Tunnel Defect Decision Analysis Using BIM Visualization
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摘要: 运管人员不仅要在隧道病害发生后制定合理的维护方案，还需对病害进行分析，以此来不断完善日常运维计划。但由于隧道组件之间有着复杂的相互作用和依附关系，加剧了病害分析的难度。集成建筑全生命周期所有信息的建筑信息模型(BIM)为此项工作展开提供了可能。本文将隧道监测及维护数据与BIM数据库相结合，并用时空数据挖掘技术和高维时空关联分析方法分析各组件以及病害之间的关系。最后，评估病害的危险等级、成因，制定决策方案。期间，所有资产和监测信息创建自定义可视化，通过交互界面引导运管人员运用探索式思维去展开隧道维护工作。Abstract: Transportation management staff not only need to develop a reasonable program of maintenance in the tunnel after the occurrence of defects, but also need to analyze them in order to constantly improve the daily operation and maintenance plan. However, due to complex interactions and dependency of the tunnel components, , the difficulty of defect analysis increased. Building Information Model (BIM) can realize the integration of all information during the whole life cycle of buildings and thus can make this work come true. In this paper, we combine the tunnel monitoring and maintenance data with BIM data base, using the method of spatio-temporal data mining technology and high-dimensional space-time correlation to analyze the relationship between various components and defects. Finally, the paper evaluates the causes and risk levels and works out decision-making plan. All assets and monitoring information create user-defined visualization and interactive interface guides transportation management personnel to carry out tunnel maintenance with innovative thinking.
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Keywords:
- Visual Analysis /
- BIM /
- Defect
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1. 引言
我们所提及的维护指事后维护、预防维护和预知维护三种，而后两种属于先决性维护，运营人员需根据已有信息查找病害源或隐性异常，在问题出现前开展维护工作，要做到这点仅依靠现有的计算机维修管理系统中的数据难度非常大，此原因在于建筑各资产之间存在系统且复杂的联系。要想改善隧道运维管理，需将运维中发现的常见病害和建筑资产间复杂关系相关联以此来捕捉各病害之间的空间、逻辑联系。并且在BIM数据库中添加资产状况、能源状况、环境状况等信息，用BIM视觉分析方法辅助病害分析，追溯病害产生的驱动因子并推断出病害可能产生的结果进行提前维护。BIM(Building Information Modeling)可以把建筑的物理特性与功能特性信息化的表达出来[1]，并在建筑全生命周期中的所有益相关者之间进行信息的管理、共享、交换[2]。因此，BIM可以很好地帮助上述工作的开展。
另一方面，利用专业知识使各类数据可视化的思想在现阶段不断盛行，结合了自动化分析技术和交互式可视化的视觉分析提高了管理者的洞察力和推理能力，使他们能够直观理解数据的含义并执行复杂的分析过程，视觉分析可用在以下几方面:1)通过分析病害在过去和现在的分布及出现频率来推断病害的时空分布模式和趋势; 2)将建筑全生命周期内的数据及建筑空间结构进行可视化表达来隧道隐性异常; 3)可视化分析各设备与设备，结构与设备之间的连锁效应，模拟各资产之间的连锁效应的影响力度。
而BIM可视化能力不仅能进行隧道设备、空间、资产等管理，还可以进行可视化病害分析，从而改善现阶段的运维管理工作。此文章运用BIM进行隧道运维全方面数据整合、并用时空数据挖掘技术和高维时空关联分析剖析资产和病害之间的关系。并将所有资产和监测信息都将创建自定义可视化，通过交互界面引导维修人员运用探索式思维去展开隧道维护工作。
2. 文献回顾
2.1 BIM在运维管理中的运用
传统计算机运维管理系统存在数据涵盖量不广、系统兼容性不够的缺点。而BIM能进行信息的集成、交互以及协同管理，建筑所有相关者可以从建筑的全生命周期BIM模型中得到高质量的建筑信息。
Akcamete[3]等将建筑设备进行重要度划分后加入BIM模型中，并整合日常巡检信息和维修记录，以BIM模型为载体进行信息的筛选、查询与解锁。之后，Hassanain[4]等人为了资产维护管理提出了一个面向对象的模式来支持不同领域之间的信息交换。传感技术广泛使用后，胡振中[5]等将BIM模型和二维码技术结合，用于设备维护维修、设备识别和应急管理。过俊[6]等开发了建筑空间与设备管理系统，通过BIM技术将设备和建筑结构有机结和用于设备快速定位、查询、维护管理。但由于结构监测存在极大困难性，使得运维期间的BIM研究只停留在对设备的空间定位及运维信息快速查询上，在建筑设备故障管理中也只分析设备自身层级关系之间的影响，没有涉及空间内设备/设施的病害的关联影响分析。
2.2 可视化方法
在已有研究中已提出多种方法去可视化结构构件的信息:1)标签/符号:符号用来可视化表示建筑构件或设备状态(如:安装或更换)、属性(如:温度)、条件。Akcamete[7]等用符号来展现其资产安全状况(如:组件状态以及类型)，由于构件及设备十分繁多，这种标签模式有很大弊端，它会使人产生迷惑从而导致错误的发生; 2)色彩交互:Hammad和Motamedi[8]使用颜色编码来可视化表示建筑资产状态，通过色彩进行建筑状态交互; 3)动态效果交互:滚动条一般只进行文字、数据信息交互，对于图片、图形等信息使用缩放、动态转换等交互方式。动态效果交互功能很好地展现重要信息，在界面主要运用实时信息或重要信息的展现。上述的几种交互手段有其各自不同的特点，应按照不同的信息内容使用不同的交互方式。
3. 可视化隧道病害分析思路及框架
3.1 可视化病害分析框架
要进行隧道病害的可视化分析，要先制定一个可视化分析框架，并结合BIM可视化模型使运管人员运用其推理能力对隧道病害原因进行分析。可视化病害分析分为以下三层:
(1) 数据层
除了原计算机运维管理系统中的运管信息外，隧道设备、设施的监测数据也将通过多源数据采集模块录入系统，各数据根据其属性进行分类并在定义其从属关系之后存入数据存储模块中。
(2) 分析层
时空数据挖掘模块会自动对监测数据进行异常检测，发现和确认异常发生，接着异常数据会在BIM模型中可视化表达，从而进一步对异常进行识别、分析以及根源追溯。最后，危险评估模块会对危险等级、成因、决策方案进行自动化报告。
(3) 可视化交互层
用一系列可视化手段(如颜色编码、滚动条以及标签等)来展现隧道的健康状态，实时动态以及报警内容。并且以BIM为可视化工具策绘制配套三维视图。
而用户可通过交互界面进行查询内容的输入，一个查询系统模块将根据用户输入从集成数据库中提取信息。在隧道运维可视化系统中启用了Revit等可视化建模软件，并为它提供了可视化信息查询功能，用户不仅可在用户界面输入内容，也可直接点击模型构件获取信息。如图 1所示。
3.2 隧道病害可视化分析流程
为了进一步介绍可视化分析的中间过程，表 1展示了巡检人员或监测系统发现隧道病害后进行分析展示的过程。隧道系统由传感器实时监测以及人工定期巡检来发现隧道内各类异常。系统将自动进入病害分析，之后进行可视化定义，最后显示于模型上。管理人员运用漫游功能进行漫游巡检，对于有颜色或标签标记的构件进行相应段结构的监测信息进行调取，分析病害产生的原因。
表 1 故障/病害可视化分析/展示机制
4. 实现隧道病害可视化决策分析的先决工作
病害的形成来自于各种原因，保护区内超常载荷、潮汐变化、设施退化、设备故障、环境污染等都有可能导致隧道大小病害的产生。要进行提前预防维护，则必须运用大量传感设备，使隧道现状转成数据信息，使用大数据分析技术进行隧道病害分析。
4.1 数据存储
此系统不仅集成了隧道所有的设计施工信息，还加入了后期的设备、设施、环境、运维记录等，所有的数据存储整合形成数据库，运维数据存储采取分布式与中心式存储结合的方式进行。从传感器、人工获取的监测数据及多媒体资料经过中间表的转换，按照业务类型存储于数据服务器中。考虑到部分监测数据具有海量、高频的特点，频繁读取会影响服务器的稳定性，因此采取CSV文档分布式存储的方案，将监测数据转换成“键-值”形式，按时间目录索引存放在数据库中。多媒体资料(图片、视频、声音等)将通过FTP服务器端口，存放在数据服务器相关索引目录下。如图 2所示。
而数据存储模块中的数据信息要想与BIM模型对接，则必须对所有信息进行了实体编码设置，通过识别一个惟一的编码为每个实体与其相应的模型构建进行对接。表 2为编码规则。
表 2 隧道元素编码规则位数 位置号 标准制定级别 编码区段 编码类别 项目名称 4 1，2，3，4 集团 HDLL 管理单元 单体 1 5 企业 ？ 网格划分 2 6，7 企业 ？？ 类别 对象属性 1 8 集团 E 大类 1 9 集团 J 小类 3 10，11，12 集团，企业自主增加 TYP 位置 位置形式标志 1 13 集团 ？ 里程号/序号/标识号 4 14，15，16，17 企业 ？？？？ 圆环位置 1 18 企业 ？ 分隔符 分隔符 1 19、 固定 _ 扩展码 扩展码 3 20，20，22 企业，集团推荐 设施编码 设施编码 22 集团企业，企业集团，集团集团…… HDLL？？？EJTYP？？？？？？_0 4.2 病害发现基本原理
隧道病害主要由人工巡检和监测数据异常报警两种途径发现。所有监测数据是由相等时间间隔记录的数值数据长序列，是十分典型的时间序列数据。时间序列中的异常是指偏离大部分数据产生机制的数据点或区段。针对监测数据通常具有非线性、非平稳性的特点，我们采用非线性时间序列分析方法来处理数据，寻找监测数据中的异常。非线性时间序列分析的基本思想是将监测获得的原始时间序列转换成描述该时序系统的特征，然后基于系统特征做数据挖掘和分析。
4.3 逻辑和空间关系的定义
隧道空间结构并不复杂，但在隧道内部和两端变电所内有着大量设备，再加上隧道属于地下工程，潮汐、土层沉降、环境恶劣等都会对隧道安全产生影响，因此要准确定义隧道设施、设备、环境等个元素之间的关系。一般建筑元素有两种从属关系:1)逻辑关系指的是元素之间相互层级关系，不仅指有直接相关的元素，还包括间接相关的元素(如:风机和空气质量、开裂和渗漏等); 2)空间关系指元素的位置空间关系(是否相邻、是否连接)以及时间关系。将系统中所有信息化分为三类:逻辑型、空间型以及空间-逻辑型，并将其相关的上下级元素进行关联，形成元素关系链。
4.4 BIM模型下的高维时空关联分析
隧道运营中会产生大量高维时空数据，运用IFC标准从整合后的BIM模型中提取构件信息并对数据进行关联性分析，可用于探测隧道内病害产生的原因，也可以发现隧道内不易发现的隐性病害。图 3通过将高维时空数据进行算法分析得出关联性，根据相互关联性对可能存在病害根源进行分析。如图 4所示，以隧道联通段为例，联通段两端记录衬砌环一定时间间隔的监测数据，寻找出数据之间的不变关系。当两端数据产生不同步时，联通段高维数据存在一定波动，由此可以推断异常可能造成联通段的隐性问题。在提取此段时间内与之相关联的其他数据(如隧道纵向沉降、潮汐等数据)可进行进一步的异常原因深入分析。
5. 虚拟漫游和信息可视化设置
病害的发现、分析都在系统后台进行，而病害分析结果和处理建议是需要管理人员第一时间知道的，高效的报警手段和显示方法成了人机交互的重要一环。隧道管理人员一般从三方面监测隧道健康情况:一为隧道整体状态查询; 二为隧道局部状态查询; 三为紧急报警信息查询。而系统根据这三方面制定了隧道虚拟巡检和信息可视化功能，快速查看隧道各元素基本属性以及病害记录。
5.1 漫游功能设置
通常，只有隧道巡检维修人员才会实时下隧道检查，管理层人员则通过巡检记录或维修报告了解隧道情况。系统运用BIM进行隧道的虚拟建设，将隧道运维过程进行算计机仿真。BIM数据模型代替了传统的纸质记录、报表，管理人员利用虚拟模型了解隧道结构、查看隧道基本信息和病害信息，从而进一步进行病害决策分析。高效、方便的漫游技术有效辅助一系列工作的开展，为此在系统中设置了多种漫游方式，如:隧道鸟瞰查看隧道分布及整体评估、驾车漫游查看隧道整体情况、人工漫游查看隧道细节、方位快速跳转进行视线切换以及隧道全透明设置展现资产空间关联性。图 5为漫游巡检机制，图 6为虚拟隧道漫游。
5.2 基于BIM的信息可视化展示
系统根据各类数据的属性进行不同的可视化功能设计。对于RFID传感数据以折线图、条形图等形式展现，可直观了解数据时间变化趋势，数据间的关联变化。对于隧道评估结果则以色值编码实现，将隧道评估分为5级值，蓝色为正常、绿色为退化、黄色为劣化、橙色为恶化、红色为危险，颜色值具有很好的警示作用，可直观地反映隧道整体健康情况如图 7。对于具有双属性的病害则使用标签及颜色值:1)病害类别由标签展示; 2)病害严重度由色值表示。对于系统报警信息，以高亮显示的形式提醒管理者。
5.3 BIM模型和用户界面的联动设置
如果漫游代替人工巡检，可视化设置代替纸质文件，那么联动设置则将两者结合。点击任意模型信息，该模型的全部信息都将被打开; 查看任意设备、设施信息，模型自动将视觉切换到该设备、设施处。这样的联动设计很好的将信息和模型相结合。
同时用户界面还设置了信息详情、健康档案等logo，以便更为详细的信息查看，为了进行病害/故障的根源追溯，将其与监控中心相关界面相连接，调出相关数据信息。如:结构健康档案间接结构沉降信息、断面收敛信息。
6. 总结
结合日常隧道管理工作流程，将传感技术、大数据分析技术以及BIM可视化展示技术运用其中，进行隧道病害的发现、分析、展示、决策等工作，有效辅助隧道运营维护工作的开展。
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表 2 隧道元素编码规则
位数 位置号 标准制定级别 编码区段 编码类别 项目名称 4 1，2，3，4 集团 HDLL 管理单元 单体 1 5 企业 ？ 网格划分 2 6，7 企业 ？？ 类别 对象属性 1 8 集团 E 大类 1 9 集团 J 小类 3 10，11，12 集团，企业自主增加 TYP 位置 位置形式标志 1 13 集团 ？ 里程号/序号/标识号 4 14，15，16，17 企业 ？？？？ 圆环位置 1 18 企业 ？ 分隔符 分隔符 1 19、 固定 _ 扩展码 扩展码 3 20，20，22 企业，集团推荐 设施编码 设施编码 22 集团企业，企业集团，集团集团…… HDLL？？？EJTYP？？？？？？_0 
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[1] National Building Information Model Standard Project Committee. Frequently Asked Questions About the National BIM Standard-United StatesTM[J]. [2] Isikdag U, Underwood J, Aouad G. An investigation into the applicability of building information models in geospatial environment in support of site selection and fire response management processes [J]. Advanced engineering informatics, 2008, 22(4): 504-519. DOI: 10.1016/j.aei.2008.06.001
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[5] 胡振中, 陈祥祥, 王亮, 余芳强, 王兴坡.基于BIM的机电设备智能管理系统[J].土木建筑工程信息技术, 2013, 5(1):17-21. http://www.doc88.com/p-6701654106800.html [6] 过俊, 张颖.基于BIM的建筑空间与设备运维管理系统研究[J].土木建筑工程信息技术, 2013, 5(3):41-49+62. http://epub.cqvip.com/articledetail.aspx?id=1000000350386 [7] A. Akcamete, B. Akinci, J.H. Garrett, Potential utilization of building information models for planning maintenance activities, Proceedings of the International Conference in Computing in Civil and Building Engineering, Nottingham University Press, Nottingham, UK, 2010.
[8] A. Hammad, A. Motamedi, Framework for lifecycle status tracking and visualization of constructed facility components, Proceeding of the 7th International Conference on Construction Applications for Virtual Reality, Penn State University, 2007, pp. 224-232.
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