楊啟亮，馬智亮，邢建春，袁生貴

（1. 陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京210007；2. 清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084；3. 陸軍研究院，江蘇無錫214035）

建筑信息模型（building information modeling，BIM）［1］是當(dāng)前土木建筑領(lǐng)域最為重要的技術(shù)進(jìn)展之一。建筑設(shè)施及其生命周期過程不斷增長的復(fù)雜性，要求虛擬化的BIM能夠?qū)崟r、真實(shí)地疊加物理建筑實(shí)體與過程的動態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)快速、精確、安全、高效的建筑全生命周期管理和決策，即需要實(shí)時向虛擬BIM 實(shí)體反饋其所對應(yīng)建筑物理實(shí)體的變化，實(shí)現(xiàn)建筑的虛擬信息實(shí)體與物理實(shí)體的融合交聯(lián)、交互。但當(dāng)前BIM 主要側(cè)重于對建筑幾何數(shù)據(jù)、空間位置、關(guān)系模型、質(zhì)量屬性等靜態(tài)信息的定義與刻畫，是一種“聾啞模型”，導(dǎo)致在開發(fā)BIM運(yùn)維監(jiān)控等信息物理融合系統(tǒng)時存在程序復(fù)雜，程序開發(fā)效率低的問題。如何對現(xiàn)有BIM進(jìn)行擴(kuò)展使其能夠打破現(xiàn)有建筑虛擬BIM 實(shí)體與物理實(shí)體的信息邊界、進(jìn)而支撐BIM 虛擬實(shí)體與物理實(shí)體動態(tài)耦合交互的BIM新模型是迫切需要解決的難題。當(dāng)前有若干工作已關(guān)注BIM擴(kuò)展研究，一部分工作開展了BIM面向設(shè)計、施工等的擴(kuò)展模型［2-3］研究，還有部分工作重點(diǎn)研究了BIM 與建筑環(huán)境數(shù)據(jù)交互技術(shù)等［4-5］。但總體而言，現(xiàn)有工作依然缺少對支持信息物理融合能力的BIM 通用化模型及其支撐技術(shù)的系統(tǒng)性研究。

本文旨在借鑒信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）［6］的思想，探索BIM 固有的靜態(tài)模型與來自建筑物理世界動態(tài)信息進(jìn)行疊加融合的一般性方法與支撐機(jī)制，研究建立有機(jī)融合靜態(tài)、動態(tài)信息的面向信息物理融合的BIM 新基礎(chǔ)模型，為高效構(gòu)造基于BIM的建筑運(yùn)維動態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互等新型技術(shù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的技術(shù)支撐。

1 背景知識與相關(guān)工作

1.1 BIM擴(kuò)展相關(guān)研究工作

1. 1. 1 BIM擴(kuò)展研究現(xiàn)狀

BIM 技術(shù)已滲透至建筑工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維等全生命周期，尤其是在設(shè)計［2，7］、施工階段［3，8］研究應(yīng)用得更為深入和成熟［9］。如，國內(nèi)學(xué)者張建平等［3］研制了基于BIM的施工管理擴(kuò)展模型。Zhai等［8］研發(fā)基于BIM和IoT（internet of things，物聯(lián)網(wǎng)）的模塊化集成施工平臺。BIM 還在建筑能源［10］、安全分析［11-12］、設(shè)施運(yùn)維［13-14］等方面取得較好的研究進(jìn)展。

由 于IAI（ industry alliance for interoperability，國際協(xié)作聯(lián)盟）發(fā)布的基于IFC（industry foundation class）的BIM 基本模型［15］中包含對象實(shí)體的有限性，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自身需要研究了BIM 的對象集擴(kuò)展問題。如Oti等［16］對BIM實(shí)體進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)性（sustainability）分析。國內(nèi)陳立春等［17］以電氣實(shí)體為例，提出IFC 領(lǐng)域?qū)訉?shí)體擴(kuò)展方法。

相關(guān)學(xué)者在BIM 擴(kuò)展方面開展了有益的探索，但總體而言，現(xiàn)有研究工作多將BIM 視為與外部物理世界隔離的、封閉的、純粹的虛擬模型，主要考慮如何構(gòu)造能夠在虛擬信息世界中高效運(yùn)行的BIM實(shí)體模型，對面向CPS的BIM方面還缺乏研究。而現(xiàn)有BIM 及其支撐技術(shù)體系，缺乏對具有與外部物理世界交互協(xié)同能力的BIM 及其軟件設(shè)施的支持，即BIM仍然是“聾啞模型”。

1. 1. 2 BIM與物理環(huán)境數(shù)據(jù)交換研究現(xiàn)狀

近年來，隨著BIM 技術(shù)在建筑工程運(yùn)維動態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)［18］等領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員開始考慮如何將外部物理環(huán)境和對象動態(tài)數(shù)據(jù)集成接入到BIM平臺中的問題。例如，Chen等［19］綜述了實(shí)現(xiàn)BIM與建筑過程信息同步的方法與技術(shù)，但并沒有從根本上研究支持信息物理融合與交互的BIM 基礎(chǔ)模型。Lee等［4-5］研究了BIM與建筑設(shè)施進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互的方法與技術(shù)，但缺乏對統(tǒng)一的通用化交互模型的研究。另外，近年來也有少部分學(xué)者開始將CPS 的概念和思想引入到土木建筑工程領(lǐng)域［20］，但這些工作只側(cè)重于構(gòu)建一種面向土木建筑工程的信息物理融合系統(tǒng)，而缺少對支持信息物理融合能力的BIM通用化模型及其支撐技術(shù)的系統(tǒng)性研究。

從現(xiàn)有研究工作不難看出，為了實(shí)現(xiàn)對工程動態(tài)過程的實(shí)時響應(yīng)和獲取良好的用戶體驗(yàn)，關(guān)于BIM與外部物理環(huán)境交互這一問題已經(jīng)開始得到研究人員的關(guān)注，現(xiàn)有研究工作也取得了一定的進(jìn)展。但是，現(xiàn)有研究工作仍大多只是針對某一個具體問題（如對RFID（radio frequency identification）對象擴(kuò)展［20］等），通用性不強(qiáng)；且大多只能實(shí)現(xiàn)信息單向傳遞，依然缺乏能夠解決BIM 虛擬實(shí)體與物理實(shí)體雙向?qū)崟r交互、動畫展示等問題的通用化BIM 實(shí)體與模型及其支持技術(shù)。

1.2 CPS的概念及結(jié)構(gòu)特征

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）一般是指嵌入式計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制物理過程，并采用反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)物理過程和計算進(jìn)程的相互作用［6］。其核心技術(shù)特征或要素主要體現(xiàn)在4個方面：傳感（感知）器、控制器、執(zhí)行器、反饋閉環(huán)。傳感器、控制器和執(zhí)行器是CPS的核心組成單元，反饋閉環(huán)是CPS運(yùn)行交互的基本方式，是實(shí)現(xiàn)信息物理融合的基礎(chǔ)手段。CPS的核心技術(shù)要素構(gòu)成特征如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)某一問題領(lǐng)域的信息與物理的融合、構(gòu)建信息物理融合系統(tǒng)，通過合理設(shè)計與問題領(lǐng)域密切相關(guān)的感知器、控制器和執(zhí)行器等要素實(shí)體，進(jìn)而形成反饋閉環(huán)，是一種行之有效的技術(shù)手段。

圖1 基于反饋閉環(huán)的CPS技術(shù)要素構(gòu)成Fig. 1 Abstract of elements in CPS based on feedback loop

2 面向信息物理融合的BIM擴(kuò)展總體框架

2.1 基本實(shí)現(xiàn)思路

BIM在本質(zhì)上是基于面向?qū)ο笏枷雽ㄖ锢硎澜绲囊环N相對嚴(yán)格的信息描述，即BIM 空間中的虛擬實(shí)體是建筑空間中物理實(shí)體的對偶映射。但現(xiàn)階段的BIM 框架所支持的這種映射，只是一種建筑實(shí)體靜態(tài)屬性（如尺寸、安裝位置、形狀等）的映射，缺乏對建筑實(shí)體參數(shù)和行為（如旋轉(zhuǎn)、平移等）動態(tài)變化的映射支持，使得BIM 空間中的虛擬實(shí)體難以真實(shí)、實(shí)時地反映建筑空間物理實(shí)體動態(tài)變化。因此，實(shí)現(xiàn)建筑實(shí)體對象信息物理融合的目的在于確保BIM空間虛擬實(shí)體和建筑空間物理實(shí)體參數(shù)和行為動態(tài)變化的一致性，使BIM 空間能真實(shí)反映建筑物理空間的運(yùn)動狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這種建筑實(shí)體在虛擬空間和物理空間的狀態(tài)一致性，本文借鑒CPS 的技術(shù)思想來開展研究。建筑實(shí)體信息物理融合的基本實(shí)現(xiàn)思路如圖2 所示?；贑PS 的思想，在BIM空間中定義了4種虛擬對象，即感知器對象、控制器對象、執(zhí)行器對象和動畫對象。這里以空調(diào)機(jī)組為例來說明其采用這4 種對象的信息物理融合實(shí)現(xiàn)過程。

為保證BIM空間中空調(diào)機(jī)組與建筑物理空間中真實(shí)空調(diào)機(jī)組的狀態(tài)一致性，首先要在BIM 空間中添加感知器對象，用來感知和獲取物理空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，該感知器對象與空調(diào)機(jī)組對象鏈接或綁定（如圖2 虛線所示），用于描述這個感知器對象采集的實(shí)時數(shù)據(jù)是屬于空調(diào)機(jī)組而非其他對象。通過感知器對象，完成了從物理世界到信息世界的信息傳遞過程，使得原本靜態(tài)的BIM虛擬實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對象）變成了具有實(shí)時感知能力的虛擬實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)BIM虛擬實(shí)體與建筑物理實(shí)體狀態(tài)一致性奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 建筑實(shí)體信息物理融合的基本實(shí)現(xiàn)思路圖示Fig. 2 Idea of implementing cyber physical entities of buildings

其次，在BIM空間中添加執(zhí)行器對象，用來執(zhí)行（用戶或控制器對象）施加到BIM虛擬實(shí)體上的控制動作（如啟動、停止、參數(shù)設(shè)定等），進(jìn)而驅(qū)動建筑物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的改變。該對象與常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對象）相綁定鏈接（如圖2 虛線所示），用于標(biāo)識該執(zhí)行器對象服務(wù)于特定的BIM 對象（如空調(diào)機(jī)組對象）。通過引入和定義執(zhí)行器對象，完成了信息（或控制指令）從BIM空間到建筑物理空間的傳遞，使得原本靜態(tài)的BIM虛擬實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對象）演變成具有受控能力的虛擬實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)建筑物理實(shí)體與BIM虛擬實(shí)體狀態(tài)一致性提供了支持。

然后，在BIM空間中添加控制器對象，用來自動對基于感知器傳來的信息進(jìn)行決策推理，并將決策結(jié)果（控制指令）傳遞給執(zhí)行器對象，由執(zhí)行器對象驅(qū)動建筑物理實(shí)體改變其運(yùn)動狀態(tài)?？刂破鲗ο笈c常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組對象）相綁定（如圖2 虛線所示），用于標(biāo)識該控制器對象服務(wù)于特定的BIM對象（如空調(diào)機(jī)組對象）。通過引入和定義控制器對象，使得BIM 虛擬實(shí)體具有自我控制能力，從而在BIM 空間與建筑物理空間之間形成了反饋控制閉環(huán)。另外，需要說明的是，BIM空間與建筑物理空間之間的反饋控制閉環(huán)的形成，不完全依靠引入控制器對象，也可以基于“人在環(huán)中（human in the loop）” 的思想構(gòu)建，即可由用戶充當(dāng)控制器對象的角色，基于感知器的信息進(jìn)行決策，而后通過執(zhí)行器對建筑實(shí)體實(shí)施控制。

最后，在BIM 空間中添加動畫對象，用來在BIM空間中動態(tài)展示與建筑物理世界中建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體與物理實(shí)體在運(yùn)動狀態(tài)上的一致性呈現(xiàn)。動畫對象是對建筑實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的直觀描述，由于建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)存在多種形式，因此需要定義多種動畫對象來描述建筑實(shí)體的運(yùn)動狀態(tài)。一般而言，建筑實(shí)體運(yùn)動狀態(tài)主要有旋轉(zhuǎn)（機(jī)電設(shè)備）、填充（水池、液位）、移動、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示等類型，所以動畫對象在具體實(shí)現(xiàn)時也可以按照這些類型進(jìn)行分別定義。

上述4種對象對于構(gòu)造基于BIM的建筑信息物理融合系統(tǒng)并非缺一不可，而是可以根據(jù)具體應(yīng)用場景有選擇地組合。例如，如果只需要在BIM 空間中動態(tài)監(jiān)視建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，則只需要添加感知器對象和動畫對象即可；如果在BIM 空間中既需要監(jiān)視又需要由用戶遠(yuǎn)程控制建筑實(shí)體，即需要使BIM虛擬實(shí)體同時具有感知能力和受控能力，則需要同時添加感知器對象、執(zhí)行器對象和動畫對象；如果需要使BIM 虛擬實(shí)體具有自我調(diào)控能力，則需要同時添加感知器對象、控制器對象、執(zhí)行器對象和動畫對象。

2.2 基于IFC的BIM實(shí)體擴(kuò)展框架

BIM 技術(shù)的核心是信息描述、共享與轉(zhuǎn)換，而IFC 標(biāo)準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)BIM 信息描述、共享與轉(zhuǎn)換的一種事實(shí)上的BIM 通用標(biāo)準(zhǔn)［15］?；贗FC 的BIM 框架目前只支持對建筑對象的靜態(tài)屬性描述，缺少支持信息物理能力的動態(tài)參數(shù)和行為的描述。本文在IFC 的標(biāo)準(zhǔn)框架下擴(kuò)展前文所述的CPS 感知器、控制器、執(zhí)行器等相關(guān)要素實(shí)體，從而使得BIM虛擬對象能夠具有信息物理融合能力。

BIM 的 擴(kuò) 展 一 般 有3 種 擴(kuò) 展 方 式［21］：基 于IFCProxy實(shí)體的擴(kuò)展，基于增加實(shí)體對象類型的擴(kuò)展，基于屬性集的擴(kuò)展。本文采用重新定義增加新實(shí)體的方式在BIM的領(lǐng)域?qū)舆M(jìn)行信息物理融合對象擴(kuò)展。

2. 2. 1 總體框架

在現(xiàn)有基于IFC 的BIM 框架內(nèi)，新建與定義信息物理融合感知器對象IfcCPSSensor、信息物理融合控制器對象IfcCPSController、信息物理融合執(zhí)行器對象IfcCPSActuator、信息物理融合動畫對象IfcCPSAnimation 這4 個對象。這些對象之間的交互協(xié)作關(guān)系如圖3所示。

圖3 基于IFC擴(kuò)展的信息物理融合對象交互關(guān)系Fig. 3 Interactive relationships between cyber physical objects based on IFC

信息物理融合感知器對象IfcCPSSensor用于實(shí)時感知信息，其通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動程序接口與物理傳感器相連接，實(shí)時獲取建筑空間中建筑物理實(shí)體的運(yùn)行信息。其通過IFC內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM對象（例如門（IfcDoor）等）相連接，使常規(guī)建筑BIM虛擬對象具有獲取其所對應(yīng)的建筑物理實(shí)體動態(tài)信息的能力。

信息物理融合控制器對象IfcCPSController 用于封裝控制策略，其通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制分別與信息物理融合感知器對象IfcCPSSensor和信息物理融合執(zhí)行器對象IfcCPSActuator 相連接，基于信息物理融合感知器對象IfcCPSSensor 感知的信息，實(shí)現(xiàn)自主推理決策功能，并將決策結(jié)果傳輸至信息物理融合執(zhí)行器對象IfcCPSActuator。信息物理融合控制器對象IfcCPSController 通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM對象相連接，使常規(guī)建筑BIM對象及其所對應(yīng)的建筑物理實(shí)體具有基于動態(tài)信息的自主決策和自適應(yīng)能力。

信息物理融合執(zhí)行器對象IfcCPSActuator 用于實(shí)現(xiàn)控制信息的輸出，其通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與信息物理融合控制器對象IfcCPSController 相連接，接收信息物理融合控制器對象IfcCPSController 的決策推理結(jié)果；其通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動程序接口與物理執(zhí)行器相連接，將該控制器決策結(jié)果通過建筑物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動程序接口發(fā)送至物理執(zhí)行器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)控現(xiàn)實(shí)世界中的建筑物理實(shí)體。IfcCPSActuator通過IFC 內(nèi)部綁定機(jī)制與常規(guī)建筑BIM 對象相連接，使常規(guī)建筑BIM對象具有自我調(diào)控能力。

信息物理融合動畫對象IfcCPSAnimation，用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)建筑BIM對象在虛擬空間中的動畫顯示（如旋轉(zhuǎn)、移動、填充、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示等）能力。其通過IFC內(nèi)部綁定機(jī)制與感知器對象IfcCPSSensor相連接，獲取真實(shí)建筑物理實(shí)體的動態(tài)信息，并與常規(guī)建筑BIM對象相連接，驅(qū)動常規(guī)建筑BIM對象在虛擬空間中依據(jù)建筑物理實(shí)體真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動畫顯示。

2. 2. 2 與常規(guī)BIM對象綁定的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

本文定義的4種信息物理融合對象需要與常規(guī)BIM對象進(jìn)行鏈接綁定。這種綁定機(jī)制采用IFC框架中的物理關(guān)系連接實(shí)體IfcRelConnectsElements來實(shí)現(xiàn)?；贗fcRelConnectsElements 的CPS 對象與常規(guī)BIM對象的綁定原理如圖4所示。

圖4 基于IfcRelConnectsElements實(shí)體的綁定機(jī)制Fig. 4 Binding mechanism of IfcRelConnects Elements entity

通過這種綁定機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)前文定義的4 種CPS對象與常規(guī)BIM對象的綁定，如圖5所示。

圖5 CPS 4種對象與BIM常規(guī)對象實(shí)體的綁定示意圖Fig. 5 Binding of four CPS objects and common BIM objects

2. 2. 3 BIM 信息物理融合擴(kuò)展實(shí)體在IFC 框架中的位置

文中擴(kuò)展的4 種信息物理融合實(shí)體可以IFC 主體 框 架 中 的 分 布 式 控 制 元 素 對 象IfcDistributionControlElement為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，即這4 種對象均繼承了IfcDistributionControlElement 的屬性。新擴(kuò)展的4 種信息物理融合對象實(shí)體在IFC框架中的位置如圖6所示。

圖6 4種信息物理融合對象在IFC主體框架中的繼承位置Fig. 6 Inheritance position of four CPS objects in IFC main framework

2.3 基于UML 的BIM 信息物理融合實(shí)體協(xié)作關(guān)系模型

為了實(shí)現(xiàn)BIM 對象的信息物理融合能力，本文在BIM 空間中添加了4 種信息物理融合實(shí)體，而BIM 對象信息物理融合能力的實(shí)現(xiàn)，是通過這些對象與常規(guī)BIM對象之間的交互協(xié)作來完成的。為了更清晰地刻畫這種交互，依據(jù)BIM 融合了面向?qū)ο笏枷脒@一事實(shí)，采用在面向?qū)ο筌浖治雠c設(shè)計領(lǐng)域常用的UML（unified modeling language，統(tǒng)一建模語言）建模工具來對BIM 信息物理融合對象的交互關(guān)系進(jìn)行建模。

2. 3. 1 基于UML 的BIM 信息物理融合對象協(xié)作關(guān)系類圖

類圖是面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模中最常見的圖，其顯示了一組類、接口、協(xié)作以及它們之間的關(guān)系。類圖一般用于描述對象系統(tǒng)的靜態(tài)連接關(guān)系。圖7 為BIM 信息物理融合對象、常規(guī)BIM 對象（如門窗）、以及物理空間中的建筑實(shí)體等之間的交互類圖。從圖中可以看出，信息物理感知器類IfcCPSSensor、控制器類IfcCPSController、信息物理融合執(zhí)行器類IfcCPSActuator 構(gòu)成了一個反饋閉環(huán)，這個環(huán)與常規(guī)BIM對象相連接，構(gòu)成了特定的綁定關(guān)系。

圖7 BIM信息物理融合對象UML類圖及對應(yīng)物理對象Fig. 7 UMLClass diagram of BIM CPS objects and corresponding physical objects

另外，動畫類IfcCPSAnimation 有4 個子類：移動動畫類IfcCPSMovingAnimation、填充動畫類Ifc-CPSFillingAnimation、旋轉(zhuǎn)動畫類IfcCPSRotating-Animation、數(shù)據(jù)顯示動畫類IfcCPSShowingData-Animation。感知器類IfcCPSSensor 有2 個子類：模擬量感知器類IfcCPSAnalogSensor、開關(guān)量感知器類IfcCPSSwitchSensor。執(zhí)行器類IfcCPSActuator同樣也包含了2 個子類：模擬量執(zhí)行器類IfcCPSAnalogActuator、開關(guān)量執(zhí)行器類IfcCPSSwitch-Actuator。

2. 3. 2 基于UML 的BIM 信息物理融合對象協(xié)作交互圖

交互圖又稱順序圖，是面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模中刻畫對象之間動態(tài)行為的工具。順序圖按照時間順序?qū)刂屏鹘?。圖8刻畫了為BIM信息物理融合對象之間的協(xié)作交互關(guān)系，清晰地給出了對象之間的交互控制流及其發(fā)生順序。

如圖8 所示，每次信息物理融合對象之間的協(xié)作首先由物理空間中的感知器實(shí)體發(fā)起，將物理對象數(shù)據(jù)傳入到BIM 空間中的IfcCPSSensor，而后該對象順序地將數(shù)據(jù)傳入IfcCPSController 對象（供自動決策）和IfcCPSAnimation 對象（供動畫顯示），同時并發(fā)地（圖中par parallel 表示），控制器決策結(jié)果傳遞給執(zhí)行器對象IfcCPSActuator，進(jìn)而該BIM 對象將數(shù)據(jù)輸出到物理空間中的物理執(zhí)行器實(shí)體，最后物理執(zhí)行器驅(qū)動物理對象改變運(yùn)行狀態(tài)，從而完成了一個信息物理融合閉環(huán)的交互過程。

3 BIM信息物理融合實(shí)現(xiàn)機(jī)制

與IFC 標(biāo)準(zhǔn)定義BIM 實(shí)體的方法一致，這里主要采用Express 語言［22］來定義和描述信息物理融合BIM 實(shí) 體。 本 文 重 點(diǎn) 研 究 了IfcCPSSensor、IfcCPSController、IfcCPSActuator、IfcCPSAnimation這4類對象的BIM實(shí)體構(gòu)建和描述，受篇幅所限，這里重點(diǎn)選取IfcCPSSensor 和IfcCPSAnimation 來討論其實(shí)現(xiàn)和描述機(jī)制。

3.1 基于Express 的信息物理融合IFC 感知器對象描述

基于物理世界感知器的一般原理，來定義和描述BIM 空間中的信息物理融合感知器對象IfcCPSSensor。正如物理世界的感知器一般分為模擬量感知器和開關(guān)量感知器兩種，本文也將BIM 中的信息物理融合感知器分為兩類：信息物理融合模擬量感知器和信息物理融合開關(guān)量感知器。

圖8 信息物理融合BIM對象的UML協(xié)作交互圖Fig. 8 UML collaboration diagram of BIM CPS objects

3. 1. 1 信息物理融合模擬量感知器

在基于IFC的BIM空間中，將信息物理融合模擬量感知器命名為IfcCPSAnalogSensor，實(shí)現(xiàn)對建筑物理實(shí)體的連續(xù)變化的模擬量值（如溫度、濕度、照度等）進(jìn)行感知和采集。 其基類為IfcDistribution-ControlElement，如圖9 所示，在該基類的下級添加了新的實(shí)體IfcCPSAnalogSensor、IfcCPSSwitch-Sensor 及其對應(yīng)的類型IfcCPSAnalogSensorType、IfcCPSSwitchSensorType。在定義這些實(shí)體時，可以事先提供預(yù)定義、用于特定場合（predefinedType）的感知器實(shí)體（如防護(hù)門開度感知器），采用IfcCPSAnalogSensorTypedNum 和 IfcCPSSwitch-SensorTypedNum 表達(dá)。即IfcCPSAnalogSensor 對象繼承了IfcDistributionControl Element 類作為分布式元素的基本屬性，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識屬性以及Connected to 等連接屬性。另外新定義了反映信息物理傳感器特征的系列屬性，基于Express的IfcCPSAnalogSensor實(shí)體具體定義如圖10所示。主要屬性包括實(shí)時工程測量值（RTEngineering-Value）、實(shí)時原始測量值（RTOriginalValue）、工程測量值報警上限（AlarmUpLimit）、工程測量值報警下限（AlarmLowLimit）、工 程 單 位（Engineering-Unit）等。

3. 1. 2 信息物理融合開關(guān)量感知器

開關(guān)量感知器對象IfcCPSSwitchSensor 是一種對開關(guān)量類型信息進(jìn)行感知的BIM 抽象實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對建筑物理實(shí)體的開關(guān)型狀態(tài)值（門的開閉、設(shè)備運(yùn)行的啟停等）進(jìn)行感知和采集。其繼承于IFC 已有框架中的元素對象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識屬性以及Connected to 等連接屬性。采用Express 語言定義和描述的信息物理融合開關(guān)量感知器對象如圖11所示，其新定義了反映信息物理開關(guān)量傳感器特征的關(guān)鍵屬性，其屬性主要為實(shí)時開關(guān)量值（RTOnOffValue）。

3. 1. 3 信息物理融合感知器對象與其他對象的交互關(guān)系

在整個面向信息物理融合的BIM 擴(kuò)展框架中，信息物理融合感知器實(shí)體對象需要與其他3種對象建立2種不同的關(guān)系。

第一種是基于數(shù)據(jù)接口交互的連接關(guān)系，即信息物理融合感知器對象要分別與信息物理融合控制器對象和動畫對象連接，建立數(shù)據(jù)層面上的接口連接關(guān)系，為這兩種對象提供感知來的數(shù)據(jù)。這種連接關(guān)系由于存在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸，本文采用IfcConnectPorts對象建立此種關(guān)系。

第二種是依附關(guān)系，即信息物理融合感知器對象與被感知的常規(guī)BIM實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組）建立一種組合，說明該感知器對象專屬于這個常規(guī)BIM實(shí)體，可以理解為感知器對象是依附于常規(guī)BIM對象的一個組件，因此本文采用IfcRelConnectsElements 對象來構(gòu)建此種關(guān)系。

圖9 信息物理融合感知器在IFC框架中的位置Fig. 9 BIM CPS sensor in IFC main framework

圖10 基于EXPRESS的IfcCPSAnalogSensor實(shí)體的定義Fig. 10 Definition of IfcCPSAnalogSensor based on EXPRESS

圖11 基于EXPRESS的IfcCPSSwitchSensor實(shí)體的定義Fig. 11 Definition of IfcCPSSwitchSensor based on EXPRESS

3.2 基于Express的信息物理融合IFC動畫對象描述

3. 2. 1 BIM信息物理融合動畫對象的定義與描述

動畫顯示是為了在BIM空間中直觀地表達(dá)建筑實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，并使之與現(xiàn)實(shí)建筑物理空間中的相應(yīng)實(shí)體運(yùn)動保持一致。根據(jù)建筑物理實(shí)體的運(yùn)行形式，本文主要將動畫顯示分為4種類型：旋轉(zhuǎn)、填充、移動、數(shù)據(jù)顯示。與前述定義的BIM 信息物理融合對象相同，動畫對象的基類也為IfcDistribution-ControlElement。在該基類的下級添加了新的實(shí)體IfcCPSRotatingAnimation、IfcCPSMovingAnimation、IfcCPSFillingAnimation、IfcCPSShowingDataAnimation及其對應(yīng)的類型IfcCPSRotatingAnimationType、IfcCPSMovingAnimationType、IfcCPSFillingAnimationType、IfcCPSShowingDataAnimationType。同樣地，在定義這些實(shí)體時，可以事先提供預(yù)定義、用于特定場合（predefinedType）的動畫實(shí)體（如防護(hù)門旋轉(zhuǎn)動畫），采用IfcCPSRotatingAnimationTypedNum、IfcCPSMovingAnimationTypedNum、IfcCPSFillingAnimation-TypedNum、IfcCPSShowingDataAnimationTypedNum表達(dá)。下面分別討論這4種類型動畫對象的定義與建模方法。

（1）旋轉(zhuǎn)動畫對象

旋轉(zhuǎn)是一種實(shí)現(xiàn)建筑對象繞其中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSRotatingAnimation，其在BIM虛擬環(huán)境中根據(jù)其所連接的模擬量感知器對象數(shù)據(jù)源的值的變化，動態(tài)驅(qū)動該動畫類所連接的建筑BIM對象繞其中心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

采用Express 語言定義和描述的信息物理融合旋轉(zhuǎn)動畫對象如圖12 所示，其繼承于IFC 已有框架中的元素對象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識屬性以及Connected to 等連接屬性。另外新定義了反映旋轉(zhuǎn)動畫對象特征的系列屬性，其主要屬性包括旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)X維坐標(biāo)（CenterPointX）、Y維坐標(biāo)（CenterPointY）、Z維坐標(biāo)（CenterPointZ）、旋轉(zhuǎn)角度（RotatingAngle）、重復(fù)次數(shù)（RepeatCount）等。

圖12 基于EXPRESS語言的旋轉(zhuǎn)動畫對象描述Fig. 12 Description of rotating animation object based on EXPRESS

（2）移動動畫對象

移動動畫對象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對象移動的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSMovingAnimation，其在BIM 虛擬環(huán)境中通過改變對建筑物理對象BIM 實(shí)體的空間坐標(biāo)位置屬性來實(shí)現(xiàn)建筑物理對象實(shí)體的移動。

采用Express 語言定義和描述的信息物理融合平移動畫對象如圖13 所示，其繼承于IFC 已有框架中的元素對象IfcDistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識屬性以及Connected to 等連接屬性，另外新定義了反映平移動畫對象特征的系列屬性，主要屬性包括目標(biāo)位置的X、Y、Z軸坐標(biāo)（NewPlaceX、NewPlaceY、NewPlaceZ），初始位置的X、Y、Z軸 坐 標(biāo)（OldPlaceX、 OldPlaceY、OldPlaceZ）等。

（3）填充動畫對象

圖13 基于EXPRESS語言的移動動畫對象描述Fig. 13 Description of moving animation object based on EXPRESS

填充動畫對象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對象填充的BIM抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSFillingAnimation，其在BIM虛擬環(huán)境中根據(jù)其所連接的模擬量傳感器對象數(shù)據(jù)源值的變化，動態(tài)填充該動畫類所連接的建筑BIM對象中的圖元區(qū)域，使圖元區(qū)域能以填充區(qū)域的百分比來反映模擬量數(shù)據(jù)源值的變化。采用Express語言定義和描述的信息物理融合填充動畫對象如圖14所示，其繼承于IFC已有框架中的元素對象IfcDistributionControl-Element，獲 取GlobalID、Name 等 標(biāo) 識屬 性 以 及Connected to等連接屬性。另外新定義了反映平移動畫對象特征的系列屬性，主要屬性包括填充顏色（FillingColor）、填充方向（FillDirection）、填充最小百分比（FillingMinPerValue）、填 充 最 大 百 分 比（FillingMaxPerValue）、填充下限輸入值（Filling-MinValue）、填充上限輸入值（FillingMaxValue）等。

圖14 基于EXPRESS語言的填充動畫對象描述Fig. 14 Description of filling animation based on EXPRESS

（4）數(shù)據(jù)顯示動畫對象

實(shí)時數(shù)據(jù)顯示動畫對象是一種實(shí)現(xiàn)建筑對象相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)顯示的BIM 抽象實(shí)體，簡寫為IfcCPSShowingDataAnimation，其在BIM 虛擬環(huán)境中動態(tài)顯示其所連接的模擬量傳感器對象數(shù)據(jù)源。其繼承于IFC 已有框架中的元素對象Ifc-DistributionControlElement，獲取GlobalID、Name 等標(biāo)識屬性以及Connected to等連接屬性，另外新定義了反映數(shù)據(jù)顯示動畫對象特征的系列屬性，主要屬性包括數(shù)據(jù)實(shí)時值（RTVALUE）等。

3. 2. 2 信息物理融合動畫對象與其他對象的交互關(guān)系

與信息物理融合執(zhí)行器等對象類似，在整個面向信息物理融合的BIM 擴(kuò)展框架中，動畫實(shí)體對象需要與其他兩種對象建立兩種不同的關(guān)系。

第一種是基于數(shù)據(jù)接口交互的連接關(guān)系，即動畫對象要與信息物理融合感知器對象建立數(shù)據(jù)層面上的接口連接關(guān)系，即接收感知器對象的數(shù)據(jù)輸入。這種連接關(guān)系由于存在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸，采用IfcConnectPorts對象建立此種關(guān)系。

第二種是依附關(guān)系，即動畫對象與被調(diào)控的常規(guī)BIM 實(shí)體（如空調(diào)機(jī)組）建立一種組合，說明該動畫對象是專屬于這個常規(guī)BIM 實(shí)體的，可以理解動畫對象是依附于常規(guī)BIM 對象的一個組件，因此本文采用IfcRelConnectsElements 對象來構(gòu)建此種關(guān)系。

4 BIM信息物理融合模型的原型系統(tǒng)驗(yàn)證

近年來，由于具有富信息、三維可視等突出優(yōu)勢，BIM 技術(shù)開始在人防工程的運(yùn)維監(jiān)控中得到應(yīng)用。采用BIM 技術(shù)，可以為用戶提供貼近真實(shí)建筑空間場景的監(jiān)控軟件人機(jī)界面。但是由于傳統(tǒng)BIM框架，不支持信息物理融合能力，使得BIM與建筑物理空間的對象實(shí)時數(shù)據(jù)無法緊密耦合，導(dǎo)致監(jiān)控軟件中BIM三維對象無法在同一軟件界面動態(tài)顯示對象運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，即存在BIM 靜態(tài)模型與其動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)分離、用戶體驗(yàn)和人機(jī)交互友好性不強(qiáng)等不足。本節(jié)利用前文建立的信息物理融合擴(kuò)展模型和實(shí)現(xiàn)機(jī)制，來構(gòu)造基于BIM 擴(kuò)展模型的人防工程運(yùn)維監(jiān)控原型系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖15所示。原型系統(tǒng)設(shè)置1 臺監(jiān)控主機(jī)，運(yùn)行基于BIM 擴(kuò)展模型的工程運(yùn)維監(jiān)控軟件，采用LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與人防工程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。原型系統(tǒng)設(shè)置1 臺LM1204 開關(guān)量控制器和1 臺LM1101 模擬量控制器。圖16 為原型系統(tǒng)基于BIM 擴(kuò)展模型的監(jiān)控軟件界面。該軟件界面實(shí)現(xiàn)了對工程防護(hù)門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時立體監(jiān)控功能。通過該軟件界面可在BIM三維虛擬空間中實(shí)時監(jiān)測相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，同時，通過雙擊防護(hù)門設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對防護(hù)門的開閉控制。

通過原型系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文研究所提出的BIM信息物理融合擴(kuò)展模型和實(shí)現(xiàn)機(jī)制是可行、可用的。這種BIM信息物理融合擴(kuò)展模型使得監(jiān)控軟件中的BIM空間中動態(tài)顯示與物理世界一致的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，有效解決了現(xiàn)有基于BIM的建筑運(yùn)維監(jiān)控軟件系統(tǒng)存在的BIM靜態(tài)實(shí)體與動態(tài)數(shù)據(jù)分離、開發(fā)難度大、交互性不強(qiáng)等問題。

圖15 基于BIM的人防工程運(yùn)維原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 15 Structure of BIM based operation and maintenance system in civil air-defense construction

圖16 原型系統(tǒng)基于BIM擴(kuò)展模型的監(jiān)控軟件界面Fig. 16 Prototype system monitoring software interface based on BIM extension model

5 結(jié)論

本文針對建筑生命周期過程對信息物理融合交互的新需求，提出了一種面向信息物理融合的BIM擴(kuò)展方法，并嘗試將其應(yīng)用到人防工程運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)中，分別從面向信息物理融合BIM 擴(kuò)展的總體框架、實(shí)體定義與實(shí)現(xiàn)機(jī)制、原型系統(tǒng)等方面開展了研究。本文研究成果是對IFC 框架的有益補(bǔ)充，使得支持信息物理融合能力的BIM 成為現(xiàn)實(shí)，為高效構(gòu)造基于BIM 的建筑運(yùn)維動態(tài)管控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互等新型系統(tǒng)提供了較好的技術(shù)支撐。

但總體而言，本文的研究工作仍是初步的，筆者仍將在以下兩個方面展開進(jìn)一步的研究：①BIM 信息物理融合對象實(shí)體的進(jìn)一步擴(kuò)充完善，需要進(jìn)一步結(jié)合具體工程應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，如擴(kuò)展動畫對象，使BIM 能支持更為復(fù)雜運(yùn)作狀態(tài)呈現(xiàn)能力。②基于BIM擴(kuò)展模型的建筑運(yùn)維監(jiān)控平臺的工程應(yīng)用。在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善基于BIM 擴(kuò)展模型的建筑運(yùn)維監(jiān)控平臺的功能，提高其可靠性，加快其工程化應(yīng)用進(jìn)程。