基于IFC的传感器信息存储与应用研究

胡振中，田佩龙，李久林



基于IFC的传感器信息存储与应用研究

胡振中1，田佩龙1，李久林2

(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 北京城建集团有限责任公司，北京 100081)

在建筑的施工和运维管理过程中，存在大量的传感器采集的数据，但是这些数据存于各自的监测系统中，产生“信息孤岛”局面，难以对其进一步的融合分析，使其产生更大的价值。建筑信息模型(BIM)技术支持将传感器数据与工程数据集成管理和应用，但是面向BIM存储的工业基础类国际标准(IFC)对传感器数据的定义和描述仍有缺陷。为此，提出了基于IFC的传感器信息存储方法与应用流程，分析了IFC中与传感器有关的信息描述和关联机制，进而通过自定义属性集的方式扩展了IFC标准，最后以北京槐房再生水厂项目为应用案例验证了IFC扩展内容的有效性。

建筑信息模型；工业基础类；传感器；监测；信息集成

在建筑的施工和运维管理过程中，存在大量的传感器采集的数据，比如施工管理过程中结构监测系统的应力、应变、位移等监测数据，运维管理过程中暖通空调系统的房间温度、湿度，风机转速等监测数据。这些数据存入各自的监测系统中，产生“信息孤岛”局面，难以对其进一步的融合分析，使其产生更大的价值。BIM (building information model/modeling，建筑信息模型)技术支持将监测数据与工程数据集成管理和应用，从而辅助建筑施工管理和运营维护过程中的综合分析与决策，以充分发挥工程信息的价值。

然而，如何将BIM静态数据与传感器动态数据有效融合，并形成统一数据源，至今仍没有成熟的方法，但已有相关学者做了一些尝试，其中基于IFC (industrial foundation classes，工业基础类)标准框架的研究成果最为丰富。例如，RIO等[1]分析了IFC中传感器信息的表达方式，提出了基于IFC的结构健康监测信息的建模方法，并在案例研究中实现了位移、应力、角度和温度等传感器在IFC中的定义和表达，利用监测数据进行结构健康评估。王超[2]提出了IFC中结构健康监测信息的集成和表达方法，并基于Revit平台，对结构健康监测信息进行了可视化的集成和管理。SMARSLY和TAUSCHER[3]提出了一种描述结构健康监测信息的语义模型，并通过扩展IFC模型实现了对该语义模型的描述和表达。LIU和AKINCI[4]分析了IFC、SensorML等标准对传感器信息的支持程度，并将传感器元数据(sensor metadata)和BIM整合，提出使用SensorML标准描述传感器类型信息，使用IFC标准描述传感器实体信息的思路。此外，RIAZ等[5]利用无线传感器采集施工现场的环境监测数据，集成到BIM系统中，对不安全的施工环境进行预警。ATTAR等[6]利用无线传感器采集办公楼房间内照度、温度、湿度等数据，集成到BIM系统中进行可视化的查询和建筑性能分析。

然而，目前针对BIM数据与传感器数据融合的研究大多仅限于某一领域的应用，针对融合数据的应用流程缺乏深入的梳理。本研究从信息存储的角度探讨了基于IFC的传感器信息存储与应用流程，分析了IFC中与传感器有关的信息描述和关联机制，然后通过自定义属性集的方式扩展了IFC标准，最后以北京槐房再生水厂项目为应用案例验证了IFC扩展内容的有效性。

1 基于IFC的传感器信息存储与表达

IFC是由buildingSMART组织创建和维护的开放BIM标准，现已成为国际标准，用于建筑工程领域不同专业(包括建筑、结构、机电等)、不同阶段(包括规划、设计、施工、运维和拆除)软件之间的数据交换与共享。

IFC的数据模型包含4个层次：①资源层(resource layer)为所有的基础资源定义，如时间、材料、几何等；②核心层(core layer)为IFC的核心部分(如基础实体、关系、属性等的定义)和扩展部分，是IFC数据模式的基础框架；交互层(interoperability layer)为一系列用于共享的实体、过程和资源定义，用于不同领域信息的交互；④领域层(domain layer)为一系列领域内的信息定义，如建筑控制、消防、暖通空调等领域。

其中，领域层的建筑控制领域包含了一系列与建筑自动化、控制、仪表和报警等有关的基本信息定义，该领域内主要的实体定义如图1所示，分为执行器、报警、控制器、传感器、流量仪表和统一控制元件几个方面。

1.1 IFC中传感器信息描述与关联机制

由图1可见，IFC数据模型中与传感器信息的存储和表达有关的信息定义包含在IfcSensor和IfcSensorType的信息定义中，如图2所示。

除IfcSensor和IfcSensorType的信息定义外，与之关联的其他工程属性是通过IFC内部的关联机制实现的，可以细分为基于属性集和基于类型实体两种类型。

(1) 基于属性集的传感器信息描述与关联。属性集是指由多条属性组成的集合，在IFC中，用IfcSensor描述传感器实体，用IfcProperty描述传感器的属性信息，将多条属性信息组成属性集IfcPropertySet，通过IfcRelDefinesByProperties关系将属性集关联到传感器实体，IfcRelDefinesByProperties中可包含多个属性集，同时，具有相同属性值的传感器可通过同一个IfcRelDefinesByProperties关联到同一类属性集上。

(2) 基于类型实体的传感器信息描述与关联。利用IfcSensorType定义具有相同特征的传感器类型实体，通过属性集描述该传感器类型实体的特征，将传感器实体通过IfcRelDefinesByType关系关联到某个传感器类型实体，从而描述传感器实体的属性。在最新的发布版IFC4 Add2中IfcSensorTypeEnum定义了24种传感器类型实体，其中，湿度传感器的预定义属性集见表1~2，未定义的传感器类型可通过用户自定义的方式扩展。

1.2 基于IFC的传感器信息存储和扩展

IFC中预定义了一部分传感器类型及其属性集，但是，一方面IFC中预定义的传感器类型并不能覆盖实际应用中的所有传感器类型，例如缺乏检测空气质量的PM2.5传感器，检测结构位移、挠度的传感器等；另一方面，IFC中预定义的传感器信息只能描述传感器的极少部分特征，例如：湿度传感器的预定义属性集中只能存储湿度传感器设定值(量程、湿度阈值)，而无法存储其型号、灵敏度、温度系数、响应时间等信息。因此，需要对IFC中原有的传感器信息模型进行扩展，以满足利用IFC对实际应用中传感器监测信息描述和存储的需要。

图1 建筑控制领域包含实体的EXPRESS-G表示

图2 IFC中与监测信息相关的信息定义

表1 湿度传感器属性集定义

表2 Pset_SensorTypeHumiditySensor属性定义

对IFC进行扩展有3种方式：通过自定义实体类型进行扩展、基于IfcProxy实体进行扩展和通过自定义属性集的方式进行扩展。其中，通过自定义实体类型进行扩展的方式同现有BIM软件和公开IFC版本的兼容性较差，基于IfcProxy实体进行扩展的方式识别效率较低，通过自定义属性集的方式则兼容性较好，识别效率较高，因此本研究中采用自定义属性集的方式对IFC监测数据进行扩展。

与传感器相关的信息可以分为传感器特征信息(包括描述传感器型号、量程、精度、采集间隔等)、传输协议信息(协议名称、版本号等)、作用对象信息(附属的构件、监测范围等)和历史监测数据，针对以上不同类型的信息，在IFC中分别通过自定义属性集的方式进行描述和存储。

(1) 实体信息。在IFC中用IfcSensor代表传感器实例，在实例属性PreDefinedType存储传感器类型信息，对于IFC中未定义的传感器类型，将PreDefinedType属性值设为UserDefined，并IfcSensor关联的类型属性集中记录类型信息。对于与类型相关的属性信息，存储到IfcSensorType关联的属性集中，并通过IfcRelDefinesByType建立IfcSensor实例与IfcSensorType的关联，对于与传感器实例有关的信息，直接存储在与IfcSensor关联的属性集中。

(2) 传感器特征信息。传感器特征信息表示传感器本身的特性以及输出数据的特性，自定义属性集见表3~4。

(3) 协议信息。传感器在传输数据时需要采用特定的传输协议，为了描述协议信息的内容，自定义协议信息属性集，见表5~6。

表3 Pset_SensorCommonFeature属性集定义

表4 Pset_SensorCommonFeature属性定义

表5 Pset_ExchangeProtocol属性集定义

表6 Pset_ExchangeProtocol属性定义

(4)作用位置信息。作用位置信息用来描述传感器与IFC中其他实体的关系，便于在基于IFC的语义查询中，建立对传感器实体的语义描述。作用位置分为3类：①传感器隶属于某个设备，传感器的用途是表征设备的某种运行状态，如风机中的转速传感器。②传感器隶属于某个区域，区域采用IfcSpace的实体描述，例如某个房间的温度传感器。③不直接关联到任何设备或区域，在IFC中记录传感器位置和检测范围，其中，传感器位置信息借助关联的传感器实体的几何坐标信息进行描述，关联实体记录在LocationElement中，例如人体红外传感器只能检测一定范围内的人体活动情况。作用对象信息采用如所示自定义属性集进行存储，见表7~8。

表7 Pset_SensorLocation属性集定义

表8 Pset_SensorLocation属性定义

(5) 传感器历史数据。传感器采集的历史数据是指一定时间段内传感器采集到的所有数据。当数据量较小时，采用IFC中的IfcPropertyTableValue存储，如图3所示，其中，DefiningValue存储数据采集时间，DefinedValues存储采集到的数据，见表9。当查询的时间段较长时，历史数据量较大，并不适合直接存储在IFC文件中，此时，通过外部引用的方式存储历史数据，例如，在IFC文件中存储历史数据所在RESTful API的地址。

2 基于IFC的传感器信息应用流程

基于IFC的传感器信息应用流程如图4所示，包含IFC中传感器信息的创建、传递、解析和应用等过程。

图3 IfcPropertyTableValue定义

表9 IfcPropertyTableValue存储的一段时间内数据

图4 基于IFC的监测信息应用流程

2.1 传感器信息的创建

传感器信息的创建可以借助Revit等商品化BIM软件完成。其中，Revit是Autodesk公司的商用BIM建模软件，提供了参数化建模的能力，利用Revit进行传感器信息创建的流程如下：

(1) 定义传感器族。Revit族用来对Revit中包含共同属性和相似集合的构件或设备分组，Revit中一个族可包含不同的子类别，不同的子类别包含的参数种类是一样的，但是参数的值有所不同。通过创建传感器族定义不同类型的传感器，如，可定义温度传感器族，来代表用于室内温度监测的传感器，温度传感器又可分为很多不同的型号，不同型号的传感器量程、测量精度等会有所不同，用Revit族的子类别来表示某一类型的传感器，在子类别的族参数中，设定该类型传感器的类型相关的属性值。族的几何图形代表传感器的形状，如果对传感器的形状没有要求，使用简单的几何形状体即可。

(2) 传感器建模。传感器建模在建筑、结构、机电建模完成后进行，通过载入的自定义传感器族进行传感器的布置，在Revit中一个族实例代表某一个传感器。在实例属性中，输入该传感器的相关属性，如传感器数据采集间隔、采用的数据传输协议、协议内标识信息等。最后，定义传感器与其他构件的关联关系，将传感器关联到设备或者房间实例上。

2.2 传感器信息的传递

在Revit中创建的传感器信息通过IFC中性文件进行传递，IFC中性文件的导出可以借助“IFC for Revit”工具完成，该工具是SourceForge上的开源项目，用来增强Revit的IFC导出能力。在导出过程中，将自定义的传感器族映射到IfcSensor实体，将族参数存储到IFC自定义属性集中。

IFC中性文件是专门格式的ASCII码顺序文件，如图5所示，采用WSN (wirth syntax notation)形式化语法，是一种无二义性，上下文无关的文法，易于计算机处理。IFC中性文件主要由头部段和数据段组成。头部段是中性文件的第一段，提供了有关整个中性文件的数据概要，记录内容为：文件名、文件生成日期、作者姓名、单位、文件描述、前后置处理程序等。数据段是文件的主体部分，包含了需交换的产品数据。数据段记录的内容为实体的实例及其属性值，每个实体实例用标识符和实体名称表示，属性值可以分为简单数据值、枚举数据值、聚合数据值(数组、列表、集合和包)以及引用其他对象的标识符等几类。

图5 IFC中性文件

其中，以“#”+ID的方式定义标示符，其后的“=”表示后面的内容为实体及其属性的定义。紧接其后的以“IFC”开头的大写字母为该实体的类型名称，随后的括号内是对应于该实体类型的属性值。属性从基类开始，对显示属性逐个定义。属性根据其类型又分别有如下表述：为简单数据值类型时，直接标出数值；为枚举数据类型时，在枚举类型值的前后各加一个“.”；为聚合数据类型时，以“()”包裹，其数据以“，”作为分隔；为其他引用对象时，直接用“#”+ID方式表示；当为空对象时，以“$”表示。

2.3 传感器信息的解析和应用

IFC中性文件将被分别传递给监测集成服务器、BIM客户端和其他软件进行使用，如图4所示。其中，本研究所采用的监测集成服务器和BIM客户端均是本课题组所开发的“基于BIM的建筑设备自动化集成系统”的组成部分，分别用于不同自动化系统中的监测数据集成和面向用户的桌面系统。此外，监测集成服务器和BIM客户端中IFC中性文件的解析在课题组已有的IFC解析接口[7]的基础上完成，增加IfcSensor实体和传感器关联关系的识别和解析部分。

监测集成服务器通过解析IFC中性文件，提取出IFC中的所有传感器实体信息、采用的数据传输协议信息和数据采集频率等，这些信息一方面将传递给数据管理模块进行存储，另一方面传递给相应的协议插件模块用来建立与监测系统的通信，完成插件模块中传感器信息的配置、进行传感器监测数据订阅等。监测系统包含控制器、传感器等硬件设备，是布置在建筑内部用于数据采集的硬件系统。通信建立完成后，监测系统中传感器采集到的数据会实时更新到监测集成服务器中。监测集成服务器提供数据服务，BIM客户端和其他软件可通过服务的形式调用任意传感器采集到的所有监测数据。

BIM客户端通过解析IFC中性文件，提取出IFC中的所有传感器实体信息、位置信息、几何形状和标识信息等，以支持可视化的查询和显示，如图6所示。此外，通过将标识信息传递给监测集成服务器提供的服务，来查询传感器相关的采集数据，为进一步的分析和应用提供基础。

图6 BIM客户端中监测的可视化查询和显示

3 应用案例

本研究以北京槐房再生水厂(以下简称槐房水厂)项目中毒害气体传感器的建模与应用流程为例，进行了技术验证和案例应用。槐房水厂是北京市第一座全地下再生水厂，也是全国乃至全世界最大的主体处理工艺全部处于地下的再生水厂工程，其设计污水处理能力为60万立方米/日，规划流域面积为137 km2。槐房水厂采用生物处理工艺对污水进行处理，出水主要用于河湖补水、绿化、市政杂用、工业冷却用水等。槐房水厂在设计、施工和运维过程中践行智慧建造、智慧运营的理念，在设计过程中采用BIM技术进行设计；在施工过程中，利用BIM技术，探索基于IPD模式的项目管理方法；在运维过程中，探索基于BIM和物联网的大型建筑工程智慧运维管理模式和方法。

在污水处理过程中，污水中含有的大量硫酸盐会在还原菌的作用下产生硫化物，并以硫化氢(H2S)的形式扩散到空气中，对人体产生严重损害，一般通过预曝气、添加铁盐、硝酸盐等方式可以减少H2S的释放。然而，由于槐房水厂水区主要构筑物位于地下，一旦发生H2S超标的情况，将会对工作人员的生命健康产生严重损害。因此，需要在易发生H2S泄露部位设置传感器，搭建毒害气体监测与报警系统，用于H2S气体的监测和报警。

本研究在槐房水厂已有BIM模型基础上，在Revit中进行硫化氢传感器信息建模，并通过IFC中性文件将信息传递到自主研发的基于BIM的槐房水厂运维管理系统，实现H2S监测和报警系统与BIM系统的集成、综合管理。如图7所示，在该运维系统中，可查看所有H2S浓度检测传感器当前检测到的浓度值；通过选择任意传感器，亦可查看该传感器的详细参数以及检测到的H2S浓度值的变化趋势，并输出报表等。

图7 硫化氢传感器检测值变化趋势查询

当H2S浓度超过报警值时，现场声光报警器会进行报警，该运维系统也会有相应提示，H2S浓度报警值根据国家规范[8]进行设定，见表10。报警记录会保留在BIM运维系统中，方便事后进行查看，也可将报警记录输出成报表进行打印，如图8所示。

表10 硫化氢各级浓度报警值

图8 报警记录查看

4 结 论

本研究对IFC中与传感器有关的信息描述和关联机制进行了分析，通过自定义属性集的方式对IFC进行了扩展，以满足BIM系统与监测系统集成过程中传感器信息存储和定义的要求。进一步梳理了基于IFC的传感器信息应用流程，通过Revit二次开发、扩展IFC接口等方式，实现了对IFC中传感器信息的创建、传递、解析与应用等。最后以北京槐房再生水厂项目为例，验证了以上技术和方法的有效性。

[1] RIO J, FERREIRA B, MARTINS J P. Expansion of IFC model with structural sensors [J]. Informes de la Construcción, 2013, 65(530): 219-228.

[2] 王超. 基于BIM的监测信息IFC表达与集成方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

[3] SMARSLY K, TAUSCHER E. Monitoring information modeling for semantic mapping of structural health monitoring systems [EP/OL]. [2017-05-20]. http://www.see.eng.osaka-u.ac.jp/seeit/icccbe2016/Proceedings/Full_Papers/001-004.pdf.

[4] LIU X S, AKINCI B. Requirements and evaluation of standards for integration of sensor data with building information models [C]//2009 ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering. Reston:American Society of Civil Engineers, 2009: 95-104.

[5] RIAZ Z, ARSLAN M, KIANI A K, et al. CoSMos: a BIM and wireless sensor based integrated solution for worker safety in confined spaces [J]. Automation in Construction, 2014, 45: 96-106.

[6] ATTAR R, HAILEMARIAM E, BRESLAV S, et al. Sensor-enabled cubicles for occupant-centric capture of building performance data [J]. Ashrae Transactions, 2011, 117(1): 441-448.

[7] 胡振中, 陈祥祥, 王亮, 等. 基于BIM的机电设备智能管理系统[J]. 土木建筑工程信息技术, 2013, 5(1): 17-21.

[8] 中华人民共和国卫生部. GBZ 2.1-2007工作场所有害因素职业接触限值第1部分: 化学有害因素[S]. 北京: 中国标准出版社, 2007.

Research on IFC-Based Storage and Application of Sensor Information

HU Zhenzhong1, TIAN Peilong1, LI Jiulin2

(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084 China; 2. Building Urban Construction Group Co. Ltd., Beijing 100081, China)

There are a lot of sensor data collected in the construction, operation and maintenance of buildings, but these data only existed in the respective monitoring systems, leading to a situation of “information island”, thus the sensor data cannot be effectively used. BIM (building information model/modeling) technology can implement integrated management and application of sensor data and engineering data. The IFC (industrial foundation classes) standard which is an international standard for BIM storage, is still not sufficient for sensors and their data. In this paper, IFC-based sensor information storage method and application process are presented. Specifically, the description and association mechanism of sensor information in IFC are analyzed, followed by the extension of IFC property set to achieve the storage of such information. Finally, the IFC-based application process of sensor information is described. The proposed methods were applied to the HuaiFang Water Reclamation Plant in Beijing for validation.

building information model/modeling; industrial foundation classes; sensor; monitoring; information integration

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030522

A

2095-302X(2018)03-0522-08

2017-07-27；

2017-10-09

国家重点研发计划课题(2016YFC0702107)；北京市科技计划课题(Z151100002115054)；国家自然科学基金项目(51478249)

胡振中(1983–)，男，广东惠州人，副教授，博士。主要研究方向为土木工程信息技术。E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn