梁工程信息管理平臺研究與實踐

伍 軍，宋 林，王步云，趙邦國，趙夕國

(1. 中國中鐵股份有限公司，北京 100039；2. 中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3. 中鐵云網信息科技有限公司，北京 100039；4. 中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023)

橋梁作為道路交通工程的關鍵節點和樞紐工程，在綜合交通的建設和發展中具有重要的作用。同時，橋梁也是服務于經濟和社會發展的重要基礎設施[1]。

近40年，中國橋梁工程無論在建設體量還是科技水平上，均已躋身世界前列[2]。圖1給出了2009—2018年我國公路橋梁的發展趨勢，橋梁總數量從61萬增加至85萬座，我國公路橋梁無論從數量上還是從橋梁長度上均呈線性增長趨勢[3-12]。

圖1 我國公路橋梁發展趨勢Fig. 1 Trend of highway bridge in China

與房建工程不同，橋梁工程等線性工程具有點多、面廣、線長且離散性大等特點，導致開放環境組織多級分散、協同管理難、數據多元異構等問題，同時橋梁工程在規劃、勘察、設計、施工和運維階段的相關信息繁雜且存儲分散，傳統的紙質、二維層級管理模式已不能滿足橋梁工程的全生命周期信息管理和我國智慧交通建設的需求[13-16]。近些年，建筑信息模型 (building information modeling,BIM)、地理信息系統(geographic information system,GIS)等信息化技術已逐步引入橋梁工程，并在設計、施工、運維階段得到了推廣應用[17-19]。然而，BIM等信息化技術在橋梁工程建設的應用中仍偏重于某一具體階段或某一功能，并未得到深度集成和拓展，基于BIM的智慧工地、智慧建造等平臺沒有較好集成企業和層級管理，應用多為模型和數據的展示。

本文以橋梁工程信息化應用研究現狀為基礎，對面向對象、過程及BIM等技術進行了系統的研究，構建了面向對象和服務的橋梁工程信息管理平臺，探索BIM的價值功能。

1 橋梁工程信息化應用研究現狀

1.1 BIM技術應用對象

我國在《建筑信息模型應用統一標準》中指出，BIM技術應能實現建設工程各相關方的協同工作和信息共享[20]。受限于BIM建模方式、管理模式、應用方法等要素，設計、施工、運維等各個階段難以完全獲得所需的有價值的信息。

1.2 BIM應用軟件

BIM技術在橋梁工程建設領域的推廣應用離不開BIM軟件，國內市場上仍以Revit、CATIA和Bentley等國外建模軟件為主，其中Revit的應用最為廣泛[21-23]。國內BIM軟件開發多集中于建造和施工平臺的搭建，代表性的企業有魯班、廣聯達、鴻業等，但不具有完全自主知識產權的BIM核心建模軟件[24]。

1.3 基于BIM的信息化應用現狀

BIM技術是提升工程建設信息化水平的重要手段，國內側重于應用研究，包括正向協同設計、深化設計、碰撞檢查、虛擬建造、進度管理等方面，其中以施工階段的應用最為廣泛，而在運維階段的應用還處于探索階段[25-27]。

在施工階段，一方面，橋梁工程復雜、多態，設計階段的BIM模型所提供的材料用量以及工程量與實際存在出入，BIM難以有效應用于材料管理、成本控制以及現場監測預警等方面，導致其在橋梁工程中的作用不能充分發揮。另一方面，建造階段的工程信息管理平臺多應用于具體項目，而與公司管理和業務系統相互獨立，主數據、編碼、接口不統一，影響企業的管理協同、信息共享和科學決策。

1.4 基于BIM+GIS的橋梁工程信息化應用

GIS的概念最早由加拿大測量學家Tomlinson于20世紀60年代提出[28]，而后逐步發展到三維地理信息系統(3DGIS)。利用BIM與GIS之間在信息管理、空間分析等功能方面的重疊，相關學者將二者進行了有機結合，促進了BIM+GIS技術在建筑工程多領域的協同深化應用[29-31]。然而，BIM+GIS技術在工程應用方面仍存在以下不足：

(1) 與實際工程結合不夠緊密，工程建設信息不能很好地融入BIM+GIS信息化平臺。

(2) BIM模型包含了工程全壽命周期的數據信息，海量數據在GIS中的整合和調取，需要相應的優化算法相匹配。

(3) 市場上BIM應用軟件繁雜，BIM模型向GIS通用格式轉換存在信息丟失等問題，在一定程度上阻礙了BIM和GIS的融合發展。

2 橋梁工程信息管理平臺構建研究

針對橋梁等線性工程點多、面廣、線長且離散性大等特點，融合BIM+GIS技術，搭建信息管理平臺。

2.1 信息化管理平臺開發方法及規則

基于開放環境組織多級分散、協同管理難的問題，采用面向對象和服務的架構，將預制生產、進度、技術和安全管理等封裝為一個個服務，使應用模塊化，功能可以按需加載開發，實現產品的快速開發、修改和擴展。不同服務的數據通過微服務架構內部協議直接交互，無需開發新的接口，無關語言、平臺限制，可以適應不同環境以及不同需要的數據共享，服務之間交互方式更靈活。

面向服務的架構(service-oriented architecture,SOA)，以微服務為代表，可將功能應用模塊(即服務)進行拆分，并通過定義接口和協議將模塊聯系起來。

面向對象的編程思想(object-oriented programming, OOP)，是以建立模型體現抽象思維過程和面向對象的方法，可以解釋多樣的企業管理和復雜工程問題，基于抽象的“對象”，通過信息交互實現“過程”管理。

工程建設中人的活動、事件的發生、對象的產生與消失，隨時間延續的過程，企業的組織管理、項目管理可抽象為人、事、物3個維度，以人為核心，包括管理者、項目管理者、業務主角、勞務人員等；以事為核心，例如業務用例、系統用例、進度管理、成本管控等；以物為核心，例如物資、設備、構件、實體等[32]。

圍繞人、事、物3個維度，建立“SOA+OOP”的兩面向方法：

(1) 現實世界映射到對象世界，即現實工程的項目管理到業務模型，基于統一建模語言(unified modeling language, UML)，通過視圖將現實工程的人、事、物、規則用對象型語言描述，由用例驅動完成管理平臺的開發。

(2) 對象世界描述現實世界，即業務模型到概念模型，業務用“實體”、“控制”、“邊界”等固定的元素描述，將現實業務“抽象”封裝為“包”、“組件”。

(3) 具體工程環境和條件下的“實例”化，即概念模型到設計模型，由JAVA類、EJB(enterprise java beans)技術等構成對象世界的行為。

(4) 集成接口、數據庫、程序和模塊，由用例驅動完成面向服務的軟件開發過程，參與者通過信息化管理平臺輔助工程管理，實現管理協同、信息共享和數據決策。

2.2 基于BIM技術的集成原則

基于數據多元異構問題，信息化管理平臺集成原則如下：

(1) 融合BIM和GIS[33]，綜合分析模型信息、地理信息、環境信息等，分類建立統一規范和轉換規則，從宏觀和微觀層面提升信息化在前期策劃、工程管理中的應用價值。

(2) BIM是信息的載體，以構件樹為對象，在信息化管理平臺的框架下集成模型、圖形算法和管理邏輯，拓寬BIM的應用。

(3) 應用IDM (information delivery manual)、MVD (model view definition)等標準，將信息交互需求按IFC (industry foundation classes)數據格式在軟件中實現[34]，構建管理平臺時集成編碼規范、模型標準、圖形信息等。

(4) 結合工程管理痛點或需求，提高BIM建模精度、優化核心算法，進一步提高材料控制、隱蔽工程計量等精度，有利于工程施工成本和質量控制。

3 應用實踐

3.1 工程概況

新建徐鹽鐵路鹽城特大橋位于江蘇北部，主橋新洋港斜拉橋采用(72.0+96.0+312.0+96.0+72.0) m連續鋼桁梁斜拉橋，長度650.6 m。主墩鉆孔樁直徑2.0 m，樁長106.0 m、108.0 m；塔高(從塔座底面算起)為128.5 m，橋梁三維效果如圖2所示。

圖2 鹽城特大橋三維效果圖Fig. 2 3D effect picture of the Yancheng bridge

3.2 面向對象和服務的橋梁工程信息管理平臺

依托鹽城特大橋工程，以生產、資源、技術管理和智能制造為對象，采用微服務架構，統一開發環境，制定信息字典標準，通過主數據中心統一組織機構、人員角色及權限。創建信息交互模板為各個子系統快速共享數據，引入主數據中心橋梁工程EBS構件樹，建設數據倉庫，規范數據和應用標準，進一步為用戶提供豐富、便捷的大數據服務，如圖3所示。

圖3 功能架構Fig. 3 Service-oriented architecture

平臺采用Spring Cloud微服務架構，搭建1平臺+1構件樹+N應用體系，用戶以構件樹為操作對象(圖4)，現場管理信息均掛接到構件樹上，數據共享應用于各部門、各專業、各模塊，不同模塊根據管理職能要求是高聚合的，模塊之間通過微服務架構內部協議相互共享數據。

圖4 構件樹應用Fig. 4 Application of the component tree

軟件架構包括展示層、業務層(包括邏輯層、實體層)和數據庫層(包括數據控制和數據庫)3大層。以BIM+GIS為展示層，以圍繞人、事、物等3個維度的管理流程和規則為業務層，以海量、多態、異構的圖形和信息為數據庫層，如圖5所示。

圖5 技術架構Fig. 5 Technical framework

在BIM+GIS展示層，數據來源廣泛，通過數據規范和轉化規則，將BIM、傾斜攝影[35]、影像、矢量數據等分類建立統一規范和轉換規則，形成統一的LOD (levels of detail)層次模型，進一步開發轉換工具，將傾斜攝影、BIM等不同格式導入平臺，統一管理和展示圖形文件資源和信息。在使用過程中，屬性數據掛接到構件樹上，實現模型構件與構件屬性一一對應，模型成為信息的載體。

在業務層，以現場管理需求為導向，設計業務邏輯和流程，以構件樹為對象，利用BIM、GIS和圖形引擎的軟件開發工具包(software development kit，SDK)，封裝質量管理、設備管理、監測管理、征地拆遷、土方測量等應用，實現三維空間分析和應用。

在數據庫層，基于數模分離技術，將模型數據以非關系型數據庫的形式存儲，屬性數據以關系型數據庫的方式存儲。

3.3 信息管理平臺應用

依托鹽城特大橋工程，主要開展3個階段、6項功能的應用：前期策劃階段，服務于技術管理的大臨規劃和征地拆遷；智能制造階段，服務于智能制造的預制構件智能生產管理；智慧建造階段，服務于生產和技術管理的進度管理、作業指導書、在線監測等方面。

3.3.1 前期策劃階段

(1) 大臨規劃(圖6)。主要以便線、便橋、預制場、混凝土拌合站、臨電等為對象，按設備、材料、用電管理規則建立對象與工程、環境的映射聯系。利用無人機傾斜攝影技術，快速創建工程周邊環境模型，集成于GIS+BIM展示層，在計算機中以三維可視化場景虛擬映射施工現場，交互操作生成大臨工程、線路走向、位置等，得出管理規則需要的信息(如填挖方量)，實現土方、資源統一調配，提升大臨工程布局的合理性。

圖6 大臨規劃Fig. 6 Planning of temporary construction

(2) 征地拆遷(圖7)。在線性工程中，征地拆遷是影響工程項目實施的主要因素之一。針對征地拆遷的管理，通過BIM+GIS展示層，集成管理地理信息、環境數據和BIM模型，動態了解施工紅線內房屋、電線、管線等征拆信息，直觀反映新建結構物與既有建筑物的位置關系，自動判斷影響工程進度的關鍵征拆對象，有效減少現場調查時間及勞動強度；同時在業務邏輯層處理管理征拆工作，根據征拆管理規則，可視化表達進度情況，統籌安排施工順序，避免因征拆不及時導致工期滯后情況發生。

圖7 征地拆遷應用Fig. 7 Application of the land expropriation system

3.3.2 智能制造階段

(1) 預制構件智能生產管理。以預制構件生產管理為對象、以BIM技術為核心、以物聯網技術為基礎、以生產指揮中心為載體，重構管理規則和數據采集方式，開發了預制構件智能生產系統，在生產排程方面，結合工序模板、臺座信息，實現生產任務智能排程，工序任務智能傳遞，降低工裝占用周期。在物料管控方面，以任務排產為主線，結合現場數據采集，實現物資計劃自動生成、物資追溯可視化展示、庫存需求對比及時預警。在質量監管方面，將傳統的質量管理從線下轉變為線上，采集預制構件生產過程中的試驗室、攪拌站、現場質量驗收等數據，實現質量管控數據電子化管理。同時，應用無線射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)、二維碼、BIM輕量化等技術[36]，預制構件智能生產系統實現了預制構件場數據的實時采集、構件狀態信息共享、BIM可視化管理，如圖8所示。

圖8 預制構件智能生產系統Fig. 8 Intelligent production system of the prefabricated part

(2) 鋼結構數字化加工功能模塊。以預制鋼構件為子對象，融合BIM與數字加工技術，在預制構件智能生產系統增加鋼結構數字化加工功能模塊，在設計階段的BIM模型上提取構件的屬性信息、可加工信息等，調用物料庫存信息排版套料，輸入并驅動生產加工設備，實現鋼構件的自動化加工，提高加工效率、精度，如圖9和圖10所示。

圖9 鋼結構BIM模型Fig. 9 BIM model of the steel structure

圖10 自動套料Fig. 1 0 Automatic jacking

3.3.3 智慧建造階段

(1) 進度管理系統。其分為宏觀、微觀2個層次，宏觀以時間為對象的進度管理，微觀以構件為對象的狀態管理。

宏觀的時間進度管理，以主數據中心橋梁工程EBS構件樹為交互操作對象，編制的進度計劃、語義字典等信息通過接口傳遞給進度管理系統，實現計劃進度與實際進度的實時對比分析和管理，見圖11所示。

圖11 進度管理系統Fig. 1 1 Progress management system

微觀的構件狀態管理，以構件為對象，二維碼為載體，從原材管理、工藝設計、檢驗入庫、發貨管理、物流跟蹤、收貨驗收、數據統計等方面實現多部門協同管理，讓管理人員準確掌握鋼構件的實時狀態，實時反饋數據至施工進度，提高進度管理的工作效率和準確率。

(2) 3D作業指導書系統。其為指導施工的重要技術文件。以工序作業為對象，利用BIM技術可視化、模擬性、優化性等特點，以工藝流程、資源配置、作業參數、質量控制為核心，研發了3D作業指導書系統。

3D作業指導書系統以接口的形式集成于信息管理平臺的技術管理模塊，提供直觀交底、過程模擬、對象化交互操作等服務，見圖12所示。

(3) 在線監測系統。在信息管理平臺的安全管理中集成在線監測系統，其支持多項目、多工點、多業務安全監測，如圖13所示。利用物聯網與藍牙傳輸模式將監測數據實時傳輸到云平臺，通過云計算技術即時得出監測結果數據，實現橋梁施工階段工程結構安全狀態實時監測，并對數據進行預警分析，為建設、設計、施工等單位提供實時、可靠的數據支撐。

圖12 3D作業指導書系統Fig. 1 2 3D operation instruction system

圖13 在線監測系統Fig. 1 3 On-line monitoring system

4 結 論

(1) 提出“SOA+OOP”的兩面向方法，構建了面向對象和服務的橋梁工程信息管理平臺。

(2) 信息管理平臺以人、事、物(構件)為對象，將線性工程工作流程化、規則化，通過線上管理業務和工程數據，進一步實現大數據輔助項目管理與決策。

(3) 基于微服務架構、面向對象的編程思想，融合BIM、GIS技術，為解決線性工程中開放環境組織多級分散、協同管理難、數據多元異構等問題提供了一種有效手段。

(4) 依托實際工程，融合BIM+GIS、無人機、物聯網等技術，基于橋梁工程信息管理平臺開展了三階段、六功能的實踐應用，實現了前期策劃、制造階段、建造階段數據的綜合應用和協同共享，為橋梁等線性工程的數字化管理提供了借鑒。