基于BIM的運營綜合管控平臺養護系統研究與應用

潘和興，韓水泉，王愷杰，范澤鑫 (深圳高速公路集團股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

近年來，我國公路建設量逐漸增大，公路的養護需求也日益增長。在公路養護工作中，養護管理系統發揮著至關重要的作用。因此，建立公路智能養護系統對于高速養護工作來說具有非常重要的意義，是工程領域信息化具體應用實踐的關鍵一環，有助于進一步貫徹落實公路養護質量管理體系與管理制度的目標，從而加強養護質量管控能力建設，切實保障養護質量。

國外公路信息養護管理系統較為成熟的應用為美國的AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）管理部門的PONTIS 系統。該系統具有擴展性好、魯棒性佳及容易訪問性等優點。PONTIS 系統主要設置了系統管理、程序模擬、橋梁預覽及清單檢查、項目數據管理等模塊。程序模擬模塊是該系統的特色功能，基于系統中的項目技術、橋梁及歷史的相關信息提供在不同病害情況下的橋梁工作建議[1]。

國內養護管理平臺的應用主要聚焦于橋梁檢測與監測工作，并基于此開發相關系統。檢測系統基于工程現場的實際需求開發了橋梁的基礎信息、檢測數據管理、安全狀況評定、養護維修工程管理等功能，通過不同的模塊設置實現橋梁的數字化管理[2]。監測系統應用于橋梁數字化管理，主要涉及監測標準及數據管理、安全預警、采集設備管理等基礎功能和其他的定制功能。

BIM（Building Information Modeling）技術已在國際上廣泛應用于已建項目，且有部分國家將其應用于新建的承包項目。國內的BIM 技術應用于交通領域要晚于建筑行業，2017 年交通運輸部頒發《開展公路BIM 技術應用示范工程建設的通知要求》[3]，要求在公路項目的全壽命周期內展開BIM 技術應用示范的新建工程，在信息化管理、工程量統計、3D參數化建模、方案比選等[4]領域要有所突破。除對新建項目提出要求外，在建項目也要逐步應用BIM 技術，以BIM 技術為核心，建立起具有項目協同管理的平臺框架設計，在此設計框架下，重點對安全管理、質量管理、進度管理、計量支付管理協同等功能進行開發。

2 基于BIM的公路養護系統開發

2.1 基本原理

BIM 養護管理應用系統是基于成熟先進的企業技術平臺和架構進行開發及拓展的系統，兼顧目前主流應用現狀，并可與已有技術路線兼容，實現業務過程管控及平臺間各模塊協同作業的目的，最終達到縱向管控與橫向集成的信息交互目的[5]。

技術平臺基于微服務架構模型構建系統，基于完整的生態體系，設計了公用系統組件與底層業務組件。此外，平臺具有一定靈活性，可根據高速公路運營管理需求設置快速高效流程配置及表單配置等功能。

為滿足系統多方協作的設計要求，采用先進性、實用性、可擴充性等設計原則[6]，在綜合考慮平臺的穩定性、實用性、拓展性、可交互性以及安全性的基礎上，兼顧易用性和可維護性，采用Java開發語言、SpringBoot 應用開發框架、Spring Cloud微服務架構，集成了API網關、注冊中心、配置中心等開源組件。使用MyBatis 數據持久層框架和MySQL數據庫，將系統架構分為三層，從上到下依次為接入層、服務層、數據層。其中接入層主要負責數據采集和頁面展示；服務層負責接收接入層傳入的數據，梳理數據之間的邏輯關系，在此基礎上，完成數據模型挖掘、模型解析轉換等；數據層主要負責接收來自經服務層處理過的系統數據，使用具有持久層結構的Mybatis 框架，將數據存儲到PostgreSql、redis等數據庫中。

2.2 養護系統特點

本系統是GIS 與BIM 的融合，可同時實現宏觀層次上路網及設施的性能演變與微觀層面上構建的病害問題，適用于參與養護的各方。為分配參建各方的權限，養護管理平臺設置養護管理相關圖層，用戶登錄后根據自己的權限不同，可獲取不同的待辦事項推送。

系統是基于GIS 的多模態數據形式，平臺以三維模型（BIM 模型）為載體，根據實際需求不同，設置了LOD400 和LOD100 兩個級別。其中，LOD100 服務于WEB 和APP 大批量數據輕量加載，如圖1 所示。LOD400 能展現設施的構件級細節，進行工程的數值孿生及仿真模擬，可精細定位至橋梁橫隔板、隧道洞口、邊坡的擋墻、道路的龍門架等信息，如圖2所示。

圖1 LOD100模型-橋梁整體

圖2 LOD400模型-龍門架、標志牌

3 系統特色模塊介紹

為滿足外化運維階段的各項工作需求，本系統設計了養護地圖、資產管理、巡查管理、日常養護、專項工程、合同管理、定期檢查、計劃管理、安全管理與應急處置等模塊。限于篇幅，以下將介紹該系統的特色模塊。

3.1 養護地圖

基于BIM 的養護管理應用系統采用BIM 與北斗等新一代信息技術實現工程數字化的目的，依托業務大數據實現管理的智慧決策功能。養護地圖如圖3 所示。該工程利用傾斜攝影[7]、激光點云、BIM 建模手段建立外環高速數字模型，并在橋梁、隧道、立交互通、邊坡的關鍵設施賦予精度信息屬性，實現數字化的高速公路基礎設施及其運維業務。

圖3 養護地圖示例

養護地圖模塊通過二維GIS 地圖可查詢路、橋、隧、涵、坡等構造物位置，在地圖上顯示地理坐標，查看該設施的相應屬性信息，并通過360°全景技術與道路資產的三維模型數據進行動態關聯，從不同維度掌握外環高速設施資產現狀。

3.2 基礎數據

平臺的基礎數據庫可平滑接收建設期項目完整的“虛擬資產”，并根據養護特點開發滿足國家及行業對路面、橋梁、涵洞、通道、隧道等設施資產屬性信息的管理要求功能。通過該功能，可添加構件屬性，并根據設施資產關聯追溯相應的業務數據，對重要結構物生成二維碼身份信息。

為實現數字化資產與工程實體相對應，采用二維碼工具對各構造物進行唯一編碼，通過現場掃碼，可查詢到構造物上的病害及維修信息，實現動靜態結合的設施資產管理模式。在資產管理的同時，以行業規范為依托，根據不同資產類別，通過知識庫的形式分類匯總病害類型、維修措施等內容，為養護業務提供有效的支持。

3.3 巡查管理

本系統通過將管養單位的養護要求內置于平臺，針對不同設施巡查頻率自動生成巡查計劃，并自動規劃最優巡查路線，巡查人員在途經巡查點時，可自動提醒巡查人員進行簽到。此外，APP 根據巡查人員坐標實時記錄更新巡查軌跡，根據待巡查設施自動實時更新巡查線路，確保工作高效且不漏項。

針對日常巡查的巡查計劃實施流程如下。巡查計劃自動推送至APP，系統巡查人員接到巡查任務后，可利用GIS二維地圖的導航與最優路徑規劃功能，自動導航至需巡查位置，到巡查位置后可自動簽到，簽到信息可與BIM 模型關聯。系統支持二維與三維地圖便捷切換，巡查人員到達現場后，若發現病害，可以應用BIM 模型定位至具體構件，通過模型查看構件具體屬性與歷史病害信息，以輔助巡查人員判斷病害情況。巡查人員可將病害記錄在具體構件上，在病害上報成功后，有權限用戶可以在PC同步查看病害信息。在構件精準病害信息的基礎上，可為大數據分析與運營提供支持[8]。

3.4 日常養護

養護管理平臺對小修病害采用數據庫的管理方式，通過手機APP 和電腦線上審批相結合的方式，完成工作指示單、工程聯測表、工程驗收單等管理表單的審批，完整高效地記錄病害的維修、驗收過程信息，實現病害維修的全過程閉環運轉。

外環養護管理系統以BIM 模型為載體，每一條病害都被精準地記錄在構件/設施上，結合三維模型中構件化的病害記錄信息，實現病害發現、維修、驗收的全過程閉環管理。

在日常養護的過程中，內業人員在復核巡查上報病害時，平臺會根據病害的圖片、描述信息，自動推送病害的建議處理方案，供內業人員進行選擇。平臺以巡查管理中記錄的病害為處理對象，完善病害列表的統計查詢與展示功能，并針對政府來文、領導指派等特殊事項完善事項列表。以病害/事項為處置對象，參照合約清單信息，按照外環高速養護管理的實際需求在線生成對應的工作指示單、工程聯測表、工程驗收單等管理表單，優化線上審批與工作流轉的流程。

系統施工維修人員接到任務后，可利用GIS 導航功能與最優路徑規劃功能，自動導航至需要維修的位置，施工人員到達現場維修完成后，可上傳維修照片，維修照片自動與BIM 模型關聯，有權限用戶可以在PC 同步查看病害信息和維修情況，如圖4 所示。病害照片、病害信息與BIM 模型關聯，可方便用戶查看。

圖4 PC端病害復核示例

3.5 安全管理與應急處置

高速公路突發事件常具有時間緊迫性、不可預知性、后果嚴重性、救援復雜性等特點，現有情況下，對突發事件的處置通常是多部門、多單位協同配合處理，在復雜的處理過程中容易出現信息交流不暢及配合聯動脫節等問題。因此，在強化應急聯動機制的同時，也亟需搭建應急通信平臺[9]。

外環養護管理系統安全管理與應急處置模塊的應用場景如下。一線巡查員可根據現場實際情況判斷病害是否為應急搶修類，若為應急搶修類病害，病害信息提交至系統后，施工員將在第一時間收到待辦通知，收到通知后施工人員可立即采取措施對應急類病害開展搶修工作。在施工員收到待辦的同時，內業資料人員可下發、審批指示單。待現場搶修工作完成、搶修資料上傳完畢，且指示單審批工作完成后，應急搶修類項目可申請驗收。

外環養護管理系統安全管理與應急處置模塊協助養護管理人員的工作，有效提升管理人員監管到位、協調聯動、響應迅速、處置有效的水平，保障高速公路暢通、高效、安全運行，降低事故損失，減少阻塞與延誤頻率[10]，提高人民群眾出行的幸福感。

4 結語

深圳外環高速采用BIM 與GIS 技術建立的運營期管理養護平臺，將重要設施進行三維建模，系統中自動記錄需要養護的信息，保證了信息的完整與準確。針對復雜繁瑣的線下審批流程，將審評優化后內置到平臺中，提高審評效率，增加應急處理能力。基于高速公路的養護內容與業主要求，設置多個模塊，使參與養護人員只需專注自身需要的功能，減少了軟件的學習成本。該平臺成功應用于外環高速，為BIM 技術在公路養護管理系統中的應用提供了一定的借鑒意義。