基于建筑信息模型的地铁火灾监测信息集成与管理

邓朗妮, 雷丽贞, 黄静怡, 廖 羚*, 周 峥

(1.广西科技大学土木建筑工程学院, 柳州 545006； 2.广西科技大学BIM研究中心, 柳州 545006)

火灾事故是地铁工程建设及运营过程中发生频率最高的安全事故[1],且由于地铁建设于城市腹地,疏散路径和出口较少,存在着消防救援难度大的问题[2],所以地铁一旦发生火灾,可能会导致人员伤亡的悲剧,带来难以估量的损失[3-4]。因此,进行地铁火灾监测[5-7]是当前保障群众生命财产安全的重要手段,对降低火灾事故发生率有着重大意义。但在地铁长时间的火灾监测过程中,会产大量冗杂的监测数据,如何有效处理监测数据,实现监测信息的高效管理,是火灾监测信息管理亟待解决的问题。然而,传统的火灾监测信息管理模式仍存在不足之处,如监测数据冗余、繁杂,缺乏标准、统一的存储方式,导致数据流失率高、利用率低；信息管理量与日俱增,以文本信息为主的处理方式难以应付繁重的工作内容；文件夹管理或单纯的数据库管理在一定程度上改善监测数据冗余的问题,但数据表现不直观,可视化集成效果较差等。故如何改善传统信息管理模式存在的不足,创新管理方式,是当前火灾监测信息管理的重点关注问题。

20世纪70年代，Eastman[8]首先提出建筑信息模型(building information modeling,BIM)的理念,将建设项目的各项相关数据信息集成于三维模型中,不仅为数据信息的表达提供了一个良好的可视化表达环境,还为管理繁杂数据信息提供一个可能的信息交流与共享平台[9]。近年来,随着BIM技术的研究不断深入,BIM技术在工程监测信息管理领域的应用日趋成熟,为监测信息管理开拓了新的思路[9-10]。基于BIM的监测信息管理方式不同于传统的管理模式,它是通过工业基础类(industry foundation class,IFC)标准文件格式、窗口链接的方式、信息标识线索等关联模式,来将BIM模型信息与项目的实际数据进行动态关联与集成[11],为监测数据信息创建一个标准化、可视化的集中管理环境,以实现监测数据处理、分析、共享等管理工作。贾宁霄等[12]结合BIM技术,将大坝的安全监测信息关联并集成于BIM模型中,研发了大坝运维期监测信息管理平台,实现了监测信息的可视化管理；石韵等[13]将BIM与实际监测数据进行有效融合,提高了施工过程中监测信息的流通率,实现了施工现场动态监管及结构监测预警；刘东海等[14]通过建立BIM模型与监测信息的耦合机制,提出输水工程动态安全监测信息集成与网络可视化方法等。由此可见,引入BIM技术为监测信息的表达提供一个良好的三维可视化表达环境,将监测信息以更直观、清晰易懂的方式呈现[15],从而优化了监测信息的管理效率。目前BIM技术在火灾监测信息管理的应用研究还较少,为此,将BIM技术引入地铁火灾信息管理中,以期改善传统管理模式存在的不足。

以BIM模型为基础,以地铁火灾监测数据信息为核心,探索基于BIM火灾监测信息集成与管理,构建融合火灾监测信息存储、处理及分析的可视化管理平台,构建监测数据与BIM模型的耦合机制,提高监测信息的集成率与管理水平,以期能为创新火灾监测信息管理方式提新的思路。

1 系统设计原则

针对前述传统火灾监测信息管理模式存在的不足之处,基于BIM的火灾监测信息管理系统的设计与建设应遵循统一标准化原则、面向用户原则与安全性原则。

1.1 统一标准化原则

统一标准化原则是针对传统管理模式中监测数据存储结构混乱的问题,要求系统建设必须理设计监测信息的存储方式和存储结构,同时规划有效的监测信息集成路径,创建统一标准化的管理环境,为监测信息的长期安全保存提供保障。

1.2 面向用户原则

在火灾监测信息管理过程中,人属于决策管理者,监测信息属于被管理对象,因此系统的建设必须满足用户的管理需求。一是系统的功能设计必须面向用户进行开发,具有一定的通用性和针对性,能有效改善传统管理模式中存在的人工处理信息、可视化程度低等问题；二是信息管理操作界面应尽量免去复杂的操作流程,符合简单、清晰、友好等要求,易于用户操作与掌握,以提升用户的体验感。

1.3 安全性原则

由于系统用户涉及不同职能部门的同事,因此,为防止在信息管理过程中出现数据丢失、非法更改数据问题,系统设计应划分用户权限角色,为监测信息提供可靠的安全管理环境。

2 系统架构设计

2.1 系统逻辑架构

如图1所示,基于BIM的火灾监测信息管理系统是以数据库为管理后台,以Revit为前端管理平台的监测数据信息耦合管理系统。系统以BIM模型为基础,以监测数据为核心,通过SQL Server 2008数据库技术来将结构化和非结构化的监测数据信息融合集成,再以Revit二次开发技术为交互路径,将Revit模型信息与数据库数据进行关联,搭建清晰友好的人机交互可视化信息管理界面,实现基于Revit平台对监测信息进行增、删、查、改等数据管理及后台管理工作。

2.2 监测信息的集成交互原理

面对火灾监测过程中所产生的结构化和非结构化、静态和动态的监测数据信息,如何将其进行有效集成整合,使其具有关联性、一致性是实现集成管理的关键。监测信息主要通过信息标识线索和窗口链接方式来实现关联交互(图1)。首先,应对监测项目进行实景建模,以监测项目Revit模型中探测器图元的ElementID为关键主线,对现场的各个监测节点的仪器和测点信息进行唯一性编码,为监测数据的集成关联和管理奠定基础；其次,以探测器ElementID为主键设计监测信息的数据库存储结构,使得监测数据、测点信息和预警记录信息等以ElementID为主要关键属性的标准存储格式写入数据库中进行集成管理,形成现场监测数据、数据库信息和Revit模型信息之间一一对应且相互映射的逻辑关联结构；最后通过Revit二次开发技术实现三者之间交互连接路径,将数据库功能嵌入Revit中,创建“数据管理平台”可视化管理插件(图2),实现从Revit平台界面开展监测信息管理工作。

2.3 监测信息管理功能

由图1可知,“数据管理平台”插件的功能设计主要分为数据管理和后台管理两大功能模块。

2.3.1 数据管理功能模块

数据管理功能模块包含用户权限设定、监测数据查看、监测曲线查看以及数据导出4个子功能。用户权限设定是为了确保监测数据信息的安全管理而采取的用户角色权限管理模式,用户只有输入正确的用户姓名、用户ID和登录密码才能登录平台,根据自身的角色权限进行监测数据信息管理。用户角色分为一般用户角色和管理人员用户角色,一般用户角色只能查看监测数据信息,无权更改数据,而管理人员用户角色有权更改数据。监测数据查看旨在用户通过测点号、ID号条件查询相应测点某个时间段的监测数据,掌握火灾监测的实时情况。当用户选择某个采集节点时,系统或通过MSChart控件调用相关算法语句将监测数据以曲线的方式呈现,为用户预测和分析火势走向提供可靠依据。此外,系统还支持监测数据导出功能,用户可将感兴趣的数据或具有代表性的数据导出另存为Excel文件格式,对监测数据进一步分析、分享等工作。

2.3.2 后台管理功能模块

注:RS-485表示定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准图1 火灾监测信息集成与管理平台架构Fig.1 Architecture of fire monitoring information integration and management platform

图2 基于Revit平台的火灾监测信息管理界面Fig.2 Fire monitoring information management interface based on Revit platform

后台管理是针对系统在运行过程中,难免因某些不可抗力的突发因素而导致数据库破坏,造成数据流失等问题而设置的数据维护管理功能,为系统的健康、安全运行提供保障。用户可根据管理需求,不仅可将有关火灾监测的其他文件信息导入或导出数据,还能对数据库中多余或者无用的数据表进行删除或者清空,提高数据库后台管理的操作效率。“数据备份功能”可用于复制备份数据库中信息文件,若在监测过程中遇到诸如磁盘或文件损坏等突发意外状况时,可通过“数据还原”功能将备份文件进行还原,降低文件丢失导致的损失。

3 系统实现的关键技术

根据系统总体架构设计可知,存在的技术难点是:①数据库作为系统的后端管理,其设计与组织优良与否对Revit前端管理平台的运行有着举足轻重的影响,因此必须对监测信息化管理奠定基础；②如何将Revit模型与监测将数据进行关联交互,把数据库的信息管理功能嵌入Revit中,完成监测信息管理界面——“数据管理平台”的开发。

3.1 数据库设计

根据火灾监测信息的特点及管理需求,可把监测信息划分为测点信息、用户信息、监测数据和预警信息这四类。为提高信息集成率,需对这3个信息存储结构属性进行设定。

3.1.1 测点信息表

测点信息表是结合实际监测现场的测点布置与Revit模型信息,记录每个测点的探测器ElementID、测点号和预警阈值基本信息(表1)。ElementID 是为主键,是实现监测数据与Revit模型信息交互的唯一标识；测点号是根据探测器ElementID进行的唯一编码；预警阈值是火灾监测数据的报警值,其约束值用于警报区分监测区域是否处于安全状态,用户可根据需求自行定。每个测点都有具有一张测点信息表,使得平台前端可以从海量的数据中快速读取相应的测点信息。

3.1.2 用户信息表

用户信息表记录用户的基本登录信息,每个为监测信息管理提供可靠的安全保障(表2)。用户只有输入正确的用户姓名、用户ID和登录密码才能登录平台进行监测数据信息的查看与编辑。用户类型用于划分用户角色权限管理。

3.1.3 监测数据表

监测数据表是用于记录实时采集的监测数据(表3),每条数据一张表格,有效降低的数据冗余度,高平台运行效率。

3.1.4 预警信息表

预警信息数据表将火灾监测的报警数据记录在案(表4)。当监测值超过预设阈值时,超限的监测值会以ElementID为主键信息标识,将该测点的超限监测值和监测时间存入数据库备份。

表1 测点信息结构

表2 用户信息结构

表3 监测数据结构

表4 预警信息结构

3.2 Revit管理界面开发

图3 Revit管理界面简要开发流程Fig.3 Brief development process of Revit management interface

要实现Revit模型信息与数据库数据的交互,必须是实现Revit平台与数据库的连接,因此以 Visual Studio 2015为开发工具,以C#为开发语言,利用RevitAPI接口技术进行功能扩展,开发基于Revit的监测信息管理界面,相应流程如图3所示。ADO.Net 是微软.Net 技术框架体系中的重要部分之一, 是Microsoft.Net Framework 的核心组件[16],包含Connection、Command、DataReader、DataAdapter和DataSet五大类库。其中,Connection类库可开启程序与数据库的连接路径；Command类库用于接收并执行SQL Server数据库操作指令；DataSet类库充当数据缓存区,当DataAdapter执行数据库于DataSet的操作指令后,将结果缓存于DataSet中；DataReader则是撷取SQL操作指令的结果,结合 ADO.Net 的五大类库方法将数据库信息管理功能按照类别进行整合嵌入到Winform窗体中,同时采用“External CommandData”命令将Revit模型信息链接到窗体中,为数据库嵌入Revit奠定基础。随后通过窗口传值法将Winform窗体功能汇集到Revit外部命令,并将窗体实例化,使窗体以ShowDialog()方式在Revit平台中显示,最终形成“数据管理平台”界面,实现数据库数据与Revit模型的信息关联交互。

4 系统设计原则应用分析

将提出的地铁火灾监测信息管理方法应用广西南宁创业路地铁车站,验证数据管理平台的可行性及适用性。该车站建设于城市腹地,共设有两层,总建筑面积达14 926.59 m2,长266.2 m。该车站的上下班高峰期人流量较大,且环境较为封闭,疏散路径和出口较少,因此为保障人民群众的生命财产安全,进行了火灾监测。但随着监测时间不断增长,以文档为主的监测信息方式以管理难以应付日益繁重的工作内容。为此,引入BIM技术辅助监测信息管理,以期能进一步提高监测信息管理效率。

结合该车站的相关图纸,运用Revit车站进行实景建模,并将探测器族文件按照实际测点布放置到BIM模型中。如图4所示,该车站共设了6个监测点,分别为A-1、A-2、A-3、B-1、B-2和B-3。随后运用“数据管理平台”管理火灾监测信息。通过“创建和删除数据库”功能按钮来创建火灾监测信息数据库,并把监测信息导入数据库中(图5、图6)。

图4 车站BIM模型Fig.4 The building information l model of station

图5 创建和删除数据库管理界面Fig.5 Create and delete database management interface

图6 数据导入管理Fig.6 Data import management

在数据管理模块,通过探测器列表,用户可查看不同测点的实时监测数据和监测数据曲线图,实时掌握现场监测情况及火势走向。此外,用户还可将感兴趣或具有代表性的监测数据导出另存为 Excel 文件格式。在后台管理模块,用户可根据管理需求,对后台数据库进行增加、删除、查询和修改等操作,完成如数据库备份、还原等工作(图7、图8)。

图7 数据库备份管理Fig.7 Database backup management

图8 数据库还原管理Fig.8 Database restore management

5 结论

针对传统地铁火灾监测信息缺乏有效的集成与可视化管理手段的问题,融合BIM技术与数据库技术,探究了地铁火灾监测信息集成与管理方法,运用Revit二次开发技术,构建了监测现场、数据库与BIM模型的无缝对接机制,完成了“数据管理平台”插件的开发,实现了火灾监测信息的系统性管理。通过广西南宁某地铁车站监测项目验证了该方法的可行性及实用性,得出如下结论。

(1)以数据库作为监测数据外部存储后台,为海量冗杂的监测数据信息提供了标准化和规范化的安全存储环境,有效缓解了数据冗余度，降低了BIM模型的信息承载量,提高了系统的运行效率。

(2)通过Revit二次开发技术搭建的“数据管理平台”可有效地将BIM模型与监测数据进行集成关联交互,实现基于Revit平台对监测信息进行管理,进一步提高了监测信息的可视化管理水平。