基于BIM-GIS平臺(tái)的盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)預(yù)警集成開發(fā)及應(yīng)用

付興源，喬順龍

（1.天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津300450；2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100020）

當(dāng)前城市化進(jìn)程加速推進(jìn)，為緩解日趨嚴(yán)重的交通問題，越來越多的城市發(fā)展地下軌道交通。城市地下交通設(shè)施的地鐵隧道成為了核心組成部分，在盾構(gòu)法地鐵隧道施工過程中，某些數(shù)據(jù)會(huì)因推進(jìn)和擾動(dòng)出現(xiàn)問題，影響施工工期，也影響周圍已有建構(gòu)筑物的運(yùn)營(yíng)，甚至導(dǎo)致周圍建構(gòu)筑物沉降、路基發(fā)生變形、管道破裂等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。對(duì)于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的地鐵隧道，傳統(tǒng)的CAD建模效率低下，也不能直觀地反映周圍復(fù)雜地形和地鐵隧道的材質(zhì)情況，更無法實(shí)時(shí)對(duì)施工中的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏并制定合理的解決方案，傳統(tǒng)的管理方式很難實(shí)現(xiàn)多維信息的準(zhǔn)確高效傳輸和統(tǒng)籌集成管理。而BIM技術(shù)與GIS技術(shù)作為現(xiàn)實(shí)和虛擬的三維數(shù)字孿生技術(shù)，在城市的建設(shè)和管理中發(fā)揮著舉足輕重的作用，通過BIM與GIS技術(shù)融合的信息模型可以實(shí)現(xiàn)信息的整體性、準(zhǔn)確性和完整性，由此可見有必要引入BIM-GIS平臺(tái)。

1 BIM+GIS技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

BIM和GIS兩者缺一不可，兩者之間是一種互補(bǔ)的關(guān)系。BIM是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合的技術(shù)，其特點(diǎn)是具有完整的內(nèi)部詳細(xì)信息，但是缺少空間定位，無法進(jìn)行大規(guī)模的建筑群體空間信息管理。GIS是處理地理空間信息，進(jìn)行相關(guān)地理環(huán)境分析和展現(xiàn)的技術(shù)，但是三維GIS僅僅可查看建筑物的地理空間信息，無法詳細(xì)獲得建筑物內(nèi)部信息。將微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的GIS信息進(jìn)行交換與融合，使GIS可以從室外環(huán)境走進(jìn)室內(nèi)空間，從宏觀場(chǎng)景走進(jìn)微觀世界，在眾多領(lǐng)域得到深層次的應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)共贏。

2 工程概況

天津市濱海新區(qū)軌道交通B1線一期工程。區(qū)間施工方法采用盾構(gòu)施工，地質(zhì)條件大部分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉質(zhì)黏土夾粉砂。在盾構(gòu)施工過程中，為了保證施工過程安全，對(duì)隧道周邊受施工影響范圍內(nèi)的地表、建構(gòu)筑物及管線進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，確保及時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，預(yù)防安全事故發(fā)生。

3 GIS+BIM平臺(tái)架構(gòu)與設(shè)計(jì)思路

盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)采用的是電腦端（BS）+移動(dòng)端（Android/IOS）的架構(gòu)形式，電腦端無需本地安裝，通過瀏覽器即可進(jìn)行訪問，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和使用的便利性，結(jié)合移動(dòng)端應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控管理的目標(biāo)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模盾構(gòu)機(jī)施工場(chǎng)景的分析展示信息平臺(tái)，對(duì)施工附近的地質(zhì)條件和復(fù)雜的環(huán)境信息、二維圖和三維模型進(jìn)行統(tǒng)籌化管理。通過對(duì)信息平臺(tái)的施工數(shù)據(jù)有效分析管理，與盾構(gòu)全站儀建立實(shí)時(shí)接口對(duì)接，充分利用計(jì)算機(jī)及三維信息處理技術(shù)建立一套完整的盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

4 數(shù)據(jù)采集及傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.1 數(shù)據(jù)采集過程

數(shù)據(jù)采集接入過程需要經(jīng)過6個(gè)步驟完成：（1）確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)專線連通情況；（2）盾構(gòu)機(jī)及項(xiàng)目基本信息錄入系統(tǒng)；（3）現(xiàn)場(chǎng)的盾構(gòu)廠家系統(tǒng)服務(wù)安裝部署（處于聯(lián)調(diào)階段）；（4）安裝數(shù)據(jù)采集模塊；（5）盾構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接調(diào)試（靜態(tài)對(duì)接2次核對(duì)，動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)2次）；（6）與專業(yè)工程師核對(duì)數(shù)據(jù)是否有誤。

其中采集模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，盾構(gòu)機(jī)各子系統(tǒng)主要由PLC來完成控制，同時(shí)通過傳感器采集盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，最后持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并展示GIS+BIM平臺(tái)的大屏端。目前，通過適配了3種訪問運(yùn)行數(shù)據(jù)的方式：（1）PLC支持OPC協(xié)議可直接修改（需要有權(quán)限）和訪問PLC點(diǎn)位地址的最新數(shù)據(jù)（頻率可達(dá)到1次/1秒）；（2）盾構(gòu)機(jī)廠家提供了WebService服務(wù)（頻率可達(dá)到1次/1秒），可以實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)的效果；（3）直接訪問上位機(jī)工控機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)抓取數(shù)據(jù)。三種方式完全滿足使用需求，為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，在獲取數(shù)據(jù)后設(shè)計(jì)了適配器中間件。將不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和不同廠家的盾構(gòu)接數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化為平臺(tái)所支持的數(shù)據(jù)格式，通過專線傳輸回平臺(tái)服務(wù)器（也可用云服務(wù)器）并實(shí)時(shí)在前端展示數(shù)據(jù)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了滿足網(wǎng)絡(luò)安全的要求，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)到監(jiān)控中心都通過專線連接，采用vpn技術(shù)隔離了內(nèi)外網(wǎng)，堡壘機(jī)解決了操作訪問資源的控制問題，保障了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性。由于歷史數(shù)據(jù)比較多，采用了磁盤陣列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)外網(wǎng)都可以訪問系統(tǒng)平臺(tái)，通過防火墻使內(nèi)、外網(wǎng)之間構(gòu)建一道相對(duì)隔絕的保護(hù)屏障，以保護(hù)用戶資料與信息安全性。

5 應(yīng)用實(shí)踐

GIS+BIM的盾構(gòu)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)在天津市濱海新區(qū)軌道交通B1線一期工程應(yīng)用，在實(shí)踐中檢驗(yàn)了該系統(tǒng)的功能和實(shí)用價(jià)值。根據(jù)盾構(gòu)施工過程管理的模式和用戶多方面討論論證，盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能包括盾構(gòu)大屏綜合展示子系統(tǒng)、盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)子系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警管理子系統(tǒng)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)具體的各項(xiàng)功能。

5.1 大屏端綜合展示

基于GIS+BIM的線路走向和區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)狀態(tài)展示效果，目前有四臺(tái)盾構(gòu)機(jī)正在施工，全頁(yè)面輪訓(xùn)展示正在施工的盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)，方便業(yè)主全面掌握所有在施工的盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括：當(dāng)前環(huán)數(shù)、盾構(gòu)狀態(tài)、推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)位移和土壓力、螺旋機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)導(dǎo)向姿態(tài)展示以及異常提示功能；也可展示某一個(gè)盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)；如果某個(gè)盾構(gòu)機(jī)根據(jù)預(yù)警條件到達(dá)預(yù)警時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，播放一段預(yù)警的音頻提示相關(guān)人員關(guān)注相關(guān)數(shù)據(jù)，方便監(jiān)控中心24小時(shí)值班人員時(shí)刻警惕每次異常，及時(shí)全面了解現(xiàn)場(chǎng)情況；不僅有利于施工方在施工過程中更準(zhǔn)確形象地把控施工進(jìn)度，還有利于業(yè)主方對(duì)工程進(jìn)度和安全質(zhì)量的掌控。

5.2 PC端功能

5.2.1 盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控首頁(yè)，根據(jù)業(yè)主和多方需求溝通，確定了顯示的主要參數(shù)，并適配了市面上多種類型的盾構(gòu)機(jī)，例如：鐵建重工、中鐵裝備、中交天和等，盾構(gòu)監(jiān)控的主要參數(shù)包括刀盤的推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤的土壓、刀盤的同步注漿量、螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速、氣體監(jiān)測(cè)等信息；根據(jù)不同環(huán)區(qū)間、最小土倉(cāng)頂部壓力（bar），最大土倉(cāng)頂部壓力（bar），最小刀盤轉(zhuǎn)速（r/min），最大刀盤轉(zhuǎn)速（r/min），最大刀盤扭矩（knm），最大總推力（kn），最小推進(jìn)速度（mm/min），最大推進(jìn)速度（mm/min），最小螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm），最大螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm），最小同步注漿壓力（bar），最大同步注漿壓力（bar），多參數(shù)可設(shè)置專家預(yù)警閾值，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際監(jiān)控的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)做出不同情況等級(jí)的判定，實(shí)施精細(xì)化管控，每環(huán)都可設(shè)置不同的閾值，大大提高了運(yùn)行監(jiān)控的效率，全面掌握運(yùn)行中每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)；配合預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)推送預(yù)警信息，并記錄每次預(yù)警各單位值班員響應(yīng)的情況，滿足了電腦端實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的效果。盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控首頁(yè)，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控首頁(yè)

系統(tǒng)基于GIS+BIM融合技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)施工地質(zhì)及周圍地區(qū)進(jìn)行可視化的三維建模，通過采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的支撐，構(gòu)建直觀完整可視的三維施工場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了從專業(yè)化角度為用戶提供盾構(gòu)施工過程中的姿態(tài)、參數(shù)、位置和周邊環(huán)境等信息的可視化展示，分別從盾構(gòu)機(jī)不同的角度展示需求的參數(shù)，方便了準(zhǔn)確定位和數(shù)據(jù)單位等的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有利于各方的交流協(xié)調(diào)溝通，提升了各方的工作效率。

5.2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理功能

在施工過程中隧道及車站必然對(duì)周圍建筑、管線、道路產(chǎn)生影響。將GIS的宏觀地理環(huán)境與BIM的微觀高精度模型進(jìn)行融合，對(duì)盾構(gòu)施工中的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)警，包括位置導(dǎo)向偏差、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、沉降、測(cè)斜監(jiān)測(cè)的預(yù)警等內(nèi)容。具體風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警統(tǒng)計(jì)的功能由專門的采集整合系統(tǒng)完成，本系統(tǒng)根據(jù)得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)源、隱患等綜合評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)的情況?；诮y(tǒng)一GIS坐標(biāo)系統(tǒng)（84坐標(biāo)系），統(tǒng)一所有相關(guān)因素的關(guān)聯(lián)性，通過BIM模型的詳細(xì)數(shù)據(jù)和可視化效果實(shí)現(xiàn)了綜合的預(yù)警管理評(píng)估；同時(shí)也可以單獨(dú)查看對(duì)應(yīng)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)情況，詳細(xì)了解周邊監(jiān)測(cè)的情況，提高了精細(xì)管理的細(xì)度，也不失整體把握的廣度。

5.2.3 報(bào)表分析

統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)盾構(gòu)施工過程中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行各種條件下的橫向和縱向查找、統(tǒng)計(jì)和分析對(duì)比，并呈現(xiàn)出相應(yīng)的可視化圖形或圖表，輸出報(bào)表報(bào)告。

5.3 移動(dòng)端

該系統(tǒng)的移動(dòng)端功能包括各區(qū)間盾構(gòu)的掘進(jìn)狀態(tài)查詢及相關(guān)參數(shù)形象展示、各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警提醒等，方便用戶隨時(shí)隨地查看當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和接受相關(guān)預(yù)警信息。