宋占峰，方濤，李軍

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075；2. 湖南鐵院土木工程檢測有限公司，湖南長沙 410075；3. 中南大學(xué)土木工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖南長沙 410075)

高速公路作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其信息化建設(shè)是我國現(xiàn)代交通的發(fā)展需求。目前，我國高速公路的建設(shè)與管理模式仍然采用傳統(tǒng)的二維模式，不僅對(duì)項(xiàng)目各階段的信息表達(dá)比較分散，而且人與系統(tǒng)之間不能很好地進(jìn)行信息交互[1]。由于缺乏一個(gè)公共的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，項(xiàng)目生命周期不同階段信息的集成比較困難，若要從海量信息中尋找用戶需要的數(shù)據(jù)則更加不易。因此，嚴(yán)重制約著我國公路行業(yè)信息化的發(fā)展。公路行業(yè)信息化發(fā)展需解決項(xiàng)目生命周期各階段信息的集成與交互問題。建筑行業(yè)信息集成機(jī)制的發(fā)展經(jīng)歷了以二維圖紙交互為中心的CAD 時(shí)代到以IFC 為標(biāo)準(zhǔn)的BIM 時(shí)代[2]。然而，IFC 標(biāo)準(zhǔn)在公路領(lǐng)域的推廣還存在一些困難，主要原因是公路領(lǐng)域涉及專業(yè)眾多，各專業(yè)語義豐富，IFC 無法實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的語義和顯式化表達(dá)[3]。有學(xué)者利用Civil 3D 和Revit 在鐵路或公路領(lǐng)域進(jìn)行BIM 建模，例如，何守旺等[4]在Revit 中重建了民用3D 鐵路路線對(duì)象的仿真。吳楚鋼等[5]利用Civil 3D 和Revit實(shí)現(xiàn)了道路路基BIM 模型。這些研究表明，通過對(duì)Revit BIM 模型的模擬和分析，用戶可以全面了解項(xiàng)目。但是，這些研究并沒有揭示信息的交互解決方案和專業(yè)知識(shí)的明確表達(dá)，其結(jié)果是用戶在項(xiàng)目生命周期中很難檢索到信息。ZHONG 等[6]提出在模型構(gòu)建過程中，可以選擇本體和語義技術(shù)對(duì)施工中的技術(shù)計(jì)劃和約束知識(shí)進(jìn)行建模。本體作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中信息集成與知識(shí)表達(dá)的解決方法之一，利用類、屬性以及關(guān)系對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行全面描述，其構(gòu)建過程就是把領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可理解的具有語義編碼的過程，也可用于對(duì)大量的信息資源進(jìn)行語義檢索。目前，基于本體的BIM 技術(shù)方面的研究主要集中在建筑領(lǐng)域。例如，胡培寧等[7]提出構(gòu)建基于BIM 和本體的建筑防火設(shè)計(jì)自動(dòng)審查系統(tǒng)框架，利用該方法可輔助建筑防火設(shè)計(jì)，提高防火審查工作的效率和性能。VENUGOPAL 等[8]提出使用本體來改良IFC 標(biāo)準(zhǔn)，以解決IFC在語義表達(dá)方面的局限性，使數(shù)據(jù)交換在語義上功能更強(qiáng)大。LIU 等[9]提出一種基于本體的語義方法，用于從輕型框架建筑BIM 模型中提取面向施工的工程估算信息。LE 等[10]采用自頂向下的開發(fā)過程構(gòu)建公路的等級(jí)層次，開發(fā)了面向建筑的產(chǎn)品本體。LEE等[11]提出使用BIM和鏈接數(shù)據(jù)技術(shù)在異構(gòu)數(shù)據(jù)源之間以基于本體的方式共享建筑數(shù)據(jù)。陳貴濤[12]利用Revit PI，OWLAPI 和SWRLAPI 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM 和本體技術(shù)的建筑運(yùn)維管理框架。以上研究嘗試?yán)帽倔w技術(shù)解決建筑行業(yè)BIM 技術(shù)的信息交互等問題，開發(fā)了一些有效的方法和途徑。AZIZ 等[13]提出了一個(gè)集成了高速公路管理局及其供應(yīng)鏈的各種技術(shù)和系統(tǒng)的平臺(tái)，允許數(shù)據(jù)在整個(gè)資產(chǎn)生命周期內(nèi)持續(xù)流動(dòng)，提高工作效率。許多研究者在基于本體的公路BIM 研究方面取得了一定的成果。然而，綜合公路BIM 模型的發(fā)展還沒有得到充分的研究，本體增強(qiáng)的BIM 可視化查詢有待改進(jìn)。本文首先建立基于本體的公路信息集成與交互的體系架構(gòu)；接著提出通過高速公路概念層次結(jié)構(gòu)和拓展概念屬性及關(guān)聯(lián)描述來實(shí)現(xiàn)高速公路本體模型構(gòu)建；第3 部分采用Revit 中自適應(yīng)構(gòu)件族創(chuàng)建道路結(jié)構(gòu)基元，建立高速公路普通路段BIM模型；第4部分闡述了基于本體的公路BIM 信息查詢機(jī)制，通過實(shí)例來展示對(duì)工程信息的檢索；最后進(jìn)行總結(jié)并對(duì)后續(xù)的研究進(jìn)行展望。

1 基于本體的公路信息集成與交互

本體為領(lǐng)域知識(shí)提供了一個(gè)共享的概念資源，它以明確化的形式描述領(lǐng)域概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，方便用戶進(jìn)行信息檢索，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效集成與共享，并與外部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)和跨平臺(tái)的交互[14]。公路項(xiàng)目全生命周期會(huì)產(chǎn)生大量信息，由于不同階段不同角色的參與，項(xiàng)目相關(guān)信息的表達(dá)往往是異構(gòu)分布的。為了實(shí)現(xiàn)公路領(lǐng)域知識(shí)的一致性表達(dá)，并提供給用戶便捷、有效的信息服務(wù)，需要對(duì)不同數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行語義集成。基于本體的公路信息集成與交互機(jī)制如圖1所示，主要包括4 個(gè)層面：數(shù)據(jù)源、本體的構(gòu)建、本體的進(jìn)化和信息服務(wù)。

圖1 基于本體的公路信息集成與交互機(jī)制Fig.1 Ontology-based highway information integration and interaction mechanism

1) 數(shù)據(jù)源。公路BIM 中的數(shù)據(jù)源表現(xiàn)為從項(xiàng)目的規(guī)劃至拆除的整個(gè)過程中，由不同參與方使用不同應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目工程描述產(chǎn)生的表格、文檔等信息。數(shù)據(jù)源層為該框架的基礎(chǔ)層，主要任務(wù)是為本體的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2) 本體的構(gòu)建。本體的構(gòu)建即對(duì)不同數(shù)據(jù)源的公路項(xiàng)目信息進(jìn)行形式化表達(dá)的過程。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源可以建立單個(gè)的本體，再通過映射算法實(shí)現(xiàn)本體之間的語義交互操作[15]，再形成一個(gè)完整的公路本體。公路BIM 中本體的構(gòu)建過程表現(xiàn)為BIM模型的生成，作為集成項(xiàng)目信息的載體。

3) 本體的進(jìn)化。公路項(xiàng)目整個(gè)生命周期是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的過程，數(shù)據(jù)源中的信息隨著環(huán)境因素以及客戶需求等改變而處于持續(xù)變化的狀態(tài)。本體的進(jìn)化過程就是數(shù)據(jù)更新的過程，同時(shí)將這些信息的變化傳遞給客戶。公路BIM 中本體的進(jìn)化過程表現(xiàn)為對(duì)模型進(jìn)行信息的插入、提取和修改等。

4) 信息服務(wù)。信息服務(wù)過程即為實(shí)現(xiàn)公路BIM 信息共享的過程，通過語義查詢即可實(shí)現(xiàn)與公路BIM 模型信息交互。用戶能通過不同的系統(tǒng)對(duì)BIM 模型進(jìn)行語義檢索，獲得準(zhǔn)確的查詢結(jié)果和具有針對(duì)性的服務(wù)。

2 高速公路本體模型構(gòu)建

高速公路本體建模是從本質(zhì)上對(duì)高速公路領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表達(dá)，以明確化的概念、關(guān)系和屬性描述來刻畫本體模型。本文建立的高速公路本體是為公路BIM 模型提供概念基礎(chǔ)，通過與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)語義檢索。高速公路本體的描述可視為公路實(shí)體、屬性以及實(shí)體之間關(guān)系描述的總和。根據(jù)本體的構(gòu)建方法與原則，高速公路本體的構(gòu)建可分為3個(gè)部分。

2.1 建立概念層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速公路線狀工程的特點(diǎn)，概念層次的構(gòu)建可分為普通路段、橋梁、隧道等多個(gè)子領(lǐng)域，各個(gè)子領(lǐng)域又按里程劃分為多個(gè)分段本體，每個(gè)分段本體包括相應(yīng)的組合模型和基元模型，以基元模型作為基本構(gòu)成單元，再組合為子領(lǐng)域本體，最后整合各個(gè)子領(lǐng)域本體來建立整個(gè)高速公路本體模型。高速公路本體的概念層次劃分如圖2所示。

圖2 高速公路概念層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Highways ontology conceptual hierarchy

2.2 建立概念屬性與關(guān)聯(lián)描述

完整描述一個(gè)領(lǐng)域本體，除了對(duì)概念層次進(jìn)行劃分外，還需對(duì)概念屬性進(jìn)行描述。本體中屬性包括對(duì)象屬性和數(shù)值屬性。對(duì)象屬性主要分為4類：部分與整體的關(guān)系、繼承關(guān)系、概念與實(shí)例的關(guān)系和屬性關(guān)系[16]，同時(shí)還具有空間和時(shí)間上的拓?fù)潢P(guān)系等。數(shù)值屬性描述的是概念與值的關(guān)系，每一個(gè)數(shù)值屬性擁有特定的數(shù)值類型。

本文利用本體編輯工具Protégé4.3 來構(gòu)建高速公路領(lǐng)域本體。Protégé4.3 作為一個(gè)免費(fèi)、開源的本體編輯工具，支持對(duì)本體所有屬性以及關(guān)系的編輯，可對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行完整描述。本體中的概念、屬性以及關(guān)系在Protégé4.3 中分別用類、數(shù)值屬性和對(duì)象屬性表示。圖3展示了高速公路本體的一部分，在圖中，“Thing”是本體中的基概念，高速公路繼承于“Thing”，代表一個(gè)本體。“普通路段”是本體中的根詞，“路面”、“路基”分別是“普通路段”的一部分，它們屬于從屬關(guān)系。類與類之間的其他拓?fù)潢P(guān)系可通過對(duì)象屬性來描述，類的屬性可通過數(shù)值屬性來描述，例如路面面層的起始里程“里程(S)”以及“體積”屬性等。

圖3 高速公路本體編輯Fig.3 Formalized highway ontology

2.3 分析詳細(xì)的邏輯層次結(jié)構(gòu)

公路要素的幾何信息和非幾何信息是公路邏輯分析的基礎(chǔ)。表1顯示了高速公路本體詳細(xì)邏輯層次分析的基礎(chǔ)。公路BIM 在本體中的應(yīng)用基于以下假設(shè)：

表1 高速公路的邏輯層次結(jié)構(gòu)Table 1 Highway logical hierarchy

①高速公路是線性的；

②以統(tǒng)一的時(shí)間順序遞增地構(gòu)建。

共有3 個(gè)主要的子類，即橋梁、隧道和道路，它們都有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)屬性和對(duì)象屬性，這些屬性已經(jīng)包含在本體工具中。

在本體定理中，命題之間的概念和語義匹配都基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的有效性和邏輯關(guān)系的有效行為前提。例如，“錨桿是初期支護(hù)的一部分”，該描述在語義上是正確的，而“鋼拱是初期支護(hù)的一種形式”，這并不是經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的邏輯聯(lián)系。同時(shí)，符合本體模型的二進(jìn)制組合的邏輯模型為1_1，即主語和賓語正確時(shí)值為1，錯(cuò)誤時(shí)值為0。例如，某些初期支護(hù)(X1)_不包含鋼拱(?X2)，但所有初期支護(hù)(X3)_均包含錨桿(X4)，因而某些帶有錨桿的初期支護(hù)(X5)_不具有鋼拱(?X2)。以上描述可以由以下公式表示：(X1_?X2)＆(X3_X4)→(X5_?X2)。為了清楚地解釋上述公式，給出了表2。

表2 公路隧道構(gòu)件本體的二元組合模型Table 2 Binary combination model of highway tunnel component ontology

3 高速公路BIM模型實(shí)現(xiàn)

研究公路領(lǐng)域BIM 技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的可視化，還能以模型為載體集成項(xiàng)目全生命周期的所有信息，為用戶提供一個(gè)共享的中央數(shù)據(jù)庫。本研究采用Autodesk Revit 來建立面向?qū)ο蟮墓稡IM 模型。在軟件中通過對(duì)模型構(gòu)件族的參數(shù)信息進(jìn)行更改，便可生成新的模型。通過構(gòu)建公路領(lǐng)域各類型構(gòu)造物的BIM 構(gòu)件族來搭建整條公路各路段的BIM 模型。基于公路本體模型中的概念層次劃分，高速公路BIM 模型由普通路段、橋梁段和隧道段BIM 模型等組合而成，各專業(yè)的模型以相應(yīng)的基元模型作為構(gòu)件族來搭建。本體中概念的屬性以及概念之間的關(guān)聯(lián)在Revit 中通過構(gòu)件族的屬性來表達(dá)。本文以普通路段為例，闡述高速公路BIM模型的實(shí)現(xiàn)過程。

為了有效地描述普通路段的三維實(shí)體，將整條公路劃分為各20 m 長的本體單元，每個(gè)子本體的路基、基層、面層等單元用一個(gè)六面體作為構(gòu)件族。以其頂點(diǎn)坐標(biāo)作為構(gòu)件參數(shù)來建立路基、基層或面層實(shí)體，最終生成整個(gè)普通路段的信息模型。Revit 提供對(duì)構(gòu)件族的屬性編輯，可通過添加實(shí)例參數(shù)或類型參數(shù)來完整描述該實(shí)體(見圖4)。

圖4 普通路段本體的基元模型Fig.4 Basic-element model of common highway ontology

對(duì)基元模型進(jìn)行實(shí)例化后生成的高速公路普通路段BIM模型如圖5所示，該模型是三維可視化的公路BIM 本體模型。以該模型為載體，利用構(gòu)件屬性的方式可在項(xiàng)目不同階段提取、插入、更新其他例如材質(zhì)、成本、時(shí)間等工程信息，用于后期的工程量統(tǒng)計(jì)、成本估算、施工模擬以及運(yùn)維管理等。

圖5 高速公路普通路段BIM模型Fig.5 BIM model of highway common section

4 基于本體融合的公路BIM 信息檢索

4.1 語義檢索方法

公路BIM 模型作為項(xiàng)目全生命周期的數(shù)據(jù)庫，可以為使用者提供各類項(xiàng)目信息。研究基于本體的語義方法對(duì)公路BIM 模型中的信息進(jìn)行檢索。將LIU 等[9]提出的體系架構(gòu)引入基于本體的公路BIM 信息檢索系統(tǒng)(見圖6)。該系統(tǒng)包括公路本體編輯器、本體推理器，公路BIM 設(shè)計(jì)模型、BIM數(shù)據(jù)解析工具和DotNetRDF 工具等。本體中明確了公路BIM 模型中各構(gòu)件的領(lǐng)域術(shù)語，并定義了它們的屬性和相互之間的關(guān)聯(lián)，使用戶能利用領(lǐng)域詞匯來檢索BIM 模型中包含的顯式或隱式信息，從而解決了用戶從大量數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取所需信息的典型難題。

如圖6所示，公路本體建立在形式化的領(lǐng)域概念、屬性以及概念聯(lián)系的基礎(chǔ)上，這些概念和關(guān)系描述包含了公路BIM 模型中所具有的類和屬性。在Revit 中將公路本體中的概念與公路BIM 模型中的圖元進(jìn)行雙向關(guān)聯(lián)，通過Revit API 和DotNetRDF 將公路BIM 模型中構(gòu)件的實(shí)例屬性值添加到公路本體模型中，形成本體擴(kuò)展的公路BIM 模型，利用本體內(nèi)部的推理機(jī)制還可以進(jìn)一步推理出BIM 模型中隱含的信息。同時(shí)語義檢索的結(jié)果能在公路BIM 模型中高亮顯示，使用戶在可視化的環(huán)境下查看檢索結(jié)果。該系統(tǒng)中的所有模塊都可利用Revit API 以C＃語言來集成，整個(gè)系統(tǒng)可作為Autodesk Revit的附加插件來實(shí)現(xiàn)。

圖6 基于本體的公路BIM信息查詢系統(tǒng)Fig.6 Highway BIM information retrieval system based on ontology

4.2 語義檢索實(shí)例

基于語義的查詢方法允許用戶以靈活、直接的方式從BIM 設(shè)計(jì)模型中獲取需要的信息，提高了信息查詢的效率?；诒倔w的語義查詢是利用SPARQL 語言進(jìn)行檢索，SPARQL 是W3C 數(shù)據(jù)訪問工作組針對(duì)RDF 資源查詢發(fā)布的[17]，可以使用形式化的領(lǐng)域詞匯進(jìn)行語義查詢。

圖7 顯示了SPARQL 查詢的一個(gè)實(shí)例，取自某公路隧道BIM 模型。該模型包括初始支管、二次襯砌、仰拱填料、中央排水管等構(gòu)件。本例的目的是根據(jù)體積的屬性查詢工程材料信息。變量用前綴“?”來表示，SELECT 語句表示要獲取的信息，WHERE 里的語句表示檢索條件，每一個(gè)語句都是“主-謂-賓”的三元組結(jié)構(gòu)。

圖7 SPARQL檢索實(shí)例Fig.7 Example of SPARQL query

在這個(gè)實(shí)例中，“?Subject rdf:type Volume”表示詢問隧道組件對(duì)象“?Subject”的體積屬性，“?Subject Tunnel_ Ontology: Volume ?Value”顯示相應(yīng)體積屬性值。圖7中查詢結(jié)果為二次襯砌混凝土和 仰 拱 填 充 體 積 。“SecondaryConcrete‘222.561’”表明該隧道斷面第二襯砌混凝土體積為222.561 m3。為了實(shí)現(xiàn)上述過程，需要對(duì)Protégé構(gòu)建的本體模型進(jìn)行改進(jìn)，具體的方法如圖8 所示。將BIM 模型中的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入本體模型中查詢具體項(xiàng)目的相關(guān)信息。

圖8 BIM增強(qiáng)本體過程Fig.8 BIM enhances ontology process diagram

Revit 提供了用于導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL 服務(wù)器的接口，W3C 組織提供了D2RQ 工具來將關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)映射到RDF 文件中。隨后將該文件與Protégé 構(gòu)建的本體文件相結(jié)合，形成BIM 本體擴(kuò)展模型文件，便于語義檢索。

5 結(jié)論

1) 提出了基于本體的公路信息集成與交互的架構(gòu)體系，利用本體編輯器Protégé 4.3構(gòu)造了面向建筑的公路領(lǐng)域本體。

2)利用Revit 中自適應(yīng)構(gòu)件族，在公路本體框架下構(gòu)建了普通路段BIM模型。

3) 通過公路BIM 模型與信息數(shù)據(jù)的集成，構(gòu)建了公路BIM 的本體擴(kuò)展模型并通過實(shí)例來展示工程信息的語義檢索。

這種公路BIM 本體擴(kuò)展模型目前存在一定的局限性，需要進(jìn)一步研究路面與地基、截流溝與排水溝等隱含設(shè)計(jì)連接的檢測算法形成詳盡的BIM應(yīng)用程序。