基于領域信息模型標準的信息化實施方法

■ 顧明 劉玉身 高歌

基于領域信息模型標準的信息化實施方法

■ 顧明 劉玉身 高歌

隨著各行業信息化水平的不斷提升，領域信息技術的應用正在從簡單向復雜、從單主體向多主體、從封閉向協作發展，為解決領域信息化中不同主體、不同生命周期、不同系統之間的信息互操作性問題，提出一個基于領域信息模型標準（DIMS）的實施方法，介紹該方法的基本思路、組成結構、以及涉及的標準規范。并通過建筑領域BIM標準實踐進一步闡述該方法的具體細節與實現方式。最后，對如何建立具有可信性的領域信息模型標準提出一些思考與建議。研究工作可為鐵路領域的信息模型標準建立和信息化實施提供參考。

工業信息化；領域信息模型；BIM；標準化

0 引言

信息技術作為新興生產力的突出代表，正在改變著人們的工作方式、生活方式和價值觀。信息化已成為先進生產力的發展方式，引發并在推進全球性的產業革命，世界經濟已經從企業間的競爭演變成了產業鏈間的競爭，期間產業形態正在發生如下兩個形式的轉變：

第一是生產模式的轉變。實物產品生產從傳統的局限在一個物理空間的集中式生產向異地分布式協同生產發展，越來越多的標準化零部件采用服務外包模式生產或采購，參與實物產品生產活動的主體也從單一責任主體轉向多個責任主體，即全球化協作生產方式。

第二是產品生命周期的轉變。實物產品的生命周期從單一的物料制造過程向兩端延伸，即以用戶需求為起點到用戶停止使用為終點，經過市場調研、實物產品設計開發和改進、生產制造、銷售、售后服務、實物產品的報廢和回收等多個階段，形成了以用戶為中心的全生命周期服務模式。

各種應用（如電子商務、產品建模、項目管理）對特定專業領域的信息有效共享與利用的需求越來越強， 另一方面，領域內不斷積累的大量的信息也是研究開發、知識決策的重要根據，它的利用對于提高行業的創新能力、減少重復建設、促進領域發展也具有重要意義。然而，領域信息與通用信息相比，具有復雜、專業、海量等特點，使得這些信息的共享與利用較為困難。如何有效地提高領域內信息的交互性，已經成為當前領域信息化的核心問題之一。

1 領域信息與交互性

當前在建筑、鐵路等領域，計算機在處理領域信息時仍是將其作為通用數據（圖紙、文檔、圖像）為主，并未充分發揮領域信息深化利用與共享的潛力， 導致不能進一步滿足領域信息技術的發展要求。主要表現在三個方面。

1.1 表示的標準化

定義不統一。領域內的不同組織間大量存在同樣數據表達不同含義、同樣含義的數據用不同的數據表達的情況，在含義上可能造成一些沖突現象，導致其不能很好的被共享和訪問。

格式不統一。領域信息一般由領域內的不同企業、單位產生，而各個企業信息化的發展狀況不一、技術手段不同，導致信息的表示格式不同。

缺乏專業性。大部分數據的建設都沒有相應的行業標準做參照，從而造成數據的深度異構性，使信息的融合與映射難以實現。

1.2 訪問的標準化

服務接口不統一。領域數據生成后的深化應用中，通常需要與各種其它軟件、互聯網服務進行集成，而這些軟件與數據目前還沒有統一的訪問接口。

協同性較差。涉及領域內多單位、部門的綜合性數據通常業務復雜、修改頻繁、版本龐雜，需要多專業協同操作和處理，傳統的信息存儲方式難以滿足訪問要求。

查詢效率低。同一領域內的信息一般具有較強的專業性與針對性，而目前檢索與查詢方法普遍存在查詢手段簡單、查全、準率不高的問題，很少能針對領域信息的特點進行復雜、精準的語義查詢。

1.3 數據質量與性能

一致性問題。缺乏對交換、共享的信息在多大程度上符合領域信息模型規范進行測試和度量。

冗余性問題。同一個數據可能在領域內多個組織內都存在，目前的數據共享方式難以處理信息共享中的冗余問題。

性能問題。缺乏對領域信息服務接口的性能，如時間響應、查全率、查準率等進行測試和度量機制。

針對以上問題，提出利用構建DIMS的方式，改善領域內不同主體在生命周期內信息系統間的交互性，從而提升領域信息化應用水平的方法。

2 面向領域的信息建模

2.1 信息建模

信息模型是一種用來定義信息常規表示方式的方法。通過使用信息模型，可以描述對象間的相關性，從而可以使用不同的應用程序對所管理的數據進行重用、變更以及分享。信息建模就是根據信息的基本含義，利用抽象方法對信息進行有效組織和度量，從而可以描述系統中不同的實體和它們的行為以及實體之間（系統間）數據流動的方式，可以提供通用表達方式來表示事物的特性以及一些功能，以便進行更有效地交流。

在近40年的信息化實施過程中，學術界與工業界合作已經開發出了多種信息建模的方法，并付諸使用。如IDEF（Integrated computer aided manufacturing DEFinition）[1]、UML（Unified Modeling Language）[2]、BPMN（Business Process Model Notation）[3]、STEP（Standard Exchange of Product data model）[4-5]等。這些方法具有較高的普適性，但在面向一個具體領域應用時，缺乏個性化的方法，實施難度高。因此，需要建立面向領域的信息建模方法。

2.2 領域信息模型標準（DIMS）

信息在動態性、共享性、時效性、傳遞性等方面有其自身的特殊性，因此在對信息建模過程中，首先要考慮如下三個問題：

（1）信息的最小粒度。信息的動態性使得針對每一類業務活動，必須要明確業務活動中信息交換與共享的最小單元，即信息的本體單元。

（2）信息的屬性。信息具有語義的特征，因此就有多個屬性。對于每個本體信息，應有明確的屬性定義，以保證信息交換中不產生歧義。

（3）信息傳遞的流程。信息的多義性，決定了信息在不同的階段、不同上下文中含有不同的屬性。因此，對每個業務活動，其信息傳遞流程也必須是確定的。

要解決上述問題，就必須給信息一個明確的使用邊界，即以領域知識和規范為約束的基線。通過領域基線的約束，將提高信息模型在某一個領域應用的完備性、可信性，形成產品全生命周期中不同主體、不同專業間信息溝通的“標準語言”，實現信息共享與交換。同時，借助領域基線，將簡化信息模型的復雜度，提高信息模型用戶的友好性和復用性。因此，構建領域信息模型，即是建立基于領域基線的信息模型標準體系。為了實現領域信息模型的共享與互操作性，需對其信息語法、語義和語用進行規范（見圖1）。相應的，領域信息模型包括的內容應涵蓋三個方面的標準：數據存儲標準，是數據存儲格式和相關機制；信息語義標準，是對信息涵義與關系的規范；信息傳遞標準，是領域活動之間的信息交換流程和規則。

圖1 領域信息模型組成部分

2.2.1 信息語法

信息的語法即組織信息的方式，以及承載信息的容器要能夠互相兼容，是對信息標準化地描述。數據存儲標準對領域信息的語法進行規范。數據存儲標準是數據的存儲格式以及讀寫規范，其目的是解決如何共享信息的問題。數據存儲格式是領域信息的載體，從信息的組織方式來看，可以分為非結構化形式和結構化形式兩種。非結構化形式：不能由計算機直接解釋的信息格式，需要使用者解釋內容或檢查質量；結構化形式：計算機可以直接解釋的信息格式，具有較高的傳輸與處理效率，以及較低的錯誤率。從格式的開發與支持方式來看，數據存儲格式可以分為專有格式與標準格式兩種。專有格式是特定軟件開發商的自有文件格式，在同一軟件商的不同產品間有較高的效率；標準格式是由標準制定組織制定或多個廠商支持的文件格式。結構化的形式利于信息的復用，即容易被不同的軟件系統、不同的參與方所共用。標準化的格式利于信息的持久保存與維護。領域信息存儲可采用的結構化的形式有XML、Notation3、Turtle、STEP等。

2.2.2 信息語義

信息語義即用沒有歧義的方式理解傳遞的信息，是對信息標準化地理解。信息語義標準即領域所涉及的領域信息的分類編碼（Sinolib）以及參考引用體系，其目的是解決語義的共享問題。只有對信息的語義進行一致的定義與分類，才能將符合數據存儲標準的數據映射為信息。信息語義的規范與Sinolib是領域信息標準化的基礎工作，其不僅可用于結構化的信息語法表示，同樣也可用于基于文檔、圖形等形式的信息交換過程，使得人們可以一致、無歧義地理解所傳遞的信息。領域語義通常可由一個通用描述的框架與接口，與各個領域的語義內容相結合。領域語義標準應與國際現有語義表示標準相兼容，并繼承現有各個領域的知識與成果，以促進領域信息在不同軟件、不同語言、不同場合間進行映射和轉換。

2.2.3 信息語用

信息語用即統一規范信息輸入輸出的角色、方式與流程，是對信息標準化地傳遞。信息傳遞標準是在不同領域業務活動之間的信息交換過程的規范，其目的是規范如何交換領域中的各種信息。數據存儲標準與信息語義標準建立了領域信息交換的數據模型，它用來描述一個建設項目所涉及的全部信息。然而交換項目信息通常是在特定階段中傳遞特定主題、特定細節程度的信息。語用的目的是建立相應的業務模型，并根據業務模型將數據模型進行分解，使其成為用戶和軟件開發商可直接利用的部分。

在這三個方面中，語法規范了領域信息描述與存儲的語言，以結構化方式定義領域實體與幾何、物理等屬性。然而其對如何理解這些信息，以及如何使用這些信息未作說明。語義是對信息涵義及其之間關系的規范，以實現不同系統對信息的一致性理解。語用是對如何使用領域信息給予說明與規范，它將建設項目信息進行分割與封裝，在特定的活動之間進行交換，從而使得信息標準化傳遞。

3 標準框架——CBIMS的實踐

BIM是信息模型在建筑行業的具體應用，是創建并利用數字化模型對建設項目進行設計、建造和運營全過程進行管理和優化的過程、方法和技術。BIM經過基于幾何的計算機輔助設計（CAD）、面向對象的CAD、面向的模型的CAD三個階段演進而來。結合中國建筑行業的實際以及中國工業化進程的現實需求，提出了中國BIM標準體系——CBIMS（Chinese BIM Standard）[6]，將一般概念上的BIM標準從其應用角度分為技術標準和實施標準兩個部分（見圖2）。CBIMS一方面提供了建立標準化的建筑信息模型工具的要求，如軟件開發商可根據建筑信息模型標準進行軟件開發，并對產品進行標準一致性（符合性）測試。另一方面，建筑企業可根據CBIMS實施標準對自身的工作程序、管理模式、資源搭建、環境配置以及成果交付物進行規范化[7]。

依照CBIMS技術標準與實施標準，軟件開發商可以提供安全、可靠、可驗證的信息交換與共享機制。用戶可以正確實施軟件工具所提供的信息交互共享機制，從而保障基于BIM所承載的信息在建筑全過程中的有效傳遞和使用。

圖2 CBIMS標準框架體系

3.1 CBIMS技術標準

技術標準的制定將為BIM軟件商提供軟件需求與開發規范，并為BIM實施標準的制定提供技術依據。因此，在CBIMS技術標準體系中，必須要對各業務活動之間的相互關系、各種信息的交換與共享給出明確定義和說明，以保證建筑信息模型的互操作性，并在正確的時間、向正確的參與者傳遞正確的信息。依據上述領域信息交互的三個部分，CBIMS技術標準體系應滿足三方面的要求：語義統一，即傳遞的信息在語義上被一致的理解；文件兼容，組織信息的方式以及承載信息的容器要能夠互相兼容；溝通有序，信息輸入輸出的執行者、時機與質量應該被統一規范。

為實現上述目標，根據領域信息模型方法論，結合建筑行業的實際情況及特點，參考現有的ISO標準[8-11]、行業標準[12]、地區標準[13-15]，對DIMS的框架分別進行了細化，構成BIM的技術標準體系（見圖3）。

3.1.1 BIM數據存儲標準

CBIMS的數據存儲標準SinoIFC是在國際標準IFC（Industry Foundation Classes）[10]的基礎上進行補充與制定，包括以下部分：

（1）數據存儲格式：數據格式是指BIM數據的邏輯及物理組織方式。SinoIFC采用STEP[4]與優化的ifcXML作為數據格式。IFC使用EXPRESS[4]描述數據模型，以STEP-21[5]作為文件編碼方式。ifcXML以XML Schema（XSD文件）作為存儲方式，XML作為文件格式。

圖3 CBIMS技術標準體系構成及關聯關系

（2）語義擴展：IFC定義了數據模型（Schema，如IFC4.exp），然而在其設計的原則中，并未將用于數據存儲的Schema與語義的規范清晰的解耦合，對建筑行業的語義定義的完善性與理論基礎不足，也未能與我國實際情況相結合。SinoIFC通過統一資源標識符（URI），將所有實體、屬性的定義規范化地與參考語義庫（SinoLib）進行映射，從而使IFC模型的語義更具靈活性、可與我國建筑行業情況相協調。

（3）數據訪問接口：對BIM數據的訪問往往需要多個軟件的并發操作、版本管理、訪問控制等功能，需要通過統一的數據訪問接口來實現對IFC與ifcXML格式數據的訪問。SinoIFC定義了對IFC信息訪問函數接口的Web服務規范。

（4）一致性測試規范：規范兼容本標準的BIM軟件的測試環境、測試用例和評價方式。為了保證IFC數據操作得到可信的結果，BIM軟件或服務中的IFC數據操作都需要遵照標準所闡述的規則來設計具體的一致性條款；聲明與標準相一致的軟件與服務都應依照本標準所給出的框架和規程來執行一致性測試。標準以描述開放系統互連（OSI）領域一致性與測試的ISO/IEC 9646-5[16]與描述工業自動化系統與集成領域一致性與測試的ISO 10303（31、32、34、35部分）[17]內容為基礎。標準的目的是描述測試方法論、定義抽象測試套件（ATS）框架、描述測試應遵守的規程與要求。

3.1.2 BIM信息語義標準

根據CBIMS的技術標準框架，CBIMS信息語義標準應包括SinoClass和SinoLib兩個部分。SinoClass是指對領域概念、屬性的層次化結構進行梳理與描述的方式；SinoLib是用基于語義網（Semantic Web）的方法，對領域內概念、屬性、關系的描述，并提供了統一的基語義的接口、訪問領域中的概念及其關系，實現領域信息的交換、共享和重用。

（1）SinoClass采用面分法[8]，涵蓋建筑生命周期中的設計、施工、運維三個階段，是構建全局統籌考慮的建筑信息標準語義體系。建筑資源投入到建筑過程當中，最終形成建筑成果，并根據此過程模型抽象出相關的建筑概念與屬性（見圖4）。

（2）SinoLib基于本體（Ontology）[18]技術，是將領域信息用標準、規范的領域概念形式化表示的方法。領域信息中的每一個概念均具有全球唯一的編碼，并可具有多個、多種語言的名稱，從而可支持同義詞、跨語言等特性。將領域信息通過唯一的標準模型表示，將信息的狀態從機器可讀提高到機器可理解，是領域信息深度共享的基礎。通過SinoLib，可使得同一領域內不同來源的專業文檔、電子表單、數據庫、語義化CAD模型等數據中的概念、屬性及關系具有統一的語義信息，從而支持領域信息之間的共享與互操作。

3.1.3 BIM信息傳遞標準

建設項目中的信息交換發生在項目的不同業務活動之間，CBIMS信息傳遞標準定義了建設項目不同生命周期、不同參與方之間的信息交換過程，規范了交換過程中的信息內容、發起者及接受者以及服務操作接口。

圖4 建筑信息分類過程模型

（1）信息交換模板（SinoMVD）。SinoMVD將信息交換過程可以劃分為兩個維度、三個層次。即從業務單元上分為生命周期與參與方兩個維度。而對信息交換的細節程度上由高到低劃分為流程圖、交換需求、功能部件三個層次。

（2）BIM服務標準（SinoBWS）。Web服務是為了解決Internet上異構環境中Web服務之間進行相互調用、互相集成而設計的技術框架（見圖5）。服務化是軟件發展的重要方向。由于建筑全產業鏈中的信息和應用系統具有分布性、自治性和異構性等特點，因此如何集成成員間的信息和應用系統，實現信息在互聯網上的無障礙傳遞和業務的無縫連接，是產業鏈高效運作的重要基礎。CBIMS采用ifcXML作為主要數據格式，以Web服務為主要技術支持手段，支持BIM各行業各生命周期之間的信息傳遞。

3.2 CBIMS實施標準

CBIMS實施標準是技術標準應用于建筑行業中的使用規范，建筑企業可根據實施標準對自身的工作程序、管理模式、資源搭建、環境配置以及成果交付物進行規范化。為了覆蓋建筑全生命周期，并考慮到不同階段BIM實施方法的差異性，CBIMS提出了BIM實施過程模型（見圖6）。

（1）資源及資源標準。資源是指建筑信息化各階段工作中所需要的條件及環境。資源標準是指資源組織和定義的相關規范，如軟硬件設備要求、系統配置要求、構件庫制作和使用標準、標準模板等。

（2） 行為及行為標準。行為是指建筑信息化各階段工作中相關人員的活動及過程。行為標準是指規范行為的職責、要求和規章，如建模、制圖、分析和協同等規范。

圖5 CBIMS服務協作形式

（3）交付物及交付標準。交付物是指建筑信息化各階段工作中產生的成果。交付標準是指定義、組織和管理交付物的相關規范，重要的是它規范了在建筑全生命周期中的不同階段、不同專業間的信息交付，如質量評價標準、文檔歸檔標準等。

基于CBIMS實施過程模型，CBIMS實施標準框架（見圖7）。從圖中可以看到，CBIMS實施標準框架是可擴展的，企業可以根據現實環境的需要自行定制。擴展和定制的指導原則是：依據CIBIMS技術標準，國內的各種規范文件，業主、設計單位、施工企業及運營機構業已存在的各種標準和國外各種BIM實施標準和指南。

4 結論與建議

從CBIMS實踐案例可以看到，基于DIMS開展信息化，可以支持現代工業生產模式中的產業鏈多責任主體協作和多目標優化的問題，也包括鐵路領域的BIM標準建立。然而，如何構造一個具有可信性的DIMS，將成為新一輪信息化實施的前提條件。在此，提出如下建議：

圖6 CBIMS實施的過程模型

圖7 CBIMS實施標準框架

（1）多方協商模式。與傳統的國家、行業技術標準不同，DIMS構造過程是一個漸進的過程，其可信程度是與參與構建者在領域中的地位、生命周期中涉及的各責任主體的數量有直接關系，也與使用的時間成正比。可以說，DIMS是一個領域多方動態協商的結果，而在最初建設階段，政府、行業協會、龍頭企業的參與將是極其重要的資源。

（2）運行維護機制。作為多方協商的產物，其運行維護也需要多方協作。對DIMS而言，其建設者是使用者，也是維護者。因此，DIMS運行維護的組織者應是具有足夠可信度的機構，如產業鏈中的龍頭企業或歸屬于第三方非盈利組織。

（3）社會資產管理。隨著信息化的深入實施，DIMS也將逐漸完備，與之配套的領域知識庫等信息資源也將形成。這些信息資源將是一個隸屬于社會的信息資產，也是未來信息社會中的社會資本，是政府為納稅人服務的一個新的載體。

在制定、建設DIMS的過程中，為了將DIMS在信息化實施中落地，還需要從軟件技術角度出發，開發出基于DIMS的信息融合平臺，以及驗證DIMS可信度的工具。這些支撐DIMS的新需求的軟件系統，將成為新一代軟件產品。

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[18] GruberT. A Translation Approach to Portable Ontologies[J]. Knowledge Acquisition，1993，5(2)：199-220.

顧明：清華大學軟件學院，教授，北京，100084

劉玉身：清華大學軟件學院，副研究員，北京，100084

高歌：清華大學軟件學院，博士研究生，北京，100084

責任編輯楊環

TU203；TP319

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1672-061X（2014）02-0029-07