基于BIM的泵闸工程机电设备维修管理平台开发

2018-11-24胡安奎刘晓辉

西华大学学报（自然科学版） 2018年6期

胡安奎，黄遥，刘晓辉，赵瑞

(1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都 610039；2.西华大学能源与动力工程学院，四川成都 610039)

对泵闸而言，机电设备作为其重要组成部分，是保证工程正常工作的基础。当机电设备发生运行异常，但未被管理人员及时察觉时，就会不断加剧设备故障的安全隐患，进而严重降低设备的使用寿命，此时需要对其维护和修理，以免造成连锁式的故障。这就产生了大量的维修费用，从而增加了水利项目在运维阶段的整体成本，甚者会引发机电设备事故，造成人员伤亡。而在传统机电设备维修，依然存在以下问题：1)设备管理的数据基础较多是通过分散无序、未格式化的设备信息，操作人员往往需要人工浏览、分类和选择；2)泵闸工程机电设备数量、种类繁多，相关联的维护说明书往往页数众多，部分内容理解困难，而在事故发生的紧急情况下，可供翻阅理解的时间有限，设备维护工作变得异常艰难；3)部分泵闸工程工作人员专业技术水平有限，且新员工或在岗员工难以得到有效而专业的系统培训，致使新员工上手慢，且一旦发生设备故障，只能停产待修，既浪费时间，又浪费人力、物力和财力。

自20世纪70年代，Chuck Eastman教授首次提出BIM概念后[1]，其在建筑工程各阶段得到了广泛应用，其中主要以设计及施工阶段的应用为主。近年来，随着BIM的优势被进一步开发，逐渐有学者开始关注运维阶段BIM的应用。目前，主要研究方向可分为以下3个方面。

1)设备管理。在设备管理方面，Orr等[2]基于IFC标准展示BIM模型，利用数据库存储建筑运维信息，并建立两者之间的关系，实现所需设备或构件信息的快速查询，并应用于UNCC(北卡罗来纳大学夏洛特分校)的日常设备维护工作中；王朝存和于凤[3]在运维阶段继承设计、施工BIM模型，在设备维护过程中，以三维视图的形式展示设备部件及其细观结构，通过数据支持指导维护人员对设备进行维修保护，减少欠维护及过维护的可能性。

2)能耗管理。在能耗管理方面，Dong等[4]将BIM技术用于建筑节能实时监测与诊断领域，通过实时采集能耗数据，存储于关系型数据库，真正支持建筑的能源性能实时在线仿真；张赟[5]提出实现BIM在运维阶段能耗管理的关键在于将运维阶段前的工作与运维阶段工作相结合，通过BIM和数据库无条件传递，并利用BIM的信息完备性、关联性、一致性、复用性等特点，获取建筑物中相关联的信息，而后开展系统性的全范围能耗管理。

3)安全管理。朱庆等[6]基于三维建筑空间表达，结合建筑防火专题的语义信息，建立了面向建筑物内部空间划分与通达性分析的一体化语义描述，并结合防火设备的动态特点，创建了用于室内火灾发生时，可以进行动态疏散过程展示的BIM模型，进而帮助分析及生成火灾应急疏散的三维场景逃生线路；台湾部分学者[7]基于BIM模型建立建筑消防安全管理系统，包括疏散评估、逃生路线规划、安全教育和设备维护，并通过应用，证明了BIM可以有效地为消防安全评估和规划提供三维几何数据支持。

综上，BIM技术已在建筑运维阶段进行了应用，并取得了一定成果。本文针对泵闸工程机电设备维修领域中存在的特定问题，将BIM技术引入到日常管理活动中，并探讨BIM技术及其数据标准在维修管理方面的具体应用模式及方法，以期通过信息化手段解决现有问题，提升设备维修的技术水平。

1 基于BIM的机电设备维修管理模型

BIM是一个富含信息的工程模型，其不仅仅能够展示三维机电模型，而且能方便地与其他类型的数据集成，并能够保证设计阶段和施工阶段的机电设备数据在运维阶段维修管理方面得到持续应用，避免重复录入。因此针对传统模式下的泵闸工程机电设备维修管理的诸多不足，本文引入BIM技术，结合信息化手段重新建立业务管理模型，以期解决上述问题。

针对传统模式下机电设备维修管理的维修计划管理、设备现场维修管理、备件管理、维修人员培训等方面存在的弊端，本文基于上节所述的机电设备维修管理BIM模型，创建泵闸工程机电设备维修管理信息化参考模型，如图1所示。

和传统机电设备维修管理模型相比，基于BIM的维修管理信息化模型拥有以下优势：

1)信息的连续性与完整性。BIM模型能够集成从设计到施工交付过程的所有机电设备信息，保证了信息传递的连续性与完整性，为机电维修管理业务提供了统一数据库。

2)维修管理过程中的信息积累形成统一知识库。在维修过程中产生的大量经验数据通过BIM接口，完整地导入模型中，形成信息动态积累的知识库。随着数据的大量沉淀，将为后续的工作提供更加可靠的数据支持。

图1 基于BIM的泵闸工程机电设备维修管理信息化模型

3)模型构件分类加快信息统计。模型构件的分类创建，使各信息收集工作可以按照设备类型快速统计，避免了以设备实体为主的传统统计方法带来的弊端。

4)模型的可视化表达。通过BIM模型可直观清晰地将机电设备的空间布局和逻辑关系展现给用户，改善了传统二维视觉的感官认识；有助于加强新员工对设备构造的理解，提高设备故障溯源及维修速度。

5)故障设备的快速检索。通过设计阶段对闸室/泵房等BIM模型进行竖直及水平方向的分层分区，加快故障设备的快速检索，并可以此为基础优化设备巡检路线。

2 IFC标准应用

2.1 IFC标准体系

BIM应用的核心是数据交互，通过建立统一的标准规范，实现各专业设计人员、各参建方能够基于同一平台实现BIM的协同化应用。目前应用最为广泛的BIM数据交互标准就是buildingSMART组织(前身为IAI)针对建筑工程特性制定的IFC标准，国内外约有150家软件开发商的产品支持通过IFC标准格式文件共享和交换BIM数据。

IFC标准体系结构由4个层次构成，从下到上依次为资源层(Resource Layer)、核心层(Core Layer)、交互层(Interoperability Layer)以及领域层(Domain Layer)。各层均包含一系列信息描述模块，并遵守如下规则：每层内的实体只能对同层及下层的资源进行引用，而不能直接引用上层的资源；当上层资源发生变动时，下层不会受到影响[8]。其标准体系主要由类型定义、实体、规程和相关的内容定义组成，其中：

1)类型定义是IFC标准的主要部分，包括定义类型(DefinedType)、枚举类型(Enumeration)和选择类型(Select Types)。

2)实体(Entity)是信息交换与共享的载体，采用面向对象的方式构建，与面向对象中类的概念相对应，是IFC标准体系的核心内容，实体均是依靠属性对自身信息进行描述，分为直接属性、导出属性和反属性。直接属性是指使用定义类型、枚举类型、选择类型表示实体的属性值，如Globalld、Named等；导出属性是指由其他实体来描述的属性；反属性是指通过关联类型的实体进行链接的属性，如IsTypedBy通过关联实体IfcRelDefinesByType关联构件的类型实体。

3种不同类别的属性在其应用范围和应用时机上各有其侧重点。一般来讲，如果一个实体中的某个属性是专有属性或不变属性，则适合使用直接属性进行定义，如GlobalID定义了全局唯一标识；反之则使用逆属性进行定义，比如IfcPropertySet属性集实体中的DefinesOccurrence就是通过逆属性来定义的，因为一个属性集可以由其他多个实例共用；导出属性则多用于定义资源层的一些底层实体。

3)规程包括函数和规则两个部分，主要用于计算实体类型的属性值，控制实体类型属性值满足约束条件以及验证模型的正确性等。相关的内容定义包括属性集(Property Set)、数量集(Quantity Set)和个体特性集(Individual Properties Set)3个部分。IFC标准对常用的属性集进行了定义，称之为预定义属性集。数量集是对长度、面积、体积、重量、个数或时间等参数的度量。

2013年4月1日，IFC标准(IFC4标准)在ISO体系中从PAS(公共可用规范)升级为IS标准，正式标准号为ISO-16739：2013。此次标准等级的提升，将IFC体系中所有的内容都纳入ISO-16739标准中，扩大了IFC标准在建筑工程管理领域的影响范围。

目前，最新的IFC标准是2016年7月15日发布的IFC4 ADD2，共包含776个实体以及397个定义、枚举、选择等类型。

2.2 基于IFC标准的BIM模型展示

本文采用B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)架构建立基于BIM的机电设备维修管理平台，将更多的处理压力留给服务器，用户只需一台装有浏览器的电脑就可完成所有的管理工作，无需购买性能卓越的计算机，减轻维修管理人员的设备开支。为此，需要选用一款BIM服务器系统作为BIM信息的存储载体，通过服务器与客户端之间的通信完成BIM信息的交互。

BIM服务器通常采用安装在服务器端的中央数据库进行BIM数据存储与管理，用户可从BIM服务器提取所需的信息，进行相关应用的同时，扩展模型信息，然后将扩展的模型信息重新提交到服务器，从而实现BIM数据的存储、管理、交换和应用。目前，BIM服务器平台主要有IFC Model Server、EDM Model Server、BIM Server、Eurostep Model Server以及各BIM软件开发商自行开发的与设计软件配套的协同设计服务器。其主要特征的比较如表1所示。

表1 主流BIM服务器对比

从主流BIM服务器的特点以及维修管理平台的实际需求出发，本文采用BIM Server作为BIM服务器。BIM Server软件是由TNO组织使用Java语言开发的开放原始码程序(第三方IFC Engine DLL插件除外)，用于BIM数据共享，与Windows、Apple、Unix、Linux等操作系统兼容，可在IE、Safari、Firefox，Chrome等浏览器使用，目前仍在不断开发中。BIM Server使用Berkeley DB作为数据库引擎，在用户上传IFC格式的BIM模型后，通过解译IFC文件，将模型数据及管理信息存储于Berkeley DB中，有筛选、查询、自动碰撞检测、自动判断模型更动变化、管理不同版本等功能。

BIM服务器的核心功能是对IFC模型文件进行解析，并输出三维几何数据、空间数据及其他存在于BIM模型中的信息，后续的展示需要通过专业平台进行。本文采用BIM Surfer平台，它是BIM Server的相关开源模型浏览平台，基于WebGL中的SceneJS框架，能够完成对BIM模型的简单交互操作以及渲染过程的局部调整，同时能读取本地的JSON格式模型文件，支持子模型的精确筛选以及属性查询功能。

2.3 基于IFC的模型构建的快速检索

泵闸工程机电设备种类繁多，设备数目巨大，所有设备集中在一个单一的BIM模型中，如何在单一数据源中进行设备的快速检索与定位是机电设备维修管理的重要内容之一。此外，在设备维修管理中，设备的信息不是一成不变的，而是需要不断地将诸如维修计划、维修结果、设备状态等信息注入到BIM模型中。因此，设备的快速查询与信息修改是BIM模型在泵闸工程机电设备维修管理领域能够得到充分应用的关键基础。

目前，对BIM模型进行构件查询与信息修改的主要技术有以下几种。

1)EQL

BIM技术发展至今，人们开始创建越来越多的大型且复杂的BIM模型，这就产生了基于BIM的查询语言的需求。早期查询语言的典型例子是Huang[9]于1999年提出的EQL(EXPRESS Query Language，EXPRESS查询语言)。EQL主要用于对以STEP Part 21文件格式存储的数据执行查询。由于IFC是STEP的一个特例，针对STEP标准的数据查询可以完全满足对IFC的查询要求。但EQL并没有得到广泛应用，因为它具有查询封闭性，即查询的结果不能再被查询，如当用户检索特定零件实体后，在结果基础上，不能继续检索拥有这些零件设备实体。

2)PMQL

Adachi[10]提出了一种新的BIM查询语言，即PMQL(Part Model Query Language，部分模型查询语言)，旨在提供一种能够实现检索、更新、删除部分模型数据的一般手段。该语言是完全基于IFC标准设计的，因此针对IFC模型的查询是相当简单和直接的，如图2所示为查询模型中每个门的高度。

然而，目前它不提供创建或添加模型数据到现有BIM模型中的功能，并且它只支持XML语法的查询语言，这就使得BIM应用平台的非程序员终端用户使用额外的工具来构件查询过程。

3)SMC

SMC是商业应用程序“Solibri Model Viewer”的简称，在其软件内提供了几种选择或查看BIM部分内容的方法。但是，这些方法仅适用于SMC，其平台相关性导致了这种方法无法在自开发的系统中使用。

4)BIM Server

BIM Server是开源的BIM服务器(将在第四章中重点介绍)，它提供了多种方法实现从全局BIM中提取部分信息模型，比如通过输入IFC模式中的对象ID、GUID或类的名称来进行选择，也可以通过编写Java代码来创建自定义的复杂查询，但开发成本过高，且不支持模型信息的创建与修改。

5)BimQL

尽管上述各方法均提出了部分解决方案，但是它们在开源、查询与修改功能完整、操作简单、平台无关等各类需求上均存在一定的不足。针对上述问题，Mazairac等[11]提出了一种新的检索与信息更新技术，即BimQL。BimQL是一种用于BIM模型的、开放的查询语言，用于检索和更新存储在IFC模型中的数据，且满足各类需求。

任何一种查询语言均有自己的规则约束，BimQL语言也是。通过制定的若干条查询规则，BimQL能够实现对IFC模型的复杂查询与信息更新。BimQL查询语言的主要规则包括如下部分。

①bimql规则：用户可以选择“select”(选择)作为BimQL查询语言的开始，表示用户在进行后续操作前必须获得一个实体定义。

②select规则：表示用户进行查询操作，后面紧跟一个变量名，用于存储结果列表，并可被后续动作引用；变量后可紧跟“where”规则，用于缩小选择范围，或“cascade”规则，用于选择相关实体，或“set”规则，用于更改所选实体的属性。

③cascade规则：表示级联规则，用于在一次查询结果范围内进行二次查询。此时，实体的直接属性，乃至属性集内的属性均可作为查询条件，如图3所示。在IFC中，发电机实体的状态属性存在于与实体相关联的Pset_ElectricGeneratorTypeCommon属性集中，通过IsDefinedBy及HasProperties两个递进的逆属性表示。当用户希望通过“Status”属性查询“正在运行”的发电机实体集，按照IFC标准思路，必须先获取相关联的IfcPropertySet，然后检索所有相关联属性集中名为“Status”的属性，最后通过匹配“Status”属性值获取实体集。这对于不了解IFC标准的用户来说比较困难，因此BimQL在级联规则中通过封装底层查询语言，使这部分属性能像直接属性一样，被用户检索到，并且用户可以通过设置“depth”值选择查询深度，如“1”表示查询实体逆属性所关联的实体，“2”表示关联实体的关联实体也会被检索。

图3 支持使用属性集中的属性直接查询

④Where规则：根据条件缩小选择范围。

⑤Set规则：修改对象直接属性的属性值。

⑥还有其他的一些规则，比如支持在查询中使用“*”代表通配符查询等。

如图4所示，通过检索获得拥有PredefinedType属性，且其值为WATERTURBINE的IfcElectricGenerator实体对象(即发电机模型)。

图4 利用select、cascade、where规则进行发电机的检索

3 管理平台开发

3.1 基于IFC的模型构建的快速检索

平台由下而上可分为4层，分别为数据层、逻辑层、表现层、应用层，具体结构如图5所示。

图5 基于BIM的泵闸工程机电设备维修管理平台总体架构

1)数据层：数据层主要包括非结构化信息(主要是文档资料)，作为BIM模型的外部引用存在；维修过程信息，在工作过程中动态更新，并集成到BIM模型中；以及BIM数据库，将几何、空间、业务、文档等数据集成在一个统一的BIM数据源中，并为用户提供对象、构件、子模型等不同粒度的访问层次。

2)逻辑层：逻辑层负责对数据层的数据进行一系列逻辑处理，并推送到表现层进行展示，包括IFC数据解析、子模型的划分和提取及基于坐标的集成、BIM信息访问与控制、基于BimQL的设备信息检索与更新及维修管理业务的逻辑处理流程。

3)表现层：基于BIM Surfer平台获取逻辑层处理结果数据，进行模型渲染及其各种属性的展示，并根据业务需要从属性中提取维修业务管理信息，分类形成不同管理内容的应用模块。

4)应用层：根据业务功能类别的不同，划分为系统管理、可视化管理、维修计划管理、维修过程管理、备件管理、知识库管理等6大模块，这层是最终呈现给用户的界面。

3.2 平台功能

3.2.1 设备三维可视化

1)BIM模型管理

当登陆完成后，进入系统的第一个模块即是三维可视化模块。BIM模型被分成暖通、水工、建筑、电气、金结、水机等部分，不同类型的维修人员被赋予不同的子模型访问权限(在系统管理中设置)。如电气维修人员可以查看水工和电气部分的模型，在进行可视化操作时，这两部分数据被同时加载，既保证了模型安全，又减轻了不相关的子模型对电气维修人员管理工作的干扰。在BIM模型结构树左侧，集成了部分BIM Server支持的插件，包括IFC数据解析组件、渲染引擎等，使用者可以根据需要进行合理的配置。

2)构件检索与属性展示

BimQL暂不能新增属性参数，只能在原有基础上进行更新，因此为使用BimQL实现模型维修信息的动态修改，本平台采用的IFC数据模型内置了大量待确定参数，在维修管理过程中，对这些参数进行自动赋值。此外，平台对BimQL进行了进一步的封装，用户仅需通过在输入框中输入查询条件，即可完成构件的快速检索，如图6所示。

3)维修模拟

首先对设备中各细粒度的零配件进行实体定义，接着通过检索关联实体IfcRelSequence获取各零部件的维修先后顺序，即可在模型视图中对设备维修过程进行三维模拟，增强维修人员的技术水平，如图7所示。

图6 构建检索与属性展示

图7 三维维修模拟

3.2.2 设备维修计划管理

设备维修计划管理主要实现对中长期维修规划、三年维修滚动计划、年度维修计划及设备巡检计划的有效管理。首先通过对IFC模型文件的检索，根据实体定义及预定义类型获得机电设备的分类清单；接着依照知识库的历史经验及规章内容(需要用户提前根据相关规定提取有关信息录入知识库管理)对各类型设备的维修计划进行初始化安排；接着计划制定人员可以在此基础上针对泵闸及区域用电安排的实际情况进行微小的修改，即可完成计划的制定。

3.2.3 设备现场维修管理

设备现场维修管理主要是对维修人员在机电设备维修现场产生的各类数据进行管理，包括各类设备的维修规程/电气设备维修前填写的工作票、设备维修完成后填写的维修单及设备大修完成后进行的试运行工作报告等。

3.2.4 备件管理

备件管理主要包括备件采购计划管理、备件库存管理及合格备件供应商管理3部分。通过维修计划建立备件采购计划，包括用于定期维修的一次性采购和用于不定期维修的年度采购计划，并进行采购活动，对不定期维修所需备件进行验收入库，定期维修所需备件进行使用、登记，并根据实际情况对供应商进行评价，作为后续选择供应商的参考意见。在非定期维修备件验收入库后，对其进行库存管理，包括领用登记、退料登记等。

3.2.5 设备维修知识库

1)规章知识库：存储设备维修有关的国际公约或法规、国家法规、行业法规、行业规章、属地规章、企业规范及其他规章制度等内容，用于指导维修管理的相关活动。

2)历史经验知识库：不仅包括泵闸工程自身在维修管理活动中产生的大量文件，而且对以往其他泵闸工程、市政项目等工程在设备维修领域的优秀行为及事故进行收集统计，为设备维修管理的决策判断提供大数据基础。

3.2.6 系统管理

系统管理模块的主要功能包括以下几个方面。

1)访问控制：基于RBAC(Role-Based Access Control，基于角色的访问控制)原理，创建用户组，并根据各组工作内容的不同，授予各用户组不同的平台操作权限；接着通过确定各用户所属用户组类别，进行用户的权限管理。

2)安全审计：记录用户在系统中的访问及操作痕迹，检查、审查和检验操作事件的环境及活动，从而发现系统漏洞、入侵行为或改善系统性能的过程。