基于本体融合公路BIM与信息检索机制研究

2021-12-22宋占峰方涛李军

铁道科学与工程学报 2021年11期

宋占峰，方涛，李军

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2. 湖南铁院土木工程检测有限公司，湖南长沙 410075；3. 中南大学土木工程国家级实验教学示范中心，湖南长沙 410075)

高速公路作为我国国民经济的支柱产业，其信息化建设是我国现代交通的发展需求。目前，我国高速公路的建设与管理模式仍然采用传统的二维模式，不仅对项目各阶段的信息表达比较分散，而且人与系统之间不能很好地进行信息交互[1]。由于缺乏一个公共的数据管理平台，项目生命周期不同阶段信息的集成比较困难，若要从海量信息中寻找用户需要的数据则更加不易。因此，严重制约着我国公路行业信息化的发展。公路行业信息化发展需解决项目生命周期各阶段信息的集成与交互问题。建筑行业信息集成机制的发展经历了以二维图纸交互为中心的CAD 时代到以IFC 为标准的BIM 时代[2]。然而，IFC 标准在公路领域的推广还存在一些困难，主要原因是公路领域涉及专业众多，各专业语义丰富，IFC 无法实现领域知识的语义和显式化表达[3]。有学者利用Civil 3D 和Revit 在铁路或公路领域进行BIM 建模，例如，何守旺等[4]在Revit 中重建了民用3D 铁路路线对象的仿真。吴楚钢等[5]利用Civil 3D 和Revit实现了道路路基BIM 模型。这些研究表明，通过对Revit BIM 模型的模拟和分析，用户可以全面了解项目。但是，这些研究并没有揭示信息的交互解决方案和专业知识的明确表达，其结果是用户在项目生命周期中很难检索到信息。ZHONG 等[6]提出在模型构建过程中，可以选择本体和语义技术对施工中的技术计划和约束知识进行建模。本体作为现代网络中信息集成与知识表达的解决方法之一，利用类、属性以及关系对领域知识进行全面描述，其构建过程就是把领域知识转化为计算机可理解的具有语义编码的过程，也可用于对大量的信息资源进行语义检索。目前，基于本体的BIM 技术方面的研究主要集中在建筑领域。例如，胡培宁等[7]提出构建基于BIM 和本体的建筑防火设计自动审查系统框架，利用该方法可辅助建筑防火设计，提高防火审查工作的效率和性能。VENUGOPAL 等[8]提出使用本体来改良IFC 标准，以解决IFC在语义表达方面的局限性，使数据交换在语义上功能更强大。LIU 等[9]提出一种基于本体的语义方法，用于从轻型框架建筑BIM 模型中提取面向施工的工程估算信息。LE 等[10]采用自顶向下的开发过程构建公路的等级层次，开发了面向建筑的产品本体。LEE等[11]提出使用BIM和链接数据技术在异构数据源之间以基于本体的方式共享建筑数据。陈贵涛[12]利用Revit PI，OWLAPI 和SWRLAPI 技术，实现了基于BIM 和本体技术的建筑运维管理框架。以上研究尝试利用本体技术解决建筑行业BIM 技术的信息交互等问题，开发了一些有效的方法和途径。AZIZ 等[13]提出了一个集成了高速公路管理局及其供应链的各种技术和系统的平台，允许数据在整个资产生命周期内持续流动，提高工作效率。许多研究者在基于本体的公路BIM 研究方面取得了一定的成果。然而，综合公路BIM 模型的发展还没有得到充分的研究，本体增强的BIM 可视化查询有待改进。本文首先建立基于本体的公路信息集成与交互的体系架构；接着提出通过高速公路概念层次结构和拓展概念属性及关联描述来实现高速公路本体模型构建；第3 部分采用Revit 中自适应构件族创建道路结构基元，建立高速公路普通路段BIM模型；第4部分阐述了基于本体的公路BIM 信息查询机制，通过实例来展示对工程信息的检索；最后进行总结并对后续的研究进行展望。

1 基于本体的公路信息集成与交互

本体为领域知识提供了一个共享的概念资源，它以明确化的形式描述领域概念之间的内在关联，方便用户进行信息检索，实现知识的有效集成与共享，并与外部数据实现关联和跨平台的交互[14]。公路项目全生命周期会产生大量信息，由于不同阶段不同角色的参与，项目相关信息的表达往往是异构分布的。为了实现公路领域知识的一致性表达，并提供给用户便捷、有效的信息服务，需要对不同数据源的信息进行语义集成。基于本体的公路信息集成与交互机制如图1所示，主要包括4 个层面：数据源、本体的构建、本体的进化和信息服务。

图1 基于本体的公路信息集成与交互机制Fig.1 Ontology-based highway information integration and interaction mechanism

1) 数据源。公路BIM 中的数据源表现为从项目的规划至拆除的整个过程中，由不同参与方使用不同应用系统对项目工程描述产生的表格、文档等信息。数据源层为该框架的基础层，主要任务是为本体的构建提供数据基础。

2) 本体的构建。本体的构建即对不同数据源的公路项目信息进行形式化表达的过程。针对不同的数据源可以建立单个的本体，再通过映射算法实现本体之间的语义交互操作[15]，再形成一个完整的公路本体。公路BIM 中本体的构建过程表现为BIM模型的生成，作为集成项目信息的载体。

3) 本体的进化。公路项目整个生命周期是一个动态优化的过程，数据源中的信息随着环境因素以及客户需求等改变而处于持续变化的状态。本体的进化过程就是数据更新的过程，同时将这些信息的变化传递给客户。公路BIM 中本体的进化过程表现为对模型进行信息的插入、提取和修改等。

4) 信息服务。信息服务过程即为实现公路BIM 信息共享的过程，通过语义查询即可实现与公路BIM 模型信息交互。用户能通过不同的系统对BIM 模型进行语义检索，获得准确的查询结果和具有针对性的服务。

2 高速公路本体模型构建

高速公路本体建模是从本质上对高速公路领域知识进行表达，以明确化的概念、关系和属性描述来刻画本体模型。本文建立的高速公路本体是为公路BIM 模型提供概念基础，通过与模型进行关联实现语义检索。高速公路本体的描述可视为公路实体、属性以及实体之间关系描述的总和。根据本体的构建方法与原则，高速公路本体的构建可分为3个部分。

2.1 建立概念层次结构

根据高速公路线状工程的特点，概念层次的构建可分为普通路段、桥梁、隧道等多个子领域，各个子领域又按里程划分为多个分段本体，每个分段本体包括相应的组合模型和基元模型，以基元模型作为基本构成单元，再组合为子领域本体，最后整合各个子领域本体来建立整个高速公路本体模型。高速公路本体的概念层次划分如图2所示。

图2 高速公路概念层次结构Fig.2 Highways ontology conceptual hierarchy

2.2 建立概念属性与关联描述

完整描述一个领域本体，除了对概念层次进行划分外，还需对概念属性进行描述。本体中属性包括对象属性和数值属性。对象属性主要分为4类：部分与整体的关系、继承关系、概念与实例的关系和属性关系[16]，同时还具有空间和时间上的拓扑关系等。数值属性描述的是概念与值的关系，每一个数值属性拥有特定的数值类型。

本文利用本体编辑工具Protégé4.3 来构建高速公路领域本体。Protégé4.3 作为一个免费、开源的本体编辑工具，支持对本体所有属性以及关系的编辑，可对领域本体进行完整描述。本体中的概念、属性以及关系在Protégé4.3 中分别用类、数值属性和对象属性表示。图3展示了高速公路本体的一部分，在图中，“Thing”是本体中的基概念，高速公路继承于“Thing”，代表一个本体。“普通路段”是本体中的根词，“路面”、“路基”分别是“普通路段”的一部分，它们属于从属关系。类与类之间的其他拓扑关系可通过对象属性来描述，类的属性可通过数值属性来描述，例如路面面层的起始里程“里程(S)”以及“体积”属性等。

图3 高速公路本体编辑Fig.3 Formalized highway ontology

2.3 分析详细的逻辑层次结构

公路要素的几何信息和非几何信息是公路逻辑分析的基础。表1显示了高速公路本体详细逻辑层次分析的基础。公路BIM 在本体中的应用基于以下假设：

表1 高速公路的逻辑层次结构Table 1 Highway logical hierarchy

①高速公路是线性的；

②以统一的时间顺序递增地构建。

共有3 个主要的子类，即桥梁、隧道和道路，它们都有关联的数据属性和对象属性，这些属性已经包含在本体工具中。

在本体定理中，命题之间的概念和语义匹配都基于经验事实的有效性和逻辑关系的有效行为前提。例如，“锚杆是初期支护的一部分”，该描述在语义上是正确的，而“钢拱是初期支护的一种形式”，这并不是经验事实的逻辑联系。同时，符合本体模型的二进制组合的逻辑模型为1_1，即主语和宾语正确时值为1，错误时值为0。例如，某些初期支护(X1)_不包含钢拱(¬X2)，但所有初期支护(X3)_均包含锚杆(X4)，因而某些带有锚杆的初期支护(X5)_不具有钢拱(¬X2)。以上描述可以由以下公式表示：(X1_¬X2)＆(X3_X4)→(X5_¬X2)。为了清楚地解释上述公式，给出了表2。

表2 公路隧道构件本体的二元组合模型Table 2 Binary combination model of highway tunnel component ontology

3 高速公路BIM模型实现

研究公路领域BIM 技术不仅可以实现三维实体的可视化，还能以模型为载体集成项目全生命周期的所有信息，为用户提供一个共享的中央数据库。本研究采用Autodesk Revit 来建立面向对象的公路BIM 模型。在软件中通过对模型构件族的参数信息进行更改，便可生成新的模型。通过构建公路领域各类型构造物的BIM 构件族来搭建整条公路各路段的BIM 模型。基于公路本体模型中的概念层次划分，高速公路BIM 模型由普通路段、桥梁段和隧道段BIM 模型等组合而成，各专业的模型以相应的基元模型作为构件族来搭建。本体中概念的属性以及概念之间的关联在Revit 中通过构件族的属性来表达。本文以普通路段为例，阐述高速公路BIM模型的实现过程。

为了有效地描述普通路段的三维实体，将整条公路划分为各20 m 长的本体单元，每个子本体的路基、基层、面层等单元用一个六面体作为构件族。以其顶点坐标作为构件参数来建立路基、基层或面层实体，最终生成整个普通路段的信息模型。Revit 提供对构件族的属性编辑，可通过添加实例参数或类型参数来完整描述该实体(见图4)。

图4 普通路段本体的基元模型Fig.4 Basic-element model of common highway ontology

对基元模型进行实例化后生成的高速公路普通路段BIM模型如图5所示，该模型是三维可视化的公路BIM 本体模型。以该模型为载体，利用构件属性的方式可在项目不同阶段提取、插入、更新其他例如材质、成本、时间等工程信息，用于后期的工程量统计、成本估算、施工模拟以及运维管理等。

图5 高速公路普通路段BIM模型Fig.5 BIM model of highway common section

4 基于本体融合的公路BIM 信息检索

4.1 语义检索方法

公路BIM 模型作为项目全生命周期的数据库，可以为使用者提供各类项目信息。研究基于本体的语义方法对公路BIM 模型中的信息进行检索。将LIU 等[9]提出的体系架构引入基于本体的公路BIM 信息检索系统(见图6)。该系统包括公路本体编辑器、本体推理器，公路BIM 设计模型、BIM数据解析工具和DotNetRDF 工具等。本体中明确了公路BIM 模型中各构件的领域术语，并定义了它们的属性和相互之间的关联，使用户能利用领域词汇来检索BIM 模型中包含的显式或隐式信息，从而解决了用户从大量数据中准确提取所需信息的典型难题。

如图6所示，公路本体建立在形式化的领域概念、属性以及概念联系的基础上，这些概念和关系描述包含了公路BIM 模型中所具有的类和属性。在Revit 中将公路本体中的概念与公路BIM 模型中的图元进行双向关联，通过Revit API 和DotNetRDF 将公路BIM 模型中构件的实例属性值添加到公路本体模型中，形成本体扩展的公路BIM 模型，利用本体内部的推理机制还可以进一步推理出BIM 模型中隐含的信息。同时语义检索的结果能在公路BIM 模型中高亮显示，使用户在可视化的环境下查看检索结果。该系统中的所有模块都可利用Revit API 以C＃语言来集成，整个系统可作为Autodesk Revit的附加插件来实现。

图6 基于本体的公路BIM信息查询系统Fig.6 Highway BIM information retrieval system based on ontology

4.2 语义检索实例

基于语义的查询方法允许用户以灵活、直接的方式从BIM 设计模型中获取需要的信息，提高了信息查询的效率。基于本体的语义查询是利用SPARQL 语言进行检索，SPARQL 是W3C 数据访问工作组针对RDF 资源查询发布的[17]，可以使用形式化的领域词汇进行语义查询。

图7 显示了SPARQL 查询的一个实例，取自某公路隧道BIM 模型。该模型包括初始支管、二次衬砌、仰拱填料、中央排水管等构件。本例的目的是根据体积的属性查询工程材料信息。变量用前缀“?”来表示，SELECT 语句表示要获取的信息，WHERE 里的语句表示检索条件，每一个语句都是“主-谓-宾”的三元组结构。

图7 SPARQL检索实例Fig.7 Example of SPARQL query

在这个实例中，“?Subject rdf:type Volume”表示询问隧道组件对象“?Subject”的体积属性，“?Subject Tunnel_ Ontology: Volume ?Value”显示相应体积属性值。图7中查询结果为二次衬砌混凝土和仰拱填充体积。“SecondaryConcrete‘222.561’”表明该隧道断面第二衬砌混凝土体积为222.561 m3。为了实现上述过程，需要对Protégé构建的本体模型进行改进，具体的方法如图8 所示。将BIM 模型中的数据信息导入本体模型中查询具体项目的相关信息。