BIM+GIS技術在公路隧道機電系統中的應用探討

編者按：為了解決高速公路隧道機電系統維護量大、效率低、成本高的問題，文章引入BIM+GIS技術，借助BIM+GIS技術的可視化和共享數據信息的功能，整合了高速公路隧道機電設施運維數據庫信息，通過BIM+GIS技術，實現高速公路隧道機電設施運維綜合管理平臺的構思。文章提出了BIM+GIS技術構建高速公路隧道機電設施運維的綜合管理平臺和多方面功能的構思。根據多年高速公路機電工程從業經驗，探索了在高速公路機電工程維護階段引進BIM+GIS技術進行管理的可能性和必要性，分析了BIM+GIS在機電工程管理中的具體應用，論證了BIM+GIS技術應用的可行性和實用性，展望了BIM+GIS技術在高速公路機電工程施工中的應用價值和廣闊前景。

課題研究的現狀

據統計，1988年，我國內地建成了第一條高速公路，實現了零突破，此后，我國高速公路建設突飛猛進，截至2013年12月底，我國高速公路總里程達104468km，已經超越了美國的9.2萬km，居世界第一。

雖然我國高速公路總里程位居全球第一，但是高速公路隧道設施的運維成本占設施全壽命周期成本的80%左右，且運維中故障發生的概率都是隨機的，而傳統的設施管理辦法是監控管理和設施數據庫管理分開獨立的，有些地方還存在手工文檔管理的模式。

目前，我國高速公路管理機電系統設備養護主要依靠養護人員日常人工巡檢，各類資料仍主要以書面紙質存檔為主，不便于記錄、查詢、保存，尤其不利于數據資源的收集與共享，亟需更好的信息化工具為高速公路機電系統設備養護管理提供長久有效的支持，提升高速公路養護的信息化、智能化程度勢在必行。

課題研究的內容

本文主要討論BIM+GIS技術在高速公路機電系統的應用。通過討論BIM+GIS技術集成，構建三維立體、智慧、可感知的建筑運維服務管理平臺。從而實現高速公路隧道機電系統運維階段的智慧管養。進而論證了BIM+GIS技術應用到高速公路隧道機電系統中的必要性和可行性。

課題研究的意義

在我國社會經濟飛速發展時期，高速公路建設所起到的關鍵作用更加凸顯，在機電工程建設技術不斷革新的背景下，對我國高速公路建設帶來了一定的挑戰。目前，BIM技術在國外的工程管理上已得到大量應用，其產生的社會效益和經濟效益得到業界廣泛關注和普遍認可。

傳統使用的工程管理系統，手二維平面模型或不精確的三維模型對系統拆分的限制，在管理中往往是以某個系統分部或者節點作為最小管理單位來進行整個系統的信息及管理，其精確性、可視性和交互性不足，使得發生故障時不能為維護人員提供和傳達直觀的信息和位置，從而影響工作效率。而BIM+GIS技術在高速公路機電系統運維階段有明顯的優勢，鑒于其管養需要很大的成本支撐，借助BIM模型可以有效組織和管理隧道養護階段的資源，同時，通過GIS技術搭建外圍地理環境信息庫，為隧道工程的綜合管養提供科學支撐。因此，運用先進的新技術，加強高速公路機電集成，達到降本增效就顯得極為重要。

因此，BIM模型和GIS技術的集成應用，對于全面掌握隧道的運營安全、可靠、穩定以及有效利用資源具有降本增效的重要意義。此外，我們在高速公路機電工程建設管理中應用高科技的BIM+GIS技術有利于我們提升高速公路運行中機電系統的工作效率，為我國交通事業的發展提供助推力。

隧道機電系統應用BIM+GIS技術概述

概述

目前，建筑行業項目的常見生命周期分為四部分，即規劃與設計階段、施工建設階段、運營與維護階段和報廢拆除階段。其中，運維階段的資金成本構成了建筑全生命周期的絕大部分，占總成本的82.5%。

由此可見，運維階段是項目生命周期的重要組成部分，其管理是否高效是項目運維階段首要考慮的問題。但是我國目前建筑行業管理模式粗放，傳統的運維管理與服務主要是通過簡單的二維或三維圖形和紙質資料匯總來保存建筑項目各個階段的信息資料，以滿足項目在運維階段的管理需求，顯然，這種方式存在很多的弊端，主要體現在：

（1）建筑運維信息保存時間有限，易丟失或篡改，其準確性與安全性無法保障。

（2）運維數據時間跨度大、周期長、內容層次復雜，數據量往往很龐大，在查找時需要閱讀大量信息，因而效率低。

（3）運維數據難以實現縱向關聯，例如，涉及到設計變更，變更信息難以及時反饋到圖紙上。

（4）運維階段管理與服務難度和經濟、時間成本提高的主要原因是運維階段數據的集成與傳遞缺少高效管理。

因此，項目建設階段就需要建立建筑設備維護數據庫，完善運維管理系統，解決傳統運維服務存在的問題，構建三維立體、智慧、可感知的建筑運維服務平臺。

1.BIM技術

BIM（Building Information Modeling）技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑的數據化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎。

BIM是以三維數字技術為基礎、集成建筑工程項目相關信息的工程數據模型，包含了設計、施工、運維過程的參數信息。BIM技術模型能夠整合分散信息源，為隧道的智慧管養提供有效的數據支撐和可視化檢測。

2.GIS技術

GIS地理信息系統（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）有時又稱為“地學信息系統”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

GIS是以空間分析、空間數據庫和三維可視化為核心，以地理空間數據為對象進行存儲、管理、分析、顯示和描述的信息系統。目前，應用GIS技術，設計出了公路隧道信息管理系統，為用戶提供了準確的“建、管、養、運”數據。

3.BIM+GIS技術的集成應用

GIS側重于宏觀地理空間的信息表達，一般對于隧道內部或結構等信息采用生成外部模型的方式。因此，缺少隧道內部信息，而BIM模型在構架隧道三維空間信息和結構性能方面有著強大的能力。

將BIM模型和GIS技術結合起來，實現BIM模型與二維、三維地理信息的交互融合，延長高速公路機電系統的使用壽命、降低高速公路機電系統維護成本、提高運營管理效率，為運營管理、科學決策提供技術支撐，最終實現高速公路機電系統的“智慧管養”。

在BIM+GIS模型中，可以隨時查看機電系統設備的設計參數、工作狀態、維護預案、維護記錄、維護路徑等信息，而且當配套設備發生故障時，可以快速、準確地通過模型對故障設備進行三維定位，幫助維護人員快速分析故障原因、調用并顯示相應的解決方案。

隧道機電系統智慧管養系統平臺框架設計

公路隧道機電系統智慧管養系統平臺是基于BIM+GIS技術，獲取隧道基礎信息數據以及實時狀態信息，實現基礎數據管理、使用性能檢測、安全評估預警等功能。將現場業務系統以及外場健康檢測設備的信息，融合云計算、云存儲、數據倉庫，以及大數據分析處理等技術，對隧道基礎設備設施的生命周期、養護信息、運行信息進行深度挖掘、關聯分析與預測分析。建立系統設備設施管養模型，通過BIM+GIS技術將隧道管養檢測信息可視化，為隧道養護部門提供有力的決策和支持。

隧道機電系統使用性能數據管理系統

公路隧道使用性能數據具有種類繁多、受環境因素影響等特性，主要包括隧道機電系統基礎數據、隧道機電設備監控檢測數據和隧道機電設備維修數據。

1.隧道機電系統基礎數據

將隧道機電系統建設過程中的基礎數據，主要是隧道種類、隧道機電系統組成，及公路隧道機電系統施工技術等信息分類整理后錄入數據庫中存儲。

2.隧道機電系統設備設施檢測系統

隧道機電系統設備設施處于健康狀態是保障隧道安全運行的充分必要條件。該系統主要應用傳感技術、自動化數據采集和傳輸技術、統計分析技術、數據庫技術、網絡技術等構建一個智能化的系統開展日常檢查、定期檢測、特殊檢測和專項檢測，為相關管理人員提供及時的現場監測數據信息。隧道檢測系統主要包括：視頻檢測、車道線圈檢測、風速風向檢測、光亮度檢測、感溫光柵火災檢測等部分，通過傳感技術、自動化數據采集和傳輸技術，對現場數據進行預處理，將其轉化為能夠進行狀態實時監控與決策的結構化數據存儲于云平臺中。

3.隧道維修數據

隧道維修數據主要為隧道的維修記錄，包括維修內容、維修工藝、材料等，采用三維分布模型對應，從而有助于后續的數據挖掘與分析。

通過創建BIM模型集成隧道基礎數據，以及無線傳感器技術采集到的隧道監控檢測數據和隧道維修數據等信息，融合多維GIS技術，形成多維度的信息模型數據庫，實現管養信息的可視化。管養人員可通過人機交互界面實時掌握隧道運行屬性，了解隧道結構、設備分布、維修記錄等信息。

4.隧道機電系統安全評估預警平臺

應用GIS技術，采集隧道機電工程施工參數、隧道機電系統設備設施實時監測信息，將檢測到的信息和BIM模型進行集成整合。應用神經網絡、機器學習技術等算法進行大數據層次的挖掘，并對未來隧道運行進行輔助分析評估，并對可能存在的風險進行分析、評估、告警，實現主動實時的安全管控，如圖2所示。

將隧道檢測系統得出的檢測結果分別傳輸到設在現場和設在管理中心的計算機上。使用預測模型和關聯分析，對檢測信息進行數據分析與挖掘，形成不同的評價方法，對準則層的危險等級進行劃分，從而得出目標層的危險等級。最終形成隧道安全分級的預警體系，同時對設計模型進行修正，最終形成目標系統應用平臺。

結論

基于BIM+GIS技術在高速公路機電系統中的應用，可實現高速公路機電系統在運維過程中的信息數據靜態和動態管理，該系統的應用可以節省大量的運維階段的人力物力，大大提高運維管理的工作效率和質量。本文通過對目前BIM+GIS技術在高速公路機電系統中的應用探討，得出結論：基于BIM提供的信息共享展示平臺，應用BIM建模技術，利用高速公路機電系統集成設備信息的BIM+GIS模型對高速公路機電系統中的設備信息數據進行快速查詢與匯總，從而建立設備運維管理與服務數據庫，通過BIM提供的運維數據模型共享平臺，使參與高速公路機電系統管理、維護等參與方對系統的運營與維修的管理服務信息進行共享，實現智能、高效且直觀的操作和維修服務高度集成到平臺化管養。

這不僅消除了傳統信息不對稱弊端，而且平臺化運營可實現快速查詢、設備信息的數據匯總和統計功能，大幅度延長運維數據保存時間，提高數據信息反饋速度與安全性，為機電系統設備運維管理節約時間、節約成本、提高工作效率。但是，該智慧運維服務系統開發尚處于初步階段，該階段的數據信息和技術標準還不夠完善，仍需繼續深入研究相關數據的存儲、整合、優化及技術標準制定等問題。進一步完善運維BIM+GIS展示平臺管理系統，以便盡早推廣應用，服務于實體工程。

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作者簡介：胡永亮（1987—），甘肅白銀人，技術人員，助理工程師，現就職于甘肅隴原信息科技有限公司。