基于建筑信息模型的地鐵火災監測信息集成與管理

鄧朗妮, 雷麗貞, 黃靜怡, 廖 羚*, 周 崢

(1.廣西科技大學土木建筑工程學院, 柳州 545006； 2.廣西科技大學BIM研究中心, 柳州 545006)

火災事故是地鐵工程建設及運營過程中發生頻率最高的安全事故[1],且由于地鐵建設于城市腹地,疏散路徑和出口較少,存在著消防救援難度大的問題[2],所以地鐵一旦發生火災,可能會導致人員傷亡的悲劇,帶來難以估量的損失[3-4]。因此,進行地鐵火災監測[5-7]是當前保障群眾生命財產安全的重要手段,對降低火災事故發生率有著重大意義。但在地鐵長時間的火災監測過程中,會產大量冗雜的監測數據,如何有效處理監測數據,實現監測信息的高效管理,是火災監測信息管理亟待解決的問題。然而,傳統的火災監測信息管理模式仍存在不足之處,如監測數據冗余、繁雜,缺乏標準、統一的存儲方式,導致數據流失率高、利用率低；信息管理量與日俱增,以文本信息為主的處理方式難以應付繁重的工作內容；文件夾管理或單純的數據庫管理在一定程度上改善監測數據冗余的問題,但數據表現不直觀,可視化集成效果較差等。故如何改善傳統信息管理模式存在的不足,創新管理方式,是當前火災監測信息管理的重點關注問題。

20世紀70年代，Eastman[8]首先提出建筑信息模型(building information modeling,BIM)的理念,將建設項目的各項相關數據信息集成于三維模型中,不僅為數據信息的表達提供了一個良好的可視化表達環境,還為管理繁雜數據信息提供一個可能的信息交流與共享平臺[9]。近年來,隨著BIM技術的研究不斷深入,BIM技術在工程監測信息管理領域的應用日趨成熟,為監測信息管理開拓了新的思路[9-10]。基于BIM的監測信息管理方式不同于傳統的管理模式,它是通過工業基礎類(industry foundation class,IFC)標準文件格式、窗口鏈接的方式、信息標識線索等關聯模式,來將BIM模型信息與項目的實際數據進行動態關聯與集成[11],為監測數據信息創建一個標準化、可視化的集中管理環境,以實現監測數據處理、分析、共享等管理工作。賈寧霄等[12]結合BIM技術,將大壩的安全監測信息關聯并集成于BIM模型中,研發了大壩運維期監測信息管理平臺,實現了監測信息的可視化管理；石韻等[13]將BIM與實際監測數據進行有效融合,提高了施工過程中監測信息的流通率,實現了施工現場動態監管及結構監測預警；劉東海等[14]通過建立BIM模型與監測信息的耦合機制,提出輸水工程動態安全監測信息集成與網絡可視化方法等。由此可見,引入BIM技術為監測信息的表達提供一個良好的三維可視化表達環境,將監測信息以更直觀、清晰易懂的方式呈現[15],從而優化了監測信息的管理效率。目前BIM技術在火災監測信息管理的應用研究還較少,為此,將BIM技術引入地鐵火災信息管理中,以期改善傳統管理模式存在的不足。

以BIM模型為基礎,以地鐵火災監測數據信息為核心,探索基于BIM火災監測信息集成與管理,構建融合火災監測信息存儲、處理及分析的可視化管理平臺,構建監測數據與BIM模型的耦合機制,提高監測信息的集成率與管理水平,以期能為創新火災監測信息管理方式提新的思路。

1 系統設計原則

針對前述傳統火災監測信息管理模式存在的不足之處,基于BIM的火災監測信息管理系統的設計與建設應遵循統一標準化原則、面向用戶原則與安全性原則。

1.1 統一標準化原則

統一標準化原則是針對傳統管理模式中監測數據存儲結構混亂的問題,要求系統建設必須理設計監測信息的存儲方式和存儲結構,同時規劃有效的監測信息集成路徑,創建統一標準化的管理環境,為監測信息的長期安全保存提供保障。

1.2 面向用戶原則

在火災監測信息管理過程中,人屬于決策管理者,監測信息屬于被管理對象,因此系統的建設必須滿足用戶的管理需求。一是系統的功能設計必須面向用戶進行開發,具有一定的通用性和針對性,能有效改善傳統管理模式中存在的人工處理信息、可視化程度低等問題；二是信息管理操作界面應盡量免去復雜的操作流程,符合簡單、清晰、友好等要求,易于用戶操作與掌握,以提升用戶的體驗感。

1.3 安全性原則

由于系統用戶涉及不同職能部門的同事,因此,為防止在信息管理過程中出現數據丟失、非法更改數據問題,系統設計應劃分用戶權限角色,為監測信息提供可靠的安全管理環境。

2 系統架構設計

2.1 系統邏輯架構

如圖1所示,基于BIM的火災監測信息管理系統是以數據庫為管理后臺,以Revit為前端管理平臺的監測數據信息耦合管理系統。系統以BIM模型為基礎,以監測數據為核心,通過SQL Server 2008數據庫技術來將結構化和非結構化的監測數據信息融合集成,再以Revit二次開發技術為交互路徑,將Revit模型信息與數據庫數據進行關聯,搭建清晰友好的人機交互可視化信息管理界面,實現基于Revit平臺對監測信息進行增、刪、查、改等數據管理及后臺管理工作。

2.2 監測信息的集成交互原理

面對火災監測過程中所產生的結構化和非結構化、靜態和動態的監測數據信息,如何將其進行有效集成整合,使其具有關聯性、一致性是實現集成管理的關鍵。監測信息主要通過信息標識線索和窗口鏈接方式來實現關聯交互(圖1)。首先,應對監測項目進行實景建模,以監測項目Revit模型中探測器圖元的ElementID為關鍵主線,對現場的各個監測節點的儀器和測點信息進行唯一性編碼,為監測數據的集成關聯和管理奠定基礎；其次,以探測器ElementID為主鍵設計監測信息的數據庫存儲結構,使得監測數據、測點信息和預警記錄信息等以ElementID為主要關鍵屬性的標準存儲格式寫入數據庫中進行集成管理,形成現場監測數據、數據庫信息和Revit模型信息之間一一對應且相互映射的邏輯關聯結構；最后通過Revit二次開發技術實現三者之間交互連接路徑,將數據庫功能嵌入Revit中,創建“數據管理平臺”可視化管理插件(圖2),實現從Revit平臺界面開展監測信息管理工作。

2.3 監測信息管理功能

由圖1可知,“數據管理平臺”插件的功能設計主要分為數據管理和后臺管理兩大功能模塊。

2.3.1 數據管理功能模塊

數據管理功能模塊包含用戶權限設定、監測數據查看、監測曲線查看以及數據導出4個子功能。用戶權限設定是為了確保監測數據信息的安全管理而采取的用戶角色權限管理模式,用戶只有輸入正確的用戶姓名、用戶ID和登錄密碼才能登錄平臺,根據自身的角色權限進行監測數據信息管理。用戶角色分為一般用戶角色和管理人員用戶角色,一般用戶角色只能查看監測數據信息,無權更改數據,而管理人員用戶角色有權更改數據。監測數據查看旨在用戶通過測點號、ID號條件查詢相應測點某個時間段的監測數據,掌握火災監測的實時情況。當用戶選擇某個采集節點時,系統或通過MSChart控件調用相關算法語句將監測數據以曲線的方式呈現,為用戶預測和分析火勢走向提供可靠依據。此外,系統還支持監測數據導出功能,用戶可將感興趣的數據或具有代表性的數據導出另存為Excel文件格式,對監測數據進一步分析、分享等工作。

2.3.2 后臺管理功能模塊

注:RS-485表示定義平衡數字多點系統中的驅動器和接收器的電氣特性的標準圖1 火災監測信息集成與管理平臺架構Fig.1 Architecture of fire monitoring information integration and management platform

圖2 基于Revit平臺的火災監測信息管理界面Fig.2 Fire monitoring information management interface based on Revit platform

后臺管理是針對系統在運行過程中,難免因某些不可抗力的突發因素而導致數據庫破壞,造成數據流失等問題而設置的數據維護管理功能,為系統的健康、安全運行提供保障。用戶可根據管理需求,不僅可將有關火災監測的其他文件信息導入或導出數據,還能對數據庫中多余或者無用的數據表進行刪除或者清空,提高數據庫后臺管理的操作效率。“數據備份功能”可用于復制備份數據庫中信息文件,若在監測過程中遇到諸如磁盤或文件損壞等突發意外狀況時,可通過“數據還原”功能將備份文件進行還原,降低文件丟失導致的損失。

3 系統實現的關鍵技術

根據系統總體架構設計可知,存在的技術難點是:①數據庫作為系統的后端管理,其設計與組織優良與否對Revit前端管理平臺的運行有著舉足輕重的影響,因此必須對監測信息化管理奠定基礎；②如何將Revit模型與監測將數據進行關聯交互,把數據庫的信息管理功能嵌入Revit中,完成監測信息管理界面——“數據管理平臺”的開發。

3.1 數據庫設計

根據火災監測信息的特點及管理需求,可把監測信息劃分為測點信息、用戶信息、監測數據和預警信息這四類。為提高信息集成率,需對這3個信息存儲結構屬性進行設定。

3.1.1 測點信息表

測點信息表是結合實際監測現場的測點布置與Revit模型信息,記錄每個測點的探測器ElementID、測點號和預警閾值基本信息(表1)。ElementID 是為主鍵,是實現監測數據與Revit模型信息交互的唯一標識；測點號是根據探測器ElementID進行的唯一編碼；預警閾值是火災監測數據的報警值,其約束值用于警報區分監測區域是否處于安全狀態,用戶可根據需求自行定。每個測點都有具有一張測點信息表,使得平臺前端可以從海量的數據中快速讀取相應的測點信息。

3.1.2 用戶信息表

用戶信息表記錄用戶的基本登錄信息,每個為監測信息管理提供可靠的安全保障(表2)。用戶只有輸入正確的用戶姓名、用戶ID和登錄密碼才能登錄平臺進行監測數據信息的查看與編輯。用戶類型用于劃分用戶角色權限管理。

3.1.3 監測數據表

監測數據表是用于記錄實時采集的監測數據(表3),每條數據一張表格,有效降低的數據冗余度,高平臺運行效率。

3.1.4 預警信息表

預警信息數據表將火災監測的報警數據記錄在案(表4)。當監測值超過預設閾值時,超限的監測值會以ElementID為主鍵信息標識,將該測點的超限監測值和監測時間存入數據庫備份。

表1 測點信息結構

表2 用戶信息結構

表3 監測數據結構

表4 預警信息結構

3.2 Revit管理界面開發

圖3 Revit管理界面簡要開發流程Fig.3 Brief development process of Revit management interface

要實現Revit模型信息與數據庫數據的交互,必須是實現Revit平臺與數據庫的連接,因此以 Visual Studio 2015為開發工具,以C#為開發語言,利用RevitAPI接口技術進行功能擴展,開發基于Revit的監測信息管理界面,相應流程如圖3所示。ADO.Net 是微軟.Net 技術框架體系中的重要部分之一, 是Microsoft.Net Framework 的核心組件[16],包含Connection、Command、DataReader、DataAdapter和DataSet五大類庫。其中,Connection類庫可開啟程序與數據庫的連接路徑；Command類庫用于接收并執行SQL Server數據庫操作指令；DataSet類庫充當數據緩存區,當DataAdapter執行數據庫于DataSet的操作指令后,將結果緩存于DataSet中；DataReader則是擷取SQL操作指令的結果,結合 ADO.Net 的五大類庫方法將數據庫信息管理功能按照類別進行整合嵌入到Winform窗體中,同時采用“External CommandData”命令將Revit模型信息鏈接到窗體中,為數據庫嵌入Revit奠定基礎。隨后通過窗口傳值法將Winform窗體功能匯集到Revit外部命令,并將窗體實例化,使窗體以ShowDialog()方式在Revit平臺中顯示,最終形成“數據管理平臺”界面,實現數據庫數據與Revit模型的信息關聯交互。

4 系統設計原則應用分析

將提出的地鐵火災監測信息管理方法應用廣西南寧創業路地鐵車站,驗證數據管理平臺的可行性及適用性。該車站建設于城市腹地,共設有兩層,總建筑面積達14 926.59 m2,長266.2 m。該車站的上下班高峰期人流量較大,且環境較為封閉,疏散路徑和出口較少,因此為保障人民群眾的生命財產安全,進行了火災監測。但隨著監測時間不斷增長,以文檔為主的監測信息方式以管理難以應付日益繁重的工作內容。為此,引入BIM技術輔助監測信息管理,以期能進一步提高監測信息管理效率。

結合該車站的相關圖紙,運用Revit車站進行實景建模,并將探測器族文件按照實際測點布放置到BIM模型中。如圖4所示,該車站共設了6個監測點,分別為A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3。隨后運用“數據管理平臺”管理火災監測信息。通過“創建和刪除數據庫”功能按鈕來創建火災監測信息數據庫,并把監測信息導入數據庫中(圖5、圖6)。

圖4 車站BIM模型Fig.4 The building information l model of station

圖5 創建和刪除數據庫管理界面Fig.5 Create and delete database management interface

圖6 數據導入管理Fig.6 Data import management

在數據管理模塊,通過探測器列表,用戶可查看不同測點的實時監測數據和監測數據曲線圖,實時掌握現場監測情況及火勢走向。此外,用戶還可將感興趣或具有代表性的監測數據導出另存為 Excel 文件格式。在后臺管理模塊,用戶可根據管理需求,對后臺數據庫進行增加、刪除、查詢和修改等操作,完成如數據庫備份、還原等工作(圖7、圖8)。

圖7 數據庫備份管理Fig.7 Database backup management

圖8 數據庫還原管理Fig.8 Database restore management

5 結論

針對傳統地鐵火災監測信息缺乏有效的集成與可視化管理手段的問題,融合BIM技術與數據庫技術,探究了地鐵火災監測信息集成與管理方法,運用Revit二次開發技術,構建了監測現場、數據庫與BIM模型的無縫對接機制,完成了“數據管理平臺”插件的開發,實現了火災監測信息的系統性管理。通過廣西南寧某地鐵車站監測項目驗證了該方法的可行性及實用性,得出如下結論。

(1)以數據庫作為監測數據外部存儲后臺,為海量冗雜的監測數據信息提供了標準化和規范化的安全存儲環境,有效緩解了數據冗余度，降低了BIM模型的信息承載量,提高了系統的運行效率。

(2)通過Revit二次開發技術搭建的“數據管理平臺”可有效地將BIM模型與監測數據進行集成關聯交互,實現基于Revit平臺對監測信息進行管理,進一步提高了監測信息的可視化管理水平。