胡 珉， 劉攀攀， 喻 鋼， 施永泉

(1. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院， 上海 201400； 2. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072； 3. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200232)

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基于全生命周期信息和BIM的隧道運(yùn)維決策支持系統(tǒng)

胡 珉1, 2， 劉攀攀2, 3， 喻 鋼1, 2， 施永泉4，*

(1. 上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院， 上海 201400； 2. 上海大學(xué)-上海城建建筑產(chǎn)業(yè)化研究中心， 上海 200072； 3. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072； 4. 上海隧道工程股份有限公司， 上海 200232)

針對(duì)公路隧道運(yùn)維管理對(duì)象眾多、信息分散異構(gòu)、時(shí)空特性復(fù)雜等導(dǎo)致管理決策困難的問(wèn)題，從隧道全生命周期信息出發(fā)，建立隧道可視化智能決策系統(tǒng)。系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和智能化為設(shè)計(jì)原則，以隧道BIM運(yùn)維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化編碼和信息映射表實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的多源信息集成，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、分析層和交互層組成，利用智能分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估和病害追溯、設(shè)備異常發(fā)現(xiàn)和故障診斷、養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化等功能，通過(guò)三維圖形化引擎與用戶交互，幫助用戶快速掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，獲取自動(dòng)輔助決策結(jié)果，提高運(yùn)維工作效率和質(zhì)量。將該決策支持系統(tǒng)應(yīng)用在上海大連路隧道工程中，可幫助隧道管理者更快速、清晰地了解隧道運(yùn)營(yíng)狀況，提供運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的輔助決策建議，取得了很好的應(yīng)用效果。

公路隧道； 全生命周期； BIM； 隧道運(yùn)維； 決策支持系統(tǒng)

0 引言

截至2010年，我國(guó)公路隧道建設(shè)長(zhǎng)度累計(jì)為512.26萬(wàn)m，自2011年以來(lái)，公路隧道年均凈增超過(guò)1 000 km，已建公路隧道總長(zhǎng)超過(guò)1萬(wàn)km，在規(guī)模上已成為世界第一[1]。公路隧道正逐漸從大規(guī)模的建設(shè)到大規(guī)模的運(yùn)營(yíng)管理方向轉(zhuǎn)變，這對(duì)我國(guó)隧道運(yùn)維管理提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的隧道運(yùn)維管理系統(tǒng)以隧道監(jiān)控為核心，主體功能定位在交通和重要設(shè)備的基礎(chǔ)實(shí)時(shí)信息采集。在公路隧道設(shè)備的檢測(cè)與維護(hù)方面，文獻(xiàn)[2]利用GPS、GIS和GSM技術(shù)建立隧道機(jī)電管理系統(tǒng)； 文獻(xiàn)[3]提出隧道內(nèi)各種軟硬件設(shè)備的故障檢測(cè)機(jī)制； 文獻(xiàn)[4]提出隧道機(jī)電系統(tǒng)的日常維護(hù)與管理方法。在隧道結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)方面，文獻(xiàn)[5]研究了運(yùn)維過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測(cè)方法； 文獻(xiàn)[6]對(duì)基于光纖光柵技術(shù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施； 文獻(xiàn)[7]利用傳感技術(shù)、光纖和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立TMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控； 文獻(xiàn)[8]利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行隧道病害信息管理； 文獻(xiàn)[9]從數(shù)據(jù)分析的角度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。鑒于運(yùn)維信息的異構(gòu)、離散和空間復(fù)雜性，文獻(xiàn)[10]開(kāi)發(fā)三維地下空間信息管理系統(tǒng)對(duì)隧道施工和運(yùn)維信息進(jìn)行整合和管理； 文獻(xiàn)[11]提出隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的概念和面向?qū)ο蟮乃淼腊踩O(jiān)測(cè)時(shí)空數(shù)據(jù)建模與表達(dá)技術(shù)思想。綜合以上研究可知，目前隧道運(yùn)維類(lèi)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)為主，數(shù)據(jù)較為割裂，缺乏有效的分析手段； 結(jié)構(gòu)病害管理研究正轉(zhuǎn)向全生命周期的信息整合，在充分利用隧道全生命周期數(shù)據(jù)方面的研究較少。

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)[12]、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[13]和BIM技術(shù)[14]等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，為隧道運(yùn)營(yíng)管理水平的提高提供了契機(jī)。本文從全生命周期數(shù)據(jù)出發(fā)，提出并開(kāi)發(fā)了基于全生命周期和BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)，滿足隧道狀態(tài)快速檢測(cè)、病害診斷分析、日常運(yùn)營(yíng)優(yōu)化等運(yùn)營(yíng)管理核心需求，全面提升隧道管理的質(zhì)量和效率，降低隧道管理能耗和成本。

1 公路隧道運(yùn)維管理

相對(duì)于公路、橋梁等交通設(shè)施，隧道運(yùn)維管理具有以下主要特點(diǎn)。

1.1 管理對(duì)象眾多

公路隧道運(yùn)維管理主要涉及結(jié)構(gòu)安全維護(hù)、設(shè)備健康保障以及日常運(yùn)營(yíng)管理3方面： 1)結(jié)構(gòu)方面，包括隧道主體結(jié)構(gòu)以及道路、護(hù)墻板等附屬設(shè)施； 2)設(shè)備方面，包括高低壓柜、風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)電設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)控制、通訊廣播和照明等其他系統(tǒng)設(shè)備； 3)日常運(yùn)營(yíng)管理方面，包括隧道交通管理和隧道外保護(hù)區(qū)巡視，以及對(duì)隧道內(nèi)光照、溫度和空氣質(zhì)量等的管理。

1.2 信息分散異構(gòu)

公路隧道監(jiān)測(cè)和管理往往需要多個(gè)信息采集系統(tǒng)相配合[15]。以上海大連路隧道為例，除了用于實(shí)時(shí)和定期巡檢的設(shè)備點(diǎn)檢定修管理系統(tǒng)、隧道養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、隧道光纖光柵報(bào)警系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)信息系統(tǒng)外，還有許多人工檢測(cè)、保養(yǎng)、維修的紙質(zhì)文本信息。信息具有典型的異構(gòu)、分散存儲(chǔ)特征，會(huì)給隧道動(dòng)態(tài)監(jiān)視和管理決策帶來(lái)不便。

1.3 時(shí)空特性復(fù)雜

隧道內(nèi)設(shè)施設(shè)備具有顯著的時(shí)空關(guān)系。如隧道結(jié)構(gòu)病害與周邊結(jié)構(gòu)和施工期均有關(guān)聯(lián)，但傳統(tǒng)管理方式下施工信息缺失和異形空間描述困難，使得決策者無(wú)法了解結(jié)構(gòu)全生命周期的演變規(guī)律以及分析其發(fā)展趨勢(shì)，給隧道巡檢和維養(yǎng)方案的制定帶來(lái)不利影響。

1.4 決策方式落后

在管理決策方面，目前主要還是由管理人員結(jié)合一些局部數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)完成隧道日常管理決策和年度養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)。由于缺乏對(duì)隧道長(zhǎng)期性能的分析能力[16]，使存在安全隱患的一些設(shè)備和設(shè)施未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致隧道養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)使用不合理等情況時(shí)常發(fā)生。

2 信息處理關(guān)鍵技術(shù)

信息是公路隧道運(yùn)維決策管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)圍繞全生命周期信息展開(kāi)設(shè)計(jì)，以管理對(duì)象為核心，從信息規(guī)范、采集、組織和分析各環(huán)節(jié)入手，利用標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和智能化的手段，打破傳統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)中信息不完整、不一致的瓶頸。

2.1 基于編碼的信息規(guī)范

為了實(shí)現(xiàn)信息標(biāo)準(zhǔn)化，建立一套完整的信息編碼體系對(duì)于設(shè)施設(shè)備的維護(hù)有著重要的意義[17]。系統(tǒng)從唯一性、易讀性和長(zhǎng)期有效性的角度對(duì)隧道內(nèi)所有的設(shè)施、設(shè)備、監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編碼。編碼格式見(jiàn)圖1，采用字母和數(shù)字混編的方式，總長(zhǎng)22位，由主編碼和擴(kuò)展碼組成。主編碼由項(xiàng)目名稱(chēng)、管理單元(便于網(wǎng)格化管理工作)、設(shè)施設(shè)備分類(lèi)代碼(包括對(duì)象屬性、大類(lèi)和小類(lèi)3部分，覆蓋設(shè)施、設(shè)備、監(jiān)測(cè)、周邊環(huán)境和標(biāo)簽運(yùn)維過(guò)程所有觀察對(duì)象)和物理位置代碼依次連接組成； 擴(kuò)展編碼主要用于細(xì)節(jié)特征的標(biāo)注。通過(guò)編碼可以快速定位隧道中任一設(shè)施和設(shè)備的準(zhǔn)確位置，了解其所屬類(lèi)別，并通過(guò)唯一代碼實(shí)現(xiàn)與BIM模型的關(guān)聯(lián)。

圖1 公路隧道編碼格式

2.2 全過(guò)程全方位的信息采集

全過(guò)程全方位的信息是實(shí)現(xiàn)正確決策的保障。系統(tǒng)圍繞隧道管理的主體對(duì)象(結(jié)構(gòu)、設(shè)備和環(huán)境)，從全生命周期的角度進(jìn)行信息源梳理與采集，并將財(cái)務(wù)信息、地理信息和天文氣象等關(guān)聯(lián)信息納入其中。信息類(lèi)別及其所屬階段見(jiàn)表1。

表1 信息類(lèi)別與所屬階段

2.3 基于BIM的信息組織

由于隧道信息具有顯著的空間特性，系統(tǒng)建立了隧道模型，包含隧道主體結(jié)構(gòu)、變電所和保護(hù)區(qū)周邊的BIM模型，根據(jù)設(shè)施和設(shè)備的運(yùn)維評(píng)估需求，進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)的構(gòu)件劃分和設(shè)施設(shè)備的構(gòu)建,并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化編碼，實(shí)現(xiàn)不同信息系統(tǒng)之間的信息交換，以及將編碼與BIM模型和實(shí)體綁定，為信息交互與追溯提供基礎(chǔ)。圖2展示了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)編碼和BIM模型映射，整合各分散信息源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)空融合的過(guò)程。

2.4 智能化的信息分析

系統(tǒng)在全生命周期信息和BIM模型提供的空間關(guān)系基礎(chǔ)上，開(kāi)展隧道運(yùn)維信息分析，包括健康評(píng)估、隱患發(fā)現(xiàn)、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃和環(huán)境優(yōu)化等。分析手段主要有

圖表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)透視、數(shù)據(jù)過(guò)濾和基于分析模型的輔助決策。考慮到R語(yǔ)言在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析上的優(yōu)勢(shì)[18]，系統(tǒng)將其作為數(shù)據(jù)分析引擎與oracle數(shù)據(jù)庫(kù)相配合。

圖2 基于編碼的信息關(guān)聯(lián)

圖3描述了行數(shù)據(jù)分析基本過(guò)程。整個(gè)分析圍繞決策需求展開(kāi)，根據(jù)決策問(wèn)題和需求，選擇對(duì)應(yīng)分析模型(基于R語(yǔ)言的分析引擎)，對(duì)數(shù)據(jù)分析，并給出決策建議。模型分析所用數(shù)據(jù)來(lái)源于BIM模型、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。為了便于規(guī)范化處理，BIM模型文件按IFC文件格式存儲(chǔ)，系統(tǒng)利用直接關(guān)聯(lián)對(duì)象id，結(jié)合ifcRelAggregate的對(duì)象間聚合關(guān)系，從ifcObject類(lèi)中讀取關(guān)聯(lián)對(duì)象的編號(hào)和基本屬性，通過(guò)編號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，根據(jù)模型需求，對(duì)一定時(shí)間段的字段進(jìn)行提取和處理，形成待分析數(shù)據(jù)表并傳送至分析引擎。

圖3 數(shù)據(jù)智能分析流程

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)由5層架構(gòu)組成(見(jiàn)圖4)： 1)第1層為感知層，由傳感設(shè)備、點(diǎn)檢儀和智能手機(jī)等監(jiān)測(cè)和檢測(cè)設(shè)備組成，其主要目的是采集隧道設(shè)施、設(shè)備和環(huán)境等動(dòng)態(tài)信息，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞至中央數(shù)據(jù)庫(kù)； 2)第2層為網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)隧道內(nèi)的環(huán)網(wǎng)光纖和無(wú)線Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 3)第3層為數(shù)據(jù)層，將獲取的信息根據(jù)其不同的特性轉(zhuǎn)換為適合的存儲(chǔ)方式。例如實(shí)時(shí)高頻流數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在 Hadoop Distributed File System (HDFS) 中、歷史數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)(RDBMS)中、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在BIM模型中； 4)第4層為分析層，提供了分析中常用的算法和工具，根據(jù)分析需求，從數(shù)據(jù)中獲取信息，找到所需的實(shí)體，根據(jù)語(yǔ)義查詢關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算； 5)第5層為交互層，用戶不僅可以通過(guò)可視化界面實(shí)時(shí)監(jiān)視隧道動(dòng)態(tài)，獲悉警告消息，并發(fā)送給感興趣的使用者，而且可以進(jìn)行性能指標(biāo)評(píng)估，確定有效的養(yǎng)護(hù)策略。交互應(yīng)用層采用儀表板和三維可視化的交互形式進(jìn)行信息展示，為用戶自助式查詢、問(wèn)題分析和統(tǒng)計(jì)歸納提供便利。

圖4 公路隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 功能設(shè)計(jì)

隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)分為監(jiān)控中心、決策中心、數(shù)據(jù)中心、模型管理和系統(tǒng)管理5部分。其中，數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心和決策中心體現(xiàn)了系統(tǒng)的核心功能。

3.2.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的基石，通過(guò)統(tǒng)一的編碼和數(shù)據(jù)接口方式，提供設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維全過(guò)程的信息，覆蓋地質(zhì)、氣象、設(shè)備、設(shè)施、運(yùn)營(yíng)多方面內(nèi)容，為智能分析提供基礎(chǔ)，而且還提供信息錄入、修改、查詢、刪除和統(tǒng)計(jì)等多種功能。

3.2.2 監(jiān)控中心

20世紀(jì)90年代初，瑞士辛德勒車(chē)輛公司制造的以CFRP為主的整體式車(chē)體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，在運(yùn)行試驗(yàn)中跑出了140 km/h的速度。該車(chē)體結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、舒適度好和安全性高等特點(diǎn)，但由于纏繞工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

監(jiān)控中心以BIM模型為基礎(chǔ)，管理者可以采用自動(dòng)巡檢、駕車(chē)巡檢、定點(diǎn)檢查和人工巡檢等多種方式的虛擬漫游，隨時(shí)查看設(shè)施或設(shè)備的基礎(chǔ)信息和監(jiān)測(cè)檢測(cè)信息，通過(guò)健康檔案、曲線展示、快速測(cè)量和半透明觀察等功能實(shí)現(xiàn)空間關(guān)系、事件發(fā)展趨勢(shì)和管理區(qū)域的分析。

為了提升用戶體驗(yàn)，對(duì)監(jiān)控中心的模型進(jìn)行了輕量化處理，提供全景模型、隧道實(shí)景和變電所3個(gè)情境體驗(yàn)。全景建模深度為L(zhǎng)OD200，展現(xiàn)整條隧道的土建結(jié)構(gòu)和周邊地理信息，通過(guò)點(diǎn)擊標(biāo)簽、建筑物和隱藏圖層等方法，用戶可對(duì)周邊建筑物與隧道關(guān)系以及建筑物信息、周邊監(jiān)控信息等有更多的了解(見(jiàn)圖5)。隧道實(shí)景是將隧道作為研究主體，土建建模深度為L(zhǎng)OD350(體現(xiàn)隧道管片、道路和主體結(jié)構(gòu))，其關(guān)鍵設(shè)備的幾何建模深度為L(zhǎng)OD300，結(jié)合關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅全面展示隧道竣工交付時(shí)設(shè)計(jì)、施工和安裝的完整信息，而且還提供資產(chǎn)狀況、評(píng)估結(jié)果(見(jiàn)圖6)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和預(yù)警信息(見(jiàn)圖7)。變電所土建建模深度為L(zhǎng)OD250，機(jī)電幾何建模深度為L(zhǎng)OD300，主要用于了解設(shè)備的基本信息和工作動(dòng)態(tài)，并對(duì)發(fā)生異常的設(shè)備進(jìn)行分析(見(jiàn)圖8)。

圖5 建筑物信息查詢

圖6 隧道內(nèi)設(shè)施查詢

圖7 隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)信息查詢

圖8 變電所設(shè)備信息查詢

3.2.3 決策中心

決策中心分為運(yùn)營(yíng)分析、設(shè)備分析、設(shè)施分析和綜合分析4部分，以大數(shù)據(jù)分析引擎為支撐，不僅從多角度展示了交通、環(huán)境、能源、結(jié)構(gòu)、設(shè)備現(xiàn)狀和歷史信息，而且可根據(jù)歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給出異常預(yù)警、設(shè)備控制、維修養(yǎng)護(hù)的意見(jiàn)，提升隧道管理決策水平。決策中心通過(guò)圖表的方式直觀地表達(dá)隧道當(dāng)前狀態(tài)、數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、各種特征統(tǒng)計(jì)值，并給出當(dāng)前管理建議。環(huán)境分析界面見(jiàn)圖9，界面上方的滾動(dòng)字幕概述了東線和西線2條隧道的空氣質(zhì)量和光照情況，并根據(jù)交通流量趨勢(shì)，給出運(yùn)營(yíng)控制建議。數(shù)據(jù)區(qū)域給出即時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值、單日極值及關(guān)聯(lián)信息，為管理人員分析隧道環(huán)境提供方便。下部色帶區(qū)域幫助管理人員快速了解隧道內(nèi)各關(guān)鍵指標(biāo)的分布，并結(jié)合控制設(shè)備狀態(tài)，為設(shè)備的優(yōu)化控制提供參考。隧道內(nèi)環(huán)境的計(jì)算分析結(jié)果通過(guò)可視化方式展示，采用三維俯視圖的方式體現(xiàn)整條隧道的空氣質(zhì)量分布，不同的顏色反映出空氣污染程度； 采用三維隧道內(nèi)景進(jìn)行隧道環(huán)境舒適度的展示，有利于決策者體驗(yàn)隧道環(huán)境舒適度的變化過(guò)程，觀察當(dāng)前風(fēng)機(jī)的允許開(kāi)啟狀態(tài)。

圖9 環(huán)境分析界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中BIM模型的展示引擎為Unity3D，在系統(tǒng)中應(yīng)用推廣比較方便，客戶端用戶只要安裝能夠接受Unity3D插件的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可。除了網(wǎng)絡(luò)要求，計(jì)算機(jī)硬件要求為4G以上內(nèi)存來(lái)保證模型流暢運(yùn)行。系統(tǒng)自2015年12月起全面應(yīng)用于上海大連路隧道管理中，主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下。

4.1 可視化問(wèn)題發(fā)現(xiàn)機(jī)制

系統(tǒng)提供了全方位的虛擬巡檢功能，不僅提高了巡檢效率，而且通過(guò)可視化的信息浮現(xiàn)機(jī)制，為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提供便利。例如管理人員可以通過(guò)虛擬巡視(見(jiàn)圖10)，全面掌握周邊動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

圖10 周邊環(huán)境活動(dòng)虛擬巡檢

4.2 隧道隱患的快速捕捉

上海大連路隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)縫連接，隨時(shí)獲取隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)健康和設(shè)備監(jiān)測(cè)信息以及環(huán)境變化信息。一旦發(fā)現(xiàn)有異常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)快速進(jìn)入實(shí)時(shí)預(yù)警的流程。管理人員通過(guò)查看設(shè)備設(shè)施的相關(guān)圖紙、歷史巡檢記錄以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障和設(shè)施病害的在線診斷(見(jiàn)圖11)。

(a) 異常報(bào)警

(b) 在線診斷

4.3 時(shí)空融合的病害分析

平臺(tái)可根據(jù)基礎(chǔ)隧道檢查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)評(píng)估(見(jiàn)圖12)，并利用結(jié)構(gòu)健康檔案，分析病害記錄，了解隧道病害的變化過(guò)程，追溯周邊土質(zhì)條件、設(shè)計(jì)信息、施工階段的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)(見(jiàn)圖13)和周邊地面沉降信息，為準(zhǔn)確定位病害位置、設(shè)計(jì)維修方案提供依據(jù)。

圖12 隧道結(jié)構(gòu)的健康評(píng)估

4.4 隧道養(yǎng)護(hù)方案的優(yōu)化

合理的養(yǎng)護(hù)方案對(duì)于隧道壽命和性能具有重要意義。系統(tǒng)提供了設(shè)施、設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析功能，計(jì)算設(shè)備故障率和完好率、評(píng)估主體結(jié)構(gòu)健康，并以決策者的管理需求為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合隧道年度經(jīng)費(fèi)定額標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化下一年度養(yǎng)護(hù)方案。

圖13 施工階段的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)

4.5 應(yīng)用效果

在系統(tǒng)的輔助管理下，大連路隧道內(nèi)空氣質(zhì)量和光照質(zhì)量始終保持優(yōu)良。與2014年度相比，CO體積分?jǐn)?shù)和煙塵含量分別下降11%和19%，暢通率和社會(huì)滿意度均達(dá)到了100%。系統(tǒng)幫助隧道管理者更快速、清晰地了解隧道運(yùn)營(yíng)狀況，獲得運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的輔助決策建議。

5 結(jié)論與討論

隧道運(yùn)維決策系統(tǒng)將BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合在一起，并將原先分散的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)集成，不僅有利于信息的管理，而且可通過(guò)BIM模型將數(shù)據(jù)有機(jī)組織并呈現(xiàn)給管理人員，為隧道的信息查詢、多因素分析、評(píng)估和決策提供新的手段，也為城市公共設(shè)施的智慧化管理探索出一條新的途徑。

該運(yùn)維決策系統(tǒng)在上海大連路隧道運(yùn)維中取得了一定的成果，但是還存在一些問(wèn)題，如： 基于編碼的信息集成以及信息的查詢和推理方面存在一定的局限性； Unity3D的圖形化引擎漫游效果好，但是在模型體量增大的情況下，會(huì)對(duì)運(yùn)行效果產(chǎn)生一定的影響，這些問(wèn)題均有待繼續(xù)完善。

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Decision Support System for Tunnel Operation and Maintenance Based on BIM and Tunnel Whole Life Cycle Information

HU Min1, 2, LIU Panpan2, 3, YU Gang1, 2, SHI Yongquan4,*
(1.SHU-UTSSILCBusinessSchool,ShanghaiUniversity,Shanghai201400,China; 2.SHU-SUCGResearchCenterforBuildingIndustrialization,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 3.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 4.ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200232,China)

Visual and intelligent decision support system based on building information modeling (BIM) and tunnel whole life cycle information is built so as to solve management and decision difficulties of highway tunnel operation and maintenance, i.e. numerous management objects, decentralized information and complex space-time characteristics, etc. Standardization, visualization and intelligentization are regarded as design principles for the system based on BIM operation and maintenance model. The multi-source information integration of design, construction and operation and maintenance of the system can be realized by code standardization and information mapping table. It is composed of 5 layers of perception layer, network layer, data layer, analysis layer and interaction layer. The disease diagnoses and assessment, abnormal detecting and fault diagnosis of equipment and maintenance decision optimization of the system can be realized by intelligent analysis technology. The users can learn the site situation quickly and improve the efficiency and quality of tunnel operation and maintenance through 3D visualization interface of the system. The system has been successfully used in tunnel on Dalian Road in Shanghai and good effects have been achieved.

highway tunnel; whole life cycle; BIM; tunnel operation and maintenance; decision support system

2016-12-12;

2017-03-22

上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(13511504803)； 上海市國(guó)資委重大科研項(xiàng)目(2014008)

胡珉(1970—)，女，浙江上虞人， 2006年畢業(yè)于上海大學(xué)，控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事智能信息處理和建筑信息化方面的教學(xué)和科研工作。E-mail： minahu@shu.edu.cn。*通訊作者： 施永泉， E-mail： 18964864912@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.002

U 457

A

1672-741X(2017)04-0394-07