基于BIM＋GIS的城市橋梁群運管平臺架構及功能設計

金昌根

（中鐵橋隧技術有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引言

當前，城市橋梁群運維主要依靠基于傳統互聯網的平面化管理模式。隨著互聯網應用、BIM技術、GIS技術的普及，以及大數據、虛擬化技術、物聯網、云計算技術的日漸成熟，結合城市橋梁群結構復雜、數量眾多、地理空間較為分散等特點，傳統城市橋梁群運維管理必定會向可視化程度更高的BIM＋GIS運維管理方向進行升級［1］。BIM技術的優勢在于通過BIM模型，將運營養護管理中的各項數據有機聯系起來，從二維信息管理轉變為三維可視化的信息管理，大大增強結構狀態的表現力和各階段信息的提取能力，為橋梁群運維提供便捷化、個性化的數據服務［2-3］。GIS技術利用在線地圖服務提供遙感影像、行政區劃等多級瓦片地圖，為城市橋梁群的安全運維提供了清晰的空間定位。BIM＋GIS運維管理平臺需要負載龐大的橋梁BIM模型和復雜的地圖瓦片，單體應用架構難以滿足BIM＋GIS數據快速加載與響應的需求，并且會帶來復雜性高、可靠性低、擴展能力受限等諸多問題。近年來，微服務架構以其獨立部署、耦合度低、業務擴展能力強、可靠性高等優點成為火熱的開發架構之一，使用該架構能夠高效流暢地加載體量巨大的橋梁群BIM模型、GIS空間數據以及海量巡檢養護動態數據，并提供良好的用戶體驗。本文旨在通過以城市橋梁群運維管理為實際業務場景，利用BIM＋GIS技術，完成城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺微服務架構的設計與構建。

1 技術架構設計

1.1 BIM＋GIS分析

城市橋梁群在運營使用期間，橋梁結構及附屬設施設備會出現病害，需要維護、更換、加固等。通過BIM技術可以記錄和展示橋梁長期運營過程中橋梁結構及設備設施的狀態變化，形成橋梁設備設施履歷信息庫［4］；管理者可利用該庫掌握橋梁設備設施的運營狀態，按需制定各類檢查、養護計劃，從而確保橋梁性能符合標準規范。而GIS技術能夠對城市橋梁群進行空間管理和追蹤，利用GIS定位、導航等功能，使得運維管理團隊能夠迅速到達橋梁群出現異常的具體位置，對異常問題進行快速研判與處理。使用BIM＋GIS技術，能夠讓城市橋梁群運維由原先的平面二維管理轉變成更加高效直觀的三維可視化管理，提升了運維管理的質量和效率。為了解決BIM＋GIS集成的技術難題，實現BIM＋GIS應用場景的無縫對接，平臺采用了SuperMap GIS引擎，該引擎在GIS平臺、BIM模型高效分級加載等關鍵技術［5］上取得了重大突破，利用在GIS中構建三維數據模型，實現了BIM＋GIS的融合應用。

1.2 微服務架構分析

微服務架構將單體應用程序拆分為若干組小型服務，每組小型服務都在其內部容器中運行，服務之間使用基于RestFul Http的協議進行通信［6］。這些服務圍繞著不同的業務功能進行構建，遵循功能單一的原則，可以通過自動化部署機制進行分布式部署。微服務架構應用在城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺中具有如下優勢：(1）微服務是一個獨立的應用程序，能夠獨立部署和運行；(2）微服務運行在高可用的分布式環境當中，系統的穩定性、可靠性將大大提升；(3）每個微服務專注于一個相對獨立的業務功能，可擴展性優秀；(4）不同開發團隊可根據自身技術特點選擇更適配的技術路線，技術升級重構難度降低，易開發性良好。

城市橋梁的建、管、養等信息系統經過多年的發展，功能模塊眾多；隨著管理和用戶認知的升級，新的應用需求還將不斷被提出。融合各類信息系統的城市橋梁群運維管理平臺，功能需求更為復雜，需要不斷的迭代設計和開發，基于微服務架構的開發無疑是最適合的開發模式。

1.3 技術路線

本文研發的城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺是一個Java EE分布式微服架構平臺，后端采用Spring Boot，持久層組件使用的是MyBatis，數據庫使用輕量級關系數據庫MySQL和緩存庫Redis，前端采用基于Vue的Element UI框架。BIM＋GIS融合方面采用SuperMap GIS引擎。平臺微服架構方面選擇開源性更好、開發者生態更優的Spring Cloud＆Alibaba框架。

2 平臺架構設計

2.1 總體架構設計

規劃好產品服務是微服務架構系統開發成敗的關鍵，在規劃產品服務時應以單一職責、服務粒度適中、避免環形或雙向依賴為原則。根據自上而下的原則，城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺分為基礎數據層、網絡接入層、業務支撐層、業務應用層、服務展示層、服務對象層，分層設計使平臺可以完美的支撐各類綜合業務，同時也更易進行擴展。平臺總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構

(1）基礎數據層。該層為整個平臺的運行提供各類數據，包括橋梁監測數據、管養業務數據、BIM模型數據、GIS矢量數據等。

(2）網絡接入層。該層是運維平臺的基礎，為各系統間提供通信鏈路以及數據傳輸通道。

(3）業務支撐層。該層包括設備支撐、數據支撐和服務支撐三部分。設施支撐為平臺安全穩定可靠的運行提供硬件基礎；數據支撐為業務應用層提供數據服務；服務支撐完成了數據的匯聚以及各類中間件的接入。

(4）業務應用層。該層在業務支撐層提供的計算、存儲、數據等能力基礎上，通過自研微服務架構技術將各類數據根據城市橋梁群運維管理需求進行重新梳理整合，主要包括城市橋梁群基礎業務管理、城市橋梁群巡檢管理、城市橋梁群養護管理、城市橋梁群三維可視化管理等。

(5）服務展示層。該層是各類應用對外的服務載體，主要包括后臺管理、綜合可視化大屏、移動App等。

(6）用戶層。該層是指所面向的對象，主要包括管養單位管理人員、基層巡查人員、上級領導和其他訪客等。

2.2 邏輯架構設計

平臺的設計與開發模式為前后端分離，前端采用基于JavaScript的VUE框架，使用組件化開發模式，封裝常用組件，實現架構級別的復用，并將重點放在流暢的頁面、快速的交互響應、良好的用戶體驗等目標上；后端則采用了基于Spring Boot的微服務框架［7］(見圖2）。平臺通過對整體業務需求的分析與提煉，最大程度實現服務原子化，構建邏輯層面的微服務體系。

圖2 邏輯架構

(1）API服務網關：API網關是系統的后端統一入口，能夠提供規范化、標準化的API接口。API網關位于具體業務服務與負載均衡之間，負責將客戶端服務調用者的請求，精確的轉發到對應的服務實例。API服務網關與核心業務邏輯無關，能夠實現日志監控、限流熔斷等切面功能。(2）認證中心：其主要功能就是判別用戶請求的合法性。系統采用token的方式，用戶成功認證后，所有請求都攜帶token進行安全認證，用于控制可訪問的系統資源。(3）注冊與配置中心：其在微服務架構中扮演著非常重要的角色，是微服務架構中的紐帶，類似于通訊錄，記錄了服務和服務地址的映射關系。系統采用阿里巴巴開源的Nacos作為注冊與配置中心，構建了一個服務實例發現和服務健康監控、配置動態管理的平臺，保證微服務基礎設施的流暢運行。(4）應用容器部署：微服務架構下，當眾多的應用服務實例需要更新升級或者遷移時，其發布及部署的過程異常繁雜。使用容器化部署能夠完美地解決上述問題［8］。通過應用容器部署，可以實現版本控制、組件復用等功能，真正做到一次構建，多次交付。(5）分布式日志：針對日志分析的場景，實時記錄應用服務實例的調用情況，如用戶登錄、用戶刪除等操作記錄，實現可追溯的系統審計功能。(6）熔斷和降級：微服務架構中，多個微服務構成一個完整的應用，各微服務之間必然存在互相調用，因此微服務運行的穩定性尤為重要。系統采用阿里開源的Sentinel組件，該組件在分布式服務體系結構中承擔著流量控制的角色，使用流量限制、斷路控制、自動降級等手段來保證微服務的穩定運行。

3 平臺功能

城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺基于微服架構，實現了城市橋梁群運維三維可視化立體管理，具體功能模塊如圖3所示。

圖3 城市橋梁群BIM＋GIS運維管理平臺功能模塊

下面針對平臺中的部分核心功能模塊說明如下：

3.1 資產管理

平臺根據橋梁群管養過程中關聯的資產類型，將資產分為橋梁結構資產、橋梁附屬設備資產等。資產信息主要包括資產編號、資產名稱、資產類型以及資產狀態等。平臺通過建立資產模型，實現資產管養清單與資產模型的關聯，管養者可通過模型或動態表格查詢資產狀況。

3.2 結構響應模擬

平臺基于BIM模型，利用橋梁群健康監測數據，將橋梁群結構響應以3D方式進行呈現；如通過結構溫度監測數據生成溫度場數據，在BIM模型中虛擬橋梁溫度場；通過應變監測數據生成應力云數據，在BIM模型中虛擬橋梁應力分布；通過撓度以及GNSS監測數據，在BIM模型中虛擬橋梁形變。

3.3 模型病害聯動

平臺將橋梁群巡檢病害與構件、BIM模型關聯，實現了在BIM模型上查看橋梁存在的病害，包括病害類型、病害位置、病害照片、病害程度、病害發展。病害在BIM模型上顯示，可以讓管養者直觀了解各類病害的位置分布，便于制定更合理的保養和維修計劃。

3.4 應急演練

平臺通過建立應急物資模型庫，如各類車輛、人員、路錐、水碼、標識標牌、工程車輛、著火點等模型，讓用戶可以在BIM模型上拖拽布置對象；同時，平臺提供路線規劃、線路標識、運動動畫設置等功能，可以仿真車輛、人員運動軌跡；在緊急事件發生時，管理人員可根據BIM中的虛擬處理方案，快速調配資源、指揮現場應急處理。

3.5 軌跡管理

平臺通過對移動終端的GNSS定位信息(人員、車輛位置）進行收集，并在BIM模型中模擬人員和車輛位置，生成運動軌跡，為應急事件處理時就近調度人員和車輛提供方便。

3.6 交通模擬

平臺能夠利用稱重系統、交通監控系統采集的橋上車輛通行數據，并在BIM模型上模擬車輛運行軌跡，直觀反映橋梁通行狀態。

3.7 移動App

移動App為管養人員提供了一個使用方便、及時可靠、功能強大的管養利器。移動App提供的任務下載功能，可讓管養人員隨時隨地接收最新巡檢養護任務，保證巡檢養護的及時性；移動App提供的問題上報功能，可在管養人員上報病害的同時，上傳病害和人員的定位信息，結合GIS地圖，實時展現病害情況。

4 結語

本文研究分析利用微服務架構構建城市橋梁群運維管理平臺，并利用BIM＋GIS的融合，提供了一種新型的信息化管養理念。平臺通過BIM模型為載體，引入GIS提供橋梁空間數據，實現了橋梁群運維管理場景的三維可視化，能夠滿足不同管養層級人員的管理需求。微服務架構的引入則提高了平臺的響應速度、承載能力、可靠性、可擴展性、用戶體驗度。該平臺已在某市政設施管養單位進行了應用，有效地提升了該單位橋梁群管養的工作效率；平臺統籌規劃并預留了橋梁之外的其他市政設施的接口，后續能夠接入道路、泵站等市政設施的管養數據，實現市政設施“一張圖”的管理模式，為市政設施的安全運行提供高質量保障。