李重輝，樊 瀟，李存榮

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

近年來，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，站臺(tái)建設(shè)采用大量新設(shè)備，為滿足大空間和獨(dú)特建筑功能需求，多采用大跨度復(fù)雜網(wǎng)架、桁架、張弦等鋼結(jié)構(gòu)形式，如大跨度無站臺(tái)柱雨棚等[1-2]。由于高速鐵路車站客流量大，站臺(tái)雨棚采用鋼結(jié)構(gòu)不同于一般的民用建筑，主體結(jié)構(gòu)在使用期間結(jié)構(gòu)構(gòu)件不可更換，均按較長(zhǎng)年限進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，尤其沿海地區(qū)的站臺(tái)雨棚還會(huì)受到環(huán)境的影響，其鋼結(jié)構(gòu)更易發(fā)生各種損害，因而對(duì)高鐵站臺(tái)雨棚在運(yùn)維管理期需要對(duì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的運(yùn)維系統(tǒng)，存在人工化管理效率低、文件資料數(shù)據(jù)量大難于保存、運(yùn)維監(jiān)督管理難度大、缺乏及時(shí)有效信息決策等問題[3-5]，加大了運(yùn)維管理的成本。另外，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)在可視化方面更依賴于數(shù)據(jù)顯示，可視化效果和人員使用體驗(yàn)較差。通過研究基于BIM 的可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)，應(yīng)用于高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)，使管理者能夠快速了解問題發(fā)生位置和周邊工程結(jié)構(gòu)的情況，為制定合理的養(yǎng)護(hù)維修措施及時(shí)提供信息支持[6-8]。

1 高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

1.1 可視化監(jiān)測(cè)原理

高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)包括模型與監(jiān)測(cè)信息的可視化以及交互操作[9]部分。由于建筑信息模型(Building Information Model，BIM)具有強(qiáng)大的可視化功能，建筑運(yùn)維管理主要包括設(shè)施與人員、文件管理、巡檢維護(hù)與應(yīng)急管理等[10]，滿足建筑全生命周期的需要[11-12]。因此，利用站臺(tái)雨棚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景建模，結(jié)合BIM 與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)BIM 模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與交互。關(guān)聯(lián)性和一致性是實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，主要通過BIM 模型與外部數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)橋完成。外部數(shù)據(jù)庫(kù)的主鍵可以經(jīng)由BIM 模型構(gòu)件屬性所包含的特性進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，整合為一一對(duì)應(yīng)且相互映射關(guān)系。通過點(diǎn)擊BIM 模型中的傳感器，利用傳感器模型屬性的特性元素關(guān)聯(lián)查詢外部數(shù)據(jù)庫(kù)，從而直接顯示該傳感器下的各類監(jiān)測(cè)信息等。可視化監(jiān)測(cè)原理示意圖如圖1 所示。

BIM 具備全生命周期管理的特點(diǎn)，而且滿足多項(xiàng)運(yùn)維管理期所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。E-BIM 繼承了BIM 的技術(shù)特點(diǎn)，包含完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性等，同時(shí)E-BIM 增加了可擴(kuò)展性，即原始建筑信息與外部監(jiān)測(cè)信息通過外部數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，對(duì)工程需要變動(dòng)和監(jiān)測(cè)性質(zhì)變動(dòng)的反應(yīng)更加靈活。對(duì)于外部信息采集類型可以隨時(shí)添加修改，不需要頻繁修改模型。在高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維方面引入E-BIM結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在可視化效果提升的同時(shí)，能夠結(jié)合監(jiān)測(cè)信息，對(duì)結(jié)構(gòu)情況做更有價(jià)值的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)更加快捷輕便的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，同時(shí)提高站臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全檢修效率。

1.2 可視化監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)是以BIM 技術(shù)為核心，綜合三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)字標(biāo)識(shí)等技術(shù)，提供開放式架構(gòu)，支持多元數(shù)據(jù)擴(kuò)充，滿足不同層級(jí)的管理使用要求。高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 可視化監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.1 Basic principles of visualized monitoring

（1）監(jiān)測(cè)模塊。該模塊包含信息層和處理層。信息層主要提供信息集成處理功能。數(shù)字化監(jiān)測(cè)信息、模型信息和管理信息，建立數(shù)據(jù)平臺(tái)。同時(shí)結(jié)合三維模型進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)，并與基礎(chǔ)信息，包括站臺(tái)、位置和人員等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。處理層以整合管理系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行為為核心，對(duì)信息層提供的信息數(shù)據(jù)加工處理。通過對(duì)采集的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行濾波、擬合等分析，將處理結(jié)果進(jìn)行超限預(yù)警判斷并傳遞給用戶層。

（2）管理模塊。該模塊由用戶層組成，主要提供可視化功能，包括用戶管理界面，可視化顯示站臺(tái)三維模型及各項(xiàng)實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)等，從而滿足不同的運(yùn)維管理需求。

圖2 高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

1.3 可視化監(jiān)測(cè)功能

根據(jù)實(shí)際工況下鐵路站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)模塊和管理模塊可以劃分為監(jiān)測(cè)功能與可視化功能。

（1）監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)功能處于系統(tǒng)底層，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等。①數(shù)據(jù)采集與傳輸。數(shù)據(jù)的獲取是高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過各類型傳感器構(gòu)成傳感器子系統(tǒng)，采集系統(tǒng)所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理分析。通過健康數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)對(duì)采集到的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)警判斷，并存儲(chǔ)報(bào)警信息供后期分析處理。結(jié)合鐵路特點(diǎn)，提供包括超限預(yù)警、變化率預(yù)警、變化趨勢(shì)預(yù)警、數(shù)據(jù)挖掘預(yù)警等多種預(yù)警方式結(jié)合的綜合預(yù)警規(guī)則。

（2）可視化功能?？梢暬δ芴峁┙o用戶便捷的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與相應(yīng)的查詢分析功能，主要包括以下方面。①三維模型可視化。站臺(tái)雨棚模型可視化效果是高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)應(yīng)用可視化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，引用Navisworks 的API創(chuàng)建BIM 可視化引擎，直觀展示站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體以及相關(guān)設(shè)施和設(shè)備的位置，與實(shí)物等比例縮放，并且基于API 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等按鈕控制功能。②數(shù)據(jù)可視化。把信息數(shù)字化并可視化是數(shù)據(jù)可視化的主要表現(xiàn)形式之一。利用關(guān)聯(lián)橋綁定模型構(gòu)件與外部數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)擊模型構(gòu)件可顯示相應(yīng)的監(jiān)測(cè)信息列表。數(shù)據(jù)在模型中直接顯示是數(shù)據(jù)可視化的另一表現(xiàn)形式。根據(jù)關(guān)聯(lián)橋綁定的處理信息，在閾值規(guī)則下呈現(xiàn)不同的高亮顏色，結(jié)構(gòu)桿件以不同顏色的云圖形式表現(xiàn)在模型中，提供給用戶實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠更直觀的發(fā)現(xiàn)建筑問題的發(fā)生位置。③報(bào)警信息可視化。在報(bào)警發(fā)生時(shí)，找到關(guān)聯(lián)的E-BIM 結(jié)構(gòu)下的模型信息，綁定在該模型構(gòu)件下，實(shí)時(shí)顯示在報(bào)警信息提示欄，并在模型中的報(bào)警位置進(jìn)行高亮提示。在需要進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)信息查閱時(shí)，通過點(diǎn)擊構(gòu)件經(jīng)由關(guān)聯(lián)橋，展示全部報(bào)警信息。同時(shí)，可以根據(jù)需要，通過點(diǎn)擊構(gòu)件調(diào)取該位置的監(jiān)控視頻內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

2 高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)實(shí)施流程分析

2.1 實(shí)施流程

為達(dá)到高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)實(shí)際使用目的，站臺(tái)信息、位置信息、監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息、維護(hù)信息等通過關(guān)聯(lián)橋與BIM模型綁定構(gòu)建E-BIM 結(jié)構(gòu)，得到BIM 模型和模型對(duì)應(yīng)位置下的相關(guān)信息交互以及實(shí)時(shí)信息共享。接收監(jiān)測(cè)信息，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等分析處理，再進(jìn)行超限預(yù)警判斷，得出運(yùn)維信息并存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)信息反饋到系統(tǒng)的可視化模塊。在可視化模塊中提供歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、圖表分析等數(shù)據(jù)分析工具，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析操作。高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)實(shí)施流程如圖3 所示。

由圖3 可見，登錄人員首先選擇站臺(tái)，獲得對(duì)應(yīng)站臺(tái)模型、監(jiān)測(cè)位置及傳感器信息列表、預(yù)警信息等。根據(jù)選定的位置，獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)行預(yù)警判斷，并對(duì)超限的信息進(jìn)行記錄標(biāo)注，在可視化模塊中顯示。通過選擇構(gòu)件，獲得該模型構(gòu)件的屬性信息，在各模塊對(duì)關(guān)聯(lián)的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行處理，并智能獲得對(duì)預(yù)警信息的處理建立和安全評(píng)估，同時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。

圖3 高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)實(shí)施流程Fig.3 Implementation process of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

2.2 E-BIM 的鏈接與嵌入

常規(guī)BIM 軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞方式為：軟件將模型以某種格式進(jìn)行數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出，然后在另一軟件中導(dǎo)入該數(shù)據(jù)文件。通過這種方式傳遞數(shù)據(jù)存在2 種顯著弊端：一是會(huì)造成數(shù)據(jù)和模型信息量丟失；二是增加了大量額外工作量。針對(duì)BIM 模型只包含本身的幾何信息，空間信息等基礎(chǔ)物理信息的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)E-BIM 結(jié)構(gòu)，以關(guān)系映射為關(guān)聯(lián)橋梁，把BIM 模型與對(duì)應(yīng)位置的采集數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，達(dá)到信息交互的目的。外部信息存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)庫(kù)中，以鏈表結(jié)構(gòu)通過指針鏈接次序?qū)崿F(xiàn)。E-BIM結(jié)構(gòu)的鏈接與嵌入示意圖如圖4 所示。

通過API 提供的控件使基礎(chǔ)BIM 模型嵌入應(yīng)用程序中，此時(shí)模型僅包含基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息。通過Navisworks API 提供的函數(shù)調(diào)用模型構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)屬性，使模型與位置信息、監(jiān)測(cè)信息等外部信息關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)情況在模型中的反饋。

2.3 實(shí)例分析

以中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司海南環(huán)島高速鐵路?？跂|站為例，基本站臺(tái)及中間站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)形式為空間管桁架結(jié)構(gòu)?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，項(xiàng)目中所有數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器布線連接根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算選點(diǎn)完成。在高鐵站的環(huán)境中，存在高電壓、大電流等相關(guān)強(qiáng)電磁干擾情況，因而數(shù)據(jù)采集與傳輸采用光纖傳感器與光纖傳輸，消除了采集與傳輸過程中的電磁干擾問題。

通過上述設(shè)計(jì)方案，針對(duì)高鐵站臺(tái)特點(diǎn)，研發(fā)了基于E-BIM 結(jié)構(gòu)的站臺(tái)運(yùn)維管理系統(tǒng)。通過站臺(tái)節(jié)點(diǎn)的選擇獲得相對(duì)應(yīng)的站臺(tái)信息。主界面包含了站臺(tái)信息、位置信息、三維模型、預(yù)警信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息等。根據(jù)預(yù)警信息進(jìn)行報(bào)警處理建議和健康評(píng)估。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息能夠?qū)崟r(shí)反饋是否超限，對(duì)超限信息預(yù)警和儲(chǔ)存，并標(biāo)注在可視化模塊的三維模型中，直觀展現(xiàn)給操作人員。高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)主界面如圖5 所示，主要包括E-BIM 鏈接嵌入后的模型可視化引擎顯示模型，提供點(diǎn)擊視點(diǎn)局部放大功能，左邊提供監(jiān)測(cè)用傳感器列表，以便對(duì)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)快速跳轉(zhuǎn)；右側(cè)整合預(yù)警信息顯示及預(yù)警顏色等級(jí)，監(jiān)測(cè)信息列表等可視化功能窗口。通過點(diǎn)擊列表或模型部位，根據(jù)模型－數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)橋可以進(jìn)行相互跳轉(zhuǎn)，并顯示當(dāng)前位置的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)信息，快速分析結(jié)構(gòu)健康狀況。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)橋反饋至模型中，提供實(shí)時(shí)全方位監(jiān)測(cè)，了解站臺(tái)雨棚整體結(jié)構(gòu)安全狀況分布，方便監(jiān)管人員及管理部門全局把控。預(yù)警信息與BIM 模型通過關(guān)聯(lián)橋連接，可以根據(jù)預(yù)警信息定位損傷預(yù)警位置以及結(jié)構(gòu)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型。

圖4 E-BIM 結(jié)構(gòu)的鏈接與嵌入示意圖Fig.4 Linking and embedding of E-BIM structure

圖5 高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)主界面圖Fig.5 Main interface of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

3 結(jié)束語

高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)可視化監(jiān)測(cè)E-BIM 的應(yīng)用，為高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理系統(tǒng)開發(fā)提供了一種新形式。在傳統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)上結(jié)合最新的BIM 及其他相關(guān)技術(shù)，通過整合創(chuàng)新，能夠幫助維護(hù)人員進(jìn)行更加智能、更加便捷的日常監(jiān)測(cè)、管理和維護(hù)，使高速鐵路站臺(tái)雨棚運(yùn)維管理信息可視化程度與信息流通度更高，共享更方便，為BIM 技術(shù)在高速鐵路建筑設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供一種新的方向和方法。另外，還有E-BIM 概念文件整合存儲(chǔ)模式等更多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步深入研究。