基于BIM的攝像技術在隧道運維中的應用探索

李明玉?黃強

摘要：近年來，我國公路隧道建設里程快速增長，但是隧道運維管理中存在技術落后、管理人員配置不足、應急反應遲緩等問題。針對管理中存在的問題，將新型攝像技術引入公路隧道的運維管理，通過制定具體實施規劃及設計系統架構，實現可視化的公路隧道運維管理。并且建立基于BIM的公路隧道運維管理平臺，攝像技術與BIM技術相結合，為公路隧道運維管理提供一種直觀、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

關鍵詞：BIM技術；公路隧道；攝像系統；三維掃描成像；運維管理

一、前言

近年來，隨著經濟的高速發展，道路建設的重要性變得越來越突出。截至2022年末，全國公路里程達到535.48萬公里。其中，公路養護里程535.03萬公里，占公路里程比例為99.9%。據統計，截至2014年底，全國建成通車的公路隧道共計10756.7km，同比2013年分別增長12%[1]。近年來，隨著計算機和人工智能的快速發展，土木工程領域也在逐步進行智能化變革，首先應用較廣泛的就是BIM技術。據交通運輸部的發展目標顯示，到2025年應達到在一定規模工程建設中全面應用BIM技術[2]。目前，我國對于技術的發展和應用尚處于初步階段。因此，在公路隧道建設的全壽命周期設計中有效利用BIM技術就更顯得很有必要。

公路隧道有它自身的壽命周期，近年來隨著交通量迅速擴大，公路隧道在后期的運營和維護過程中也會產生較多病害問題，比如：第一，隧道土建結構病害較多。隨著運營周期的增長，受自然氣候和地質災害的影響，公路隧道洞口邊坡失穩、結構滲水、襯砌裂縫、混凝土材質劣化、排水系統堵塞等病害日趨增多。第二，運維過程中公路隧道預防性養護開展不足。由于人員配備和資金保障等客觀因素的影響，日常的修理與維護深入程度不夠，容易忽視小病害問題，持續發展以至于后期出現嚴重的病害。第三，采用人工和信息化技術手段對病害問題進行監控和預警，但現階段存在主要信息化程度不高、處理信息能力有限和管理技術落后等問題。第四，隧道交通事故、火災等安全形勢嚴峻。隧道具有狹長、空間密閉等獨特的結構形式，其一旦發生事故或者火災，將會造成極其嚴重的后果。第五，隧道專業養護管理人員數量和專業技術能力亟待加強。一方面，公路隧道養護人員配備較少；另一方面，隨著信息化程度提高，對現有管理人員也沒有系統和科學的日常培訓制度[3-5]。

在以往的研究中，曹華[6]通過多種監測技術手段，對監測數據及時進行分析，實現隧道實時監控監測、電纜火警預告和異常報警功能。龔佳琦等[7]通過構建 BIM 數據庫與日常監測數據相結合實現了可視化的病害決策分析。常瑩等[8]提出信息化管理理念，將工程各階段的信息儲存在BIM云平臺，使工程管理更便捷，數據管理更透明化。李俊松等[9]提出利用BIM模型集成隧道信息并模擬火災險情發生時的人員疏散路徑和通風組織。施永泉等[10]針對日益突出的隧道運營養護問題，提出基于BIM技術建立隧道運維管理平臺，解決隧道結構復雜、設備眾多和巡檢問題追溯困難等問題。段友祥等[11]基于Web服務研究和實現鉆井工程數據的組織、存儲和可視化，隨鉆測井數據的可視化和解釋，鉆遇地下地質對象的可視化和分析等。深入研究了隨鉆過程的工程過程及關鍵技術，得到了隨鉆鉆井及測井過程中各種數據的獲取、表示方法，基于Web服務設計和實現了多源隨鉆信息的可視化。解曉明[12]針對工程全壽命周期的運維管理進行了研究，從進度、質量、成本管理方面分析了BIM技術的優點，解決了運維過程中出現的問題，提高了項目的可控性和管理的效率。

總結上述問題得出，現階段開發公路隧道信息化運維管理顯得很有必要。它不僅能提高監測效率，而且能夠節省人力和大大增加病害監測的準確性。本文針對運維階段公路隧道出現的病害問題，以BIM技術和現場預埋傳感器等技術手段，構建基于BIM技術的公路隧道運維系統。該系統用于解決目前管理中存在的技術落后、效率低的問題。

二、BIM技術在公路隧道運維階段的應用

現階段我國在公路隧道信息化運維管理中仍存在很多不足，主要存在以下幾個方面原因：第一，老舊的公路隧道設計施工缺乏相應的數據資料、新建的信息化程度還比較有限，構建完整的信息化數據鏈比較困難；第二，有關公路隧道信息化運維管理方法的行業標準還不夠完善；第三，缺少公路隧道運維安全預警的信息化標準，使得在運行過程中難以判定安全和事故病害原因，進而很難制定有效應對病害的管理方案。

建筑信息模型（BIM）在統一的工業標準下，通過計算機構建實體物理模型，并在實體模型中存入、提取相關信息，實現在模型中信息的儲存、提取與查看[13]。

BIM技術在公路隧道運維管理中的應用優勢：第一，在公路隧道建設初期，將設計圖紙導入BIM模型中，共享工程設計、施工等信息；第二，利用設計數據建立BIM虛擬仿真模型，實現可視化的管理方目的；第三，將公路隧道建設過程中各專業的過程信息整合到BIM信息平臺上，信息共享，解決各專業之間溝通不暢的問題；第四，BIM技術將公路隧道全壽命周期的信息和數據進行儲存，便于后期查閱工程信息，從而解決信息斷流的問題。

三、新型攝像系統的暢想

BIM建立的建筑模型在隧道運維中為其他設施提供了一個平臺，BIM具有的可視化能力不僅能進行隧道設備、空間、資產等管理，還可以進行可視化病害分析，從而改善現階段的運維管理工作[14]。根據工程對運營維護階段的相關要求，依據建立的BIM技術運維管理平臺，實施以BIM技術為背景的三維管理。針對該系統的設備運行維護管理、模擬實景培訓、應急管理等，將GIS、物聯網等信息技術和文中建立的BIM技術進行高度的集成化，從而保障工程項目的管理實行人工智能化和信息自動化[15]。利用BIM強大的功能，本文通過移植當前其他領域的先進技術提出一種功能強大的攝像系統，可用于隧道日常監控、維護和預警。

（一）基于聲音和影像的隧道監控分析系統

當前社會，信息化程度飛速發展，各種新技術、新產品不斷涌現，而新的技術往往有著廣泛的應用面。本節將人工智能領域的影像識別系統和聲音識別系統相結合，提出一種新型隧道監控系統。

現代的影像系統已經十分發達，手機行業、汽車行業都有廣泛應用。手機行業中的面部識別系統可以識別人臉，并美顏，甚至可以識別年齡。汽車行業中，像特斯拉依靠圖像語義分割（semantic image segmentation）技術實現了自動駕駛，如圖1所示。圖像語義分割技術可以將畫面信息分為多塊，車輛通過分析有用畫面分析路況，對無用畫面即刻屏蔽，減少信息的處理量同時增加分析結果的準確性。圖像信息在別的領域已經被充分分析，同樣隧道中可以移植這種技術，對過往車輛狀態進行分析；另一方面，語音識別技術在當代也達到了一個新的高度。微軟公司有語音識別系統微軟小娜，蘋果公司有siri，搜狗、百度都有自家語音識別系統。對聲音在軟件層面上分析，現在的聲音識別精確度已經非常高。這種技術也可以用于分析隧道中的異常聲響，如車禍事故。

攝像技術已經被廣泛地應用于隧道的監控，但是普通監控攝像系統只能提供畫面參考或只能簡單對車輛異常情況提供預警。在隧道設置高精度攝像機，同時布置聲音傳感器，兩種信息同時傳輸到BIM平臺，在BIM平臺中移植影像信息處理技術和聲音識別技術，對數據在后臺進行統一智能化分析，聲音與影像兩種信息交叉對比，相比只分析視頻影像，能夠提高識別準確度，如圖2所示。

通過上述兩種技術的結合，BIM平臺可以對隧道中出現的車禍、火災事故及時響應，其原理示意圖如圖3所示。

（二）基于影像系統的隧道變形分析系統

自隧道施工完成通車后，其內部變形一直是關注和研究的熱點。由于隧道變形比較緩慢、周期長，傳統的貼應變片的方法費時費力，還有很多設置傳感器的方法，但這些方法需要單獨施工完成，并且造價較高，需要專業技術人員完成。眾所周知，公路和隧道在運營中，為實時監控和調配道路安全運營，在此運行路線中會布置較多的監控攝像機。基于此，作者提出利用相關的攝像機，再結合當下時興的三維掃描成像技術對隧道進行變形監測，不需要單獨使用專業的監測設備。該監測設備主要是三維掃描成像儀，如圖4所示。三維光學掃描儀按照其原理分為兩類，一種是“照相式”，一種是“激光式”，這兩種設備均不需要與被測物體接觸。通過兩臺或多臺高速相機，即可獲取三維數據，其照相式三維掃描儀的精度可達0.03mm。

在隧道的墻壁上布置三維掃描儀標記點，同時結合攝像技術，在隧道的監控攝像機旁布置高速相機，攝像機通過同步截圖與高速相機共同組成拍照式三維掃描儀。在本系統中，攝像機既作為監控用的攝像機又作為拍照式三維掃描儀的相機使用，實現一機兩用，節省經費。將三維掃描成像技術應用到BIM中，得到三維模型，在不同的時間對三維模型進行對比，可以得到隧道的變形情況，對隧道的變形情況進行實時分析，掃描系統如圖5所示。

對隧道不同時段掃描對比，通過軟件進行變形分析，利用分析云圖能清楚顯示不同區域的變形狀況。將實時的變形數據與隧道標準BIM三維模型進行比對，可將某一隧道的變化趨勢進行統計分析，得出整個隧道的破壞程度。隨著科技的進步，如果三維掃描技術達到足夠的精度還可以對隧道中混凝土的收縮、徐變情況進行記錄，及時反饋到混凝土攪拌站，以促進材料技術的進步。

四、難點

本系統基于BIM技術對隧道的監測系統提出建議，但由于當前技術所限，以下幾點的研發可能會受到限制：第一，用于隧道高清晰度的攝像機。由于攝像機同時應用于隧道三維掃描技術，要求攝像機有極高的分辨率。第二，影像—聲音分析系統及三維掃描系統與BIM接口的兼容性問題。BIM廣泛應用于建筑的信息化模型，而影像、聲音和三維掃描系統多用于工業和IT行業。

五、結語

本文依據當前已有技術，結合BIM技術，對隧道的運維系統提出幾種可行方案。利用當前聲音、影像識別技術對隧道內交通、災害狀況時時分析、動態決策和及時預警；通過三維掃描技術對隧道變形情況進行動態測量。相比傳統方案，本方法反應更加靈敏，準確度更高，省時省力且能夠做到全天候動態測量。

參考文獻

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[15]李強.基于BIM技術全壽命周期成本控制研究[D].武漢：武漢工程大學，2016.

基金項目：1.洛陽理工學院2021年度教育教學改革研究項目“BIM技術在裝配式建筑施工中的應用與技能人才培養策略”（項目編號：2021JYZK-007）；2.服務創新驅動戰略的高校雙創教育模式研究與實踐（項目編號：2021SJGLX568）

作者單位：洛陽理工學院土木工程學院

責任編輯：尚丹