摘要
提出了一种面向信息物理融合的BIM(building information modeling,建筑信息模型)扩展方法,重点从面向信息物理融合的BIM扩展总体框架、BIM信息物理融合实体的定义与构建等方面开展研究,可为高效构造基于BIM的建筑运维动态管控、增强现实人机交互等新型系统提供技术支撑。原型系统构建试验结果表明,该方法开发基于BIM的工程运维系统时具有模块化程度高、易于理解等优点。
建筑信息模型(building information modeling,BIM
本文旨在借鉴信息物理融合系统(cyber physical systems,CPS
BIM技术已渗透至建筑工程规划、设计、施工、运维等全生命周期,尤其是在设
由于IAI( industry alliance for interoperability,国际协作联盟)发布的基于IFC(industry foundation class)的BIM基本模
相关学者在BIM扩展方面开展了有益的探索,但总体而言,现有研究工作多将BIM视为与外部物理世界隔离的、封闭的、纯粹的虚拟模型,主要考虑如何构造能够在虚拟信息世界中高效运行的BIM实体模型,对面向CPS的BIM方面还缺乏研究。而现有BIM及其支撑技术体系,缺乏对具有与外部物理世界交互协同能力的BIM及其软件设施的支持,即BIM仍然是“聋哑模型”。
近年来,随着BIM技术在建筑工程运维动态管控、增强现
从现有研究工作不难看出,为了实现对工程动态过程的实时响应和获取良好的用户体验,关于BIM与外部物理环境交互这一问题已经开始得到研究人员的关注,现有研究工作也取得了一定的进展。但是,现有研究工作仍大多只是针对某一个具体问题(如对RFID(radio frequency identification)对象扩
信息物理融合系统(CPS)一般是指嵌入式计算机和网络监视和控制物理过程,并采用反馈机制实现物理过程和计算进程的相互作

图1 基于反馈闭环的CPS技术要素构成
Fig. 1 Abstract of elements in CPS based on feedback loop
BIM在本质上是基于面向对象思想对建筑物理世界的一种相对严格的信息描述,即BIM空间中的虚拟实体是建筑空间中物理实体的对偶映射。但现阶段的BIM框架所支持的这种映射,只是一种建筑实体静态属性(如尺寸、安装位置、形状等)的映射,缺乏对建筑实体参数和行为(如旋转、平移等)动态变化的映射支持,使得BIM空间中的虚拟实体难以真实、实时地反映建筑空间物理实体动态变化。因此,实现建筑实体对象信息物理融合的目的在于确保BIM空间虚拟实体和建筑空间物理实体参数和行为动态变化的一致性,使BIM空间能真实反映建筑物理空间的运动状态。为了实现这种建筑实体在虚拟空间和物理空间的状态一致性,本文借鉴CPS的技术思想来开展研究。建筑实体信息物理融合的基本实现思路如

图2 建筑实体信息物理融合的基本实现思路图示
Fig. 2 Idea of implementing cyber physical entities of buildings
为保证BIM空间中空调机组与建筑物理空间中真实空调机组的状态一致性,首先要在BIM空间中添加感知器对象,用来感知和获取物理空调机组的运行状态数据,该感知器对象与空调机组对象链接或绑定(如
其次,在BIM空间中添加执行器对象,用来执行(用户或控制器对象)施加到BIM虚拟实体上的控制动作(如启动、停止、参数设定等), 进而驱动建筑物理实体运行状态的改变。该对象与常规BIM实体(如空调机组对象)相绑定链接(如
然后,在BIM空间中添加控制器对象,用来自动对基于感知器传来的信息进行决策推理,并将决策结果(控制指令)传递给执行器对象,由执行器对象驱动建筑物理实体改变其运动状态。控制器对象与常规BIM实体(如空调机组对象)相绑定(如
最后,在BIM空间中添加动画对象,用来在BIM空间中动态展示与建筑物理世界中建筑实体的运行状态,实现虚拟实体与物理实体在运动状态上的一致性呈现。动画对象是对建筑实体运行状态的直观描述,由于建筑实体的运行状态存在多种形式,因此需要定义多种动画对象来描述建筑实体的运动状态。一般而言,建筑实体运动状态主要有旋转(机电设备)、填充(水池、液位)、移动、数据实时显示等类型,所以动画对象在具体实现时也可以按照这些类型进行分别定义。
上述4种对象对于构造基于BIM的建筑信息物理融合系统并非缺一不可,而是可以根据具体应用场景有选择地组合。例如,如果只需要在BIM空间中动态监视建筑实体的运行状态,则只需要添加感知器对象和动画对象即可;如果在BIM空间中既需要监视又需要由用户远程控制建筑实体,即需要使BIM虚拟实体同时具有感知能力和受控能力,则需要同时添加感知器对象、执行器对象和动画对象;如果需要使BIM虚拟实体具有自我调控能力,则需要同时添加感知器对象、控制器对象、执行器对象和动画对象。
BIM 技术的核心是信息描述、共享与转换,而IFC标准则是实现BIM信息描述、共享与转换的一种事实上的BIM通用标
BIM的扩展一般有3种扩展方
在现有基于IFC的BIM框架内,新建与定义信息物理融合感知器对象IfcCPSSensor、信息物理融合控制器对象IfcCPSController、信息物理融合执行器对象IfcCPSActuator、信息物理融合动画对象IfcCPSAnimation 这4个对象。这些对象之间的交互协作关系如

图3 基于IFC扩展的信息物理融合对象交互关系
Fig. 3 Interactive relationships between cyber physical objects based on IFC
信息物理融合感知器对象IfcCPSSensor用于实时感知信息,其通过建筑物联网驱动程序接口与物理传感器相连接,实时获取建筑空间中建筑物理实体的运行信息。其通过IFC内部绑定机制与常规建筑BIM对象(例如门(IfcDoor)等)相连接,使常规建筑BIM虚拟对象具有获取其所对应的建筑物理实体动态信息的能力。
信息物理融合控制器对象IfcCPSController用于封装控制策略,其通过IFC内部绑定机制分别与信息物理融合感知器对象IfcCPSSensor和信息物理融合执行器对象IfcCPSActuator相连接,基于信息物理融合感知器对象IfcCPSSensor感知的信息,实现自主推理决策功能,并将决策结果传输至信息物理融合执行器对象IfcCPSActuator。信息物理融合控制器对象IfcCPSController通过IFC内部绑定机制与常规建筑BIM对象相连接,使常规建筑BIM对象及其所对应的建筑物理实体具有基于动态信息的自主决策和自适应能力。
信息物理融合执行器对象IfcCPSActuator用于实现控制信息的输出,其通过IFC内部绑定机制与信息物理融合控制器对象IfcCPSController相连接,接收信息物理融合控制器对象IfcCPSController的决策推理结果;其通过建筑物联网驱动程序接口与物理执行器相连接,将该控制器决策结果通过建筑物联网驱动程序接口发送至物理执行器,进而实现调控现实世界中的建筑物理实体。IfcCPSActuator通过IFC内部绑定机制与常规建筑BIM对象相连接,使常规建筑BIM对象具有自我调控能力。
信息物理融合动画对象IfcCPSAnimation,用于实现常规建筑BIM对象在虚拟空间中的动画显示(如旋转、移动、填充、数据实时显示等)能力。其通过IFC内部绑定机制与感知器对象IfcCPSSensor相连接,获取真实建筑物理实体的动态信息,并与常规建筑BIM对象相连接,驱动常规建筑BIM对象在虚拟空间中依据建筑物理实体真实运行状态进行动画显示。
本文定义的4种信息物理融合对象需要与常规BIM对象进行链接绑定。这种绑定机制采用IFC框架中的物理关系连接实体IfcRelConnectsElements 来实现。基于IfcRelConnectsElements的CPS对象与常规BIM对象的绑定原理如

图4 基于IfcRelConnectsElements实体的绑定机制
Fig. 4 Binding mechanism of IfcRelConnects Elements entity
通过这种绑定机制,可以实现前文定义的4种CPS对象与常规BIM对象的绑定,如

图5 CPS 4种对象与BIM常规对象实体的绑定示意图
Fig. 5 Binding of four CPS objects and common BIM objects
文中扩展的4种信息物理融合实体可以IFC主体框架中的分布式控制元素对象IfcDistributionControlElement为基础进行构建,即这4种对象均继承了IfcDistributionControlElement的属性。新扩展的4种信息物理融合对象实体在IFC框架中的位置如

图6 4种信息物理融合对象在IFC主体框架中的继承位置
Fig. 6 Inheritance position of four CPS objects in IFC main framework
为了实现BIM对象的信息物理融合能力,本文在BIM空间中添加了4种信息物理融合实体,而BIM对象信息物理融合能力的实现,是通过这些对象与常规BIM对象之间的交互协作来完成的。为了更清晰地刻画这种交互,依据BIM融合了面向对象思想这一事实,采用在面向对象软件分析与设计领域常用的UML(unified modeling language,统一建模语言)建模工具来对BIM信息物理融合对象的交互关系进行建模。
类图是面向对象系统建模中最常见的图,其显示了一组类、接口、协作以及它们之间的关系。类图一般用于描述对象系统的静态连接关系。

图7 BIM信息物理融合对象UML类图及对应物理对象
Fig. 7 UMLClass diagram of BIM CPS objects and corresponding physical objects
另外,动画类IfcCPSAnimation有4个子类:移动动画类IfcCPSMovingAnimation、填充动画类Ifc-CPSFillingAnimation、旋转动画类IfcCPSRotating-Animation、数据显示动画类IfcCPSShowingData-Animation。感知器类IfcCPSSensor有2个子类:模拟量感知器类IfcCPSAnalogSensor、开关量感知器类IfcCPSSwitchSensor。执行器类IfcCPSActuator同样也包含了2个子类:模拟量执行器类IfcCPS-AnalogActuator、开关量执行器类IfcCPSSwitch-Actuator。
交互图又称顺序图,是面向对象系统建模中刻画对象之间动态行为的工具。顺序图按照时间顺序对控制流建模。

图8 信息物理融合BIM对象的UML协作交互图
Fig. 8 UML collaboration diagram of BIM CPS objects
如
与IFC标准定义BIM实体的方法一致,这里主要采用Express语
基于物理世界感知器的一般原理,来定义和描述BIM空间中的信息物理融合感知器对象IfcCPSSensor。正如物理世界的感知器一般分为模拟量感知器和开关量感知器两种,本文也将BIM中的信息物理融合感知器分为两类:信息物理融合模拟量感知器和信息物理融合开关量感知器。
在基于IFC的BIM空间中,将信息物理融合模拟量感知器命名为IfcCPSAnalogSensor,实现对建筑物理实体的连续变化的模拟量值(如温度、湿度、照度等)进行感知和采集。其基类为IfcDistribution- ControlElement,如

图9 信息物理融合感知器在IFC框架中的位置
Fig. 9 BIM CPS sensor in IFC main framework

图10 基于EXPRESS的IfcCPSAnalogSensor实体的定义
Fig. 10 Definition of IfcCPSAnalogSensor based on EXPRESS
开关量感知器对象IfcCPSSwitchSensor是一种对开关量类型信息进行感知的BIM抽象实体,实现对建筑物理实体的开关型状态值(门的开闭、设备运行的启停等)进行感知和采集。其继承于IFC已有框架中的元素对象IfcDistributionControlElement,获取GlobalID、Name等标识属性以及Connected to等连接属性。采用Express语言定义和描述的信息物理融合开关量感知器对象如

图11 基于EXPRESS的IfcCPSSwitchSensor实体的定义
Fig. 11 Definition of IfcCPSSwitchSensor based on EXPRESS
在整个面向信息物理融合的BIM扩展框架中,信息物理融合感知器实体对象需要与其他3种对象建立2种不同的关系。
第一种是基于数据接口交互的连接关系,即信息物理融合感知器对象要分别与信息物理融合控制器对象和动画对象连接,建立数据层面上的接口连接关系,为这两种对象提供感知来的数据。这种连接关系由于存在实际的数据传输,本文采用IfcConnectPorts对象建立此种关系。
第二种是依附关系,即信息物理融合感知器对象与被感知的常规BIM实体(如空调机组)建立一种组合,说明该感知器对象专属于这个常规BIM实体,可以理解为感知器对象是依附于常规BIM对象的一个组件,因此本文采用IfcRelConnectsElements对象来构建此种关系。
动画显示是为了在BIM空间中直观地表达建筑实体的运行状态,并使之与现实建筑物理空间中的相应实体运动保持一致。根据建筑物理实体的运行形式,本文主要将动画显示分为4种类型:旋转、填充、移动、数据显示。与前述定义的BIM信息物理融合对象相同,动画对象的基类也为IfcDistribution- ControlElement。在该基类的下级添加了新的实体IfcCPSRotatingAnimation、IfcCPSMovingAnimation、IfcCPSFillingAnimation、IfcCPSShowingDataAnimation及其对应的类型IfcCPSRotatingAnimationType、IfcCPSMovingAnimationType、IfcCPSFillingAnima-tionType、IfcCPSShowingDataAnimationType。同样地,在定义这些实体时,可以事先提供预定义、用于特定场合(predefinedType)的动画实体(如防护门旋转动画),采用IfcCPSRotatingAnimationTypedNum、IfcCPS-MovingAnimationTypedNum、IfcCPSFillingAnimation-TypedNum、IfcCPSShowingDataAnimationTypedNum表达。下面分别讨论这4种类型动画对象的定义与建模方法。
旋转是一种实现建筑对象绕其中心点旋转的BIM抽象实体,简写为IfcCPSRotatingAnimation,其在BIM虚拟环境中根据其所连接的模拟量感知器对象数据源的值的变化,动态驱动该动画类所连接的建筑BIM对象绕其中心点进行旋转。
采用Express语言定义和描述的信息物理融合旋转动画对象如

图12 基于EXPRESS语言的旋转动画对象描述
Fig. 12 Description of rotating animation object based on EXPRESS
移动动画对象是一种实现建筑对象移动的BIM抽象实体,简写为IfcCPSMovingAnimation,其在BIM虚拟环境中通过改变对建筑物理对象BIM实体的空间坐标位置属性来实现建筑物理对象实体的移动。
采用Express语言定义和描述的信息物理融合平移动画对象如

图13 基于EXPRESS语言的移动动画对象描述
Fig. 13 Description of moving animation object based on EXPRESS
填充动画对象是一种实现建筑对象填充的BIM抽象实体,简写为IfcCPSFillingAnimation,其在BIM虚拟环境中根据其所连接的模拟量传感器对象数据源值的变化,动态填充该动画类所连接的建筑BIM对象中的图元区域,使图元区域能以填充区域的百分比来反映模拟量数据源值的变化。采用Express语言定义和描述的信息物理融合填充动画对象如

图14 基于EXPRESS语言的填充动画对象描述
Fig. 14 Description of filling animation based on EXPRESS
与信息物理融合执行器等对象类似,在整个面向信息物理融合的BIM扩展框架中,动画实体对象需要与其他两种对象建立两种不同的关系。
第一种是基于数据接口交互的连接关系,即动画对象要与信息物理融合感知器对象建立数据层面上的接口连接关系,即接收感知器对象的数据输入。这种连接关系由于存在实际的数据传输,采用IfcConnectPorts对象建立此种关系。
第二种是依附关系,即动画对象与被调控的常规BIM实体(如空调机组)建立一种组合,说明该动画对象是专属于这个常规BIM实体的,可以理解动画对象是依附于常规BIM对象的一个组件,因此本文采用IfcRelConnectsElements对象来构建此种关系。
近年来,由于具有富信息、三维可视等突出优势,BIM技术开始在人防工程的运维监控中得到应用。采用BIM技术,可以为用户提供贴近真实建筑空间场景的监控软件人机界面。但是由于传统BIM框架,不支持信息物理融合能力,使得BIM与建筑物理空间的对象实时数据无法紧密耦合,导致监控软件中BIM三维对象无法在同一软件界面动态显示对象运行状态和参数,即存在BIM静态模型与其动态运行状态分离、用户体验和人机交互友好性不强等不足。本节利用前文建立的信息物理融合扩展模型和实现机制,来构造基于BIM扩展模型的人防工程运维监控原型系统,其硬件结构如

图15 基于BIM的人防工程运维原型系统结构
Fig. 15 Structure of BIM based operation and maintenance system in civil air-defense construction

图16 原型系统基于BIM扩展模型的监控软件界面
Fig. 16 Prototype system monitoring software interface based on BIM extension model
通过原型系统的构建和实验,验证了本文研究所提出的BIM信息物理融合扩展模型和实现机制是可行、可用的。这种BIM信息物理融合扩展模型使得监控软件中的BIM空间中动态显示与物理世界一致的设备运行状态和参数,有效解决了现有基于BIM的建筑运维监控软件系统存在的BIM静态实体与动态数据分离、开发难度大、交互性不强等问题。
本文针对建筑生命周期过程对信息物理融合交互的新需求,提出了一种面向信息物理融合的BIM扩展方法,并尝试将其应用到人防工程运维监控系统中,分别从面向信息物理融合BIM扩展的总体框架、实体定义与实现机制、原型系统等方面开展了研究。本文研究成果是对IFC框架的有益补充,使得支持信息物理融合能力的BIM成为现实,为高效构造基于BIM的建筑运维动态管控、增强现实人机交互等新型系统提供了较好的技术支撑。
但总体而言,本文的研究工作仍是初步的,笔者仍将在以下两个方面展开进一步的研究:①BIM信息物理融合对象实体的进一步扩充完善,需要进一步结合具体工程应用进行优化,如扩展动画对象,使BIM能支持更为复杂运作状态呈现能力。②基于BIM扩展模型的建筑运维监控平台的工程应用。在原型系统的基础上,进一步完善基于BIM扩展模型的建筑运维监控平台的功能,提高其可靠性,加快其工程化应用进程。
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