基于本体的隧道盾构过程中地表沉降的风险因素推理与应对

杜　娟　何仁志　戴灵钧

(1. 上海大学悉尼工商学院, 上海　201800;2.上海大学上海城建集团建筑产业化研究中心, 上海　200072)



基于本体的隧道盾构过程中地表沉降的风险因素推理与应对

杜娟1,2何仁志1戴灵钧1

(1. 上海大学悉尼工商学院, 上海201800;2.上海大学上海城建集团建筑产业化研究中心, 上海200072)

【摘要】建筑信息模型(BIM)为传统建筑业的信息化变革带来大量技术革新，可优化建筑过程并提升建筑效率与效益。在行业应用中，围绕建筑全生命周期不同阶段的异构软件间存在诸多异构信息系统与数据交互问题，本文通过分析目前建筑行业信息交互现状，提出基于本体的异构数据交互模式，并阐述IFC数据模型、异构数据库和本体模型间的映射方法及基于事件的本体推理模式。本文针对隧道盾构施工中的地表沉降，通过Protégé软件构建地下隧道施工本体，并利用Jena推理机分析地表沉降的关联风险因素，并通过异构数据互用与交互实现地表沉降应对方案的提供与更新。

【关键词】建筑信息模型；工业基础类；本体建模；地表沉降

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.16

1引言

随着建筑信息模型(BIM)为代表的信息技术在建筑工程项目全生命周期中的应用，各信息系统和异构建筑模型数据的交互成为阻碍BIM技术推广与应用的重要瓶颈：首先，针对建筑项目不同阶段不同参与方的异构信息系统之间难以实现信息共享与交互，海量的建筑数据难以充分共享以及传递；其次，虽然IFC、IDM等信息交互标准的出现从一定程度上可以解决部分建筑数据的交互，然而建筑信息的集成及管理难以用单一的标准或者规范来实现。杨寒光提出站点自主性的分布式异构数据库造成了信息孤岛，并提出了将数据查询进行标准化抽象差异屏蔽的处理方法[1]。靳强勇分析了异构数据集成系统的几种技术包括CORBA、XML等，并建立了异构数据解决平台[2]。通过本体实现建筑信息虚拟和柔性整合，为建筑信息的有效交互提供了新的思路。基于本体的建筑信息交互机制具有集成化概念模型的特点，令用户可以在不了解各建筑领域专业知识的情况下进行知识的共享，有效解决建筑过程中异构数据带来的施工问题，同时，可以促进组织间隐性知识的积累，有助于多方用户针对自身特点进行知识储备，减少决策失误并降低延误工期的风险。赵洁应用本体技术设计了基于本体集成的建筑信息共享平台框架[3]。Karan结合地理信息系统与语义网，利用施工的标准化本体整合查询异构数据[4]。

目前国内关于如何将BIM和本体运用于建筑全生命周期的研究仍处于发展阶段。Zhang提出了包括建筑产品模型、建筑过程模型和建筑安全模型在内的建筑安全本体来解决建筑项目安全管理问题[5]。Yildiz基于本体技术提出了一种风险评估与管理模式[6]。周娟将UML与本体结合以研究工程预算管理系统的建模问题[7]。胡云中提出了基于本体的建筑施工质量规范知识的建模[8]。张建则在BIM环境下对项目建设领域的本体的语意检索进行了研究[9]。然而，上述研究主要集中在理论化知识体系的构建，虚拟建模环节或仅是从单方面将BIM或本体应用于建筑领域。本文将研究如何将本体论与BIM有机结合并运用于实际项目问题。

2基于本体的建筑信息交互机制

2.1建筑信息交互机制概述

目前诸多建筑项目采用了IFC标准(Industry Foundation Class——工业基础类，即一种公共产品数据模型格式)作为BIM标准格式应用于实现建筑过程中异构数据的交互。除此之外，BIM相关数据交互机制还有直接交换机制，专用中间文件格式机制，基于XML的交互格式机制[9]。

IFC机制基于三维对象的数据表达式，可以描述建筑对象的三维几何形状和其属性。虽然该标准是目前业内认可度最高的BIM标准格式，但IFC机制并不能完全应对建筑业中的复杂的信息交换需求[13]，主要原因在于： 1)其获得的来自各BIM软件的支持不尽相同，异构系统间的构件识别与交互出现问题[13]；2)IFC标准并没有针对具体的需求定义数据交互[14]，当不同的交换功能实现者对信息的表达方式不一致时，该标准则不再适用。

本体的概念起源于哲学，应用到计算机领域后，本体指的是共享概念模型的明确的形式化规范说明，其具有概念化、明确化、形式化和共享化的特征。因此，基于本体的信息交互方式则具备更好的灵活性和适应性，主要表现在： 1)在各异构数据及系统保持原有存储状态的前提下，当具体的应用环境产生突变，本体可以凭借其自身较好的可维护性及时根据新需求产生出新数据类型，并利用其可共享模型的概念使知识能被共享及交互；2)本体凭借鲜明的层级结构[14](应用本体层，领域本体和任务本体层以及顶级本体层)，可以根据需要灵活的进行本体间的组合；3)该机制支持知识的重用并且对数据有很好的兼容性，保持了数据的完整。

2.2基于本体的建筑信息交互机制模型

基于本体概念化、明确化、形式化和共享化的特征[9],本文提出基于本体空间的信息交互机制，以简化用户的交互过程，如图1所示。

基于本体空间的信息交互机制有效衔接了数据源(关系型数据库，其中包括非结构化的音、视频数据以及BIM模型库中的结构化数据，如IFC格式数据)和各应用软件(包括本体编辑器，逻辑推理机以及BIM可视化软件)。对于推理结果，用户可选择用可视化或文本化的方式呈现，实现了海量建筑信息的交互。其作用机理如下：

1)用户将各类型建筑信息数据录入关系型数据库；

2)将数据映射到本体空间中进行整合；

3)从本体空间中调用目标本体模型与Jena推理机交互。Jena根据OWL本体定义对原始数据进行RDF资源标注，形成带有语义信息的数据，然后通过RDF/XML解析器和RDF API转换成RDF Model，RDF Model结合推理子系统和Ontology子系统生成具有语义推理能力的OntModel，然后用于下一步的信息检索；

4)通过故障树(Fault Trees)设定相关推理规则，使用Jena推理机推理得到对应的推理结果；

5)将新的推理结果通过本体空间录入知识库，作为新的解决方案备份；

6)将推理结果映射到关系型数据库中；

7)用户使用BIM应用软件以可视化的方法得到推理结果和图示(也可以通过直接查询以文字的方式查看推理结果)。

简言之，基于本体空间的信息交互机制通过本体建模、推理和查询以及可视化，将异构数据转换成本体模型，并依据项目数据，挖掘隐含的项目信息，从而帮助用户构建完善的知识体系。

本文选取项目为上海虹梅南路-金海路通道越江段，由于一次性掘进距离长、盾构直径大以及隧道埋深大，地层复杂，该项目为高风险工程。为了及时发现潜在的建设问题，需要对采集的大量异构数据进行基于本体的建模，并通过本体推理进行问题原因的追溯和相关事故解决方案的确认，为管理决策提供依据。通过RFID技术的应用，对虹梅南路-金海路越江通道越江段1～1700环进行了实时监控数据采集和处理。主要收集的信息类型包括：①管片信息，如工人对钢筋原材料的检查数据，管片成型后蒸养环节升温和降温时的记录数据，RFID标签信息；②盾构机推进过程中的姿态、角度、受力等数据；③隧道中的空间信息，即几何信息、环境地质数据等；④隧道监测信息，通过工人质量巡检和系统自动采集两种方式进行收集，信息统一进入数据库，同时巡检所收集到的问题也会和隧道BIM模型一一绑定。本文将基于本体对上述异构数据间的集成交互进行分析。

3异构数据与本体的映射

本节针对基于本体的建筑信息集成机制的作用过程，分别就图1步骤1中IFC模型及关系型数据库到本体的映射，以及步骤5、6中本体推理结果更新知识库和写入关系型数据库的方法进行说明。

3.1异构数据到本体的映射

传统关系型数据库只能表达二维或低维数据关联，而在实际的建筑项目中各数据间存在时间、空间等多维数据关联，通过将本体的思想引入到异构数据关联分析中，可以使维度不同的数据虚拟整合，从而在不影响数据原有存放状态的前提下，实现数据的交互与共享。

(1)IFC模型到本体的映射

分别将IFC的实体、属性、类型和关系从EXPRESS的描述格式，转换为本体中相对应的以OWL语言所描述的类、属性和关系。如表1所示。

以工业基础类标准(IFC标准)实体IfcShieldDriving(盾构掘进)为例，进一步阐述以上转化机制：

IFC格式信息及关系如下：

将上述实体转换为对应的OWL语言描述的类，并将IFC中记录的实体间的关系转映射为OWL语言描述的基本关系：

(2)数据库到本体的映射

与IFC到本体的映射类似，将项目数据库中的信息转换成本体，也需要将数据库中的表、约束等内容转换成本体所对应的类、公理，即映射实体、实体的属性、数据库完整性约束条件、向本体中加入实例[15]。

本体论包括5个基本的建模元语，即本体(Ontology)=<类(Classes)，关系(Relations)，函数(Functions)，公理(Axioms)，实例(Instance)>。因此，将数据库的数据映射到本体要从类(class)，属性(properties)，层次(hierarchy)，基数(cardinality)，实例(instances)进行映射。对应关系如表2所示。

以盾构过程中的表“监测点(Monitoring)”和表“监测点地理位置信息(MonitoringGeo)”为例，进行关系型数据库到本体的转换：

数据库中的表Monitoring除了记录相应监测点的测量值以外，还存有监测点的地理位置(GeoCor，外键，用提前划分的数字代号表示)，同时是表MonitoringGeo的主键。关系如表3所示。

数据库中的数据映射为OWL语言描述的基本关系：

3.3本体推理结果的导出

对本体进行推理并且得到相应推理结果之后，可以将其导出到知识库或写入关系型数据库中。因此，将本体空间与项目知识库相连通，这样将有助于整个项目团队进行知识管理，同时可以提高推理效率和准确性。

以存入MySQL数据库类型的知识库为例：

4构建本体模型

在实际隧道盾构掘进过程中，受多种复杂因素影响，地表沉降成为重要的安全隐患之一，不仅破坏建筑的美观性，也易造成墙体破裂，影响其使用。单就上海市而言，其每年由于地下施工不当引起的地表沉降占据总地表沉降的30%，造成约2 100万人民币的沉降经费支出。因此合理运用BIM技术和本体思想分析，针对盾构掘进过程中的地表沉降，查明沉降原因，并通过知识库寻找解决方案，同时根据时序数据对可能的沉降隐患进行预警具有重要意义。

根据隧道盾构施工过程中地表沉降的实际特征，盾构过程中地表沉降本体需要考虑五方面的内容：围绕隧道事件(TunnelEvent)，盾构过程中的隧道环境(TunnelEnvironment)，沉降标准(SettlementStandard)，盾构掘进(ShieldDriving)以及沉降案例(SettelementCase)。基于本体的类与类之间的继承、部分与整体、属性、实例四种基本关系，建立相应的本体以及各子本体，如图2所示。其中隧道事件本体主要针对盾构施工过程中的监控信息预警、沉降事件而设置，以此查找事件发生的原因及确定合理的解决方案；盾构掘进本体则对盾构掘进过程中一些地表沉降的影响因子的定义；隧道环境本体主要对隧道周边及施工环境进行监控记录；沉降标准本体则用于判断检测数据是否异常；沉降案例本体则用于记录发生的沉降事件及处理方式，为后续的处理进行知识储备。

根据上述的建模思路，可以利用Protégé 4.3对盾构过程中地表沉降本体进行可视化处理，并生成相应的.owl本体文件。

5基于故障树的本体推理机制

5.1地表沉降成因分析

对于每一个监测点，当地表沉降数据超过预定值后，即隧道环境本体中的测点数据异常时，将会触发报警，沉降标准本体中的盾构参数子类将会依据隧道环境本体中的地质条件信息，确定在该条件下，盾构掘进过程中的盾构标准。而盾构掘进本体中的盾构参数，如：土压、掘进速度、注浆等，将会与该盾构标准对比，以此确定地表沉降的原因，同时，隧道事件本体的沉降子本体也会记录该沉降原因，如图3所示。

5.2基于故障树的推理规则

本文用故障树(Fault tree)来描述本体所遵循的相关的规则，如图4所示，顶层事件为发生地表沉降，而导致地表沉降的原因可以分为外界因素和人为因素两方面，外界因素包括管网线漏水、地下水影响、临近土体干扰、盾构自身重力等因素，而人为因素则包括开挖面积、土体进入后尾空隙、盾构后退、注浆固化、衬砌变形等原因。[12]

如图4所示，由于图中所示原因可以导致地表沉降，从而引入判断这些原因的相关因素，并将这些因素与本体中的参数相对应。

利用故障树，可以清晰地展示导致地表沉降的原因，根据本体中的参数对比相关标准，可以判断特定情况下是否满足该故障树中的条件[9]，从而引发地表沉降。而可以与沉降原因联系的相关参数关系如表4所示[9]。

5.3地表沉降修正方案处理

在确定沉降原因之后，根据该事件的特征，需要在沉降案例本体中寻找解决方法；当该本体中没有相关案例时，则需要从专家处获取参考意见，同时将确认后的处理方案记录到沉降案例本体和隧道事件本体的沉降子类中，如图5。

6推理结果与分析

6.1寻找沉降相关参数

沉降成因推理主要基于故障树(Fault Tree)得出的推理规则，生成.rules文件，通过Jena推理机可以得到相关推理结果。推理规则如下：

对于监测点Position_101_911，在该点获得的监测点值(33.125544)大于标准的监测点值(33)因此确定Position_101_911处发生了沉降，该事件记为沉降事件Settle IncNo_001189。

监测点Position_101_911有地理信息Geoinfo_101_911(N31.120418 E121.408235)，该信息与地理条件GeoCondition_101 _911位置信息相符。该条件对应沉降参数SettlementParameterNo_190923，从而得出该沉降参数为监测点Position_101_911的标准参数集合。

监测点Position_101_911有盾构参数集合ShieldDrivingParameterB，其中包含了刀头转速，土压，盾构速度等参数项，将这些参数与该位置的标准参数集合内的各个参数进行对比，发现改点的即时刀头转速超过了标准到头转速，从而得出监测点Position_101_911的沉降是由于到头转速过快导致，并生成记录ReasonSE101_911用于修正方案推理。

6.2寻找解决方案

得到与沉降原因相关的参数后，通过对本体实体的推理，前往方案库中寻找对应的解决方案。

对监测点Position_101_911的沉降事故原因ReasonSE101_911的推理，发现有已存解决方案CaseSolutionNo_98762。

6.3 产生新的修正方案

若该事发原因是前所未有的，则需要咨询专家意见，同时将其在数据库中更新备份，若未来在发生该类事件，则能自动使用。

7总结及展望

BIM越来越受到行业的认可，但由于不同软件间的信息交互问题严重影响了BIM的运行效率，本文引入了本体思想，对基于本体的建筑异构数据柔性交互机制进行了分析与应用：

(1)判断了基于本体的建筑信息交互方法的有效性，论证了基于本体的建筑信息交互方法的优势。

(2)提出了基于本体的建筑信息交互模型，简化了信息交互方式，并解释了该模型的建筑信息交互流程。

(3)阐述了建筑信息从IFC格式和数据库到的本体的转换过程以及把生成的本体存入数据库的方法。

(4)通过对盾构过程中地表沉降的实例研究，利用Protégé4.3构建了盾构领域本体，并基于Jena推理预测地表沉降，从而验证上述研究成果的有效性。

本文对以本体思想来解决建筑信息交互与共享问题进行了探索，并通过应用实例进行了验证。

参考文献

[1]杨寒光, 李艳玲. 分布式异构数据源标准化查询设计与实现[J]. 土木建筑工程信息技术, 2013 .

[2]勒强勇, 李冠宇. 异构数据集成技术的发展和现状[J]. 计算机工程与应用,2002.

[3]赵洁. 建筑供应链信息共享平台设计与应用[J]. 2010.

[4]Karan E P, Irizarry J. Extending BIM interoperability to preconstruction operations using geospatial analyses and semantic web services[J]. Automation in Constructi-on, 2015.

[5]Zhang S, Boukamp F, Teizer J. Ontology-based semantic modeling of construction safety knowledge: Towards automated safety planning for job hazard analysis (JHA)[J]. Automation in Construction, 2015.

[6]Yildiz A E, Dikmen I, Birgonul M T, et al. A knowledge-based risk mapping tool for cost estimation of international construction projects[J]. Automation in Construction, 2014, 43: 144-155.

[7]周娟. 基于本体的工程预算管理系统的研究与实现[D].成都理工大学， 2010.

[8]胡云忠. 基于本体的建筑施工质量规范知识建模与应用研究[D].华中科技大学， 2013.

[9]张健.BIM 环境下基于建设领域本体的语义检索研究[D].大连理工大学， 2013.

[10]杨远丰， 莫颖媚.多种BIM软件在建筑设计中的综合应用[J].南方建筑， 2014(4)： 26-33.

[11]何关培.BIM 总论[M].中国建筑工业出版社， 2011.

[12]刘尚蔚， 推晓伟，魏群.基于 IFC 标准的 BIM 信息互用研究[J].华北水利水电大学学报：自然科学版， 2014， 35(6)： 52-56.

[13]Rezgui Y，Boddy S，Wetherill M，et al.Past，present and future of information and knowledge sharing in the construction industry：Towards semantic service-based e-construction?[J].Computer-Aided Design， 2011， 43(5)： 502-515.

[14]IFC Model(2008)Industrial Foundation International Alliance for Interoperability，http：//www.iai-international.org/iai_international.

[15]郭朝敏， 姜丽红，蔡鸿明.一种关系数据库到本体的自动构建方法[J].Computer Engineering and Applications， 2012， 48(7).

[16]D.Wong，A Knowledge-Based Decision Support System in Reliability-Centred Maintenance of HVAC System，PhD thesis Memorial University of Newfoundland，St.John′s，Canada， 2000.

[17]Guarino，Nicola，ed.Formal ontology in information systems：Proceedings of the first international conference(FOIS′98)，June 6-8，Trento，Italy[M].IOS press， 1998.

[18]郑淑芬. 盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究[D].中南大学， 2010.

[19]张雄. 盾构法隧道施工引起地表沉降研究[D].河北工程大学， 2012.

Corporation)，Shanghai201800，China)

Ontology-based Analysis on the Early Warning of the Surface Subsidence in the Process of Tunnel Shield Project

Du Juan1， 2，He Renzhi1，Dai Lingjun1

(1.SILCBusinessSchool，ShanghaiUniversity，Shanghai201800，China；2.ResearchCenterforBuildingIndustrialization，ShanghaiUniversityandShanghaiUrbanConstruction(Group)

Key Words：Building Information Modeling (BIM); Industry Foundation Information (IFC); Ontology Modeling; Surface Subsidence

Abstract:Building information model (BIM) brings the fundamental technological innovation to traditional architecture industry, which can optimize the construction process and improve the efficiency and effectiveness of the building process. Based on the information exchange of heterogeneous information systems and data throughout the different stages of the whole life cycle of the practical building project, the article analyzes the existing situation of building information interoperability, proposes the ontology-based heterogeneous exchange model, explores the method of mapping the IFC data and relationship database with ontology model, and puts forward the ontology-based reasoning model. The article takes the surface subsidence in the tunnel shield construction as an example, creates the ontology model of underground tunnel through the Protégé software, and proposes the early warning analysis of groud subsidence reasons through Jena inference engine.

【基金项目】上海市自然科学基金项目“基于本体和Petri网的复杂隧道工程数据的精益化管理研究”(编号：15ZR1415000)

【作者简介】杜娟(1981-),女,博士,讲师。主要研究方向：建筑信息化。

【中图分类号】TP3-05

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)02-0100-09