基于BIM 的大坝运维期监测信息管理平台开发研究

贾宁霄 包腾飞 吴 阳

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，南京 210098；3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098)

信息的存储和交换模式一直被认为是BIM 技术的核心，为了实现不同专业、不同设计软件之间的协调，国际协同工作联盟(International Alliance for Interoperability，IAI)发布了基于建筑对象的工业基础类模型标准IFC[1].IFC标准的出现为BIM 技术的信息存储和交换提供了新的思路，并且已成为各国建筑BIM 标准的组成部分.

在水工领域，人们也在积极探索基于BIM 的信息储存和交换方法，力求与传统建筑行业接轨，然而在实践过程中，人们逐渐发现了BIM 技术在水工全生命周期，尤其是运维期上的不足.与传统建筑行业相比，水工领域的BIM 发展缺乏统一标准、涉及专业繁多、数据量庞大；大坝进入运维期后，监测仪器依然不断地产生大量数据，时间长达数十年之久，在此期间若不进行有效的管理，及时分析，监测数据的有效性就会大打折扣，甚至会影响大坝安全评定的结果.现行的基于IFC 的BIM 标准皆以建筑设计为中心，不能进行灵活的定制和扩展，其*.ifc文件必须通过building SMART 的认证才能成功输出[2]；加之IFC结构较为复杂，不适合中小型单位进行标准化定制，因此在权威机构提出行业标准之前，IFC还不能成为解决大坝运维期监测信息管理的最佳手段.

为了解决上述问题，弥补IFC在实际应用中的不足.本文以Microstation平台为基础，研究了其信息储存和交换方法，为大坝运维期监测信息管理提供了思路，并通过二次开发，以某拱坝项目为例来验证本文提出方法的可行性.

1 Microstation平台BIM 信息架构

1.1 Microstation平台简介

Microstation是Bentley公司开发的一系列BIM设计软件的基础平台.平台使用统一的*.dgn格式文件，保证了信息交流的畅通无阻，并且提供了丰富的接口，支持二次开发[3].Microstation在BIM 时代之前就是优秀的三维CAD 设计软件，在GIS领域有广泛的应用，进入BIM 时代后，依托其强大的三维可视化能力和信息管理技术，很快就成为市政、水利等领域BIM 软件的重要组成部分.

1.2 Microstation平台内部信息架构

Bentley软件经过多年发展，已经形成跨多行业的庞大体系，虽然图形界面都以Microstation平台为基础，但各专业软件的非图形数据依然使用各自的信息架构.为了解决BIM 时代日益严峻的数据交互问题，Bentley公司开发了工程信息框架(Engineering Content Framework，简称EC框架)作为其平台内部的信息储存和交换标准.

EC框架以dgn文件为载体，采用XML 代码储存信息，支持灵活的自定义功能[4]；能够自解析，不依赖于特定软件，支持Bentley体系中的所有软件.EC框架采用了面向对象的概念，使用表-类-实例的结构定义和存储信息.EC 表(EC Schema)是EC 框架的核心，每个dgn 文件可以有多份EC 表；EC 类(EC Class)是EC表中的主要成员，其中包含有EC 属性(EC Property).当EC属性被数据填充后，则形成EC实例(EC Instance)，EC 实例可被附加在图形元素上，成为图形元素的非图形属性.EC表则相当于一个数据库，EC 类、EC 属性和EC 实例可以类比为数据库中的表、字段和数据行.EC框架在dgn文件中的基本架构如图1所示.

图1 EC框架的基本架构

新版本的EC 框架还支持定义EC Relationship Class和EC Relationship Instance，以实现类似于关系数据库中关联数据表和关联数据行的功能.综上所述，使用EC框架，可以很方便地自定义业务数据；对于程序中已存在的非EC 格式数据，通过Microstation平台可以将其转换为支持EC框架的*.i-model文件，实现数据交换；除此之外，采用XML 作为储存格式的特性也决定了EC 框架与IFC 具有良好的兼容性.XML是一种半结构化的标记语言，具有独立性强，易扩展的特点，并且拥有描述复杂数据的能力[5]，与使用EXPRESS语言的IFC文件相比，有诸多的相似性.两者之间的相互映射关系也是人们研究的重点，付秀娟[6]通过研究EXPRESS与XML 的映射机制，实现了数据交换系统的开发；魏群[7]通过研究EXPRESS的数据模式，实现了EXPRESS 向XML及关系数据库的映射；因此，当新的IFC标准出台后，自定义的EC 框架也可以转换为IFC 标准数据.张毅[8]等人便利用EC 框架，成功实现了铁路领域的IFC Schema扩展，实现了由EC向IFC的转换.

1.3 Microstation平台外部信息架构

除了使用EC 框架作为内部信息存储和交换的方式外，Microstation平台还支持连接外部数据库条目.平台支持采用ODBC、Oracle、OLEDB 等方式连接数据库，数据库连接信息以EntityNumber 和MSLINK 的形式记录在图形元素上.EntityNumber和MSLINK 均为int32类型整数，属于DatabaseLink类的一部分，前者指向数据库表，后者指向表中的数据行.与Microstation平台建立连接的数据库会事先建立mscatalog表，其中记录了EntityNumber和其他表的对应关系，每张表也会增加MSLINK 字段，以标识表中的数据行，其关系如图2所示.通过这种方法，平台中的图形元素便会和数据库中的数据行建立关联，并且只要EntityNumber和MSLINK 的关系不被破坏，数据库信息的改变就不会影响关联关系.这种外部信息架构十分适合可变数据与图形元素之间的绑定，并且类似于“指针”的连接方式，既可以保证连接的紧密性，又可以显著减少dgn文件的大小.

图2 Microstation平台外部信息架构

2 某拱坝监测信息管理平台的创建

Microstation提供了丰富的信息开发API，本文在深入研究Microstation API的基础上，利用C#编程语言，以定制化的Microstation平台为基础，实现了基于EC框架和数据库技术的监测信息管理平台程序的编写，平台主要分为仪器信息管理模块和监测信息管理模块，技术具体实施方案如图3所示.

图3 平台技术实施方案

2.1 仪器信息管理模块

2.1.1 实现方法

仪器信息管理模块编程的目标是实现EC 属性的建立、连接、查询和删除功能.EC 属性的建立主要依靠Microstation API下的ECSchema、ECClass和ECProperty类来实现，通过new 操作符创建新的EC表、EC类和EC属性，并通过属性传递参数来设置三者的名称和显示标签，名称是实例在程序中使用的称号，只支持英文，显示标签则是实例在与用户交互时使用的名称，可以使用中文.用户界面采用winform编写，通过Treeview 控件临时记录用户填写的信息，当填写完成后，利用循环语句将Treeview 控件节点上的信息全部写入新建的EC表中.

连接图形元素之前要建立EC 实例，使用DgnECManager类下的LocateSchemaInScope方法定位EC表，并通过GetClass方法定位表中的类.图形元素的定位则使用DgnElementSetTool类中的OnDataButton方法.最后，将用户输入的数据传递给属性后，使用CreateInstanceOnElement方法将实例附加在图形元素上.

查询属性时，使用OnDataButton方法定位图形元素，并通过FindInstances方法获得图形元素上的EC属性，并将其传递给图形界面.删除属性则通过类似的方法，在定位图形元素后，使用Instance类中的Delete方法删除实例.

2.1.2 仪器信息管理模块的应用

本文采用某拱坝项目监测仪器信息及其监测数据作为数据源.坝内监测仪器包括应力计、温度计、无应力计、正倒垂线等.拱坝BIM 模型已提前创建，由于监测仪器体积较小，因此在模型中使用球形单元来表示.监测仪器信息包括仪器型号、埋设坐标、使用状态、仪器参数等信息，使用“创建EC 属性工具”创建新的EC表、EC类和EC属性，如图4所示.

图4 创建EC属性工具

EC属性创建后，使用“连接EC 属性”工具为图形元素添加EC实例.以第14号坝段的T65DB14温度计为例，温度计型号为LN-T，量程-30℃～+70℃，电阻温度系数为5，高程560m.录入该温度计信息后，通过鼠标选择对应测点单元，即可将EC实例附加在图形元素上，如图5所示.

图5 将T65DB14温度计仪器信息附加在对应测点上

EC实例连接成功后，使用Microstation自带的属性查询工具即可实现EC 属性查询.查询工具除了实现查询功能外，还可以通过在工具框中修改数值，实现EC 属性修改功能，修改后的属性会保存在EC实例当中，如图6所示.

图6 查询元素EC属性

2.2 监测信息管理模块

2.2.1 实现方法

平台数据库采用微软SQL Server数据库，数据库连接方式为ODBC.连接至平台的数据库表应经过事先处理，添加mscatalog表和MSLINK 字段，除此之外，对数据库其它字段的类型及数目没有明确限制.当界面初始化时，新建SqlConnection类的实例，将数据库信息传递给ConnectionString属性后，使用Open方法开启数据库连接.数据库查询使用SQL语句，获得数据库表对应的EntityNumber 值和MSLINK 值，并与数据库连接参数一起作为实参传递给DatabaseLink 类的CreateDatabaseLink 方法，从而创建DatabaseLink 类的实例.通过GetLocatedElement方法获得选中的图形元素后，使用方法AddDatabaseLink将DatabaseLink实例传递给图形元素，实现图形元素与数据库行的连接.

查询元素数据库属性时，通过GetDatabaseLinks方法获得元素上的EntityNumber和MSLINK 值，并使用SQL语句查询，实现对应数据库数据的提取.

用户界面使用WPF编写，提供了丰富的查询选项.由于连接至图形元素的仪器属性在数据库中所包含的字段数目不尽相同，因此使用WPF 中的Data-Grid控件作为数据显示方法，DataGrid控件可以直接与数据库行进行数据绑定(DataBinding)，表头数目会根据数据库表中字段的多少进行自动调整.当数据库数据产生变化时，其变化会直接反映到用户界面，在用户界面修改数据后，结果也会同步记录到数据库中.

数据分析功能也通过WPF 的数据绑定功能实现，根据监测仪器种类的不同，提供不同的分析结果.当数据库中记录有仪器图片及说明文档等信息时，利用WPF控件，可实现图片及PDF文档的查看功能.

2.2.2 监测信息管理模块的应用

进入工具界面会进行初始化，连接至数据库.进入“创建元素与数据库连接”界面后，选择需要连接的数据库表，表中的数据行会显示在右侧的DataGrid控件中.DataGrid控件可进行排序查找操作，除此之外，也可手动输入SQL语句进行查询.选择表格中的数据行以及图形元素后，点击确定即可完成连接，如图7所示.

图7 创建元素与数据库连接

同一图形元素可以连接多条数据行，因此查询界面可根据数据表或MSLINK 值来指定需要查询的数据行，当明确对应的MSLINK 值时，可直接选择MSLINK 值进行查询，但更多情况下，这一数值是未知的，因此提供其他查询方法，例如根据埋设坐标查询，如图8所示.利用DataGrid控件，可以实现查询界面的数据修改功能，在表格中修改数据，点击确认后，完成修改的数据会直接记录到数据库中.

图8 元素数据库属性查询界面

若存在监测仪器测值信息，点击“测值信息”按钮会进入分析界面.根据监测仪器的不同，数据呈现的方式也不尽相同.当监测仪器为温度计时，测值信息界面将生成指定时间区间内的温度随时间变化曲线，并筛选出异常数据点，而当监测仪器为应力计时，图表还包括3个方向上的应力随时间变化曲线，如图9所示.

图9 S9-01DB14应力计测值信息

2.3 基于BIM 的拱坝信息管理平台分析

与传统基于IFC的BIM 信息储存和分类方法相比，平台基于EC框架的信息管理方法可以方便灵活地实现数据的分类、读写，具有较强的定制化能力，其基于XML的树状数据结构也为未来的格式转换提供了便利.然而，EC框架定义于dgn文件内部，无法处理大量数据，因此只适合于数据量较小，且不会频繁变化的属性.

针对大数据BIM 管理，平台采用数据库和BIM模型相结合的方法，既包含了监测仪器信息，又包含了测值信息，数据的提取和处理也更加方便.由于数据存储在dgn文件外部，文件体积也得到了控制.然而，要想查询数据库信息就必须保证数据库平台始终在线，当出现网络故障或其他因素时会导致无法查询，这对运维管理人员提出了一定的挑战.

与传统的只通过数据库管理信息的方法相比，平台采用在BIM 软件的基础上进行二次开发的方法，可以实现BIM 模型与BIM 信息的强关联关系，使存储的信息不易丢失；BIM 软件提供的三维模型展示功能可以实现信息的可视化，为管理者提供更直观的管理界面；由于BIM 信息交流的便利性，平台信息的读写不仅局限于运维阶段，也可以在设计、施工等各个BIM 阶段进行，实现了信息的有效沟通，可满足拱坝全生命周期管理的要求.

3 结 论

在我国大坝筑坝数量整体减少的趋势下，运维期BIM 技术的研究及应用将对我国大坝安全管理的质量和效率产生深远的影响.本文以Microstation平台为基础，结合了EC 框架和数据库技术，建立了大坝安全监测仪器信息管理平台，实现了信息的增、删、查、改功能，为运维期大坝安全管理提供了思路，弥补了BIM 信息缺失的不足.主要得出以下结论：

1)EC框架支持灵活扩展，信息录入简单快捷，与BIM 模型关联紧密.因此适宜中小型单位自行定制BIM 信息框架，以作为BIM 信息的补充.

2)在Microstation平台基础上建立BIM 模型与数据库条目连接，实现监测数据与BIM 模型的关联，解决了EC 框架不支持大数据存储的弊端，提高了BIM 信息管理的效率.

然而，水工行业BIM 数据与传统建筑行业BIM数据进行对接时会出现信息丢失的情况，数据之间传递效率低，其解决方法还有待进一步研究.