BIM+GIS技术在公路隧道机电系统中的应用探讨

编者按：为了解决高速公路隧道机电系统维护量大、效率低、成本高的问题，文章引入BIM+GIS技术，借助BIM+GIS技术的可视化和共享数据信息的功能，整合了高速公路隧道机电设施运维数据库信息，通过BIM+GIS技术，实现高速公路隧道机电设施运维综合管理平台的构思。文章提出了BIM+GIS技术构建高速公路隧道机电设施运维的综合管理平台和多方面功能的构思。根据多年高速公路机电工程从业经验，探索了在高速公路机电工程维护阶段引进BIM+GIS技术进行管理的可能性和必要性，分析了BIM+GIS在机电工程管理中的具体应用，论证了BIM+GIS技术应用的可行性和实用性，展望了BIM+GIS技术在高速公路机电工程施工中的应用价值和广阔前景。

课题研究的现状

据统计，1988年，我国内地建成了第一条高速公路，实现了零突破，此后，我国高速公路建设突飞猛进，截至2013年12月底，我国高速公路总里程达104468km，已经超越了美国的9.2万km，居世界第一。

虽然我国高速公路总里程位居全球第一，但是高速公路隧道设施的运维成本占设施全寿命周期成本的80%左右，且运维中故障发生的概率都是随机的，而传统的设施管理办法是监控管理和设施数据库管理分开独立的，有些地方还存在手工文档管理的模式。

目前，我国高速公路管理机电系统设备养护主要依靠养护人员日常人工巡检，各类资料仍主要以书面纸质存档为主，不便于记录、查询、保存，尤其不利于数据资源的收集与共享，亟需更好的信息化工具为高速公路机电系统设备养护管理提供长久有效的支持，提升高速公路养护的信息化、智能化程度势在必行。

课题研究的内容

本文主要讨论BIM+GIS技术在高速公路机电系统的应用。通过讨论BIM+GIS技术集成，构建三维立体、智慧、可感知的建筑运维服务管理平台。从而实现高速公路隧道机电系统运维阶段的智慧管养。进而论证了BIM+GIS技术应用到高速公路隧道机电系统中的必要性和可行性。

课题研究的意义

在我国社会经济飞速发展时期，高速公路建设所起到的关键作用更加凸显，在机电工程建设技术不断革新的背景下，对我国高速公路建设带来了一定的挑战。目前，BIM技术在国外的工程管理上已得到大量应用，其产生的社会效益和经济效益得到业界广泛关注和普遍认可。

传统使用的工程管理系统，手二维平面模型或不精确的三维模型对系统拆分的限制，在管理中往往是以某个系统分部或者节点作为最小管理单位来进行整个系统的信息及管理，其精确性、可视性和交互性不足，使得發生故障时不能为维护人员提供和传达直观的信息和位置，从而影响工作效率。而BIM+GIS技术在高速公路机电系统运维阶段有明显的优势，鉴于其管养需要很大的成本支撑，借助BIM模型可以有效组织和管理隧道养护阶段的资源，同时，通过GIS技术搭建外围地理环境信息库，为隧道工程的综合管养提供科学支撑。因此，运用先进的新技术，加强高速公路机电集成，达到降本增效就显得极为重要。

因此，BIM模型和GIS技术的集成应用，对于全面掌握隧道的运营安全、可靠、稳定以及有效利用资源具有降本增效的重要意义。此外，我们在高速公路机电工程建设管理中应用高科技的BIM+GIS技术有利于我们提升高速公路运行中机电系统的工作效率，为我国交通事业的发展提供助推力。

隧道机电系统应用BIM+GIS技术概述

概述

目前，建筑行业项目的常见生命周期分为四部分，即规划与设计阶段、施工建设阶段、运营与维护阶段和报废拆除阶段。其中，运维阶段的资金成本构成了建筑全生命周期的绝大部分，占总成本的82.5%。

由此可见，运维阶段是项目生命周期的重要组成部分，其管理是否高效是项目运维阶段首要考虑的问题。但是我国目前建筑行业管理模式粗放，传统的运维管理与服务主要是通过简单的二维或三维图形和纸质资料汇总来保存建筑项目各个阶段的信息资料，以满足项目在运维阶段的管理需求，显然，这种方式存在很多的弊端，主要体现在：

（1）建筑运维信息保存时间有限，易丢失或篡改，其准确性与安全性无法保障。

（2）运维数据时间跨度大、周期长、内容层次复杂，数据量往往很庞大，在查找时需要阅读大量信息，因而效率低。

（3）运维数据难以实现纵向关联，例如，涉及到设计变更，变更信息难以及时反馈到图纸上。

（4）运维阶段管理与服务难度和经济、时间成本提高的主要原因是运维阶段数据的集成与传递缺少高效管理。

因此，项目建设阶段就需要建立建筑设备维护数据库，完善运维管理系统，解决传统运维服务存在的问题，构建三维立体、智慧、可感知的建筑运维服务平台。

1.BIM技术

BIM（Building Information Modeling）技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础。

BIM是以三维数字技术为基础、集成建筑工程项目相关信息的工程数据模型，包含了设计、施工、运维过程的参数信息。BIM技术模型能够整合分散信息源，为隧道的智慧管养提供有效的数据支撑和可视化检测。

2.GIS技术

GIS地理信息系统（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS是以空间分析、空间数据库和三维可视化为核心，以地理空间数据为对象进行存储、管理、分析、显示和描述的信息系统。目前，应用GIS技术，设计出了公路隧道信息管理系统，为用户提供了准确的“建、管、养、运”数据。

3.BIM+GIS技术的集成应用

GIS侧重于宏观地理空间的信息表达，一般对于隧道内部或结构等信息采用生成外部模型的方式。因此，缺少隧道内部信息，而BIM模型在构架隧道三维空间信息和结构性能方面有着强大的能力。

将BIM模型和GIS技术结合起来，实现BIM模型与二维、三维地理信息的交互融合，延长高速公路机电系统的使用寿命、降低高速公路机电系统维护成本、提高运营管理效率，为运营管理、科学决策提供技术支撑，最终实现高速公路机电系统的“智慧管养”。

在BIM+GIS模型中，可以随时查看机电系统设备的设计参数、工作状态、维护预案、维护记录、维护路径等信息，而且当配套设备发生故障时，可以快速、准确地通过模型对故障设备进行三维定位，帮助维护人员快速分析故障原因、调用并显示相应的解决方案。

隧道机电系统智慧管养系统平台框架设计

公路隧道机电系统智慧管养系统平台是基于BIM+GIS技术，获取隧道基础信息数据以及实时状态信息，实现基础数据管理、使用性能检测、安全评估预警等功能。将现场业务系统以及外场健康检测设备的信息，融合云计算、云存储、数据仓库，以及大数据分析处理等技术，对隧道基础设备设施的生命周期、养护信息、运行信息进行深度挖掘、关联分析与预测分析。建立系统设备设施管养模型，通过BIM+GIS技术将隧道管养检测信息可视化，为隧道养护部门提供有力的决策和支持。

隧道机电系统使用性能数据管理系统

公路隧道使用性能数据具有种类繁多、受环境因素影响等特性，主要包括隧道机电系统基础数据、隧道机电设备监控检测数据和隧道机电设备维修数据。

1.隧道机电系统基础数据

将隧道机电系统建设过程中的基础数据，主要是隧道种类、隧道机电系统组成，及公路隧道机电系统施工技术等信息分类整理后录入数据库中存储。

2.隧道机电系统设备设施检测系统

隧道机电系统设备设施处于健康状态是保障隧道安全运行的充分必要条件。该系统主要应用传感技术、自动化数据采集和传输技术、统计分析技术、数据库技术、网络技术等构建一个智能化的系统开展日常检查、定期检测、特殊检测和专项检测，为相关管理人员提供及时的现场监测数据信息。隧道检测系统主要包括：视频检测、车道线圈检测、风速风向检测、光亮度检测、感温光栅火灾检测等部分，通过传感技术、自动化数据采集和传输技术，对现场数据进行预处理，将其转化为能够进行状态实时监控与决策的结构化数据存储于云平台中。

3.隧道维修数据

隧道维修数据主要为隧道的维修记录，包括维修内容、维修工艺、材料等，采用三维分布模型对应，从而有助于后续的数据挖掘与分析。

通过创建BIM模型集成隧道基础数据，以及无线传感器技术采集到的隧道监控检测数据和隧道维修数据等信息，融合多维GIS技术，形成多维度的信息模型数据库，实现管养信息的可视化。管养人员可通过人机交互界面实时掌握隧道运行属性，了解隧道结构、设备分布、维修记录等信息。

4.隧道机电系统安全评估预警平台

应用GIS技术，采集隧道机电工程施工参数、隧道机电系统设备设施实时监测信息，将检测到的信息和BIM模型进行集成整合。应用神经网络、机器学习技术等算法进行大数据层次的挖掘，并对未来隧道运行进行辅助分析评估，并对可能存在的风险进行分析、评估、告警，实现主动实时的安全管控，如图2所示。

将隧道检测系统得出的检测结果分别传输到设在现场和设在管理中心的计算机上。使用预测模型和关联分析，对检测信息进行数据分析与挖掘，形成不同的评价方法，对准则层的危险等级进行划分，从而得出目标层的危险等级。最终形成隧道安全分级的预警体系，同时对设计模型进行修正，最终形成目标系统应用平台。

结论

基于BIM+GIS技术在高速公路机电系统中的应用，可实现高速公路机电系统在运维过程中的信息数据静态和动态管理，该系统的应用可以节省大量的运维阶段的人力物力，大大提高运维管理的工作效率和质量。本文通过对目前BIM+GIS技术在高速公路机电系统中的应用探讨，得出结论：基于BIM提供的信息共享展示平台，应用BIM建模技术，利用高速公路机电系统集成设备信息的BIM+GIS模型对高速公路机电系统中的设备信息数据进行快速查询与汇总，从而建立设备运维管理与服务数据库，通过BIM提供的运维数据模型共享平台，使参与高速公路机电系统管理、维护等参与方对系统的运营与维修的管理服务信息进行共享，实现智能、高效且直观的操作和维修服务高度集成到平台化管养。

这不仅消除了传统信息不对称弊端，而且平台化运营可实现快速查询、设备信息的数据汇总和统计功能，大幅度延长运维数据保存时间，提高数据信息反馈速度与安全性，为机电系统设备运维管理节约时间、节约成本、提高工作效率。但是，该智慧运维服务系统开发尚处于初步阶段，该阶段的数据信息和技术标准还不够完善，仍需继续深入研究相关数据的存储、整合、优化及技术标准制定等问题。进一步完善运维BIM+GIS展示平台管理系统，以便尽早推广应用，服务于實体工程。

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作者简介：胡永亮（1987—），甘肃白银人，技术人员，助理工程师，现就职于甘肃陇原信息科技有限公司。