工程電子文件全生命周期本體空間動態數據融合構建機制研究

付永華 張文欣 張策 劉茹 杜妍樞

摘 ?要：工程電子文件本體空間動態數據是智慧應用與前瞻的基礎，過程復雜、多源異構，故需面向全生命周期，研究融合構建機制，形成融合模型。從工程角度出發，梳理工程電子文件本體空間動態數據的研究與實踐范圍，從本體數據需求、來源、對象和方式四視角，梳理融合構建機制研究；立足全生命周期的智慧前瞻；調研工程實例，構建融合環境、項目、方法、需求、人員、設備等六要素驅動的問題分析；結合應用需求，以自尋、自采、自修和自管為原則，構建本體空間動態數據融合模型，給出軟硬件設計方案。形成智慧應用四前瞻：工程模擬、實時分析、工程溯源、多模感知和多態演繹；提出本體空間動態數據融合構建四模式：最優融合、多角融合、協同融合和糾復融合。經實證，可有效拓展應用空間，產生經濟與社會價值，促進數字轉型。

關鍵詞：本體數據；空間動態融合；工程電子文件；構建機制

Abstract： ?The spatial dynamic data of engineering electronic records ontology is the basis of intelligent application and foresight. The process of it is complex， multisource and heterogeneous， so it is necessary to study the fusion construction mechanism and form a fusion model facing the full life cycle. From the perspective of engineering， we sort out the research and practice scope of ontology spatial dynamic data of engineering electronic records， and sort out the research of fusion construction mechanism from the perspective of ontology data demand， source， object and method; offer intelligent forward-looking proposals based on the whole life cycle; investigate project examples and build a problem map driven by six elements， including environment， project， method， demand， personnel and equipment. To meet the requirements of the ?application， we construct the ontology space dynamic data fusion model based on the principles of self-searching， self -mining， self-repair and self-management， and give the software and hardware design scheme. We propose four perspectives of intelligent application： engineering simulation， real-time analysis， engineering traceability， multi-mode perception and polymorphism deduction. Also， four models of ontology space dynamic data fusion construction： optimal fusion， multi angle fusion， collaborative fusion and correction of repeated fusion. Through demonstration， they can effectively expand application space， generate economic and social value and promote digital transformation.

Keywords： Ontology data; Spatial dynamic fusion; Engineering electronic records; Construction mechanism

目前，對工程電子文件和工程電子文件本體數據這兩個概念的認識還存在界限劃分不明問題。在實踐層面也存在沒有基于全生命周期原理，形成整體本體數據融合方案，也沒有將數據的應用和數據來源環境、方案與方法、人員等要素進行有機融合。對此，需要基于業務、立足標準、面向實際、利用技術，開展工程電子文件全生命周期本體空間動態數據融合構建機制研究。

1 工程電子文件與本體數據的概念辨析

工程電子文件和本體數據混淆不清，廣泛存在于工程設計人員、施工人員、驗收人員、工程檔案管理員、項目資料員工作中，甚至部分學者在學術研究中，也常常忽略。電子文件的概念，馮慧玲教授在諸多專著和教材中，已闡述清楚，并被廣為認知、認可。國家標準《電子文件歸檔與管理規范》中，也有專門的定義，雖適用標準為“黨政機關產生的電子文件”，然其定義中的形成、形式、載體、作用和環境，可為工程電子文件本體數據辨析提供清晰思路和結構框架。電子文件本體數據與原生電子檔案、原生數字文件，或許也有瓜葛與關聯，但論文無意去探討概念，更多的是從工程實踐的角度去探討和辨析。

工程電子文件和本體數據區別有二：（1）直接使用性：此角度是區分工程電子文件與本體數據的基本屬性。在使用過程中，工程電子文件可直接使用，作為使用依據，無需對工程電子文件的內容進行再分析。而本體數據的使用，則需根據需求，進行加工，動態使用。縱然是清洗、加工之后的本體數據，也不能直接使用，一旦變成固態模式、可直接參考，則就變成了電子文件。（2）客觀反映性：工程電子文件本體數據是在工程全生命周期過程中產生的第一手數據，對其清洗和加工，只是去蕪存菁，選取精度更高、效果更佳的本體數據，只是為了更好的應用，但不會也不允許對本體數據的內容進行更改。因此，能夠客觀的反映工程活動的歷史面貌尤其是歷史原貌，而電子文件是對工程活動歷史原貌的邏輯體現。

工程電子文件和本體數據聯系有二：（1）本體數據是電子文件形成的參考依據。不論是設計圖紙、施工工藝文檔還是竣工圖紙與驗收文件，都是在參考文本數據的基礎上形成的。例如，設計圖紙時要考慮風向水文、地貌地形等本體數據，施工工藝文檔要參考歷史施工本體數據。（2）電子文件是本體數據融合的原則和指導。工程數據很多，哪些可以是本體數據，哪些只能是數據，主要看是否符合電子文件的需求，也就是輸出決定輸入，使用決定融合。為確保使用無錯，各智慧應用前瞻，應充分建立在電子文件的基礎上，不能把電子文件拋開。

根據區別與聯系，可以從理論角度，給出工程電子文件本體空間數據動態融合模型，如圖1所示。

圖1 工程電子文件本體空間數據動態融合模型

通過上述分析，可以看出全生命周期本體空間動態數據融合構建有利于背景數據、實體數據生成的全過程關聯控制、流程控制、回溯控制和有效利用。此方面已有專家開展研究，如：穆勇（2022）等綜合了建筑效果、專家意見，對某更新工程進行了設計方面的回溯[1]；吳冬（2022）等研究在施工過程中，進行質量實時分析，及時發現施工失誤、設計失誤，第一時間預警[2]；Claudio Favi（2019）等，利用工程本體數據，構建面向全生命周期的數據框架，為整體管理提供支持[3]；夏翠娟（2022）等，認為其是數智時代，構建社會記憶的多重證據。[4]

2 本體空間動態數據融合研究與應用模型

2.1 融合研究。工程電子文件全生命周期本體空間動態數據融合研究關注點有四：全生命周期融合需求、融合來源、融合對象和融合模式。

全生命周期融合需求的研究，重點在于形態和語義的融合，如錢毅（2022）歸納了檔案從數字化到數據化、從語義化到故事化的全鏈路業務軌跡，總結檔案資源形態在不同態別之間的躍遷[5]。其余研究，基本沒有從全生命周期的角度，考慮本體數據的融合。

本體空間動態數據融合來源，主要有三：網絡來源、業務系統、手操業務開展。當前，面向網絡的數據融合，已經成為研究熱點，包括互聯網平臺和智能終端的平臺。業務系統包括在線系統、局域網系統和單機系統，單機系統或受限于條件，更多是安全方面的考慮。某些手操業務的開展，也可能產生本體數據，一般為某項業務提供支持，雖然數量不多，但可能具有代表性和針對性。

圖紙、公文、網站頁面是本體空間動態數據融合的主要對象，通過下載或截圖的方式，或者直接以原格式融合，或者轉換為pdf格式或圖片格式。業務數據也逐漸成為融合的主要構成，載體以圖片、視頻類為主，甚至面向工程項目的探討、交流，也作為融合的對象。

從融合模式來看，通過“爬蟲技術”，實現本體數據的“自動增量”[6]，是當前研究的熱點。在面向業務系統時，部分研究考慮到了融合時的篩選和標注，已經融入了一定的加工流程。基于信息抽取，利用可視化技術，對本體數據進行融合，保障了融合的質量，豐富了未來的應用。知識圖譜技術，也被運用到工程圖紙本體數據的融合中，通過“知識識別粒度、知識多維關聯度以及知識融合與利用程度”等方面的研究，實現了智能化的分類。[7]

2.2 智慧應用模型

面向工程全生命周期管理，以本體空間動態數據為主，融合其他相關數據，與智慧應用關系模型如圖2所示。

圖2 全生命周期本體動態數據與智慧應用關系模型

該關系模型具有前瞻可控、連續改進、質量溯源、多模感知等功能。

前瞻可控方面，主要包含設計類、以往施工類本體動態數據，設計類本體動態數據為工程模型的建設提供原始數據，通過計算，模擬未來施工的情況；以往施工類，則主要起到預警的作用，體現曾經出現的設計與施工之間銜接出現的問題。另外，地理、水文類本體動態數據，也將為工程模擬提供支持，達到接近式仿真效果。而模型的可控功能，則模擬出最佳施工效果，提前倒逼設計優化，從而實現尚未施工，胸有成“工”的效果。

連續改進方面，以工程材料和施工過程本體動態數據為支撐，結合歷史施工問題庫和重點施工環節庫，通過流程分析、特征識別技術，對正在開展的施工進行實時分析。發現的問題，以及整改的過程，也可以作為本體空間動態數據，進入到整改庫中，包括將來的整改評估報告等。

質量溯源方面，對于建筑工程項目來說，溯源非常重要，因為建筑工程項目，一旦出現問題，就可能是事故，就可能導致巨大的經濟損失甚至生命損失[8]。因此，采用多維溯源機制，構建可借鑒、可預見和可視化的溯源模型就非常關鍵。

多模感知方面，基于本體空間動態數據，利用視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、生理信號感知等多模態感知方式，以多種形態，演繹工程生命周期，更可以在行業精神建設、企業文化塑造、產教融合智慧教學、沉浸式員工實踐培訓、城市記憶塑造、建筑知識科學普及等方面，提高理解速度，加深感知印象，實現深度記憶。

3 本體空間動態數據融合問題分析

3.1 融合問題調研過程。本研究選擇以鄭州市地下綜合管廊惠濟項目、瑞佳路跨賈魯河大橋項目為主要調研對象，其他六處國內大型工程為輔助調研對象。調研內容包括環境、項目、方法、需求、對象、人員等六要素。調研方法為實地考察、過程跟蹤、本體空間動態數據主題分析、個人訪談等。調研時間為2022年3月到2022年6月共4個月的時間。

3.2 本體空間動態數據融合的主要問題

3.2.1 融合環境惡劣，影響效果。調研中，選擇了4個融合環境：施工材料初加工環境、現場施工環境、施工檢測環境、完工檢測環境，其中現場施工環境是調研重點。影響本體空間動態數據融合的因素，主要考慮危險系數、光線、天氣、溫濕度、塵土（能見度）、電力支持因素[9]。經調研發現，融合環境非常惡劣，尤其是大型工程的施工環境，非常危險，沒有合適的、穩固的、支持連續融合的位置，使得融合只能在較遠的距離實現；地下管廊的施工，主要通過電力照明解決光線問題，其他大型工程項目，一為綜合成本，二是考慮施工地點遠離市區，三則大型工程項目的工期較為緊張，因此一般晝夜施工，對數據融合造成了較大影響。天氣對工程施工會造成影響，例如導致工期延遲，這種影響會同步到數據融合，另外，陰云密布、雷雨天氣，均會對數據融合質量造成影響；溫濕度、塵土除了對本體數據融合效果造成影響之外，同時影響了數據融合設備的使用，可能造成設備損壞或使用時間變短，更重要的是，影響了數據融合人員的狀態；在各處施工環境，交通不便是共性因素，即使是項目驗收階段，交通也沒有項目運行時便利，不合理又無可奈何的數據融合路線，將會直接影響數據融合的效率；工程項目電壓較大，無法為數據融合提供直接的電力支持。

3.2.2 融合方法落后，需求復雜。現有數據融合方法，比較簡單。根據調研，數據融合工具使用頻率排名為：手機、專業相機、數碼攝像機和攝像頭。數據融合的方法主要包括根據要求的主題數據融合、隨機數據融合兩種。專項融合主要是根據工程的要求，對某些特殊的施工階段、施工環節、施工部位，進行針對性的融合，從數量和頻次上講，有單張融合和多張持續融合，這種情況，一般會采用專業相機或數碼攝像機，進行精準融合。對時間有要求的融合，主要通過架設攝像頭的方法融合。專項融合也可能是因為非工程因素導致，例如上級檢查、節日獻禮、教育教學、素養科普或城市記憶等。隨機融合也可解讀為無目的融合，或即時融合，主要通過手機來完成。

融合的需求，涉及多個方面。例如面向工程建設的專項融合，對融合的時間、密度頻次、質量和精度、分辨率等有著嚴格的要求，對融合內容也有指標性或強制性的規定，甚至是載體的形式等都有嚴格的要求。尤其是本體空間動態數據的融合，在融合時間上，具有不可復制性，某個階段、某個操作的工程完成了，不可能再重新實施，一旦數據融合不成功，就沒有下次融合的機會。

3.2.3 融合對象繁多，人員缺乏。本體動態數據的融合對象，主要包括重要環節的施工過程、重點位置的施工狀態和結果、施工材料成分及混合，施工驗收的特殊位置、整體形象效果等，這些主要以視頻、音頻和圖片等形式為載體。另外，部分工程施工環節和驗收環節的融合對象，可能還包括各種檢測信號，例如超聲波、偏移圖像、波速圖像、模擬地震信號、空洞信號、水文信號、雷達波、衛星圖像等。容易遺漏的，還包括一些實驗測試數據，如在再生混凝土的劈裂抗拉破壞過程中的系列模擬數據。[10]

如今，外包性質的第三方融合人員逐漸增多，可以開展良好的融合工作，但往往是剛工作不久的人士，且學歷不高，專業針對性不強，融合水平有待提高。

3.2.4 融合工程復雜，問題眾多。大型工程項目，具有線路長、體量大的特點，導致單個人員融合困難，需要聯合多人合作融合；融合路線變化，導致融合時間增長、融合密度低，源數據缺乏連續性和完整性；地質環境復雜，導致融合效果差；變形縫多、立體空間節點多且復雜、預埋件及預留洞多，導致無法近距離、清晰融合等系列問題。另外，聲像檔案元數據傳統融合方式載體單一，融合對象準備時間長，很多部位無法及時補采。

4 本體空間動態數據智慧融合設計

4.1 智慧融合總體設計。智慧融合的重點包括智慧尋物尋址、動態修正融合方案、構建基于應用場景的即采即用微生態和智慧管理四個方面。

因為工程體量比較大、施工環境比較復雜，交通不便，因此，設計首先考慮融合主體、融合對象的自動尋找和融合路線的自動規劃，從而節省時間。另外，根據業務的需求和技術的標準要求，結合天氣、光線、灰塵等外部環境，能夠自動的修正融合方案，調整融合標準，包括融合時長、頻率、分辨率、形式的智慧選擇等。同時，根據施工的需求，對部分融合內容進行及時補采。本體空間動態數據的融合，很多時候需要即采即用，這種使用，有的在現場，有的在異地，有的需要其他工程數據，而且使用場景可能不同，因此需要能夠實現上述功能的微生態環境。除此之外，融合設備的位置調整、網絡傳輸配置、充電管理等，都需要一定的智慧管理。

4.2 智慧融合模式設計

面向實際需求，研究設計四種融合模式：最優融合模式、多角融合模式、協同融合模式和糾復融合模式。

4.2.1 最優融合模式。該模式主要根據設計圖紙、歷史施工驗收等本體數據和融合要求，自動選擇最佳的融合點，并且支持連續融合；同時，利用GPS定位模塊可自動協同其他融合點位置，更可以多個融合點同時融合，是原人工融合模式效率的30倍（原人工每天融合點10個左右，自動設備每天融合點300個左右），解決人工融合模式下需手動調整融合點位置高低、角度融合選擇點計算費時費力、融合位置和角度受限、融合點不協調等系列問題。

4.2.2 多角融合模式。該模式采用懸移式的個性化設計，支持立體空間節點多且結構復雜、專業安裝設備多、單個工藝時間長，部分融合和施工沖突等特殊情況下的多角度持續定點融合。該模式也可根據融合需求，進行定點選擇，對工程的整體或部分進行持續性的信息融合，確保檔案源數據信息的連續性；亦可以從多個角度對同一個點進行融合。

4.2.3 協同融合模式。該模式能夠充分利用空間優勢，對同一現場內或不同現場間各環節施工檔案進行實時、關聯協同融合，并且根據關聯協同關系進行自動匹配。關聯協同包括融合現場的實時關聯，也可以后期進行關聯，對融合內容進行擬合，以選擇甚至生成最佳的融合效果。

4.2.4 糾復融合模式。該模式通過設置掃描軌道，執行等比例全進融合，解決單點拍攝時產生的比例失真問題，進行全景平行融合，融合的源數據質量好，支持即融即用、自動糾偏、及時復融，為施工質量提供了可靠支持。解決傳統融合方式中，融合效果靠眼睛、專業人工判斷，避免因融合效果不好，繼續融合與施工不能中止的矛盾，降低了對人員專業水平的依賴，提高了聲像檔案標準化融合質量、融合效率。

5 懸移式本體空間動態數據智慧融合方案設計

5.1 硬件設計。基礎硬件包括設備保護模塊、感知和任務處理器、移動處理器、內置存儲、主板、液晶顯示設備、燈光顯示設備、語音交互和廣播硬件等構成。懸移硬件包括支持定點融合和移動融合兩種模式。融合硬件包括視頻采集和音頻采集設備。傳輸硬件包括位置、狀態控制等命令信號的傳輸和本體空間動態數據的傳輸。可以通過建立專門的數傳電臺來進行命令的傳輸，數據則可以通過WIFI信號、5G信號等實現。

5.2 軟件設計。操作系統主要采用安卓開源操作系統，實現路線規劃、開放接口、數據分析、角度與姿態調整、集群管理和調度、安全管理、電池管理和任務管理等。設計將數據傳輸控制和運行控制軟件，集成到操作系統中，以模塊化形式存在，集成度更高。融合軟件涉及兩部分。一部分是如何更好的融合，涉及融合精度、融合時長、融合角度等方面。一部分則是體現智能的時候，例如自動尋址算法、特征識別算法、對比分析算法、壓縮算法等。應用軟件包括本體空間動態數據的管理，例如放大縮小查看、智能分類、重復識別，也包括基于融合設備的語音交流模塊。

6 實證與效益分析

本研究由中國建筑第二工程局有限公司檔案管理部門負責樣機的組織、部件總成和協調；鄭州航空工業管理學院團隊負責本體空間動態數據智慧融合設備業務需求、技術標準、智能化規劃部分設計、硬件部分和電子工程檔案數據智能處理與轉換部分設計與實現。在參與研究協助的工程研究中心中，對本體空間動態數據智慧融合設備進行了設計測試和功能測試，并由中建二局第二建筑工程有限公司選擇復雜工程項目進行試用。表1為傳統本體空間動態數據融合和論文研究的效益對比。

除直接經濟效益外，在工程項目建設中，本體空間動態數據智慧融合設備更可創造無形效益，例如融合質量的提高、數據的連續性和完整性、即采即用，質量追溯、失誤預警等。而且，在傳統工程電子文件融合中，檔案人員固定在某個項目上，每次只能為一個項目服務，而現在的融合方式，可以多臺設備集中為一個項目融合，確保某個任務的高質量協同，更可以一臺設備為多個項目服務，提高了設備的利用率。

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[10]何盛東，林玉婷，楊孟琪.再生混凝土劈裂抗拉性能的離散元模擬[J].鄭州航空工業管理學院學報，2022，40（05）：73-78.

（作者單位：1.鄭州航空工業管理學院信息管理學院 付永華，碩士，副教授，碩士生導師；張文欣，情報學碩士研究生；張策，圖書情報碩士研究生；2.中國建筑第二工程局有限公司 劉茹，本科雙學位，政工師；3.中建二局第二建筑工程有限公司 杜妍樞，本科，高級工程師 ?來稿日期：2022-10-20）