基于BIM的运营综合管控平台养护系统研究与应用

潘和兴，韩水泉，王恺杰，范泽鑫 (深圳高速公路集团股份有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

近年来，我国公路建设量逐渐增大，公路的养护需求也日益增长。在公路养护工作中，养护管理系统发挥着至关重要的作用。因此，建立公路智能养护系统对于高速养护工作来说具有非常重要的意义，是工程领域信息化具体应用实践的关键一环，有助于进一步贯彻落实公路养护质量管理体系与管理制度的目标，从而加强养护质量管控能力建设，切实保障养护质量。

国外公路信息养护管理系统较为成熟的应用为美国的AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）管理部门的PONTIS 系统。该系统具有扩展性好、鲁棒性佳及容易访问性等优点。PONTIS 系统主要设置了系统管理、程序模拟、桥梁预览及清单检查、项目数据管理等模块。程序模拟模块是该系统的特色功能，基于系统中的项目技术、桥梁及历史的相关信息提供在不同病害情况下的桥梁工作建议[1]。

国内养护管理平台的应用主要聚焦于桥梁检测与监测工作，并基于此开发相关系统。检测系统基于工程现场的实际需求开发了桥梁的基础信息、检测数据管理、安全状况评定、养护维修工程管理等功能，通过不同的模块设置实现桥梁的数字化管理[2]。监测系统应用于桥梁数字化管理，主要涉及监测标准及数据管理、安全预警、采集设备管理等基础功能和其他的定制功能。

BIM（Building Information Modeling）技术已在国际上广泛应用于已建项目，且有部分国家将其应用于新建的承包项目。国内的BIM 技术应用于交通领域要晚于建筑行业，2017 年交通运输部颁发《开展公路BIM 技术应用示范工程建设的通知要求》[3]，要求在公路项目的全寿命周期内展开BIM 技术应用示范的新建工程，在信息化管理、工程量统计、3D参数化建模、方案比选等[4]领域要有所突破。除对新建项目提出要求外，在建项目也要逐步应用BIM 技术，以BIM 技术为核心，建立起具有项目协同管理的平台框架设计，在此设计框架下，重点对安全管理、质量管理、进度管理、计量支付管理协同等功能进行开发。

2 基于BIM的公路养护系统开发

2.1 基本原理

BIM 养护管理应用系统是基于成熟先进的企业技术平台和架构进行开发及拓展的系统，兼顾目前主流应用现状，并可与已有技术路线兼容，实现业务过程管控及平台间各模块协同作业的目的，最终达到纵向管控与横向集成的信息交互目的[5]。

技术平台基于微服务架构模型构建系统，基于完整的生态体系，设计了公用系统组件与底层业务组件。此外，平台具有一定灵活性，可根据高速公路运营管理需求设置快速高效流程配置及表单配置等功能。

为满足系统多方协作的设计要求，采用先进性、实用性、可扩充性等设计原则[6]，在综合考虑平台的稳定性、实用性、拓展性、可交互性以及安全性的基础上，兼顾易用性和可维护性，采用Java开发语言、SpringBoot 应用开发框架、Spring Cloud微服务架构，集成了API网关、注册中心、配置中心等开源组件。使用MyBatis 数据持久层框架和MySQL数据库，将系统架构分为三层，从上到下依次为接入层、服务层、数据层。其中接入层主要负责数据采集和页面展示；服务层负责接收接入层传入的数据，梳理数据之间的逻辑关系，在此基础上，完成数据模型挖掘、模型解析转换等；数据层主要负责接收来自经服务层处理过的系统数据，使用具有持久层结构的Mybatis 框架，将数据存储到PostgreSql、redis等数据库中。

2.2 养护系统特点

本系统是GIS 与BIM 的融合，可同时实现宏观层次上路网及设施的性能演变与微观层面上构建的病害问题，适用于参与养护的各方。为分配参建各方的权限，养护管理平台设置养护管理相关图层，用户登录后根据自己的权限不同，可获取不同的待办事项推送。

系统是基于GIS 的多模态数据形式，平台以三维模型（BIM 模型）为载体，根据实际需求不同，设置了LOD400 和LOD100 两个级别。其中，LOD100 服务于WEB 和APP 大批量数据轻量加载，如图1 所示。LOD400 能展现设施的构件级细节，进行工程的数值孪生及仿真模拟，可精细定位至桥梁横隔板、隧道洞口、边坡的挡墙、道路的龙门架等信息，如图2所示。

图1 LOD100模型-桥梁整体

图2 LOD400模型-龙门架、标志牌

3 系统特色模块介绍

为满足外化运维阶段的各项工作需求，本系统设计了养护地图、资产管理、巡查管理、日常养护、专项工程、合同管理、定期检查、计划管理、安全管理与应急处置等模块。限于篇幅，以下将介绍该系统的特色模块。

3.1 养护地图

基于BIM 的养护管理应用系统采用BIM 与北斗等新一代信息技术实现工程数字化的目的，依托业务大数据实现管理的智慧决策功能。养护地图如图3 所示。该工程利用倾斜摄影[7]、激光点云、BIM 建模手段建立外环高速数字模型，并在桥梁、隧道、立交互通、边坡的关键设施赋予精度信息属性，实现数字化的高速公路基础设施及其运维业务。

图3 养护地图示例

养护地图模块通过二维GIS 地图可查询路、桥、隧、涵、坡等构造物位置，在地图上显示地理坐标，查看该设施的相应属性信息，并通过360°全景技术与道路资产的三维模型数据进行动态关联，从不同维度掌握外环高速设施资产现状。

3.2 基础数据

平台的基础数据库可平滑接收建设期项目完整的“虚拟资产”，并根据养护特点开发满足国家及行业对路面、桥梁、涵洞、通道、隧道等设施资产属性信息的管理要求功能。通过该功能，可添加构件属性，并根据设施资产关联追溯相应的业务数据，对重要结构物生成二维码身份信息。

为实现数字化资产与工程实体相对应，采用二维码工具对各构造物进行唯一编码，通过现场扫码，可查询到构造物上的病害及维修信息，实现动静态结合的设施资产管理模式。在资产管理的同时，以行业规范为依托，根据不同资产类别，通过知识库的形式分类汇总病害类型、维修措施等内容，为养护业务提供有效的支持。

3.3 巡查管理

本系统通过将管养单位的养护要求内置于平台，针对不同设施巡查频率自动生成巡查计划，并自动规划最优巡查路线，巡查人员在途经巡查点时，可自动提醒巡查人员进行签到。此外，APP 根据巡查人员坐标实时记录更新巡查轨迹，根据待巡查设施自动实时更新巡查线路，确保工作高效且不漏项。

针对日常巡查的巡查计划实施流程如下。巡查计划自动推送至APP，系统巡查人员接到巡查任务后，可利用GIS二维地图的导航与最优路径规划功能，自动导航至需巡查位置，到巡查位置后可自动签到，签到信息可与BIM 模型关联。系统支持二维与三维地图便捷切换，巡查人员到达现场后，若发现病害，可以应用BIM 模型定位至具体构件，通过模型查看构件具体属性与历史病害信息，以辅助巡查人员判断病害情况。巡查人员可将病害记录在具体构件上，在病害上报成功后，有权限用户可以在PC同步查看病害信息。在构件精准病害信息的基础上，可为大数据分析与运营提供支持[8]。

3.4 日常养护

养护管理平台对小修病害采用数据库的管理方式，通过手机APP 和电脑线上审批相结合的方式，完成工作指示单、工程联测表、工程验收单等管理表单的审批，完整高效地记录病害的维修、验收过程信息，实现病害维修的全过程闭环运转。

外环养护管理系统以BIM 模型为载体，每一条病害都被精准地记录在构件/设施上，结合三维模型中构件化的病害记录信息，实现病害发现、维修、验收的全过程闭环管理。

在日常养护的过程中，内业人员在复核巡查上报病害时，平台会根据病害的图片、描述信息，自动推送病害的建议处理方案，供内业人员进行选择。平台以巡查管理中记录的病害为处理对象，完善病害列表的统计查询与展示功能，并针对政府来文、领导指派等特殊事项完善事项列表。以病害/事项为处置对象，参照合约清单信息，按照外环高速养护管理的实际需求在线生成对应的工作指示单、工程联测表、工程验收单等管理表单，优化线上审批与工作流转的流程。

系统施工维修人员接到任务后，可利用GIS 导航功能与最优路径规划功能，自动导航至需要维修的位置，施工人员到达现场维修完成后，可上传维修照片，维修照片自动与BIM 模型关联，有权限用户可以在PC 同步查看病害信息和维修情况，如图4 所示。病害照片、病害信息与BIM 模型关联，可方便用户查看。

图4 PC端病害复核示例

3.5 安全管理与应急处置

高速公路突发事件常具有时间紧迫性、不可预知性、后果严重性、救援复杂性等特点，现有情况下，对突发事件的处置通常是多部门、多单位协同配合处理，在复杂的处理过程中容易出现信息交流不畅及配合联动脱节等问题。因此，在强化应急联动机制的同时，也亟需搭建应急通信平台[9]。

外环养护管理系统安全管理与应急处置模块的应用场景如下。一线巡查员可根据现场实际情况判断病害是否为应急抢修类，若为应急抢修类病害，病害信息提交至系统后，施工员将在第一时间收到待办通知，收到通知后施工人员可立即采取措施对应急类病害开展抢修工作。在施工员收到待办的同时，内业资料人员可下发、审批指示单。待现场抢修工作完成、抢修资料上传完毕，且指示单审批工作完成后，应急抢修类项目可申请验收。

外环养护管理系统安全管理与应急处置模块协助养护管理人员的工作，有效提升管理人员监管到位、协调联动、响应迅速、处置有效的水平，保障高速公路畅通、高效、安全运行，降低事故损失，减少阻塞与延误频率[10]，提高人民群众出行的幸福感。

4 结语

深圳外环高速采用BIM 与GIS 技术建立的运营期管理养护平台，将重要设施进行三维建模，系统中自动记录需要养护的信息，保证了信息的完整与准确。针对复杂繁琐的线下审批流程，将审评优化后内置到平台中，提高审评效率，增加应急处理能力。基于高速公路的养护内容与业主要求，设置多个模块，使参与养护人员只需专注自身需要的功能，减少了软件的学习成本。该平台成功应用于外环高速，为BIM 技术在公路养护管理系统中的应用提供了一定的借鉴意义。