基于BIM的摄像技术在隧道运维中的应用探索

李明玉?黄强

摘要：近年来，我国公路隧道建设里程快速增长，但是隧道运维管理中存在技术落后、管理人员配置不足、应急反应迟缓等问题。针对管理中存在的问题，将新型摄像技术引入公路隧道的运维管理，通过制定具体实施规划及设计系统架构，实现可视化的公路隧道运维管理。并且建立基于BIM的公路隧道运维管理平台，摄像技术与BIM技术相结合，为公路隧道运维管理提供一种直观、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

关键词：BIM技术；公路隧道；摄像系统；三维扫描成像；运维管理

一、前言

近年来，随着经济的高速发展，道路建设的重要性变得越来越突出。截至2022年末，全国公路里程达到535.48万公里。其中，公路养护里程535.03万公里，占公路里程比例为99.9%。据统计，截至2014年底，全国建成通车的公路隧道共计10756.7km，同比2013年分别增长12%[1]。近年来，随着计算机和人工智能的快速发展，土木工程领域也在逐步进行智能化变革，首先应用较广泛的就是BIM技术。据交通运输部的发展目标显示，到2025年应达到在一定规模工程建设中全面应用BIM技术[2]。目前，我国对于技术的发展和应用尚处于初步阶段。因此，在公路隧道建设的全寿命周期设计中有效利用BIM技术就更显得很有必要。

公路隧道有它自身的寿命周期，近年来随着交通量迅速扩大，公路隧道在后期的运营和维护过程中也会产生较多病害问题，比如：第一，隧道土建结构病害较多。随着运营周期的增长，受自然气候和地质灾害的影响，公路隧道洞口边坡失稳、结构渗水、衬砌裂缝、混凝土材质劣化、排水系统堵塞等病害日趋增多。第二，运维过程中公路隧道预防性养护开展不足。由于人员配备和资金保障等客观因素的影响，日常的修理与维护深入程度不够，容易忽视小病害问题，持续发展以至于后期出现严重的病害。第三，采用人工和信息化技术手段对病害问题进行监控和预警，但现阶段存在主要信息化程度不高、处理信息能力有限和管理技术落后等问题。第四，隧道交通事故、火灾等安全形势严峻。隧道具有狭长、空间密闭等独特的结构形式，其一旦发生事故或者火灾，将会造成极其严重的后果。第五，隧道专业养护管理人员数量和专业技术能力亟待加强。一方面，公路隧道养护人员配备较少；另一方面，随着信息化程度提高，对现有管理人员也没有系统和科学的日常培训制度[3-5]。

在以往的研究中，曹华[6]通过多种监测技术手段，对监测数据及时进行分析，实现隧道实时监控监测、电缆火警预告和异常报警功能。龚佳琦等[7]通过构建 BIM 数据库与日常监测数据相结合实现了可视化的病害决策分析。常莹等[8]提出信息化管理理念，将工程各阶段的信息储存在BIM云平台，使工程管理更便捷，数据管理更透明化。李俊松等[9]提出利用BIM模型集成隧道信息并模拟火灾险情发生时的人员疏散路径和通风组织。施永泉等[10]针对日益突出的隧道运营养护问题，提出基于BIM技术建立隧道运维管理平台，解决隧道结构复杂、设备众多和巡检问题追溯困难等问题。段友祥等[11]基于Web服务研究和实现钻井工程数据的组织、存储和可视化，随钻测井数据的可视化和解释，钻遇地下地质对象的可视化和分析等。深入研究了随钻过程的工程过程及关键技术，得到了随钻钻井及测井过程中各种数据的获取、表示方法，基于Web服务设计和实现了多源随钻信息的可视化。解晓明[12]针对工程全寿命周期的运维管理进行了研究，从进度、质量、成本管理方面分析了BIM技术的优点，解决了运维过程中出现的问题，提高了项目的可控性和管理的效率。

总结上述问题得出，现阶段开发公路隧道信息化运维管理显得很有必要。它不仅能提高监测效率，而且能够节省人力和大大增加病害监测的准确性。本文针对运维阶段公路隧道出现的病害问题，以BIM技术和现场预埋传感器等技术手段，构建基于BIM技术的公路隧道运维系统。该系统用于解决目前管理中存在的技术落后、效率低的问题。

二、BIM技术在公路隧道运维阶段的应用

现阶段我国在公路隧道信息化运维管理中仍存在很多不足，主要存在以下几个方面原因：第一，老旧的公路隧道设计施工缺乏相应的数据资料、新建的信息化程度还比较有限，构建完整的信息化数据链比较困难；第二，有关公路隧道信息化运维管理方法的行业标准还不够完善；第三，缺少公路隧道运维安全预警的信息化标准，使得在运行过程中难以判定安全和事故病害原因，进而很难制定有效应对病害的管理方案。

建筑信息模型（BIM）在统一的工业标准下，通过计算机构建实体物理模型，并在实体模型中存入、提取相关信息，实现在模型中信息的储存、提取与查看[13]。

BIM技术在公路隧道运维管理中的应用优势：第一，在公路隧道建设初期，将设计图纸导入BIM模型中，共享工程设计、施工等信息；第二，利用设计数据建立BIM虚拟仿真模型，实现可视化的管理方目的；第三，将公路隧道建设过程中各专业的过程信息整合到BIM信息平台上，信息共享，解决各专业之间沟通不畅的问题；第四，BIM技术将公路隧道全寿命周期的信息和数据进行储存，便于后期查阅工程信息，从而解决信息断流的问题。

三、新型摄像系统的畅想

BIM建立的建筑模型在隧道运维中为其他设施提供了一个平台，BIM具有的可视化能力不仅能进行隧道设备、空间、资产等管理，还可以进行可视化病害分析，从而改善现阶段的运维管理工作[14]。根据工程对运营维护阶段的相关要求，依据建立的BIM技术运维管理平台，实施以BIM技术为背景的三维管理。针对该系统的设备运行维护管理、模拟实景培训、应急管理等，将GIS、物联网等信息技术和文中建立的BIM技术进行高度的集成化，从而保障工程项目的管理实行人工智能化和信息自动化[15]。利用BIM强大的功能，本文通过移植当前其他领域的先进技术提出一种功能强大的摄像系统，可用于隧道日常监控、维护和预警。

（一）基于声音和影像的隧道监控分析系统

当前社会，信息化程度飞速发展，各种新技术、新产品不断涌现，而新的技术往往有着广泛的应用面。本节将人工智能领域的影像识别系统和声音识别系统相结合，提出一种新型隧道监控系统。

现代的影像系统已经十分发达，手机行业、汽车行业都有广泛应用。手机行业中的面部识别系统可以识别人脸，并美颜，甚至可以识别年龄。汽车行业中，像特斯拉依靠图像语义分割（semantic image segmentation）技术实现了自动驾驶，如图1所示。图像语义分割技术可以将画面信息分为多块，车辆通过分析有用画面分析路况，对无用画面即刻屏蔽，减少信息的处理量同时增加分析结果的准确性。图像信息在别的领域已经被充分分析，同样隧道中可以移植这种技术，对过往车辆状态进行分析；另一方面，语音识别技术在当代也达到了一个新的高度。微软公司有语音识别系统微软小娜，苹果公司有siri，搜狗、百度都有自家语音识别系统。对声音在软件层面上分析，现在的声音识别精确度已经非常高。这种技术也可以用于分析隧道中的异常声响，如车祸事故。

摄像技术已经被广泛地应用于隧道的监控，但是普通监控摄像系统只能提供画面参考或只能简单对车辆异常情况提供预警。在隧道设置高精度摄像机，同时布置声音传感器，两种信息同时传输到BIM平台，在BIM平台中移植影像信息处理技术和声音识别技术，对数据在后台进行统一智能化分析，声音与影像两种信息交叉对比，相比只分析视频影像，能够提高识别准确度，如图2所示。

通过上述两种技术的结合，BIM平台可以对隧道中出现的车祸、火灾事故及时响应，其原理示意图如图3所示。

（二）基于影像系统的隧道变形分析系统

自隧道施工完成通车后，其内部变形一直是关注和研究的热点。由于隧道变形比较缓慢、周期长，传统的贴应变片的方法费时费力，还有很多设置传感器的方法，但这些方法需要单独施工完成，并且造价较高，需要专业技术人员完成。众所周知，公路和隧道在运营中，为实时监控和调配道路安全运营，在此运行路线中会布置较多的监控摄像机。基于此，作者提出利用相关的摄像机，再结合当下时兴的三维扫描成像技术对隧道进行变形监测，不需要单独使用专业的监测设备。该监测设备主要是三维扫描成像仪，如图4所示。三维光学扫描仪按照其原理分为两类，一种是“照相式”，一种是“激光式”，这两种设备均不需要与被测物体接触。通过两台或多台高速相机，即可获取三维数据，其照相式三维扫描仪的精度可达0.03mm。

在隧道的墙壁上布置三维扫描仪标记点，同时结合摄像技术，在隧道的监控摄像机旁布置高速相机，摄像机通过同步截图与高速相机共同组成拍照式三维扫描仪。在本系统中，摄像机既作为监控用的摄像机又作为拍照式三维扫描仪的相机使用，实现一机两用，节省经费。将三维扫描成像技术应用到BIM中，得到三维模型，在不同的时间对三维模型进行对比，可以得到隧道的变形情况，对隧道的变形情况进行实时分析，扫描系统如图5所示。

对隧道不同时段扫描对比，通过软件进行变形分析，利用分析云图能清楚显示不同区域的变形状况。将实时的变形数据与隧道标准BIM三维模型进行比对，可将某一隧道的变化趋势进行统计分析，得出整个隧道的破坏程度。随着科技的进步，如果三维扫描技术达到足够的精度还可以对隧道中混凝土的收缩、徐变情况进行记录，及时反馈到混凝土搅拌站，以促进材料技术的进步。

四、难点

本系统基于BIM技术对隧道的监测系统提出建议，但由于当前技术所限，以下几点的研发可能会受到限制：第一，用于隧道高清晰度的摄像机。由于摄像机同时应用于隧道三维扫描技术，要求摄像机有极高的分辨率。第二，影像—声音分析系统及三维扫描系统与BIM接口的兼容性问题。BIM广泛应用于建筑的信息化模型，而影像、声音和三维扫描系统多用于工业和IT行业。

五、结语

本文依据当前已有技术，结合BIM技术，对隧道的运维系统提出几种可行方案。利用当前声音、影像识别技术对隧道内交通、灾害状况时时分析、动态决策和及时预警；通过三维扫描技术对隧道变形情况进行动态测量。相比传统方案，本方法反应更加灵敏，准确度更高，省时省力且能够做到全天候动态测量。

参考文献

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[2]高宏刚，路纪雄，宋尚霖.BIM技术在公路隧道全寿命周期设计中的应用[J].中国建材科技，2019，28（04）：172-173+152.

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[6]曹华.电力电缆隧道综合监控系统研究与应用[D].保定：华北电力大学，2013.

[7]龚佳琦，胡珉，喻钢，等.BIM可视化辅助下的隧道病害决策分析[J].土木建筑工程信息技术，2015，7（06）：31-36.

[8]常莹，瞿文婷.隧道工程全生命周期BIM云平台建设方案[J].铁路技术创新，2015（06）：65-69.

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[10]施永泉，胡珉，吴惠明，等.基于BIM的上海大连路隧道运维管理[J].中国市政工程，2016，（06）：62-64+68+98-99.

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[12]解晓明.BIM技术在山区公路工程项目全寿命周期管理中的应用[J].公路工程，2018，43（04）：296-300.

[13]Li Y F， Wang H C， Zhao X F， et al. Research on BIM Technology Application in the Construction of a Subway Station[J].Applied Mechanics & Materials， 2013， 405-408（8）：3396-3400.

[14]李明博，蒋雅君，刘小俊，等.BIM技术在运营隧道病害检测结果三维可视化中的应用[J].中外公路，2017，37（01）：297-301.

[15]李强.基于BIM技术全寿命周期成本控制研究[D].武汉：武汉工程大学，2016.

基金项目：1.洛阳理工学院2021年度教育教学改革研究项目“BIM技术在装配式建筑施工中的应用与技能人才培养策略”（项目编号：2021JYZK-007）；2.服务创新驱动战略的高校双创教育模式研究与实践（项目编号：2021SJGLX568）

作者单位：洛阳理工学院土木工程学院

责任编辑：尚丹