杜　娟　何仁志　戴靈鈞

(1. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院, 上?！?01800;2.上海大學(xué)上海城建集團建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心, 上?！?00072)

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基于本體的隧道盾構(gòu)過程中地表沉降的風(fēng)險因素推理與應(yīng)對

杜娟1,2何仁志1戴靈鈞1

(1. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院, 上海201800;2.上海大學(xué)上海城建集團建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心, 上海200072)

【摘要】建筑信息模型(BIM)為傳統(tǒng)建筑業(yè)的信息化變革帶來大量技術(shù)革新，可優(yōu)化建筑過程并提升建筑效率與效益。在行業(yè)應(yīng)用中，圍繞建筑全生命周期不同階段的異構(gòu)軟件間存在諸多異構(gòu)信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交互問題，本文通過分析目前建筑行業(yè)信息交互現(xiàn)狀，提出基于本體的異構(gòu)數(shù)據(jù)交互模式，并闡述IFC數(shù)據(jù)模型、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和本體模型間的映射方法及基于事件的本體推理模式。本文針對隧道盾構(gòu)施工中的地表沉降，通過Protégé軟件構(gòu)建地下隧道施工本體，并利用Jena推理機分析地表沉降的關(guān)聯(lián)風(fēng)險因素，并通過異構(gòu)數(shù)據(jù)互用與交互實現(xiàn)地表沉降應(yīng)對方案的提供與更新。

【關(guān)鍵詞】建筑信息模型；工業(yè)基礎(chǔ)類；本體建模；地表沉降

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.16

1引言

隨著建筑信息模型(BIM)為代表的信息技術(shù)在建筑工程項目全生命周期中的應(yīng)用，各信息系統(tǒng)和異構(gòu)建筑模型數(shù)據(jù)的交互成為阻礙BIM技術(shù)推廣與應(yīng)用的重要瓶頸：首先，針對建筑項目不同階段不同參與方的異構(gòu)信息系統(tǒng)之間難以實現(xiàn)信息共享與交互，海量的建筑數(shù)據(jù)難以充分共享以及傳遞；其次，雖然IFC、IDM等信息交互標準的出現(xiàn)從一定程度上可以解決部分建筑數(shù)據(jù)的交互，然而建筑信息的集成及管理難以用單一的標準或者規(guī)范來實現(xiàn)。楊寒光提出站點自主性的分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫造成了信息孤島，并提出了將數(shù)據(jù)查詢進行標準化抽象差異屏蔽的處理方法[1]。靳強勇分析了異構(gòu)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的幾種技術(shù)包括CORBA、XML等，并建立了異構(gòu)數(shù)據(jù)解決平臺[2]。通過本體實現(xiàn)建筑信息虛擬和柔性整合，為建筑信息的有效交互提供了新的思路。基于本體的建筑信息交互機制具有集成化概念模型的特點，令用戶可以在不了解各建筑領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的情況下進行知識的共享，有效解決建筑過程中異構(gòu)數(shù)據(jù)帶來的施工問題，同時，可以促進組織間隱性知識的積累，有助于多方用戶針對自身特點進行知識儲備，減少決策失誤并降低延誤工期的風(fēng)險。趙潔應(yīng)用本體技術(shù)設(shè)計了基于本體集成的建筑信息共享平臺框架[3]。Karan結(jié)合地理信息系統(tǒng)與語義網(wǎng)，利用施工的標準化本體整合查詢異構(gòu)數(shù)據(jù)[4]。

目前國內(nèi)關(guān)于如何將BIM和本體運用于建筑全生命周期的研究仍處于發(fā)展階段。Zhang提出了包括建筑產(chǎn)品模型、建筑過程模型和建筑安全模型在內(nèi)的建筑安全本體來解決建筑項目安全管理問題[5]。Yildiz基于本體技術(shù)提出了一種風(fēng)險評估與管理模式[6]。周娟將UML與本體結(jié)合以研究工程預(yù)算管理系統(tǒng)的建模問題[7]。胡云中提出了基于本體的建筑施工質(zhì)量規(guī)范知識的建模[8]。張建則在BIM環(huán)境下對項目建設(shè)領(lǐng)域的本體的語意檢索進行了研究[9]。然而，上述研究主要集中在理論化知識體系的構(gòu)建，虛擬建模環(huán)節(jié)或僅是從單方面將BIM或本體應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。本文將研究如何將本體論與BIM有機結(jié)合并運用于實際項目問題。

2基于本體的建筑信息交互機制

2.1建筑信息交互機制概述

目前諸多建筑項目采用了IFC標準(Industry Foundation Class——工業(yè)基礎(chǔ)類，即一種公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型格式)作為BIM標準格式應(yīng)用于實現(xiàn)建筑過程中異構(gòu)數(shù)據(jù)的交互。除此之外，BIM相關(guān)數(shù)據(jù)交互機制還有直接交換機制，專用中間文件格式機制，基于XML的交互格式機制[9]。

IFC機制基于三維對象的數(shù)據(jù)表達式，可以描述建筑對象的三維幾何形狀和其屬性。雖然該標準是目前業(yè)內(nèi)認可度最高的BIM標準格式，但IFC機制并不能完全應(yīng)對建筑業(yè)中的復(fù)雜的信息交換需求[13]，主要原因在于： 1)其獲得的來自各BIM軟件的支持不盡相同，異構(gòu)系統(tǒng)間的構(gòu)件識別與交互出現(xiàn)問題[13]；2)IFC標準并沒有針對具體的需求定義數(shù)據(jù)交互[14]，當不同的交換功能實現(xiàn)者對信息的表達方式不一致時，該標準則不再適用。

本體的概念起源于哲學(xué)，應(yīng)用到計算機領(lǐng)域后，本體指的是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明，其具有概念化、明確化、形式化和共享化的特征。因此，基于本體的信息交互方式則具備更好的靈活性和適應(yīng)性，主要表現(xiàn)在： 1)在各異構(gòu)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)保持原有存儲狀態(tài)的前提下，當具體的應(yīng)用環(huán)境產(chǎn)生突變，本體可以憑借其自身較好的可維護性及時根據(jù)新需求產(chǎn)生出新數(shù)據(jù)類型，并利用其可共享模型的概念使知識能被共享及交互；2)本體憑借鮮明的層級結(jié)構(gòu)[14](應(yīng)用本體層，領(lǐng)域本體和任務(wù)本體層以及頂級本體層)，可以根據(jù)需要靈活的進行本體間的組合；3)該機制支持知識的重用并且對數(shù)據(jù)有很好的兼容性，保持了數(shù)據(jù)的完整。

2.2基于本體的建筑信息交互機制模型

基于本體概念化、明確化、形式化和共享化的特征[9],本文提出基于本體空間的信息交互機制，以簡化用戶的交互過程，如圖1所示。

基于本體空間的信息交互機制有效銜接了數(shù)據(jù)源(關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其中包括非結(jié)構(gòu)化的音、視頻數(shù)據(jù)以及BIM模型庫中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如IFC格式數(shù)據(jù))和各應(yīng)用軟件(包括本體編輯器，邏輯推理機以及BIM可視化軟件)。對于推理結(jié)果，用戶可選擇用可視化或文本化的方式呈現(xiàn)，實現(xiàn)了海量建筑信息的交互。其作用機理如下：

1)用戶將各類型建筑信息數(shù)據(jù)錄入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；

2)將數(shù)據(jù)映射到本體空間中進行整合；

3)從本體空間中調(diào)用目標本體模型與Jena推理機交互。Jena根據(jù)OWL本體定義對原始數(shù)據(jù)進行RDF資源標注，形成帶有語義信息的數(shù)據(jù)，然后通過RDF/XML解析器和RDF API轉(zhuǎn)換成RDF Model，RDF Model結(jié)合推理子系統(tǒng)和Ontology子系統(tǒng)生成具有語義推理能力的OntModel，然后用于下一步的信息檢索；

4)通過故障樹(Fault Trees)設(shè)定相關(guān)推理規(guī)則，使用Jena推理機推理得到對應(yīng)的推理結(jié)果；

5)將新的推理結(jié)果通過本體空間錄入知識庫，作為新的解決方案備份；

6)將推理結(jié)果映射到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中；

7)用戶使用BIM應(yīng)用軟件以可視化的方法得到推理結(jié)果和圖示(也可以通過直接查詢以文字的方式查看推理結(jié)果)。

簡言之，基于本體空間的信息交互機制通過本體建模、推理和查詢以及可視化，將異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成本體模型，并依據(jù)項目數(shù)據(jù)，挖掘隱含的項目信息，從而幫助用戶構(gòu)建完善的知識體系。

本文選取項目為上海虹梅南路-金海路通道越江段，由于一次性掘進距離長、盾構(gòu)直徑大以及隧道埋深大，地層復(fù)雜，該項目為高風(fēng)險工程。為了及時發(fā)現(xiàn)潛在的建設(shè)問題，需要對采集的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)進行基于本體的建模，并通過本體推理進行問題原因的追溯和相關(guān)事故解決方案的確認，為管理決策提供依據(jù)。通過RFID技術(shù)的應(yīng)用，對虹梅南路-金海路越江通道越江段1～1700環(huán)進行了實時監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和處理。主要收集的信息類型包括：①管片信息，如工人對鋼筋原材料的檢查數(shù)據(jù)，管片成型后蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)升溫和降溫時的記錄數(shù)據(jù)，RFID標簽信息；②盾構(gòu)機推進過程中的姿態(tài)、角度、受力等數(shù)據(jù)；③隧道中的空間信息，即幾何信息、環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)等；④隧道監(jiān)測信息，通過工人質(zhì)量巡檢和系統(tǒng)自動采集兩種方式進行收集，信息統(tǒng)一進入數(shù)據(jù)庫，同時巡檢所收集到的問題也會和隧道BIM模型一一綁定。本文將基于本體對上述異構(gòu)數(shù)據(jù)間的集成交互進行分析。

3異構(gòu)數(shù)據(jù)與本體的映射

本節(jié)針對基于本體的建筑信息集成機制的作用過程，分別就圖1步驟1中IFC模型及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫到本體的映射，以及步驟5、6中本體推理結(jié)果更新知識庫和寫入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方法進行說明。

3.1異構(gòu)數(shù)據(jù)到本體的映射

傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫只能表達二維或低維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，而在實際的建筑項目中各數(shù)據(jù)間存在時間、空間等多維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過將本體的思想引入到異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析中，可以使維度不同的數(shù)據(jù)虛擬整合，從而在不影響數(shù)據(jù)原有存放狀態(tài)的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享。

(1)IFC模型到本體的映射

分別將IFC的實體、屬性、類型和關(guān)系從EXPRESS的描述格式，轉(zhuǎn)換為本體中相對應(yīng)的以O(shè)WL語言所描述的類、屬性和關(guān)系。如表1所示。

以工業(yè)基礎(chǔ)類標準(IFC標準)實體IfcShieldDriving(盾構(gòu)掘進)為例，進一步闡述以上轉(zhuǎn)化機制：

IFC格式信息及關(guān)系如下：

將上述實體轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的OWL語言描述的類，并將IFC中記錄的實體間的關(guān)系轉(zhuǎn)映射為OWL語言描述的基本關(guān)系：

(2)數(shù)據(jù)庫到本體的映射

與IFC到本體的映射類似，將項目數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)換成本體，也需要將數(shù)據(jù)庫中的表、約束等內(nèi)容轉(zhuǎn)換成本體所對應(yīng)的類、公理，即映射實體、實體的屬性、數(shù)據(jù)庫完整性約束條件、向本體中加入實例[15]。

本體論包括5個基本的建模元語，即本體(Ontology)=<類(Classes)，關(guān)系(Relations)，函數(shù)(Functions)，公理(Axioms)，實例(Instance)>。因此，將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)映射到本體要從類(class)，屬性(properties)，層次(hierarchy)，基數(shù)(cardinality)，實例(instances)進行映射。對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

以盾構(gòu)過程中的表“監(jiān)測點(Monitoring)”和表“監(jiān)測點地理位置信息(MonitoringGeo)”為例，進行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫到本體的轉(zhuǎn)換：

數(shù)據(jù)庫中的表Monitoring除了記錄相應(yīng)監(jiān)測點的測量值以外，還存有監(jiān)測點的地理位置(GeoCor，外鍵，用提前劃分的數(shù)字代號表示)，同時是表MonitoringGeo的主鍵。關(guān)系如表3所示。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)映射為OWL語言描述的基本關(guān)系：

3.3本體推理結(jié)果的導(dǎo)出

對本體進行推理并且得到相應(yīng)推理結(jié)果之后，可以將其導(dǎo)出到知識庫或?qū)懭腙P(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。因此，將本體空間與項目知識庫相連通，這樣將有助于整個項目團隊進行知識管理，同時可以提高推理效率和準確性。

以存入MySQL數(shù)據(jù)庫類型的知識庫為例：

4構(gòu)建本體模型

在實際隧道盾構(gòu)掘進過程中，受多種復(fù)雜因素影響，地表沉降成為重要的安全隱患之一，不僅破壞建筑的美觀性，也易造成墻體破裂，影響其使用。單就上海市而言，其每年由于地下施工不當引起的地表沉降占據(jù)總地表沉降的30%，造成約2 100萬人民幣的沉降經(jīng)費支出。因此合理運用BIM技術(shù)和本體思想分析，針對盾構(gòu)掘進過程中的地表沉降，查明沉降原因，并通過知識庫尋找解決方案，同時根據(jù)時序數(shù)據(jù)對可能的沉降隱患進行預(yù)警具有重要意義。

根據(jù)隧道盾構(gòu)施工過程中地表沉降的實際特征，盾構(gòu)過程中地表沉降本體需要考慮五方面的內(nèi)容：圍繞隧道事件(TunnelEvent)，盾構(gòu)過程中的隧道環(huán)境(TunnelEnvironment)，沉降標準(SettlementStandard)，盾構(gòu)掘進(ShieldDriving)以及沉降案例(SettelementCase)?；诒倔w的類與類之間的繼承、部分與整體、屬性、實例四種基本關(guān)系，建立相應(yīng)的本體以及各子本體，如圖2所示。其中隧道事件本體主要針對盾構(gòu)施工過程中的監(jiān)控信息預(yù)警、沉降事件而設(shè)置，以此查找事件發(fā)生的原因及確定合理的解決方案；盾構(gòu)掘進本體則對盾構(gòu)掘進過程中一些地表沉降的影響因子的定義；隧道環(huán)境本體主要對隧道周邊及施工環(huán)境進行監(jiān)控記錄；沉降標準本體則用于判斷檢測數(shù)據(jù)是否異常；沉降案例本體則用于記錄發(fā)生的沉降事件及處理方式，為后續(xù)的處理進行知識儲備。

根據(jù)上述的建模思路，可以利用Protégé 4.3對盾構(gòu)過程中地表沉降本體進行可視化處理，并生成相應(yīng)的.owl本體文件。

5基于故障樹的本體推理機制

5.1地表沉降成因分析

對于每一個監(jiān)測點，當?shù)乇沓两禂?shù)據(jù)超過預(yù)定值后，即隧道環(huán)境本體中的測點數(shù)據(jù)異常時，將會觸發(fā)報警，沉降標準本體中的盾構(gòu)參數(shù)子類將會依據(jù)隧道環(huán)境本體中的地質(zhì)條件信息，確定在該條件下，盾構(gòu)掘進過程中的盾構(gòu)標準。而盾構(gòu)掘進本體中的盾構(gòu)參數(shù)，如：土壓、掘進速度、注漿等，將會與該盾構(gòu)標準對比，以此確定地表沉降的原因，同時，隧道事件本體的沉降子本體也會記錄該沉降原因，如圖3所示。

5.2基于故障樹的推理規(guī)則

本文用故障樹(Fault tree)來描述本體所遵循的相關(guān)的規(guī)則，如圖4所示，頂層事件為發(fā)生地表沉降，而導(dǎo)致地表沉降的原因可以分為外界因素和人為因素兩方面，外界因素包括管網(wǎng)線漏水、地下水影響、臨近土體干擾、盾構(gòu)自身重力等因素，而人為因素則包括開挖面積、土體進入后尾空隙、盾構(gòu)后退、注漿固化、襯砌變形等原因。[12]

如圖4所示，由于圖中所示原因可以導(dǎo)致地表沉降，從而引入判斷這些原因的相關(guān)因素，并將這些因素與本體中的參數(shù)相對應(yīng)。

利用故障樹，可以清晰地展示導(dǎo)致地表沉降的原因，根據(jù)本體中的參數(shù)對比相關(guān)標準，可以判斷特定情況下是否滿足該故障樹中的條件[9]，從而引發(fā)地表沉降。而可以與沉降原因聯(lián)系的相關(guān)參數(shù)關(guān)系如表4所示[9]。

5.3地表沉降修正方案處理

在確定沉降原因之后，根據(jù)該事件的特征，需要在沉降案例本體中尋找解決方法；當該本體中沒有相關(guān)案例時，則需要從專家處獲取參考意見，同時將確認后的處理方案記錄到沉降案例本體和隧道事件本體的沉降子類中，如圖5。

6推理結(jié)果與分析

6.1尋找沉降相關(guān)參數(shù)

沉降成因推理主要基于故障樹(Fault Tree)得出的推理規(guī)則，生成.rules文件，通過Jena推理機可以得到相關(guān)推理結(jié)果。推理規(guī)則如下：

對于監(jiān)測點Position_101_911，在該點獲得的監(jiān)測點值(33.125544)大于標準的監(jiān)測點值(33)因此確定Position_101_911處發(fā)生了沉降，該事件記為沉降事件Settle IncNo_001189。

監(jiān)測點Position_101_911有地理信息Geoinfo_101_911(N31.120418 E121.408235)，該信息與地理條件GeoCondition_101 _911位置信息相符。該條件對應(yīng)沉降參數(shù)SettlementParameterNo_190923，從而得出該沉降參數(shù)為監(jiān)測點Position_101_911的標準參數(shù)集合。

監(jiān)測點Position_101_911有盾構(gòu)參數(shù)集合ShieldDrivingParameterB，其中包含了刀頭轉(zhuǎn)速，土壓，盾構(gòu)速度等參數(shù)項，將這些參數(shù)與該位置的標準參數(shù)集合內(nèi)的各個參數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)改點的即時刀頭轉(zhuǎn)速超過了標準到頭轉(zhuǎn)速，從而得出監(jiān)測點Position_101_911的沉降是由于到頭轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致，并生成記錄ReasonSE101_911用于修正方案推理。

6.2尋找解決方案

得到與沉降原因相關(guān)的參數(shù)后，通過對本體實體的推理，前往方案庫中尋找對應(yīng)的解決方案。

對監(jiān)測點Position_101_911的沉降事故原因ReasonSE101_911的推理，發(fā)現(xiàn)有已存解決方案CaseSolutionNo_98762。

6.3 產(chǎn)生新的修正方案

若該事發(fā)原因是前所未有的，則需要咨詢專家意見，同時將其在數(shù)據(jù)庫中更新備份，若未來在發(fā)生該類事件，則能自動使用。

7總結(jié)及展望

BIM越來越受到行業(yè)的認可，但由于不同軟件間的信息交互問題嚴重影響了BIM的運行效率，本文引入了本體思想，對基于本體的建筑異構(gòu)數(shù)據(jù)柔性交互機制進行了分析與應(yīng)用：

(1)判斷了基于本體的建筑信息交互方法的有效性，論證了基于本體的建筑信息交互方法的優(yōu)勢。

(2)提出了基于本體的建筑信息交互模型，簡化了信息交互方式，并解釋了該模型的建筑信息交互流程。

(3)闡述了建筑信息從IFC格式和數(shù)據(jù)庫到的本體的轉(zhuǎn)換過程以及把生成的本體存入數(shù)據(jù)庫的方法。

(4)通過對盾構(gòu)過程中地表沉降的實例研究，利用Protégé4.3構(gòu)建了盾構(gòu)領(lǐng)域本體，并基于Jena推理預(yù)測地表沉降，從而驗證上述研究成果的有效性。

本文對以本體思想來解決建筑信息交互與共享問題進行了探索，并通過應(yīng)用實例進行了驗證。

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Corporation)，Shanghai201800，China)

Ontology-based Analysis on the Early Warning of the Surface Subsidence in the Process of Tunnel Shield Project

Du Juan1， 2，He Renzhi1，Dai Lingjun1

(1.SILCBusinessSchool，ShanghaiUniversity，Shanghai201800，China；2.ResearchCenterforBuildingIndustrialization，ShanghaiUniversityandShanghaiUrbanConstruction(Group)

Key Words：Building Information Modeling (BIM); Industry Foundation Information (IFC); Ontology Modeling; Surface Subsidence

Abstract:Building information model (BIM) brings the fundamental technological innovation to traditional architecture industry, which can optimize the construction process and improve the efficiency and effectiveness of the building process. Based on the information exchange of heterogeneous information systems and data throughout the different stages of the whole life cycle of the practical building project, the article analyzes the existing situation of building information interoperability, proposes the ontology-based heterogeneous exchange model, explores the method of mapping the IFC data and relationship database with ontology model, and puts forward the ontology-based reasoning model. The article takes the surface subsidence in the tunnel shield construction as an example, creates the ontology model of underground tunnel through the Protégé software, and proposes the early warning analysis of groud subsidence reasons through Jena inference engine.

【基金項目】上海市自然科學(xué)基金項目“基于本體和Petri網(wǎng)的復(fù)雜隧道工程數(shù)據(jù)的精益化管理研究”(編號：15ZR1415000)

【作者簡介】杜娟(1981-),女,博士,講師。主要研究方向：建筑信息化。

【中圖分類號】TP3-05

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0100-09