BIM和物联网技术在隧道工程运维阶段的应用分析叶超

BIM和物联网技术在隧道工程运维阶段的应用分析叶超

叶超

武汉市政工程设计研究院有限责任公司武汉430023

摘要：通过总结归纳隧道运维管理的框架结构和主要内容，针对传统的隧道运维方式所面临的信息管理、人力成本、能源消耗、维护时效和应急处理等方面的问题，分析了BIM与物联网结合对隧道运维的重要意义，并提出基于BIM核心的物联网技术在隧道全生命周期运维管理中应用的关键思路和功能模块。基于BIM与物联网技术的隧道工程智慧运维管理平台，使模型信息与动态数据库紧密结合，将使传统的隧道运维走向可视化、智能化和集成化，大幅提高管理水平和工作效率，为隧道工程的运维管理带来一次全新的变革。

关键词：隧道工程；运维管理；建筑信息模型（BIM）；物联网技术

1概述

随着BIM技术的发展，其在隧道工程建设领域的应用也越来越广泛，目前BIM在隧道工程设计和施工阶段已有大量应用，但在隧道运维阶段中的应用案例尚少，有待深入开发。近年来由于物联网的高速发展，BIM技术在运维阶段的应用也迎来了重要契机。基于BIM核心的物联网技术应用，将为隧道工程的运维管理提供强有力的技术支撑，使传统的隧道运维走向可视化、智能化和集成化的智慧运维。

2隧道运维管理的内容

运维管理是一项复杂的系统工程，文献[1]认为运维管理是整合人员、设施、环境和技术，对工作、生活空间进行规划、整合和维护的管理。隧道工程运维管理的对象包括隧道主体、设备设施等硬件和人、环境、安全等软件，其内容主要包括以下五个方面[2]：设备管理、安防管理、健康监测、应急管理、能耗管理。隧道工程运维阶段的信息包含前期接管信息、工程信息、环境信息、交通信息、公共信息、设备信息、维护信息、资产信息、安保信息、能耗信息等，信息量大且管理工作复杂。

3传统隧道运维管理面临的问题

目前的隧道工程运维管理方法还较为原始，在很大程度上还依赖于人工，其弊端主要有以下方面：

3.1信息管理问题

目前隧道工程的信息建档主要依赖于二维图纸、维修手册及厂商数据，信息表达不够直观，查询、管理和使用过程繁琐，且效率较低；纸质资料的保存、信息沟通、传递也存在困难，另外各参建方的信息分散，后期需要修改或变更时，容易造成信息遗漏、丢失和信息不对应。

3.2人力成本问题

隧道工程的运营需面临人才培养与流失问题，近年来国内劳动力成本的逐年增加，人力成本也是运维阶段需要考虑的重要因素。在信息化时代，如何减少人力成本，提高隧道工程的运营维护的效率，关键在于依靠智能化的信息管理系统，加强系统管控能力。

3.3能源消耗问题

近年来，低碳、节能、环保等成为社会关注热点，中国的建筑使用能耗约占全社会总能耗28%。为了可持续发展，如何通过技术创新、管理创新等手段减少能耗，将成为企业的重要发展方向。

3.4维护时效问题

隧道工程涉及到照明系统、通风系统、监控系统、疏散系统、通讯系统等，其中包含大量的设备和管线，如果出现故障再处理，不仅影响正常运行，甚至引发安全事故。若能在有效时间内及时保养、更换，提前发现、避免此类隐患，可以减少大量损失。

3.5应急处理问题

遇到重要事件安排、临时活动、交通事故、火灾等情况，如何做好人员疏导、交通疏解和引导、安保人员的调配、设备及消防系统的调控等，具有非常重要的意义。突发事件处置不当，造成的不仅是经济方面的损失，更有可能造成严重的社会影响。

4BIM与物联网结合对运维的意义

4.1信息管理可视化

管理人员在调试、预防和故障检查时，需知道建筑构件、设备设施在空间中的位置，而且能查询到相关的数据信息。传统的信息管理模式，是基于大量二维图纸和各种机电设备的操作手册，查找、使用过程繁琐且费时费力。而利用BIM三维可视化模型，可以迅速确定通风系统、电力设施、管道等设备设施在整个隧道中的位置，通过模型直接查询、调用所需的数据和信息，并且还能显示和传递运维管理的相关信息。

4.2设备操控远程化

设施设备的运行监控也是运维管理中非常关键的部分，通过BIM模型与所有的设备进行数据联动，可实现远程实时查看设备的运行状态，部分实现远程控制，避免了人工的浪费。把原来独立运行并操作的各设备，通过射频识别（RFID）等技术汇总到统一的平台上进行管理和控制。例如：通过RFID获取各项设备的运行状态，是否正常运行，通过控制远程打开或关闭隧道内照明、通风系统。

4.3运维管理数据化

将设计、施工、运营维护等过程中所有数据信息集中于BIM数据库中，为运维管理系统提供数据信息，使得信息实现共享和协同。运营维护数据的积累，可以用来分析问题和隐患，也可用于优化和完善现行管理。例如：通过累积数据形成一定时期能源消耗情况，可用于节能分析；通过累积数据分析不同时间段设施的故障率，可对检修频率进行调整。

4.4应急管理智能化

隧道工程作为人流、车流聚集区域，突发事件的响应能力非常重要。传统的应急处理仅关注响应和事后救援，而基于智能运维系统[3]的应急管理还包括预防、警报和调度。该管理系统可以通过感应器，对人员进行定位和潜在的突发事件进行识别；系统可实现可视化火灾警报，并及时查询周边的疏散通道和重要设备等信息，迅速分析得出最优的疏散路线，也可以评估突发事件带来的损失。

5隧道工程运维的BIM应用分析

综合利用BIM和物联网技术，可构建隧道工程的运维信息管理平台，使模型信息与动态数据库结合，为隧道运营维护[5]提供可视化监控和智能化管理，其各功能模块和实现思路如下图。

图1基于BIM和物联网隧道工程运维功能模块

5.1信息集成与数据共享

基于BIM和物联网技术，将项目规划、设计、施工、运维直至使用周期终结的全生命期内各种相关信息数据，全部集中于BIM数据库中，把系统内分散的、各自为政的信息化系统、物联网系统整合起来，提升为一个具有较好协同能力和调控能力的有机整体[4]，这是以前所没有的。

5.2运维管理可视化

相比传统的隧道运营监控方式，基于BIM和物联网技术的运营管理系统可实现以下功能：（1）将三维实景显示与视频监控相结合，在BIM模型中选择某一区域，即可立刻调用该区域的所有监控视频图像；（2）通过BIM模型与所有的设备进行数据联动，可实现远程对设备进行查找、定位，并实时查看设备的运行状态，实时监测隧道环境状态，提高隧道安全运行水平。

图2隧道运营实时监控及环境监测

5.3远程智能控制

设施设备的运行监控也是隧道运维管理中非常关键的一个部分，通过BIM模型与所有设备进行数据联动，可实现远程实时查看设备的运行状态，并可以通过智能设备进行操控，实现远程控制（如远程切断电气开关，发生火灾时打开最近的消防龙头等），不仅节省人力，而且大大缩短操作时间。

5.4设备管理与维护

通过BIM和物联网技术，对设备设施的各项维护、维修实现三维可视化、信息化的管理，系统可集成对建筑构件、设备的搜索、查阅、定位功能；对于照明、通风、通讯等各种设备的运行状态，可以BIM模型上直观显示；对寿命即将到期的设备及时预警和更换配件，防止事故发生；通过管理系统进行操作，可完成设备运维管理的大部分工作，节省人力、物力和财力，达到节能减耗的目的。

图3隧道内设备维护管理平台界面

5.5应急管理系统

隧道应急管理系统依托物联网包括射频识别、GPS定位、红外感应、激光扫描、视屏监控等传感核心技术手段，通过网络将应急体系建成一个具有强大的信息感知和通信能力的网络和平台，以满足应急体系中设备设施和环境的动态监控、风险管理、突发事件预警以及统一指挥调度和处理的需求，提升隧道工程的安全运行水平和应急管理能力。

通过跨平台多源信息融合，可实现风险监控、主动预警、资源调度、指挥管理、疏散模拟、应急评估的动态展示和综合分析，为应急管理决策分析提供技术支持。

5.6智能交通

基于BIM和物联网的隧道内交通虚拟仿真，可纳入城市智能交通系统，有效提高城市交通仿真的可视化效果，为缓解隧道交通阻塞，提高隧道通行能力，减少交通事故，减轻环境污染提供帮助，从而为实现绿色智慧交通提供技术层面的支持。

5.7能耗分析管理

BIM和物联网技术的应用，可以使日常能源管理监控更加直观、方便。通过安装具有传感功能的检测仪器后，在管理系统中可以收集所有能耗信

息，并且通过开发的能源管理功能模块，对能源消耗情况进行自动统计分析，如各区域每日、每周用电报表等，并对异常能源使用情况进行警告或者标识；并且累积的能耗信息数据，可用于分析并对能源使用进行优化，达到节能减耗的目的。

图4隧道内火灾报警及紧急疏散模拟

6结论与展望

基于BIM核心的物联网技术应用，可以为隧道工程运维实现三维可视化的信息管理，并集成设施设备维护管理、综合监控、全生命周期养护决策、应急处理、能耗分析等功能，可大幅减少后期隧道的维护工作量，提高管理水平和工作效率，为隧道工程的运维管理带来一次全新的变革。

参考文献：

[1]汪再军.BIM技术在建筑运维管理中的应用[J]．建筑经济，2013（9）：94-97.

[2]杨子玉.BIM技术在设施管理中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2014.

[3]徐海长.运维管理系统在智能建筑中的应用.智能建筑与城市信息，2012（5）.

[4]胡振中，彭阳，田佩龙.基于BIM的运维管理研究与应用综述[J].图学学报，2015（5）：802-810.

[5]滕丽，刘艳滨，张湄.周家嘴路越江隧道BIM技术研究应用概述[J].城市道桥与防洪，2016.08：256-259.

[作者简介]叶超，男，生于1982年，湖北黄冈人，高级工程师，研究方向：地下工程、隧道设计及BIM技术研究工作。