面向对象和服务的桥梁工程信息管理平台研究与实践

伍 军，宋 林，王步云，赵邦国，赵夕国

(1. 中国中铁股份有限公司，北京 100039；2. 中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 中铁云网信息科技有限公司，北京 100039；4. 中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023)

桥梁作为道路交通工程的关键节点和枢纽工程，在综合交通的建设和发展中具有重要的作用。同时，桥梁也是服务于经济和社会发展的重要基础设施[1]。

近40年，中国桥梁工程无论在建设体量还是科技水平上，均已跻身世界前列[2]。图1给出了2009—2018年我国公路桥梁的发展趋势，桥梁总数量从61万增加至85万座，我国公路桥梁无论从数量上还是从桥梁长度上均呈线性增长趋势[3-12]。

图1 我国公路桥梁发展趋势Fig. 1 Trend of highway bridge in China

与房建工程不同，桥梁工程等线性工程具有点多、面广、线长且离散性大等特点，导致开放环境组织多级分散、协同管理难、数据多元异构等问题，同时桥梁工程在规划、勘察、设计、施工和运维阶段的相关信息繁杂且存储分散，传统的纸质、二维层级管理模式已不能满足桥梁工程的全生命周期信息管理和我国智慧交通建设的需求[13-16]。近些年，建筑信息模型 (building information modeling,BIM)、地理信息系统(geographic information system,GIS)等信息化技术已逐步引入桥梁工程，并在设计、施工、运维阶段得到了推广应用[17-19]。然而，BIM等信息化技术在桥梁工程建设的应用中仍偏重于某一具体阶段或某一功能，并未得到深度集成和拓展，基于BIM的智慧工地、智慧建造等平台没有较好集成企业和层级管理，应用多为模型和数据的展示。

本文以桥梁工程信息化应用研究现状为基础，对面向对象、过程及BIM等技术进行了系统的研究，构建了面向对象和服务的桥梁工程信息管理平台，探索BIM的价值功能。

1 桥梁工程信息化应用研究现状

1.1 BIM技术应用对象

我国在《建筑信息模型应用统一标准》中指出，BIM技术应能实现建设工程各相关方的协同工作和信息共享[20]。受限于BIM建模方式、管理模式、应用方法等要素，设计、施工、运维等各个阶段难以完全获得所需的有价值的信息。

1.2 BIM应用软件

BIM技术在桥梁工程建设领域的推广应用离不开BIM软件，国内市场上仍以Revit、CATIA和Bentley等国外建模软件为主，其中Revit的应用最为广泛[21-23]。国内BIM软件开发多集中于建造和施工平台的搭建，代表性的企业有鲁班、广联达、鸿业等，但不具有完全自主知识产权的BIM核心建模软件[24]。

1.3 基于BIM的信息化应用现状

BIM技术是提升工程建设信息化水平的重要手段，国内侧重于应用研究，包括正向协同设计、深化设计、碰撞检查、虚拟建造、进度管理等方面，其中以施工阶段的应用最为广泛，而在运维阶段的应用还处于探索阶段[25-27]。

在施工阶段，一方面，桥梁工程复杂、多态，设计阶段的BIM模型所提供的材料用量以及工程量与实际存在出入，BIM难以有效应用于材料管理、成本控制以及现场监测预警等方面，导致其在桥梁工程中的作用不能充分发挥。另一方面，建造阶段的工程信息管理平台多应用于具体项目，而与公司管理和业务系统相互独立，主数据、编码、接口不统一，影响企业的管理协同、信息共享和科学决策。

1.4 基于BIM+GIS的桥梁工程信息化应用

GIS的概念最早由加拿大测量学家Tomlinson于20世纪60年代提出[28]，而后逐步发展到三维地理信息系统(3DGIS)。利用BIM与GIS之间在信息管理、空间分析等功能方面的重叠，相关学者将二者进行了有机结合，促进了BIM+GIS技术在建筑工程多领域的协同深化应用[29-31]。然而，BIM+GIS技术在工程应用方面仍存在以下不足：

(1) 与实际工程结合不够紧密，工程建设信息不能很好地融入BIM+GIS信息化平台。

(2) BIM模型包含了工程全寿命周期的数据信息，海量数据在GIS中的整合和调取，需要相应的优化算法相匹配。

(3) 市场上BIM应用软件繁杂，BIM模型向GIS通用格式转换存在信息丢失等问题，在一定程度上阻碍了BIM和GIS的融合发展。

2 桥梁工程信息管理平台构建研究

针对桥梁等线性工程点多、面广、线长且离散性大等特点，融合BIM+GIS技术，搭建信息管理平台。

2.1 信息化管理平台开发方法及规则

基于开放环境组织多级分散、协同管理难的问题，采用面向对象和服务的架构，将预制生产、进度、技术和安全管理等封装为一个个服务，使应用模块化，功能可以按需加载开发，实现产品的快速开发、修改和扩展。不同服务的数据通过微服务架构内部协议直接交互，无需开发新的接口，无关语言、平台限制，可以适应不同环境以及不同需要的数据共享，服务之间交互方式更灵活。

面向服务的架构(service-oriented architecture,SOA)，以微服务为代表，可将功能应用模块(即服务)进行拆分，并通过定义接口和协议将模块联系起来。

面向对象的编程思想(object-oriented programming, OOP)，是以建立模型体现抽象思维过程和面向对象的方法，可以解释多样的企业管理和复杂工程问题，基于抽象的“对象”，通过信息交互实现“过程”管理。

工程建设中人的活动、事件的发生、对象的产生与消失，随时间延续的过程，企业的组织管理、项目管理可抽象为人、事、物3个维度，以人为核心，包括管理者、项目管理者、业务主角、劳务人员等；以事为核心，例如业务用例、系统用例、进度管理、成本管控等；以物为核心，例如物资、设备、构件、实体等[32]。

围绕人、事、物3个维度，建立“SOA+OOP”的两面向方法：

(1) 现实世界映射到对象世界，即现实工程的项目管理到业务模型，基于统一建模语言(unified modeling language, UML)，通过视图将现实工程的人、事、物、规则用对象型语言描述，由用例驱动完成管理平台的开发。

(2) 对象世界描述现实世界，即业务模型到概念模型，业务用“实体”、“控制”、“边界”等固定的元素描述，将现实业务“抽象”封装为“包”、“组件”。

(3) 具体工程环境和条件下的“实例”化，即概念模型到设计模型，由JAVA类、EJB(enterprise java beans)技术等构成对象世界的行为。

(4) 集成接口、数据库、程序和模块，由用例驱动完成面向服务的软件开发过程，参与者通过信息化管理平台辅助工程管理，实现管理协同、信息共享和数据决策。

2.2 基于BIM技术的集成原则

基于数据多元异构问题，信息化管理平台集成原则如下：

(1) 融合BIM和GIS[33]，综合分析模型信息、地理信息、环境信息等，分类建立统一规范和转换规则，从宏观和微观层面提升信息化在前期策划、工程管理中的应用价值。

(2) BIM是信息的载体，以构件树为对象，在信息化管理平台的框架下集成模型、图形算法和管理逻辑，拓宽BIM的应用。

(3) 应用IDM (information delivery manual)、MVD (model view definition)等标准，将信息交互需求按IFC (industry foundation classes)数据格式在软件中实现[34]，构建管理平台时集成编码规范、模型标准、图形信息等。

(4) 结合工程管理痛点或需求，提高BIM建模精度、优化核心算法，进一步提高材料控制、隐蔽工程计量等精度，有利于工程施工成本和质量控制。

3 应用实践

3.1 工程概况

新建徐盐铁路盐城特大桥位于江苏北部，主桥新洋港斜拉桥采用(72.0+96.0+312.0+96.0+72.0) m连续钢桁梁斜拉桥，长度650.6 m。主墩钻孔桩直径2.0 m，桩长106.0 m、108.0 m；塔高(从塔座底面算起)为128.5 m，桥梁三维效果如图2所示。

图2 盐城特大桥三维效果图Fig. 2 3D effect picture of the Yancheng bridge

3.2 面向对象和服务的桥梁工程信息管理平台

依托盐城特大桥工程，以生产、资源、技术管理和智能制造为对象，采用微服务架构，统一开发环境，制定信息字典标准，通过主数据中心统一组织机构、人员角色及权限。创建信息交互模板为各个子系统快速共享数据，引入主数据中心桥梁工程EBS构件树，建设数据仓库，规范数据和应用标准，进一步为用户提供丰富、便捷的大数据服务，如图3所示。

图3 功能架构Fig. 3 Service-oriented architecture

平台采用Spring Cloud微服务架构，搭建1平台+1构件树+N应用体系，用户以构件树为操作对象(图4)，现场管理信息均挂接到构件树上，数据共享应用于各部门、各专业、各模块，不同模块根据管理职能要求是高聚合的，模块之间通过微服务架构内部协议相互共享数据。

图4 构件树应用Fig. 4 Application of the component tree

软件架构包括展示层、业务层(包括逻辑层、实体层)和数据库层(包括数据控制和数据库)3大层。以BIM+GIS为展示层，以围绕人、事、物等3个维度的管理流程和规则为业务层，以海量、多态、异构的图形和信息为数据库层，如图5所示。

图5 技术架构Fig. 5 Technical framework

在BIM+GIS展示层，数据来源广泛，通过数据规范和转化规则，将BIM、倾斜摄影[35]、影像、矢量数据等分类建立统一规范和转换规则，形成统一的LOD (levels of detail)层次模型，进一步开发转换工具，将倾斜摄影、BIM等不同格式导入平台，统一管理和展示图形文件资源和信息。在使用过程中，属性数据挂接到构件树上，实现模型构件与构件属性一一对应，模型成为信息的载体。

在业务层，以现场管理需求为导向，设计业务逻辑和流程，以构件树为对象，利用BIM、GIS和图形引擎的软件开发工具包(software development kit，SDK)，封装质量管理、设备管理、监测管理、征地拆迁、土方测量等应用，实现三维空间分析和应用。

在数据库层，基于数模分离技术，将模型数据以非关系型数据库的形式存储，属性数据以关系型数据库的方式存储。

3.3 信息管理平台应用

依托盐城特大桥工程，主要开展3个阶段、6项功能的应用：前期策划阶段，服务于技术管理的大临规划和征地拆迁；智能制造阶段，服务于智能制造的预制构件智能生产管理；智慧建造阶段，服务于生产和技术管理的进度管理、作业指导书、在线监测等方面。

3.3.1 前期策划阶段

(1) 大临规划(图6)。主要以便线、便桥、预制场、混凝土拌合站、临电等为对象，按设备、材料、用电管理规则建立对象与工程、环境的映射联系。利用无人机倾斜摄影技术，快速创建工程周边环境模型，集成于GIS+BIM展示层，在计算机中以三维可视化场景虚拟映射施工现场，交互操作生成大临工程、线路走向、位置等，得出管理规则需要的信息(如填挖方量)，实现土方、资源统一调配，提升大临工程布局的合理性。

图6 大临规划Fig. 6 Planning of temporary construction

(2) 征地拆迁(图7)。在线性工程中，征地拆迁是影响工程项目实施的主要因素之一。针对征地拆迁的管理，通过BIM+GIS展示层，集成管理地理信息、环境数据和BIM模型，动态了解施工红线内房屋、电线、管线等征拆信息，直观反映新建结构物与既有建筑物的位置关系，自动判断影响工程进度的关键征拆对象，有效减少现场调查时间及劳动强度；同时在业务逻辑层处理管理征拆工作，根据征拆管理规则，可视化表达进度情况，统筹安排施工顺序，避免因征拆不及时导致工期滞后情况发生。

图7 征地拆迁应用Fig. 7 Application of the land expropriation system

3.3.2 智能制造阶段

(1) 预制构件智能生产管理。以预制构件生产管理为对象、以BIM技术为核心、以物联网技术为基础、以生产指挥中心为载体，重构管理规则和数据采集方式，开发了预制构件智能生产系统，在生产排程方面，结合工序模板、台座信息，实现生产任务智能排程，工序任务智能传递，降低工装占用周期。在物料管控方面，以任务排产为主线，结合现场数据采集，实现物资计划自动生成、物资追溯可视化展示、库存需求对比及时预警。在质量监管方面，将传统的质量管理从线下转变为线上，采集预制构件生产过程中的试验室、搅拌站、现场质量验收等数据，实现质量管控数据电子化管理。同时，应用无线射频识别技术(radio frequency identification，RFID)、二维码、BIM轻量化等技术[36]，预制构件智能生产系统实现了预制构件场数据的实时采集、构件状态信息共享、BIM可视化管理，如图8所示。

图8 预制构件智能生产系统Fig. 8 Intelligent production system of the prefabricated part

(2) 钢结构数字化加工功能模块。以预制钢构件为子对象，融合BIM与数字加工技术，在预制构件智能生产系统增加钢结构数字化加工功能模块，在设计阶段的BIM模型上提取构件的属性信息、可加工信息等，调用物料库存信息排版套料，输入并驱动生产加工设备，实现钢构件的自动化加工，提高加工效率、精度，如图9和图10所示。

图9 钢结构BIM模型Fig. 9 BIM model of the steel structure

图10 自动套料Fig. 1 0 Automatic jacking

3.3.3 智慧建造阶段

(1) 进度管理系统。其分为宏观、微观2个层次，宏观以时间为对象的进度管理，微观以构件为对象的状态管理。

宏观的时间进度管理，以主数据中心桥梁工程EBS构件树为交互操作对象，编制的进度计划、语义字典等信息通过接口传递给进度管理系统，实现计划进度与实际进度的实时对比分析和管理，见图11所示。

图11 进度管理系统Fig. 1 1 Progress management system

微观的构件状态管理，以构件为对象，二维码为载体，从原材管理、工艺设计、检验入库、发货管理、物流跟踪、收货验收、数据统计等方面实现多部门协同管理，让管理人员准确掌握钢构件的实时状态，实时反馈数据至施工进度，提高进度管理的工作效率和准确率。

(2) 3D作业指导书系统。其为指导施工的重要技术文件。以工序作业为对象，利用BIM技术可视化、模拟性、优化性等特点，以工艺流程、资源配置、作业参数、质量控制为核心，研发了3D作业指导书系统。

3D作业指导书系统以接口的形式集成于信息管理平台的技术管理模块，提供直观交底、过程模拟、对象化交互操作等服务，见图12所示。

(3) 在线监测系统。在信息管理平台的安全管理中集成在线监测系统，其支持多项目、多工点、多业务安全监测，如图13所示。利用物联网与蓝牙传输模式将监测数据实时传输到云平台，通过云计算技术即时得出监测结果数据，实现桥梁施工阶段工程结构安全状态实时监测，并对数据进行预警分析，为建设、设计、施工等单位提供实时、可靠的数据支撑。

图12 3D作业指导书系统Fig. 1 2 3D operation instruction system

图13 在线监测系统Fig. 1 3 On-line monitoring system

4 结 论

(1) 提出“SOA+OOP”的两面向方法，构建了面向对象和服务的桥梁工程信息管理平台。

(2) 信息管理平台以人、事、物(构件)为对象，将线性工程工作流程化、规则化，通过线上管理业务和工程数据，进一步实现大数据辅助项目管理与决策。

(3) 基于微服务架构、面向对象的编程思想，融合BIM、GIS技术，为解决线性工程中开放环境组织多级分散、协同管理难、数据多元异构等问题提供了一种有效手段。

(4) 依托实际工程，融合BIM+GIS、无人机、物联网等技术，基于桥梁工程信息管理平台开展了三阶段、六功能的实践应用，实现了前期策划、制造阶段、建造阶段数据的综合应用和协同共享，为桥梁等线性工程的数字化管理提供了借鉴。