摘 要：近幾十年來，我國公路隧道建設(shè)的速度急劇增長，隧道數(shù)量的不斷增長對設(shè)施管理提出了挑戰(zhàn)，高速公路隧道由于運(yùn)行環(huán)境差、設(shè)計(jì)壽命長、地理分布廣、多專業(yè)協(xié)同等原因，運(yùn)維管理十分復(fù)雜。建筑信息模型（BIM）技術(shù)為解決行業(yè)遇到的挑戰(zhàn)提供了一種改變現(xiàn)狀的方案，但在現(xiàn)有文獻(xiàn)中罕見應(yīng)用BIM技術(shù)解決隧道運(yùn)營和管理公用設(shè)施的具體案例。對此，本研究基于BIM技術(shù)提出了一種新的管理框架，對促進(jìn)運(yùn)營階段隧道管理信息集成，檢查數(shù)據(jù)的采集、技術(shù)狀況評價(jià)、病害采集與處置、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃制定與實(shí)施提供了有效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：隧道養(yǎng)護(hù)；BIM；協(xié)同管理；框架文章編號(hào)：2095-4085（2024）06-0233-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于建筑項(xiàng)目的技術(shù)，能夠在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維以及項(xiàng)目整個(gè)生命周期的發(fā)揮價(jià)值。BIM技術(shù)的應(yīng)用對建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有諸多積極影響，包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等方面。近年來，工程界學(xué)者對BIM技術(shù)在建筑設(shè)施管理中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，特別是BIM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）、信息管理系統(tǒng)等跨專業(yè)技術(shù)的集成［1］。與建筑設(shè)施管理不同，公路隧道是一個(gè)線性建筑，涉及更多專業(yè)及管理角色，這使得運(yùn)維管理的實(shí)施具有挑戰(zhàn)性。在目前的實(shí)踐中，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段。然而，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都很少利用BIM來協(xié)助公路隧道的運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同共享。為了解決這一問題，本研究提出了一個(gè)新的管理框架，在BIM技術(shù)的支持下，促進(jìn)高速公路隧道的可持續(xù)運(yùn)維。

1 基于BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維框架

基于BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理平臺(tái)由“隧道竣工模型、數(shù)據(jù)庫及功能模塊”組成。其中隧道的竣工模型是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)可視化的核心組件，不僅能夠可視化展示隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)施的三維信息，同時(shí)也是各類數(shù)據(jù)信息的載體；數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，并提供查詢、檢索等基本服務(wù)；功能模塊是實(shí)現(xiàn)隧道三維展示、管理與協(xié)同、檢查、維修、安全與應(yīng)急管理的內(nèi)置模塊。

1.1 平臺(tái)的總體框架

平臺(tái)總體框架基于GIS平臺(tái)和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立B/S架構(gòu)的的公路隧道運(yùn)營管理系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸平臺(tái)，將隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測、監(jiān)測、維護(hù)、維修數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心有機(jī)地鏈接為一個(gè)分布式的整體，同時(shí)遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet，對前端采集進(jìn)行控制、配置?，F(xiàn)場測站、外業(yè)巡檢養(yǎng)護(hù)終端通過互聯(lián)網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行集中存儲(chǔ)管理；使用者通過PC端WEB瀏覽器、終端APP等遠(yuǎn)程訪問客戶端可以直接獲得隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能對隧道的應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行可視化調(diào)度。整個(gè)系統(tǒng)利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間信息和非空間信息的集成，即存儲(chǔ)、顯示、查詢、分析和表示各種與隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的信息。

1.2 平臺(tái)邏輯框架

結(jié)合公路隧道運(yùn)維管理的業(yè)務(wù)功能，將隧道運(yùn)營管理系統(tǒng)從邏輯上劃分為五層。分別為BIM模型、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口、綜合管養(yǎng)應(yīng)用系統(tǒng)、信息展示交互。

1.2.1 BIM模型

建立隧道BIM模型，虛擬地呈現(xiàn)隧道3D外觀并輸入養(yǎng)管信息。針對每種類型的設(shè)施部件，規(guī)范的養(yǎng)護(hù)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和分類。應(yīng)用編碼將模型元素與養(yǎng)護(hù)需求以及文檔鏈接。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口

采用分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模式，對系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并保障高效的訪問利用，提供海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；建立適用于隧道綜合管養(yǎng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和數(shù)據(jù)庫集群，管理系統(tǒng)中的專業(yè)數(shù)據(jù)。包括海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫備份還原策略設(shè)計(jì)、面向大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和二次處理設(shè)計(jì)等。

1.2.3 綜合管養(yǎng)應(yīng)用系統(tǒng)

通過對隧道管理需求的實(shí)地調(diào)查和對先行隧道養(yǎng)護(hù)規(guī)范的解讀，提出了公路隧道管理系統(tǒng)框架下的業(yè)務(wù)模板，主要功能模塊包括檔案管理、養(yǎng)護(hù)檢查管理、養(yǎng)護(hù)維修、安全與應(yīng)急管理。

1.2.4 信息展現(xiàn)交互

BIM平臺(tái)遵循手機(jī)移動(dòng)優(yōu)先、多終端可用、多層次展示的方式。通過APP端收集數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)錄入的工作量。在多終端協(xié)同方面，開發(fā)手機(jī)APP、微信公眾號(hào)、巡檢設(shè)備、電腦端等多個(gè)終端應(yīng)用系統(tǒng)，針對不同用戶的展示需求，開發(fā)出既可應(yīng)用于業(yè)務(wù)管理的三維協(xié)同平臺(tái)，也可用于形象展示的三維虛擬演示平臺(tái)。

2 公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理功能設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

公路隧道健康監(jiān)測具有傳感器數(shù)量多、監(jiān)測的構(gòu)件多，監(jiān)測系統(tǒng)界面用戶體驗(yàn)差的特點(diǎn)。由于健康監(jiān)測系統(tǒng)的封閉性特點(diǎn)，存在監(jiān)測數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)管理脫節(jié)，傳感器設(shè)備維護(hù)與機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題［2］。

同時(shí)由于隧道地理分布長，缺乏熟練的維護(hù)人員及基于規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化檢測、維修流程，在運(yùn)營管理過程中缺乏數(shù)字化手段，隧道日常檢查、經(jīng)常性檢查沒有得到足夠的重視，同時(shí)存在養(yǎng)護(hù)措施不到位的情況，公路隧道管理與運(yùn)營安全面臨挑戰(zhàn)。

BIM以3D模型為介質(zhì)，既包含隧道結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施信息，也包含外部環(huán)境信息。將BIM模型和隧道運(yùn)營管理數(shù)據(jù)庫集成在一起，便于信息的訪問和利用，本研究通過對隧道管理需求的實(shí)地調(diào)查和對先行隧道養(yǎng)護(hù)規(guī)范的解讀，研究了隧道運(yùn)維管理的功能需求：

（1）信息實(shí)時(shí)采集：通過傳感器、監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)、環(huán)境特征數(shù)據(jù)、車流量數(shù)據(jù)，基于人工智能、圖像識(shí)別技術(shù)，將視頻攝像應(yīng)用于隧道巡檢工作，實(shí)現(xiàn)隧道的自動(dòng)、定期巡查，以減少目前繁重的人工巡檢工作。

（2）有效的信息整合與分發(fā)：通過輕量化數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于BIM模型數(shù)據(jù)整合、流暢顯示和養(yǎng)管數(shù)據(jù)快速分發(fā)。

（3）信息可視化管理：將隧道運(yùn)維信息可視化，基于3D模型，顯示設(shè)備及管道運(yùn)行狀態(tài)、合同信息、安全信息、維修進(jìn)度、成本控制等信息。

（4）安全自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警：隧道需要采集溫濕度、含氧量、混凝土裂縫、變形或位移等參數(shù)。此外，還需要監(jiān)測管道爆裂、超載、車輛撞擊、火災(zāi)等情況，當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取各類報(bào)警事件的數(shù)據(jù)及圖像并通知相關(guān)人員。

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 檔案管理

公路隧道在長時(shí)間的運(yùn)營階段，交付的文檔格式來源多、形式異構(gòu)，管理難度大。施工階段過后，文件丟失、多版本現(xiàn)象頻繁發(fā)生。工程文檔是至關(guān)重要的，因?yàn)樗怂淼澜Y(jié)構(gòu)和設(shè)備的信息。為避免在維修加固和應(yīng)急救援過程中，因信息不準(zhǔn)確、不完整而造成人力、物力浪費(fèi)或反應(yīng)滯后，建設(shè)電子文檔檔案數(shù)據(jù)庫十分重要，數(shù)據(jù)庫包括竣工圖紙、BIM模型、檢查資料、養(yǎng)護(hù)維修以及招標(biāo)資料等。在項(xiàng)目電子文檔檔案模塊中，3D模型為竣工模型，各類工程養(yǎng)護(hù)資料均通過編碼與竣工模型掛接。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)檢查

隧道養(yǎng)護(hù)檢查根據(jù)規(guī)范可分為：日常檢查、經(jīng)常性檢查、定期檢查、特殊檢查?；贐IM技術(shù)公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)導(dǎo)入檢查數(shù)據(jù)并在三維模型中進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)、病害信息的可視化展示與追蹤［3］。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)維修

隧道土建結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維護(hù)包括日常清潔、保養(yǎng)，定期維護(hù)，預(yù)防性維護(hù)維修。日常清潔保養(yǎng)的目為保持隧道路面清潔暢通，排水設(shè)施疏浚淤積，交通標(biāo)志完整、清晰醒目，機(jī)電設(shè)備處于無滲水的工作狀態(tài)；定期維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)維修，旨在維護(hù)和恢復(fù)隧道結(jié)構(gòu)的功能，清除松動(dòng)的巖石和泥土、修補(bǔ)襯里裂縫的輕微損壞、清理排水系統(tǒng)等。設(shè)備維護(hù)和維修是對機(jī)電設(shè)備的完整性進(jìn)行檢查，以確定所需的維護(hù)措施，并在發(fā)生故障后對設(shè)備或部件進(jìn)行維修和更換。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于隧道養(yǎng)護(hù)工程質(zhì)量管控中，拆解養(yǎng)護(hù)工程施工工藝操作流程和質(zhì)量控制要點(diǎn)，形成標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)工藝流程，既能從整體上把握養(yǎng)護(hù)工程質(zhì)量，又能形成對構(gòu)件質(zhì)量的監(jiān)督。在BIM模型的支持下，工程養(yǎng)護(hù)的整體質(zhì)量、局部構(gòu)件質(zhì)量能夠清晰、明確地在3D模型中呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)對隧道工程養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的有效管理。

2.2.4 安全與應(yīng)急管理

隧道的安全管理包括運(yùn)輸組織、維護(hù)工作和突發(fā)事件期間的安全保護(hù)。采用監(jiān)視、監(jiān)控、人員檢查等手段，通過BIM協(xié)同管理平臺(tái)可及時(shí)掌握異常情況，做出判斷和應(yīng)對措施。BIM協(xié)同管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害、突發(fā)事件、應(yīng)急預(yù)案的模擬展示，可對突發(fā)事件進(jìn)行快速定位，模擬應(yīng)急路線。災(zāi)害發(fā)生后，BIM可以為應(yīng)急救援提供支持，利用BIM技術(shù)三維可視化動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，救援負(fù)責(zé)人通過協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行指揮，向救援人員提供災(zāi)害的實(shí)時(shí)信息，在接收到災(zāi)害發(fā)生的詳細(xì)情況之后，救援人員根據(jù)應(yīng)急預(yù)案采取科學(xué)的救援方案，開展救援疏散，減少人員傷亡。遇到設(shè)備異常的情況，技術(shù)人員可利用BIM技術(shù)快速定位設(shè)備的位置，顯示設(shè)備的布設(shè)情況，有效緩解災(zāi)害事件，減少二次事故的發(fā)生。

2.2.5 歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)谌朐诿總€(gè)檢查和養(yǎng)護(hù)模塊中，可以根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)、病害類型、時(shí)間等維度對巡檢養(yǎng)護(hù)信息進(jìn)行查詢；并提供GIS地圖查詢的方式，可以通過GIS信息管理對橋梁和病害以及巡檢養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)、歷史查詢?；贐IM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理平臺(tái)采用基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程訪問功能，具有采集數(shù)據(jù)的事實(shí)監(jiān)測與預(yù)警功能，歷史數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)功能，以及整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件的工作狀態(tài)監(jiān)控，方便用戶維護(hù)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)安全

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供嚴(yán)格的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)和事務(wù)完整性保障機(jī)制，提供完整的角色管理和自主控制安全機(jī)制。同時(shí)支持軟、硬件容錯(cuò)，邏輯備份與恢復(fù)，物理備份與恢復(fù)，在線聯(lián)機(jī)備份和恢復(fù)等功能，保證在發(fā)生故障和災(zāi)難后能夠很好地恢復(fù)或重構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

為確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)訪問安全，利用防火墻技術(shù)界定網(wǎng)絡(luò)邊界、傳輸加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)信息傳遞。

3.1 訪問控制

為了實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)組織訪問不同的網(wǎng)絡(luò)資源，可以采用VLAN和域控制器的方法，限制用戶訪問服務(wù)器的權(quán)限。在局域網(wǎng)內(nèi)，對于可以訪問系統(tǒng)的一組終端單獨(dú)劃分VLAN，只有這些VLAN才可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問到WEB服務(wù)器，不能直接訪問應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

3.2 防火墻

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊界安全，確保整個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和應(yīng)用的安全，采用硬件防火墻提供安全保障，在防火墻上設(shè)置服務(wù)映射［4］。

3.3 傳輸加密

平臺(tái)采用的是B/S架構(gòu)，客戶端通過IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)的訪問。為了避免明文傳輸帶來的安全隱患，應(yīng)用軟件平臺(tái)提供SSL機(jī)制對在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，提供數(shù)據(jù)流的認(rèn)證、機(jī)密性和完整性，以防敏感數(shù)據(jù)在傳輸過程中被泄露及篡改。

4 數(shù)據(jù)權(quán)限安全

4.1 數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限

基于BIM技術(shù)的公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理平臺(tái)是一個(gè)大型的分布式數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)，它包括信息量巨大以及不同程度的信息敏感度，各種有訪問需求的用戶，使得其安全管理非常復(fù)雜。基于角色的系統(tǒng)安全控制模型是目前國際上流行的先進(jìn)的安全管理控制方法。平根據(jù)需要定義各種角色，并設(shè)置合適的訪問權(quán)限，而用戶根據(jù)其責(zé)任和資歷再被指派為不同的角色。這樣，整個(gè)訪問控制過程就分成兩個(gè)部分，即訪問權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，角色再與用戶關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了用戶與訪問權(quán)限的邏輯分離，如下圖所示，角色可以看成是一個(gè)表達(dá)訪問控控制策略的語義結(jié)構(gòu)，它可以表示承擔(dān)特定工作的資格。

在用戶權(quán)限管理中，可以查詢用戶信息、新增用戶、修改用戶信息以及刪除用戶。系統(tǒng)建立后，將會(huì)根據(jù)公路隧道運(yùn)維協(xié)同管理平臺(tái)的管理職責(zé)及工作界面劃分，建立各職能部門的基本信息。按照管理角色及職責(zé)為不同用戶設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，并配置對應(yīng)的系統(tǒng)使用功能和辦公角色。

4.2 數(shù)據(jù)庫安全

數(shù)據(jù)權(quán)限是數(shù)據(jù)庫安全的關(guān)鍵。對于任何范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，規(guī)定必須在授權(quán)情況下才能準(zhǔn)許進(jìn)行操作。

對于數(shù)據(jù)庫的操作可分為：擁有、只讀、只寫、讀寫、刪除等。一般這種權(quán)限是在一級上定義的，通過對視圖（View）的授權(quán)也可以對表的列定義訪問權(quán)限。

數(shù)據(jù)庫的用戶也是分組、分級的，數(shù)據(jù)庫管理員擁有全部特權(quán)，數(shù)據(jù)擁有者次之，數(shù)據(jù)查詢又均低一等。

在系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶管理中，采用域管理模式對用戶進(jìn)行集中管理。用戶須首先通過域控制安全系統(tǒng)認(rèn)證獲得授權(quán)后，才能訪問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［5］。

5 結(jié)論

為了促進(jìn)BIM在公路隧道運(yùn)維中的應(yīng)用，本文在現(xiàn)有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了基于BIM技術(shù)的協(xié)同管理框架，該框架包含檔案管理、養(yǎng)護(hù)檢查管理、養(yǎng)護(hù)維修、安全與管理四個(gè)功能模塊，可輔助公路三隧道的可持續(xù)運(yùn)維。各模塊數(shù)據(jù)通過BIM模型進(jìn)行交換，隧道管理人員可以在做出管理決策前獲得完整、實(shí)時(shí)的信息。基于該框架下的協(xié)同管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道在運(yùn)營管理工程中的信息實(shí)時(shí)采集、信息有效集成與分發(fā)、信息可視化管理和安全自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警四個(gè)目標(biāo)，可為隧道養(yǎng)管單位科學(xué)高效地制定維護(hù)策略提供信息化支持。

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