基于BIM技術(shù)的設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺

楊曉超，劉麗楠，韓英偉

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，沈陽 110166）

0 引言

工程項目的制定包括方案策劃、內(nèi)容設(shè)計、過程管理等多個環(huán)節(jié)［1］，想要確保工程項目順利實施，就要在項目設(shè)計階段以大量的數(shù)據(jù)信息作為依托［2］。考慮到項目內(nèi)容的多樣化，其涉及的數(shù)據(jù)信息更加混亂，來源也更多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)管控水平大幅下降，間接引起現(xiàn)代工程建設(shè)項目出現(xiàn)交付延期、成本偏高等問題［3］。因此，近年來工程建設(shè)項目設(shè)計階段，開始應(yīng)用多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺，通過平臺生成協(xié)同化設(shè)計方案，基于此實現(xiàn)設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)的同步挖掘和融合處理，從而達到更優(yōu)的數(shù)據(jù)管控效果［4］。但當(dāng)前研究的協(xié)同化設(shè)計平臺不夠成熟，難以滿足實際應(yīng)用需求，需要構(gòu)建新型協(xié)同化設(shè)計平臺，輔助工程項目的規(guī)劃。

為了更好地滿足設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計要求，本研究提出基于BIM 技術(shù)的新型協(xié)同化設(shè)計平臺。了解協(xié)同化設(shè)計平臺的具體應(yīng)用流程，并將協(xié)同化設(shè)計任務(wù)描述為多個子任務(wù)。通過BIM 技術(shù)建立一個施工項目建筑物三維模型［5］，并基于此建立一個數(shù)據(jù)協(xié)同處理程序，與云計算多源數(shù)據(jù)采樣模型相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)的協(xié)同挖掘融合處理。從平臺測試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的協(xié)同化設(shè)計平臺應(yīng)用后，即便面對大規(guī)模設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)，也可以快速完成數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計，實施該設(shè)計方案可以保證項目數(shù)據(jù)管理的實時性。

1 應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺

1.1 分解多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計任務(wù)

對于多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同設(shè)計平臺來說，其工作的第一個環(huán)節(jié)是由項目管理員完成，由管理員登錄計算機后臺，創(chuàng)建新建項目，并設(shè)置人員權(quán)限和數(shù)據(jù)審核流程。而后進行數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化總體設(shè)計，根據(jù)設(shè)計項目涉及的數(shù)據(jù)來源，分配對應(yīng)的設(shè)計人員進行信息挖掘融合處理，再由設(shè)計人員將科學(xué)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點分布方案提交到協(xié)同設(shè)計平臺。最后，通過專業(yè)人員審核當(dāng)前協(xié)同化設(shè)計方案，并根據(jù)反饋的校審意見進行設(shè)計調(diào)整，才能得到符合要求的設(shè)計成果。

為了便于進行協(xié)同化設(shè)計，在平臺構(gòu)建的第一階段，先分解了設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計任務(wù)，將其劃分為成果任務(wù)、資料互提任務(wù)兩部分［6］。其中，成果任務(wù)主要呈現(xiàn)為二維圖紙、三維模型的形式，而資料互提任務(wù)指的是，多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計所需的其他專業(yè)資料，大部分也是圖紙。

針對成果任務(wù)進一步分解，構(gòu)建設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計的任務(wù)結(jié)構(gòu)樹，任務(wù)結(jié)構(gòu)樹上每個節(jié)點，都對應(yīng)著協(xié)同化設(shè)計平臺的一項功能。再考慮數(shù)據(jù)挖掘融合過程中數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)方式，研究基于BIM 技術(shù)的協(xié)同化設(shè)計方案。

1.2 構(gòu)建云計算多源數(shù)據(jù)采樣模型

多源數(shù)據(jù)挖掘融合的復(fù)雜性，在協(xié)同化設(shè)計過程中引入云計算技術(shù)，構(gòu)建云計算多源數(shù)據(jù)采樣模型，作為協(xié)同化設(shè)計的前提。在云計算環(huán)境下，采用區(qū)間概念格描述每個數(shù)據(jù)源，利用有向圖模型，可以將區(qū)間概念格中包含的多個節(jié)點組成分布式存儲機制構(gòu)架［7］，在每次數(shù)據(jù)采樣完成后，建立一個信息采樣時間序列。多源數(shù)據(jù)存儲過程中，需要檢測相鄰數(shù)據(jù)塊的關(guān)聯(lián)性［8］，將具有強相關(guān)性的數(shù)據(jù)保存在相同標(biāo)簽內(nèi)。基于映射函數(shù)，將同態(tài)標(biāo)簽的相鄰數(shù)據(jù)關(guān)系表示為公式（1）。

式中：x、y表示相鄰節(jié)點數(shù)據(jù)塊；φ表示映射函數(shù)。

對于其中一個數(shù)據(jù)塊來說，其Hash（哈希）值計算公式為

式中：H表示Hash 值；αp、αq分別表示頻帶p、q的分量，δ表示數(shù)據(jù)完整性相關(guān)系數(shù)。

在云計算環(huán)境中，構(gòu)造圖1所示的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，以時態(tài)變量為基礎(chǔ)，將采樣得到的多源數(shù)據(jù)分為N個時間片，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)的處理，輸出符合要求的采樣數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

依托于時態(tài)關(guān)系演算理念，針對采樣數(shù)據(jù)的重疊部分進行計算，得出狀態(tài)估計值和屬性值。基于時態(tài)論域，計算任意位置的交運算操作次數(shù)估算值。再考慮每個信息節(jié)點，與平臺數(shù)據(jù)負載之間的聯(lián)系，建立公式（3）所示的信息采樣矩陣。

式中：A表述數(shù)據(jù)挖掘矩陣，x表示挖掘得到的信息節(jié)點，λ表示數(shù)據(jù)時間序列長度，m表示特征嵌入維數(shù)。

1.3 生成基于BIM技術(shù)協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘融合方案

以數(shù)據(jù)采樣模型為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM 技術(shù)生成數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計方案，至此完成協(xié)同化設(shè)計平臺的整體研究。為了簡化BIM 技術(shù)的應(yīng)用，利用C/S 和B/S 的組合架構(gòu)［9］，構(gòu)建BIM 數(shù)據(jù)協(xié)同程序，實現(xiàn)設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)的同步挖掘、交換和融合處理。在協(xié)同化設(shè)計平臺中引入BIM 技術(shù)，可以在考慮數(shù)據(jù)沖突的前提下，同步挖掘出每個數(shù)據(jù)源包含的符合條件的數(shù)據(jù)資源。考慮設(shè)計項目每個施工階段涉及的數(shù)據(jù)類型都不同，在協(xié)同化設(shè)計過程中，布置合理數(shù)量的數(shù)據(jù)節(jié)點，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)交換融合。

建立一個基于BIM 技術(shù)的數(shù)據(jù)共享程序，針對數(shù)據(jù)采集點分布情況進行分析，測量當(dāng)前節(jié)點布設(shè)間距，并在該環(huán)境下匯總多源數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。考慮每個數(shù)據(jù)節(jié)點額定實際覆蓋距離，按照數(shù)據(jù)共享交換融合原則，調(diào)整每個數(shù)據(jù)節(jié)點的位置，使得相鄰節(jié)點之間可以順利進行數(shù)據(jù)共享交換［10］。其中，每個數(shù)據(jù)采集點的識別距離計算公式為

式中：U表示數(shù)據(jù)采集點的識別距離；τ1表示預(yù)設(shè)覆蓋范圍；τ2表示節(jié)點實際覆蓋范圍；ψ表示共享交換偏差；θ表示挖掘數(shù)據(jù)總量。

按照公式（4）所示的可識別距離計算結(jié)果，確定節(jié)點覆蓋范圍，并基于此調(diào)整節(jié)點位置，使得節(jié)點分布方案滿足階段性施工數(shù)據(jù)協(xié)同化挖掘融合處理要求。生成基于BIM 技術(shù)協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘融合方案時，需要先定義一個數(shù)據(jù)傳輸路徑，作為協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘和融合的基礎(chǔ)。經(jīng)過研究，將基于BIM 技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化處理結(jié)構(gòu)表示為圖2。

圖2 基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化處理結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖2所示的協(xié)同化處理結(jié)構(gòu)，生成基于BIM 技術(shù)協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘融合方案，按照該方案進行操作后，可以得到設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)的協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘融合結(jié)果。

2 平臺測試

在上述功能模塊設(shè)計完成后，完成整個協(xié)同化設(shè)計平臺的研究。為了保證該平臺在實際應(yīng)用中可以發(fā)揮良好的應(yīng)用效果，需要進行平臺測試研究。在驗證協(xié)同化設(shè)計平臺的應(yīng)用性能后，實現(xiàn)該平臺的推廣應(yīng)用。

2.1 測試環(huán)境

考慮到本文設(shè)計的數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺，主要是在工程項目數(shù)據(jù)管理過程中發(fā)揮作用。在平臺測試環(huán)境搭建過程中，選擇羊臺山隧道群工程為研究對象。所選工程項目是贛深高鐵的組成部分，由于當(dāng)?shù)氐匦纹鸱^大，且局部場區(qū)地貌較為陡峭，隧道的施工需要穿越花崗巖地層，使得該項目較為復(fù)雜。同時，經(jīng)過實地考察可知，該項目規(guī)劃在隧道進口段設(shè)置雙線隧道，并且為了滿足深圳北聯(lián)絡(luò)線的接入，在隧道中部建立上行聯(lián)絡(luò)線和下行聯(lián)絡(luò)線，前者所處區(qū)段為DK430+653.81～DK430+868，后者所處區(qū)段為DK431+211.66～DK431+292，二者均屬于小間距并行段。

整體來看，該正線隧道項目區(qū)別于一般的斷面過渡，屬于大跨斷面隧道項目，并逐漸過渡為燕尾分離式斷面項目。在大跨段區(qū)域，隧道項目的最大跨度和最大開挖斷面面積，分別為25.6 m 和370 m2。由于羊臺山隧道群工程包括多個工點，為了保證隧道項目的安全施工，在項目設(shè)計階段需要多個專業(yè)的共同參與，其所需的數(shù)據(jù)也較為復(fù)雜。為了輔助該工程設(shè)計項目的數(shù)據(jù)管理，需要應(yīng)用本文提出基于BIM的多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺，進行工程數(shù)據(jù)協(xié)同化處理。

2.2 平臺搭建

在平臺測試環(huán)境設(shè)置完成后，搭建出本文研究的系統(tǒng)化設(shè)計平臺。為了輔助鐵路工程BIM 模型設(shè)計，在平臺搭建過程中，需要同時兼容多個主流設(shè)計平臺，取每個平臺的長處構(gòu)建完美的三維建筑模型。此外，搭建的協(xié)同化設(shè)計平臺還需要兼容眾多圖形引擎，使得這些圖形引擎以軟件格式保存在平臺上。保證平臺設(shè)計鐵路工程項目BIM 模型時，最大程度保留項目的幾何結(jié)構(gòu)和屬性信息。

采用C/S、B/S 組合架構(gòu)，開發(fā)出鐵路BIM多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺，該平臺具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵路BIM多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計平臺架構(gòu)

將圖3所示的協(xié)同化設(shè)計平臺應(yīng)用到測試環(huán)境中，進行設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計測試。

2.3 平臺測試結(jié)果

應(yīng)用上述搭建出的平臺，在目標(biāo)環(huán)境中進行測試時，所建立的鐵路設(shè)計項目BIM 模型如圖4所示。

圖4 鐵路設(shè)計項目BIM模型

以圖4 所示的鐵路設(shè)計項目BIM 模型為基礎(chǔ)，運行本文設(shè)計的協(xié)同化設(shè)計平臺，得到設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同設(shè)計方案。考慮到面對的數(shù)據(jù)規(guī)模越大，協(xié)同化設(shè)計復(fù)雜程度越高，而運行時間就成為反映協(xié)同化設(shè)計平臺應(yīng)用性能的關(guān)鍵指標(biāo)。本次平臺測試過程中，設(shè)置數(shù)據(jù)點數(shù)量為200、400、600、800、1000、1200，分別記錄協(xié)同化設(shè)計平臺的運行時間。而后，選用基于云計算的平臺、基于知識圖譜技術(shù)的平臺作為對照組，在相同的數(shù)據(jù)規(guī)模下進行協(xié)同化設(shè)計，將兩個平臺在不同環(huán)境下的運行時間與本研究設(shè)計平臺進行對比，得到圖5所示的對比結(jié)果。

圖5 不同平臺的協(xié)同化設(shè)計運行時間對比

根據(jù)圖5可知，三個協(xié)同化設(shè)計平臺在相同的環(huán)境下運行，本文設(shè)計平臺的運行時間明顯低于其他兩個平臺。當(dāng)數(shù)據(jù)點數(shù)量達到1200 個時，所提平臺的運行時間為19.97 s，此時另外兩個平臺的運行時間分別為89.15 s、107.06 s。綜上所述，基于BIM 技術(shù)的協(xié)同化設(shè)計平臺，在大數(shù)據(jù)規(guī)模下的多源數(shù)據(jù)挖掘融合工作中可以發(fā)揮更大價值。

3 結(jié)語

隨著工程建設(shè)項目質(zhì)量要求越來越高，人們開始更加注重設(shè)計項目多源數(shù)據(jù)的協(xié)同管控。本研究以提升多源數(shù)據(jù)挖掘融合效率為目標(biāo)，提出基于BIM 技術(shù)的新型協(xié)同化設(shè)計平臺，該平臺在大規(guī)模數(shù)據(jù)下快速生成數(shù)據(jù)挖掘融合協(xié)同化設(shè)計方案，基于此更好地滿足多源數(shù)據(jù)協(xié)同管控的實時性要求。