基于BIM技術的公路隧道運維協同管理平臺框架的研究

摘 要：近幾十年來，我國公路隧道建設的速度急劇增長，隧道數量的不斷增長對設施管理提出了挑戰，高速公路隧道由于運行環境差、設計壽命長、地理分布廣、多專業協同等原因，運維管理十分復雜。建筑信息模型（BIM）技術為解決行業遇到的挑戰提供了一種改變現狀的方案，但在現有文獻中罕見應用BIM技術解決隧道運營和管理公用設施的具體案例。對此，本研究基于BIM技術提出了一種新的管理框架，對促進運營階段隧道管理信息集成，檢查數據的采集、技術狀況評價、病害采集與處置、養護計劃制定與實施提供了有效的技術手段。

關鍵詞：隧道養護；BIM；協同管理；框架文章編號：2095-4085（2024）06-0233-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）是一項廣泛應用于建筑項目的技術，能夠在設計、施工、運維以及項目整個生命周期的發揮價值。BIM技術的應用對建筑行業的可持續發展具有諸多積極影響，包括經濟、環境和社會等方面。近年來，工程界學者對BIM技術在建筑設施管理中的應用進行了大量的研究，特別是BIM技術與地理信息系統（GIS）、信息管理系統等跨專業技術的集成［1］。與建筑設施管理不同，公路隧道是一個線性建筑，涉及更多專業及管理角色，這使得運維管理的實施具有挑戰性。在目前的實踐中，BIM技術已經廣泛應用于隧道的規劃、設計和施工階段。然而，學術界和工業界都很少利用BIM來協助公路隧道的運維管理，實現信息協同共享。為了解決這一問題，本研究提出了一個新的管理框架，在BIM技術的支持下，促進高速公路隧道的可持續運維。

1 基于BIM技術的公路隧道運維框架

基于BIM技術的公路隧道運維協同管理平臺由“隧道竣工模型、數據庫及功能模塊”組成。其中隧道的竣工模型是實現養護可視化的核心組件，不僅能夠可視化展示隧道結構和機電設施的三維信息，同時也是各類數據信息的載體；數據庫存儲海量數據，并提供查詢、檢索等基本服務；功能模塊是實現隧道三維展示、管理與協同、檢查、維修、安全與應急管理的內置模塊。

1.1 平臺的總體框架

平臺總體框架基于GIS平臺和分布式數據庫管理系統，建立B/S架構的的公路隧道運營管理系統，利用互聯網作為信息傳輸平臺，將隧道結構現場檢測、監測、維護、維修數據和數據中心有機地鏈接為一個分布式的整體，同時遠程用戶可以通過Internet，對前端采集進行控制、配置。現場測站、外業巡檢養護終端通過互聯網將采集數據實時傳輸至云計算數據中心，進行集中存儲管理；使用者通過PC端WEB瀏覽器、終端APP等遠程訪問客戶端可以直接獲得隧道結構的實時狀態數據，并能對隧道的應急響應進行可視化調度。整個系統利用GIS技術實現空間信息和非空間信息的集成，即存儲、顯示、查詢、分析和表示各種與隧道結構相關聯的信息。

1.2 平臺邏輯框架

結合公路隧道運維管理的業務功能，將隧道運營管理系統從邏輯上劃分為五層。分別為BIM模型、數據庫及數據接口、綜合管養應用系統、信息展示交互。

1.2.1 BIM模型

建立隧道BIM模型，虛擬地呈現隧道3D外觀并輸入養管信息。針對每種類型的設施部件，規范的養護需求進行結構化和分類。應用編碼將模型元素與養護需求以及文檔鏈接。

1.2.2 數據庫及數據接口

采用分布式的數據存儲與管理模式，對系統運行過程中產生的大量數據進行管理，并保障高效的訪問利用，提供海量數據的存儲和管理；建立適用于隧道綜合管養的數據預處理方法和數據庫集群，管理系統中的專業數據。包括海量數據存儲管理設計、數據庫備份還原策略設計、面向大數據分析的數據倉庫設計、數據預處理和二次處理設計等。

1.2.3 綜合管養應用系統

通過對隧道管理需求的實地調查和對先行隧道養護規范的解讀，提出了公路隧道管理系統框架下的業務模板，主要功能模塊包括檔案管理、養護檢查管理、養護維修、安全與應急管理。

1.2.4 信息展現交互

BIM平臺遵循手機移動優先、多終端可用、多層次展示的方式。通過APP端收集數據，減少數據錄入的工作量。在多終端協同方面，開發手機APP、微信公眾號、巡檢設備、電腦端等多個終端應用系統，針對不同用戶的展示需求，開發出既可應用于業務管理的三維協同平臺，也可用于形象展示的三維虛擬演示平臺。

2 公路隧道運維協同管理功能設計

2.1 功能需求

公路隧道健康監測具有傳感器數量多、監測的構件多，監測系統界面用戶體驗差的特點。由于健康監測系統的封閉性特點，存在監測數據與養護管理脫節，傳感器設備維護與機電設備養護脫節的現實問題［2］。

同時由于隧道地理分布長，缺乏熟練的維護人員及基于規范的標準化檢測、維修流程，在運營管理過程中缺乏數字化手段，隧道日常檢查、經常性檢查沒有得到足夠的重視，同時存在養護措施不到位的情況，公路隧道管理與運營安全面臨挑戰。

BIM以3D模型為介質，既包含隧道結構、設備、設施信息，也包含外部環境信息。將BIM模型和隧道運營管理數據庫集成在一起，便于信息的訪問和利用，本研究通過對隧道管理需求的實地調查和對先行隧道養護規范的解讀，研究了隧道運維管理的功能需求：

（1）信息實時采集：通過傳感器、監控設備實時采集結構響應、環境特征數據、車流量數據，基于人工智能、圖像識別技術，將視頻攝像應用于隧道巡檢工作，實現隧道的自動、定期巡查，以減少目前繁重的人工巡檢工作。

（2）有效的信息整合與分發：通過輕量化數據分發技術，實現基于BIM模型數據整合、流暢顯示和養管數據快速分發。

（3）信息可視化管理：將隧道運維信息可視化，基于3D模型，顯示設備及管道運行狀態、合同信息、安全信息、維修進度、成本控制等信息。

（4）安全自動監控報警：隧道需要采集溫濕度、含氧量、混凝土裂縫、變形或位移等參數。此外，還需要監測管道爆裂、超載、車輛撞擊、火災等情況，當有報警產生時，系統可實時獲取各類報警事件的數據及圖像并通知相關人員。

2.2 功能設計

2.2.1 檔案管理

公路隧道在長時間的運營階段，交付的文檔格式來源多、形式異構，管理難度大。施工階段過后，文件丟失、多版本現象頻繁發生。工程文檔是至關重要的，因為它包含了隧道結構和設備的信息。為避免在維修加固和應急救援過程中，因信息不準確、不完整而造成人力、物力浪費或反應滯后，建設電子文檔檔案數據庫十分重要，數據庫包括竣工圖紙、BIM模型、檢查資料、養護維修以及招標資料等。在項目電子文檔檔案模塊中，3D模型為竣工模型，各類工程養護資料均通過編碼與竣工模型掛接。

2.2.2 養護檢查

隧道養護檢查根據規范可分為：日常檢查、經常性檢查、定期檢查、特殊檢查。基于BIM技術公路隧道運維協同管理平臺，實時導入檢查數據并在三維模型中進行展示，實現隧道結構狀態、病害信息的可視化展示與追蹤［3］。

2.2.3 養護維修

隧道土建結構的養護維護包括日常清潔、保養，定期維護，預防性維護維修。日常清潔保養的目為保持隧道路面清潔暢通，排水設施疏浚淤積，交通標志完整、清晰醒目，機電設備處于無滲水的工作狀態；定期維護和預防性維護維修，旨在維護和恢復隧道結構的功能，清除松動的巖石和泥土、修補襯里裂縫的輕微損壞、清理排水系統等。設備維護和維修是對機電設備的完整性進行檢查，以確定所需的維護措施，并在發生故障后對設備或部件進行維修和更換。

將BIM技術應用于隧道養護工程質量管控中，拆解養護工程施工工藝操作流程和質量控制要點，形成標準化養護工藝流程，既能從整體上把握養護工程質量，又能形成對構件質量的監督。在BIM模型的支持下，工程養護的整體質量、局部構件質量能夠清晰、明確地在3D模型中呈現出來，實現對隧道工程養護質量的有效管理。

2.2.4 安全與應急管理

隧道的安全管理包括運輸組織、維護工作和突發事件期間的安全保護。采用監視、監控、人員檢查等手段，通過BIM協同管理平臺可及時掌握異常情況，做出判斷和應對措施。BIM協同管理平臺可實現災害、突發事件、應急預案的模擬展示，可對突發事件進行快速定位，模擬應急路線。災害發生后，BIM可以為應急救援提供支持，利用BIM技術三維可視化動態的特點，救援負責人通過協同管理平臺進行指揮，向救援人員提供災害的實時信息，在接收到災害發生的詳細情況之后，救援人員根據應急預案采取科學的救援方案，開展救援疏散，減少人員傷亡。遇到設備異常的情況，技術人員可利用BIM技術快速定位設備的位置，顯示設備的布設情況，有效緩解災害事件，減少二次事故的發生。

2.2.5 歷史數據查詢

歷史數據查詢融入在每個檢查和養護模塊中，可以根據橋梁結構、病害類型、時間等維度對巡檢養護信息進行查詢；并提供GIS地圖查詢的方式，可以通過GIS信息管理對橋梁和病害以及巡檢養護人員進行實時、歷史查詢。基于BIM技術的公路隧道運維協同管理平臺采用基于B/S架構的遠程訪問功能，具有采集數據的事實監測與預警功能，歷史數據的查詢與統計功能，以及整個系統的軟、硬件的工作狀態監控，方便用戶維護系統。

3 系統安全

數據庫系統提供嚴格的數據庫恢復和事務完整性保障機制，提供完整的角色管理和自主控制安全機制。同時支持軟、硬件容錯，邏輯備份與恢復，物理備份與恢復，在線聯機備份和恢復等功能，保證在發生故障和災難后能夠很好地恢復或重構數據庫。

為確保系統網絡訪問安全，利用防火墻技術界定網絡邊界、傳輸加密技術實現安全的數據信息傳遞。

3.1 訪問控制

為了實現不同的業務組織訪問不同的網絡資源，可以采用VLAN和域控制器的方法，限制用戶訪問服務器的權限。在局域網內，對于可以訪問系統的一組終端單獨劃分VLAN，只有這些VLAN才可以通過網絡訪問到WEB服務器，不能直接訪問應用服務器和數據庫服務器。

3.2 防火墻

為了實現網絡邊界安全，確保整個內部網絡中設備和應用的安全，采用硬件防火墻提供安全保障，在防火墻上設置服務映射［4］。

3.3 傳輸加密

平臺采用的是B/S架構，客戶端通過IE瀏覽器實現對應用系統的訪問。為了避免明文傳輸帶來的安全隱患，應用軟件平臺提供SSL機制對在網絡上傳輸的數據進行加密，提供數據流的認證、機密性和完整性，以防敏感數據在傳輸過程中被泄露及篡改。

4 數據權限安全

4.1 數據的訪問權限

基于BIM技術的公路隧道運維協同管理平臺是一個大型的分布式數據資源管理系統，它包括信息量巨大以及不同程度的信息敏感度，各種有訪問需求的用戶，使得其安全管理非常復雜。基于角色的系統安全控制模型是目前國際上流行的先進的安全管理控制方法。平根據需要定義各種角色，并設置合適的訪問權限，而用戶根據其責任和資歷再被指派為不同的角色。這樣，整個訪問控制過程就分成兩個部分，即訪問權限與角色相關聯，角色再與用戶關聯，從而實現了用戶與訪問權限的邏輯分離，如下圖所示，角色可以看成是一個表達訪問控控制策略的語義結構，它可以表示承擔特定工作的資格。

在用戶權限管理中，可以查詢用戶信息、新增用戶、修改用戶信息以及刪除用戶。系統建立后，將會根據公路隧道運維協同管理平臺的管理職責及工作界面劃分，建立各職能部門的基本信息。按照管理角色及職責為不同用戶設置相應權限，并配置對應的系統使用功能和辦公角色。

4.2 數據庫安全

數據權限是數據庫安全的關鍵。對于任何范圍內的數據，規定必須在授權情況下才能準許進行操作。

對于數據庫的操作可分為：擁有、只讀、只寫、讀寫、刪除等。一般這種權限是在一級上定義的，通過對視圖（View）的授權也可以對表的列定義訪問權限。

數據庫的用戶也是分組、分級的，數據庫管理員擁有全部特權，數據擁有者次之，數據查詢又均低一等。

在系統整個網絡用戶管理中，采用域管理模式對用戶進行集中管理。用戶須首先通過域控制安全系統認證獲得授權后，才能訪問網絡系統［5］。

5 結論

為了促進BIM在公路隧道運維中的應用，本文在現有相關研究的基礎上，提出了基于BIM技術的協同管理框架，該框架包含檔案管理、養護檢查管理、養護維修、安全與管理四個功能模塊，可輔助公路三隧道的可持續運維。各模塊數據通過BIM模型進行交換，隧道管理人員可以在做出管理決策前獲得完整、實時的信息。基于該框架下的協同管理系統實現了隧道在運營管理工程中的信息實時采集、信息有效集成與分發、信息可視化管理和安全自動監控報警四個目標，可為隧道養管單位科學高效地制定維護策略提供信息化支持。

參考文獻：

［1］李曉軍，田吟雪，陳樹汪，等.建筑信息模型（BIM）技術在隧道工程中應用現狀與分析［J］.隧道建設（中英文）， 2020，40（7）： 953-963.

［2］戴林發寶. 隧道工程BIM應用現狀與存在問題綜述［J］.鐵道標準設計，2015（10）：99-102，113.

［3］夏鈴.公路隧道養護管理信息及其技術評價系統研究［D］.重慶交通大學，2011：38-68.

［4］胡建華，徐玉桂.基于GIS的隧道病害管理系統設計與實現［J］.計算機工程與設計，2012，33（5）：2090-2094.

［5］黃廷.基于BIM的公路隧道運維管理系統設計與開發［J］.隧道建設，2017（1）：48-55.