基于BIM+移动技术的道路资产点检研究

2019-03-14,,

公路工程 2019年1期

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(1.上海大学上海城建建筑产业化研究中心，上海 200072； 2.上海大学土木工程系，上海 200072; 3.上海大学悉尼工商学院，上海 201400)

0 引言

截至2016年，全国公路总里程469.63万km，居世界前列，其中养护里程459.0万km，占公路总里程97.7%[1]。随着我国路网系统的逐渐完善，管养任务加重，我国逐渐摒弃过去“重建轻养”的错误思想，转向“建管并举”，道路管养已逐渐成为道路工程领域重点，面对管养需求的提高，我国在《公路桥梁养护管理制度》中已规定要求大力推广应用公路桥梁管理系统[2]。在道路管养过程中，资产点检将为管养数据库提供基础数据，直接影响道路资产管养效率和质量。

自加拿大、美国等国家发明“路面管理系统(Pavement Management System)”后，世界各国道路资产管养技术和手段正逐渐完善。Subhi M.Bazlamit等[3]基于GIS技术开发道路网络数据库，通过确定路面状况指数(PCI)来评估路面状况，建立新的路面养护管理系统(PMMS)，为道路管理提供系统化的方法。Satoshi Kubota等[4]提出四维信息管理系统，收集、积累、分享和利用四维信息，该系统由空间数据基础架构、道路模型、通用系统界面、通用功能、道路数据库和应用系统等组成。具有施工模拟、进度管理和四维信息展示等功能。胡珉等[5]设计开发可视化、智能化的隧道运维决策系统,提供运维决策，为城市公共设施管理探索出一个新的方法。刘向阳等[6]结合BIM技术，从公路的全寿命周期出发，创建BIM多元信息数据库，为道路信息化管理提供了新的技术。综合国内外研究可知，目前我国城市道路管养系统发展迅速，信息化程度已经较高，但是在资产管理和数据采集方面还存在不足，需要提高资产采集效率，增强可视化、协同化管理。随着信息技术和计算机技术的发展，BIM技术日趋完善，因具有可视化、信息化、协调性等特点在工程领域被逐渐推广使用，但在道路养护中应用较少[7]。

本文针对现阶段道路资产点检所存在的问题和特点，从全生命周期出发将BIM技术、移动技术[8-9]和GIS技术[10]等现代化技术联合，通过建立道路工程运维信息模型标准将数据和模型统一标准化，根据标准和相关资产信息开发三维建模辅助工具，快速建立道路资产管养模型及BIM模型库，并建立三维空间数据库，实现资产信息三维可视化。基于以上研究，设计开发移动资产点检系统，实现可视化、协同化、智慧化的道路资产点检。

1 道路资产点检问题分析

道路资产点检是城市道路管养的重要组成部分，现阶段道路资产呈点多、线长的特点，面对海量、复杂的资产信息，资产点检具有一定难度，资产点检存在以下问题。

a.信息采集方式落后。

道路资产呈点多、线长的特点，目前资产采集信息往往以表单、图片等形式手工记录，依赖人工、耗费时间，定位常采用相对测量的方法，坐标位置不精确、表达不清晰。采集的资产数据信息化、标准化不足，查找不便、定位困难，深入分析与应用较少。

b.可视化应用不足。

道路里程长，沿线资产数量、类型众多，传统的资产点检、管养一般基于二维地图，处于二维管理阶段，现势性弱。道路及资产相关数据异构复杂，管理人员面对一些文字、表格式的数据信息，资产与信息一一对应提取、查看困难，无法直观了解实际空间位置及道路、道路附属设施、隐藏结构的立面信息，难以确定目标之间的相对位置关系和相关数据，不利于资产的查询、定位、管理、分析。

c.协调性管理不足。

在目前的道路资产养护过程中，涉及政府管理部门、管理运营单位和施工单位等多个部门单位。管养过程中同时会产生许多检测、保养、维修等纸质文本信息，各部门因具有不同的工作流程和内容，通常具有不同的管理平台系统或数据存储格式，导致信息分散异构。资产点检数据难以被各参与单位有效利用，造成信息资源浪费，数据分析、共享和深度挖掘不足，决策者难以获得有效的决策支持，各部门的工作难以高效协同。

2 资产信息三维可视化

针对资产点检存在的问题，通过对道路工程运维信息模型标准、三维参数化建模和三维空间数据库进行研究，实现三维可视化资产点检。

2.1 道路运维阶段信息模型标准

将数据统一标准化是后期进行数据共享与处理的基础[11]，目前我国道路运维阶段信息模型标准还不完善，缺乏可操作性。本文参考现有相关国内外政府和企业标准，结合道路资产模型特点和养护过程中的管理需求，基于全生命周期应用角度，提出道路运维阶段信息模型标准，核心内容见图1。标准从元数据视角描述城市道路养护数据，覆盖管理过程中的公共数据、专有数据和逻辑关联等。

图1 道路工程运维信息模型标准Figure 1 Road project operation and maintenance information model standards

基于线分类法和唯一性原则，进行道路资产的分类与编码，分类与编码如图2所示。编码共计22位，分为项目代码(4位字母)、空间划分代码(6位数字)、设施设备分类代码(6位字母)与拓展码(6位数字)。空间划分代码将道路按桩号划分，便于设施设备的空间定位和网格化管理，设施设备分类代码根据对象特征分为三大类，覆盖设施、设备、绿化、监测等所有管养对象，拓展码主要为序号码和需要继续细分的设施设备分类代码，根据需要进行选用，通过编码可以查找、定位任一资产，实现资产信息与BIM模型精确关联。标准对模型精细度(LOD)、几何表达精度、信息深度等进行了详细的定义，详细内容见表1～表3，以垃圾箱资产模型为例，各等级模型如图3所示。道路运维阶段信息模型标准为后续参数化建模、三维空间数据库构建、BIM技术应用和资产点检提供统一规范化的数据格式和相关标准。

图2 分类与编码Figure 2 Classification and coding

表1 模型精细度Table 1 Level of development等级简称对应的最小模型单元1级LOD1.0项目级模型单元2级LOD2.0功能级模型单元3级LOD3.0构件级模型单元4级LOD4.0零件级模型单元

表2 几何表达精度Table 2 Level of geometric detail等级代号等级要求1级G1.0满足二维化或符号化识别需求2级G2.0满足空间占位、颜色等粗略识别需求3级G3.0满足建造安装流程、采购等精细度识别4级G4.0满足高精度渲染展示、产品管理、制造加工准备等高精度识别需求

表3 信息深度Table 3 Level of information detail等级代号等级要求(高等级包含等级信息)1级N1.0宜包含模型单元的身份描述、项目、组织角色等信息2级N2.0增加实体系统关系、组成,及材质、性能或属性等信息3级N3.0增加生产信息、安装等信息4级N4.0增加资产信息和维护信息

图3 各等级垃圾箱模型示例Figure 3 Examples of trash models at each level

2.2 道路及资产三维参数化建模

城市道路里程长、资产多、结构复杂，有别于建筑模型，建模工作量大。现阶段建模方法主要分为基于空间信息技术和基于虚拟现实技术的建模方法，但目前基于空间信息技术构建模型的方法受到成本和效率约束，基于虚拟现实技术的建模方法需要手工建模，效率低，且精度难以保证。Revit模型同时包含几何信息与属性信息且Revit API提供大量基类库，因Revit API的灵活性和Revit参数化建模平台的优势，故选用Visual Studio开发Revit建模辅助工具，进行道路资产模型的创建[12]。本文基于信息模型标准，通过对GIS数据进行规范化处理和规定道路模型的组织规则，利用城市道路规划设计参数和GIS数据进行辅助工具开发。开发过程中通过API调用NurbSpline、Sweep、FamilyInstance等类，根据道路定位点坐标调用样条曲线功能生成模型线，或是选择手工绘制、拾取CAD图纸方法建立模型线作为道路中心轴线。拾取轴线通过实体放样生成实体模型并赋予材质、配色作为道路主体模型。然后进行绿化模型和公交站台、管线等附属设施模型的创建，以及对道路结构变化位置进行模型修改，完善沿线设施模型。参数化建立红白杆、垃圾桶等资产族模型组成资产构件库，在道路主体模型中载入资产构件库，通过GIS数据提取资产坐标和编码的 Excel文件等采集信息批量创建资产模型实例，根据资产坐标和编码即可确定资产位置和类型，通过修改模型属性将资产编码添加至模型标记中，实现道路资产模型与编码的动态生成，确保与实际地理位置一致，通过编码实现模型与资产信息的连接，最终形成道路资产管养模型。建模过程如图4所示

图4 道路及资产模型建模过程Figure 4 Road and asset modeling process

2.3 三维空间数据库

道路资产在管养过程中数据主要可分为空间数据和属性数据等传统数据，现阶段资产信息管理多是利用GIS技术将属性数据与空间数据基于映射关系连接并在GIS地图中显示，在可视化、共享性等方面存在不足。本文基于道路工程信息模型标准，利用参数化建模辅助工具建立道路主体模型、资产模型、附属设施模型和绿化模型等共同组成BIM模型库。将传统资产管养数据与BIM模型数据分别导入传统数据库和BIM模型库，通过编码将传统资产数据与BIM模型关联从而建立三维空间数据库。利用编码将两种数据连接，利于信息的存储、修改，满足海量数据管理，三维空间数据库如图5所示。基于三维空间数据库，在管养平台中实现资产信息三维可视化显示以及多方的数据共享、协同管理等服务，管理人员需要查看资产管养信息时，选择BIM模型库中对应资产模型即可通过编码从传统数据库中提取相关信息，信息显示更加全面、直观，有利于协调各专业，减少不同专业间的误解。

图5 空间数据库Figure 5 Spatial database

3 移动资产点检系统设计

该系统开发平台为Android 版本4.0以上，采用原生JAVA为语言进行开发并采用MySQL开源数据库，数据接口采用HTTP协议进行提交，图片接口采用HTTP协议POST方式进行图片文件上传。

3.1 系统架构

移动资产点检系统架构分为6层，分别为支撑层、数据层、中间服务层、业务服务层、接入层和用户层，如图6所示。支撑层由系统软件环境、硬件和网络环境组成。数据层主要包括道路基础数据、地理空间数据和养护业务数据等管养基本数据。中间服务层主要指软件系统的应用数据基础包括GIS引擎、数据交换引擎等。业务层是移动资产点检系统的核心，是进行资产点检和管理业务处理的集中层，系统基于资产点检的特点和资产录入、存储，以资产点检为核心进行业务功能拓展，包括资产点检、资产数据管理、数据同步、可视化管理等功能。接入层是指与移动点检系统进行数据交换和业务交流的其他系统和接口，包括WEB端管养平台、外部设备等。用户层主要是相关养护管理工作人员。

图6 系统架构Figure 6 System architecture

3.2 系统拓扑架构

移动资产点检系统主要在用于户外资产点检作业，用户通过移动设备进行资产点检，数据通过网络实时存储于服务器，并实时在资产点检系统和WEB客户端管养平台可视化显示与共享，供管理人员进行资产管理，所录入的资产信息为参数化建模提供基础数据，系统拓扑结构如图7所示。

3.3 系统主要功能

系统主要功能为资产点检、数据同步、全景信息、协同工作等功能，具体功能结构如图8所示。

a.资产点检。

图7 系统拓扑架构Figure 7 System topology

图8 系统功能结构Figure 8 System function structure

资产点检是系统的核心功能模块，包括当前位置、附近资产、资产入库、资产列表等功能，如图9所示。基于GIS技术和移动技术，通过资产入库进行资产信息的录入，以信息模型标准为基础，将道路资产数据进行统一标准化存储，包括资产编码、GPS坐标、资产类别、位置、材质等基本属性以及图片等信息。覆盖道路运营管理的多类资产，比如窨井盖、标志牌、垃圾桶等，各类型资产数据格式统一。点检信息实时上传至数据库以及显示在地图中，通过资产列表进行资产数据的管理功能可进行查询、筛选、删除等操作。

b.数据同步。

数据同步功能可实现道路全线数据资源的及时更新和共享，包括资产数据、任务数据和预警数据等，如图10所示。数据的传输与同步是一个在多个地方维护特定数据集的过程，它包括把改变的数据从一个地方传输到另一个地方和保持两地数据的同步。移动资产点检系统数据与管养平台数据实时同步更新，通过安全、高效、完整的数据传输与同步技术使各个分支节点的数据能及时地传输到中心节点，使管理人员能够实时、准确地在管养平台或移动资产点检系统中了解全线道路的资产信息。

c.全景信息。

全景信息功能模块可提升系统可视化与真实性效果，包括路况、全景、网格和服务等功能并可对主要路段进行选择查看，如图9所示。基于网格功能可选择对道路按路段或街道进行分段查看，适应不同管理需求。基于服务功能模块可对管养路段中各类资产、绿化带、桥梁、应急物资等各项设施设备进行筛选并在地图中可视化显示，以及查看投诉列表、预警列表和今日任务等内容。

d.协同工作。

移动资产点检系统具有使资产点检信息、巡检记录、养护计划、投诉情况、预警情况等信息与管养平台同步更新显示功能，同时系统提供任务发布、提醒、审批等功能。对于一些紧急情况如道路病害、垃圾倾倒或绿化病害，因移动设备体积小，更具灵活性，不受空间约束，方便进行户外作业以及其他功能拓展，可通过移动端的提醒功能及时提醒养护人员，并以地图警报的形式展示给养护人员，可显著提高资产管养工作效率和质量。移动点检系统、GIS、WEB端共同组建成一个协同的网络资源。

图9 资产点检Figure 9 Asset inspection

图10 数据同步与全景信息Figure 10 Data synchronization and panoramic information

4 系统应用

该系统以上海市杨高路为应用对象，杨高路是上海市浦东新区的一条呈西南向东北走向的城市主干道，道路里程长，沿线资产多，主要分杨高北路、杨高中路和杨高南路3个路段，共计28 km。该道路从始建至今，经过多次扩建、修建，积累的相关管养信息数据量大，传统的管理系统很难适应该道路资产管养工作。主要应用效果如下。

4.1 资产点检高效精准

采用移动资产点检系统使资产点检变得高效准确，与传统人工巡检相比，在资产点检效率上提升了50%，在巡检质量上提升了80%，资产点检信息如图11所示。工作人员通过移动设备在道路中对资产数据进行坐标定位、信息录入、图片拍摄，与以往手工记录数据方式相比更加全面、精确和信息化，资产点检质量和效率大幅提升。

图11 资产点检信息显示Figure 11 Asset inspection information display

4.2 资产信息三维可视化

资产信息在移动端和WEB端的GIS地图及BIM模型中同步显示，利用GIS地图具有的展示和操作功能，例如遥感地图、全景地图、缩放等可多角度查看资产空间位置，通过在地图中点击资产图标即可查看该资产详细信息与BIM模型。BIM模型定义了三维实体与点、线、面的空间关系，可通过BIM模型直观提取道路中资产信息以及三维空间位置，便于直观查看资产与地下隐藏结构。资产信息显示方式多样化且实现三维可视化，摆脱了过去落后、单一的资产信息管理方式。资产信息可视化显示如图12所示。

图12 资产信息三维可视化显示Figure 12 Three-dimensional visual display of asset information

4.3 资产点检系统与管养平台的融合

基于移动资产点检系统，利用GIS技术、BIM技术和移动技术，建立三维空间数据库，使资产类型、养护历史记录等资产信息可视化显示，有效进行可视化管控。数据信息查询快捷方便，定位精准，保证了资产管理的全面有序，为决策者提供合理决策依据。GIS技术、BIM技术与移动点检系统、管养平台的协同管理功能提高了管理协调性和资产管理效果，确保了资产的安全性，有效地维护了道路的使用价值和功能。