基于GIS的大型公共建筑轻量级运维管理平台研发与应用

文 桥，张建平，向雪松，石 涛，胡振中3,

基于GIS的大型公共建筑轻量级运维管理平台研发与应用

文 桥1，张建平1，向雪松2，石 涛2，胡振中3,1

(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 昆明长水国际机场，云南 昆明 650211；3. 清华大学深圳研究生院，广东 深圳 518055)

大型公共建筑在商业、办公、旅游、科教文卫、通讯和交通等各个方面都有着不可替代的作用。但大型公共建筑的运维管理信息化平台开发和应用却有一定技术难度。为降低这一难度，提出一种基于GIS的大型公共建筑轻量级运维管理平台研发与应用方法。大型公共建筑图纸通过图形数据转换和编辑，转换为地图服务；大型公共建筑属性数据通过归纳总结，形成层次结构，并赋予唯一标识符，建立属性数据标准库；并以此为基础，梳理大型公共建筑运维管理流程，形成运维管理标准流程和数据流程；通过搭建统一的平台，完成上述4项结果的集成，并投入实际应用。该方法在一座大型机场航站楼进行了实际验证，开发了一套轻量级运维管理平台，实现了该航站楼运维管理的信息化，其结果验证了方法的有效性和可操作性。

建筑运维管理；大型机公共建筑；GIS；属性数据标准库；运维管理标准流程

大型公共建筑一般是指单栋建筑面积在2万平方米以上且采用中央空调的公共建筑[1]，可分为商业、办公、旅游、科教文卫、通讯和交通等类型。大型公共建筑均具有特殊的用途，合理的运维管理可保证其充分实现自身功能。建筑物的运维管理，是整合人员、设施、技术和管理流程，主要包括对人员工作和生活空间进行规划、维护、维修、应急等管理[2]。由于运维管理时间跨度大、周期长、内容多、涉及人员复杂，传统的运维管理效率相对低下[2]。因而，引入信息技术改善大型公共建筑运维管理的效率和质量，提升管理效率和服务水平，具有明显的实用意义。

建筑运维管理信息化的相关研究可以分为技术和应用2个层次[2]。信息化技术在技术层面主要包括：建筑信息模型(building information modeling, BIM)技术和移动终端技术2类。BIM作为新兴技术，具有应用在运维管理方面的潜能，并引起了管理人员对其利用的兴趣[3]。BIM作为建筑的虚拟承载体，包含建筑物所有物理、功能特性、使用情况等全生命周期的信息，可作为建筑运维管理完整的信息数据来源[4]。利用BIM模型的三维特性，实现运维管理的可视化，方便了管理人员的认知和推理，从而可以直观地解决问题[5]。利用BIM的语义结构，可以将设备设施的检测和运维记录附加到BIM模型，同时分析各个维修任务的优先级，便于管理人员合理地安排检修计划[6]。除维修信息外，该技术还可以支持其他更加丰富的属性信息，完成诸如设施管理过程中路径规划的可应用性[7]，或更高层次的设施设备运维管理的决策支持[8]。

移动终端技术，主要用于实现实时、准确的录入信息，是大型公共建筑运维管理的优秀辅助工具。其主要包括条形码(Bar code)[9]，二维码 (QR code)[10]，WLAN[11]和RFID[11-12]等。

在应用层面，据相关文献调研，系统架构开发是建筑运维研究的一个重要方面[2]。在系统架构开发方面，用于运维管理的BIM平台系统主要有3类[2]：①直接应用商业软件产品，如广泛使用的Archibus，提供了资产设施管理相关的广泛内容，可有效管理不动产、设施设备、基础设施等[13]；②基于商业软件进行二次开发，如Autodesk系列软件中提供良好的二次开发支持的AutoCAD，Revit等，在基于Autodesk系列软件进行二次开发中，采用B/S架构或C/S架构，完成设施设备的管理工作[14-17]；③研发具有自主知识产权的平台系统，本文研发基于BIM的机电设备智能管理系统BIM-FIM[18]，该系统实现机电设备安装过程和运维阶段的信息共享，完成安装后将实体建筑和虚拟的机电设备信息模型集成交付给业主；同时加强了运营期机电设备的综合信息化管理[18]。

上述文献从技术和实际应用方面研究了大型公共建筑的运维管理。但BIM 模型拥有大量的数据，对计算机的要求高，轻量化处理有实用意义[19]。本文提出了一种与文献[19]不同的轻量级大型公共建筑运维管理平台开发和应用方法，即采用GIS技术，以大型公共建筑存档图纸为图形数据源，以地图服务的方式实现大型公共建筑可视化管理。通过归纳和梳理，完成运维管理的属性数据、业务流程和数据流程的标准化。可选用多种成熟软件完成相关步骤，并以B/S架构平台的形式进行实际应用，地图服务和运维管理平台松耦合，可以独立更新和维护，因而具有高度的可操作性和实用性。

1 轻量级运维平台构建方法

本文着眼于大型共建筑运维的实际需求和条件，提出了一种符合实际，可操作性强的大型公共建筑运维管理的构建方法，用于搭建轻量级的运维管理平台，如图1所示，共分为5步。

第1步. 图形数据处理。GIS支持的图形数据来源广泛，各种矢量和格栅格式的图形数据均可以作为GIS的图形数据来源。图形数据转换为GIS图形数据后，一般需进行校核，以保证图形数据的质量。验证后的图形数据经过渲染和编辑，可用于发布地图服务，而地图服务是实现可视化运维管理的基础。

第2步. 属性数据处理。大型公共建筑运维管理中涉及的数据量大、面广、格式各异、来源广泛。将其属性数据标准化，建立属性数据标准库，并赋予唯一标识符。即能避免运维管理中因数据杂乱而造成的管理混乱，又能通过唯一标识符与图形数据进行关联。

第3步. 运维管理流程处理。运维管理包含多方面的业务，在第2步建立的属性数据标准库的基础上，可完成各项业务流程的标准化。而标准化的流程十分利于信息化。

第4步. 运维管理数据流程处理。大型公共建筑多种运维管理业务数据生成流程的规范化，及在该流程中，图形数据和属性数据集成应用方式的整合，以形成各项业务的标准化数据流程。

第5步. 开发及应用。选用现有技术和工具完成轻量级管理平台的开发，并投入实际应用，实现大型公共建筑的信息化运维管理。在此过程中，根据实际应用反馈情况，对图形数据、属性数据标准库进行更新和完善，对管理流程作修改。同时，平台也需要在长期的应用中进行维护。

图1 方法概述

2 数据处理

数据处理是指图形数据的转化、校核、发布和部署；各种属性数据的归纳总结和形成层次结构等。

2.1 图形数据

图形数据是大型公共建筑可视化运维管理的基础。图形数据的转换包含5个步骤，如图2所示。

图2 图形数据流

步骤1. 数据源。图形数据的来源是大型公共建筑在施工阶段的图纸。图纸一般需存档，因而数据来源有保证。

步骤2. 数据导入及校核。根据管理需要，可分别提取不同的数据，以便形成相互独立的GIS地图数据，如土建数据、机电设备数据等；也可以按照楼层为单位提取。GIS支持各种图形数据，但由于其图形数据格式往往与数据源并不相同，因而导入图形数据后还需校核。图形校核的内容包含去除伪节点、突出点、多边形闭合等内容。

步骤3. 数据渲染和唯一标识符录入。图形数据校核完毕后，需进行图形渲染，即重新对图形的线型、线宽、颜色、填充图样等进行配置。除此之外，最重要的是对部分图元设置可见/隐藏的比例，即不同的图元需要在不同的比例尺中有选择性的显示或隐藏。例如，针对机电设备可设置一个显示的比例尺区间，只有当比例尺处于该区间时，才显示；反之均隐藏。唯一标识符录入是指将与图元对应的唯一标识符录入地图数据中，用于索引该图元。

步骤4. 地图服务发布。由于图形数据可在一定时间内保持不变，因而非常适合以切片的方式通过GIS Server进行地图服务发布。发布的关键是根据步骤3中的可见/隐藏比例尺选定切片的层级和各层级的比例尺。在发布的过程中，步骤2所获地图数据作为生成切片的后台数据源一并发布，并作为地图服务的组成部分。

步骤5. 调用地图服务。在信息系统中调用地图服务，根据设定的切片层级及对应的比例尺，有选择性的显示/隐藏大型公共建筑土建结构及内部包含设施设备等，并支持图元选中操作。

上述的步骤3和步骤4需要根据运维管理的实际需要设定特定图元的显示/隐藏比例尺，进而确定切片的层级及对应比例尺。该2步操作可以实现类似LoD (levels of detail)效果，实现不同细节层次的运维管理。

根据GIS领域的现有条件，图2所示流程中的每一步均具有高度的可操作性，且保证了图1所示方法的可操作性。

(1) 一般存档图纸分为纸质和电子格式。纸质图纸可以通过扫描形成格栅格式，或重新绘制成矢量格式，如DWG；而电子格式的图纸本身即为格栅或矢量格式。2种格式均可作为GIS的数据源。

(2) 多种GIS软件均支持Shapefile文件格式，因而Shapefile文件可以作为地图数据的标准格式。

(3) 多种GIS软件均可以完成对Shapefile文件的渲染和编辑等操作，并进一步完成地图服务的发布和部署。

(4) 地图服务在部署时的数据源仍可直接采用已有的Shapefile文件，同样也被多种GIS Server软件支持。

(5) 有多种GIS Server开发框架和SDK可供用于平台的开发。

图形数据是图1所示方法的基础，而前4点保证了大型公共建筑的图纸可按图2所示步骤转化为地图服务。第5点保证了平台在技术上是可实现的。

2.2 属性数据标准库

完成图形数据是可视化运维管理的基础，但要实现具体的运维管理业务，还需要将相关的图形数据和属性数据相关联，用丰富的属性数据对图形数据进行支撑。属性数据是指大型公共建筑运维管理涉及的各种数据。

大型公共建筑由于面积大、管理业务多，内部包含的设施设备种类繁多、数量大等原因，往往会导致在日常运维管理过程中，出现数据混乱，导致管理混乱情况的出现。例如，名称(如公司名称)可用全称，也可用简称。而运维管理过程中经常需要各种“周报”、“月报”、“季度报”和“年报”等。名称用词混乱可导致各种统计报表的混乱，且易产生疏漏和错误。

针对上述问题，一种简单可行的方法是将这些属性数据制作成属性数据标准库，即将日常运维管理中涉及到的各种属性数据标准化，并建立层次结构和索引。

由大型公共建筑特点所决定，多种设施设备经常会发生各种损坏，因而报修业务是其运维管理的一项基本业务。图3为昆明长水国际机场航站楼报修业务涉及属性数据。

航站楼报修业务属性数据可形成一个巨大的树结构，但图3仅选取5个层次共6类数据(第5和第6类数据为1个层次)。为保证完备性，适当在各个层次增加“其他”选项。第1类为业务层，即报修业务；第2类为根据航站楼实际情况划分的子类；第3类为每个子类包含的设施设备种类，以图3中“航站区服务设施设备”为例。该层并不具体到单个的设施设备，单个的设施设备均由其设施设备标准库负责维护；第4类为常见的故障种类，与设施设备种类存在“多对多”的关系；第5和第6类是故障的维修时限和对应的扣分标准，用于监管维修单位。

除图3所示的报修业务分类以外，对该航站楼日常运维管理业务中涉及到的各种设施设备、企业、人员等、一段时间内保持不变的各种规章制度等等，也制定相应的属性数据标准库，见表1。

各个属性数据标准库并不是相互独立存在的，其有“一对一”、“一对多”和“多对多”的连接关系。如图3报修属性数据中第3类需要和单个的设施设备有连接，为一对多连接；而第4类需与常见故障及维修方法连接，为多对多连接(即一种故障可以有多种维修方式，而一种维修方式也可以处理多种故障)。因而需要为每个数据均赋予唯一标识符，通过唯一标识符索引属性数据。

同时，图形数据和属性数据的关联使用唯一标识符匹配完成。例如，对于设施设备，在图2中的第l步需要完成对应的唯一标识符的输入，用于在3.2节进行集成应用。

图3 昆明长水国际机场航站楼报修业务属性数据标准库

表1 昆明长水国际机场航站楼运维管理属性数据标准库范围

唯一标识符采用编码：部分需要新增编码，而已有编码的部分可以直接采用。例如，航站楼在采购设施设备时，需赋予固定资产编号、企业纳税人识别号、个人身份证号等。这些已有的编号均可作为相应属性数据标准库唯一标识符。

3 流程处理

完成数据处理后，在形成的属性数据标准库的基础上，完成各项运维管理业务流程的标准化，以及在生成业务数据的过程中，各项数据的应用流程。

3.1 运维管理标准流程

大型公共建筑日常运维管理中包含多种业务，并具有各自的工作流程。因其流程不严格规范会出现：有些步骤的作用相互重叠，有些步骤可有多种操作方法，及不同步骤之间的顺序也不统一。上述情况的存在，不利用运维管理的信息化。

在2.2节的基础上，完成各项管理流程的标准化，使各项管理均有且仅有一个标准流程，即有利于运维管理工作的开展，也是实现信息化运维管理的基础。以航站楼运维管理工作中的报修业务为例，其标准的工作流程如图4所示。

图4所示的设施设备报修流程总体上分为8步，其第6~8步涉及仓库管理，属于另一个管理流程，在此不做详述。

图4 昆明长水国际机场航站楼运维管理报修业务流程

图4中，最重要的是第4步(虚线框)，即根据2.2节建立的属性数据标准库，将报修按照4步归类。其中4.1步即按照图3划分报修系统分类；4.2步按航站楼楼层和物理位置分区划分大致的位置；4.3步按照常见的故障种类划分；4.4步按对应的故障常规处理方式划分。这4步划分所需要的属性数据，均来自2.2节的属性数据标准库。

航站楼运维管理中涉及到的业务流程，均以2.2节为基础，充分考虑到属性数据标准库的应用，以达到管理流程的标准化。表2给出了该航站楼包含的各项业务分类，及部分业务的多个子业务流程。

运维管理流程标准化具有明显的实用价值：由标准流程生成的各项业务数据均具有明确的属性数据，是高度结构化的数据，即可用于有针对性的展开工作，又方便数据的二次利用(如生成准确的各种统计报表)。以图3和图4所示的报修业务为例，经过图4流程产生的报修业务数据，具有明确的损坏原因或种类信息，即有利于安排不同专业或不同业务承包单位进行维修。同时，维修的业务数据也包含有标准的类别、位置、故障原因、维修方法等数据，便于后续对运维数据进行统计分析和数据挖掘。

3.2 数据流程

大型公共建筑的运维管理中，随着业务的进行，产生大量的业务数据。在该过程中，图形数据、属性数据标准库和运维管理标准流程相互集成，共同完成运维管理。

表2 昆明长水国际机场航站楼运维管理标准流程范围

以航站楼运维管理工作中的设施设备报修业务为例，与图4所示报修业务对应的数据流程如图5所示，该数据流程以报修单为核心，分多次填写。

图5 昆明长水国际机场航站楼运维管理报修业务数据流程

当某一设备发生损坏，并被发现后，人为发起报修流程，并第一次填写报修单，即第j步填报。填报数据包括设施设备名称、故障描述、大致位置等。由于发现故障的人的角色无法确定，故第一次填报的数据采用非结构化的自然语言，以适应多种员工角色均可以发起报修。

当管理人员接到未处理报修单后，需要进行分类和检查，即第k步。则根据第j步输入的描述性语言，进行详细和规范的分类和检查。分类首先选定设施设备，即可从设施设备属性数据标准库中选择设施设备，也可通过图形界面中点选。2种方式均可获得唯一标识符，并作为报修单的组成部分。并按图4中的第4步选定报修业务相关的属性数据，获得多个唯一标识符，作为报修单的组成部分。最后判断是否需要备品备件，如果需要，即发起备品备件流程，并填报出库单，出库单编号作为报修单的组成部分，即第m步。

第l步即为现场维修，需要填报维修结果。至此，一张完成的报修单填报完毕，保存到业务数据库并完成数据固定，后续不应再作修改，而仅用于查询统计。

通过图5所示流程可以发现，报修单中的核心数据为多个属性数据标准库的唯一标识符，而不再包含有具体的业务描述。通过标识符，可反向从属性数据标准库中查询需要的信息。

表2所示的所有业务均具有对应的数据单据与之对应，采用的数据流程也与图5所示的流程相同，业务数据也保存唯一标识符，而不出现具体的业务描述。通过该方法，即使属性数据发生变化，也具有延续性，保证自动生成的各种统计报表的准确性和可靠性。

4 系统研发及案例应用

昆明长水国际机场是中国面向东南亚、南亚和连接欧亚的国家门户枢纽机场，于2012年6月28日正式启用，2017年旅客吞吐量4 473万人次[20]。该航站楼总面积为54.83万平方米，分为地上4层，地下3层。由于人流及航站楼规模均巨大，管理人员日常运维工作量大。为减轻管理人员的工作压力，采用本文方法建设了一套航站楼日常运维管理平台。根据实际情况，将平台分为物业管理、商业管理、绿化保洁供水、属性数据标准库和系统管理共5个功能模块，如图6所示。图3所示的报修业务即为图6中物业管理的一项业务。

图6中的前3项为对应的业务模块，后2项为支撑模块，用于保证前3项业务的顺利展开。前3项业务的工作内容和职责见表3。

图6 昆明长水国际机场航站楼运维管理平台功能模块划分

表3 昆明长水国际机场航站楼运维管理内容及职责范围

从表3可以看出，物业管理涵盖了航站楼日常运维的种种，同时也是大型公共建筑运维管理最典型的业务；商业管理是利用航站楼运维管理中的对外业务，可充分利用相关资源创收，大部分大型公共建筑均包含此项业务；绿化保洁供水业务保证了使用人员的舒适性，也是大型公共建筑运维管理的典型业务。综上，以航站楼为服务对象的大型公共建筑运维管理平台，可以作为大型公共建筑运维管理平台的典型代表。

4.1 工具选择

在实际应用中，图形数据的来源为航站楼施工图纸，为DWG格式，分为7层。选中ArcGIS作为工具，可直接导入DWG格式生成Shapefile文件，并进行后续的校核、渲染、编辑和地图服务的发布。地图服务的部署则选择开源的GIServer，以降低成本。2个软件的选择和应用，保证了图2所示图形数据流程的可操作性和经济性。

由于B/S架构的平台可以通过浏览器直接访问，无需在客户端安装任何软件，十分适合大型公共建筑运维管理的实际情况，而Esri提供了ArcGIS Server开发框架和SDK，可方便的完成B/S架构的平台的开发工作。

其后台数据库选择MSSQL Sever，由于业务数据需要大量引用属性数据标准库，因而两者宜放置在同一个数据库中，而不宜采用分布式存储的方式。

以上述工具为基础，根据实地调研，归纳总结了表3中各项业务涉及的属性数据和流程，完成了大型航站楼运维管理平台的开发，并应用到该航站楼日常运维管理中。

4.2 应用效果

表3所示的航站楼运维管理内容包含的多项业务均实现了从手动纸质方式到信息化管理方式的转换。由于图形数据的应用，实现了可视化的直观管理。同时，由于属性数据标准库和运维管理标准流程的应用，收集到的业务数据可方便和准确地进行统计。

4.2.1 可视化管理

饮水机是航站楼中一项重要设施设备，其同时参与了表3中的多项业务：报修维修、巡检巡修和供水管理。分布于航站楼各处的饮水机，可利用GIS地图服务显示其位置，以便于对其进行管理，如图7所示。

图7 饮水机相关业务管理可视化界面

在图7中，右侧为采用GIS地图服务显示的航站楼F3层平面图的局部。由于饮水机尺寸相对航站楼而言，太过细小，无法采用实际尺寸显示，故采用图标显示。而左侧虚线方框内则根据属性数据标准库中饮水机的数据，以列表的方式显示位于同一层的饮水机。

在图形数据和属性数据标准库中，同一饮水机具有相同的唯一标识符，因而支持关联选中。而选中某一饮水机后可以进行相应业务操作。

4.2.2 统计查询

平台在完成实际业务的同时也完成了业务数据的收集。按照2.2节和3.1节的方法，后台数据库保存的业务数据高度结构化，可完成各种数据统计分析工作，且结果准确可靠。

表3所示的航站楼运维管理的3项业务均涉及大量的统计分析，需要导出各种报表。以图3对应的报修业务为例，图8即为该项业务的统计分析界面。中间部分是满足组合条件的报修记录，以列表的方式显示。右侧部分是对应的柱状图和饼图，其中虚线方框部分即为图3中第k级维修系统分类，该分类用于饼图的统计。

图8 报修业务统计查询界面

在图8中，左侧是搜索界面，支持各种不同关键词的组合搜索。由于属性数据标准库的应用，点划线方框内部的关键词均通过连接属性数据标准库自动生成选择项目，而不是手工输入，后台通过对应的唯一标识符从业务数据库中查询数据，保证了统计结果的准确性。

5 结 论

由于我国建筑行业普遍存在的重视设计和施工，而轻视运维的现象，大型公共建筑的运维管理的信息化程度普遍不高。针对此情况，本文着眼于运维管理的实际条件，提出了基于GIS的大型公共建筑轻量级运维管理研发和应用方法。

利用成熟的GIS技术，将大型公共建筑存档图纸转化为地图数据，针对部分或全部图元输入唯一标识符。通过设定显示/隐藏的比例尺范围，实现类似LoD的层次效果。将完成编辑和渲染的地图数据发布成地图服务并部署，为大型公共建筑的轻量级运维提供可视化基础。

通过实际调研，归纳总结大型公共建筑涉及的各种属性数据，根据层级关系建立属性数据的树结构，为每个节点赋予唯一标识符，形成属性数据标准库。其属性数据和图形数据通过唯一标识符关联。

在属性数据标准库的基础上，形成了标准的运维管理流程和数据流程。属性数据标准库和运维管理标准流程均十分便于信息化；而数据流程保证了业务数据的有序生成。

通过GIS Server技术支持的开发框架和SDK，完成B/S架构的轻量级平台开发，将上述结果进行集成，并投入到了昆明长水国际机场航站楼运维管理中，实现了该航站楼的信息化运维管理。验证了本文提出方法的有效性和可操作性。

大型公共建筑的运维数据往往蕴含着大量有价值信息。由于采用了属性数据标准库和运维管理标准流程，收集的运维管理业务数据高度结构化，可直接或简单处理即可用于数据挖掘等方面的应用。在业务数据积累到一定程度后，将进一步研究采用合适的数据挖掘算法来发现运维数据的价值。

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Development and Application of a GIS-Based Light Weight Information Platform for Large-Scale Public Building Operation and Maintenance

WEN Qiao1, ZHANG Jian-ping1, XIANG Xue-song2, SHI Tao2, HU Zhen-zhong3,1

(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Kunming Chang Shui International Airport, Kunming Yunnan 650211, China; 3. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen Guangdong 518055, China)

Large-scale public buildings play an irreplaceable role in business, office, tourism, science, education, culture and health, communication and transportation. Due to technical difficulties, large public buildings usually lack operation and maintenance (O&M) management information platforms. To ease these difficulties, this paper presents an application method of lightweight O&M management platform for large-scale public buildings based on GIS. Large-scale public buildings’ drawings are converted into map services through conversion and editing. Attribute data are summarized to form hierarchical structures, and unique identifiers are given to establish standard attribute libraries. Based on these libraries, O&M management processes are reviewed to form standard O&M management procedures and data flows. A unified platform is developed to integrate the above 4 achievements before actual application. This method is tested in a large airport terminal. A lightweight O&M management platform is developed, which realizes the information O&M management of the terminal. The results have verified the effectiveness and operability of the proposed method.

building operation and maintenance; large-scale public building; GIS; standard attribute library; standard operation and maintenance procedure

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040751

A

2095-302X(2019)04-0751-10

2019-01-30；

定稿日期：2019-03-08

国家自然科学基金项目(51478249，51778336)；清华大学-广联达BIM联合研究中心研究基金

文 桥(1987-)，男，湖北沙洋人，博士研究生。主要研究方向为建筑信息模型、建筑运维管理技术。E-mail：wen-q14@mails.tsinghua.edu.cn

胡振中(1983-)，男，广东惠州人，副教授，博士。主要研究方向为建筑信息模型与数字防灾技术。E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn