付永华 张文欣 张策 刘茹 杜妍枢

摘  要：工程电子文件本体空间动态数据是智慧应用与前瞻的基础，过程复杂、多源异构，故需面向全生命周期，研究融合构建机制，形成融合模型。从工程角度出发，梳理工程电子文件本体空间动态数据的研究与实践范围，从本体数据需求、来源、对象和方式四视角，梳理融合构建机制研究；立足全生命周期的智慧前瞻；调研工程实例，构建融合环境、项目、方法、需求、人员、设备等六要素驱动的问题分析；结合应用需求，以自寻、自采、自修和自管为原则，构建本体空间动态数据融合模型，给出软硬件设计方案。形成智慧应用四前瞻：工程模拟、实时分析、工程溯源、多模感知和多态演绎；提出本体空间动态数据融合构建四模式：最优融合、多角融合、协同融合和纠复融合。经实证，可有效拓展应用空间，产生经济与社会价值，促进数字转型。

关键词：本体数据；空间动态融合；工程电子文件；构建机制

Abstract：  The spatial dynamic data of engineering electronic records ontology is the basis of intelligent application and foresight. The process of it is complex， multisource and heterogeneous， so it is necessary to study the fusion construction mechanism and form a fusion model facing the full life cycle. From the perspective of engineering， we sort out the research and practice scope of ontology spatial dynamic data of engineering electronic records， and sort out the research of fusion construction mechanism from the perspective of ontology data demand， source， object and method; offer intelligent forward-looking proposals based on the whole life cycle; investigate project examples and build a problem map driven by six elements， including environment， project， method， demand， personnel and equipment. To meet the requirements of the  application， we construct the ontology space dynamic data fusion model based on the principles of self-searching， self -mining， self-repair and self-management， and give the software and hardware design scheme. We propose four perspectives of intelligent application： engineering simulation， real-time analysis， engineering traceability， multi-mode perception and polymorphism deduction. Also， four models of ontology space dynamic data fusion construction： optimal fusion， multi angle fusion， collaborative fusion and correction of repeated fusion. Through demonstration， they can effectively expand application space， generate economic and social value and promote digital transformation.

Keywords： Ontology data; Spatial dynamic fusion; Engineering electronic records; Construction mechanism

目前，对工程电子文件和工程电子文件本体数据这两个概念的认识还存在界限划分不明问题。在实践层面也存在没有基于全生命周期原理，形成整体本体数据融合方案，也没有将数据的应用和数据来源环境、方案与方法、人员等要素进行有机融合。对此，需要基于业务、立足标准、面向实际、利用技术，开展工程电子文件全生命周期本体空间动态数据融合构建机制研究。

1 工程电子文件与本体数据的概念辨析

工程电子文件和本体数据混淆不清，广泛存在于工程设计人员、施工人员、验收人员、工程档案管理员、项目资料员工作中，甚至部分学者在学术研究中，也常常忽略。电子文件的概念，馮慧玲教授在诸多专著和教材中，已阐述清楚，并被广为认知、认可。国家标准《电子文件归档与管理规范》中，也有专门的定义，虽适用标准为“党政机关产生的电子文件”，然其定义中的形成、形式、载体、作用和环境，可为工程电子文件本体数据辨析提供清晰思路和结构框架。电子文件本体数据与原生电子档案、原生数字文件，或许也有瓜葛与关联，但论文无意去探讨概念，更多的是从工程实践的角度去探讨和辨析。

工程电子文件和本体数据区别有二：（1）直接使用性：此角度是区分工程电子文件与本体数据的基本属性。在使用过程中，工程电子文件可直接使用，作为使用依据，无需对工程电子文件的内容进行再分析。而本体数据的使用，则需根据需求，进行加工，动态使用。纵然是清洗、加工之后的本体数据，也不能直接使用，一旦变成固态模式、可直接参考，则就变成了电子文件。（2）客观反映性：工程电子文件本体数据是在工程全生命周期过程中产生的第一手数据，对其清洗和加工，只是去芜存菁，选取精度更高、效果更佳的本体数据，只是为了更好的应用，但不会也不允许对本体数据的内容进行更改。因此，能够客观的反映工程活动的历史面貌尤其是历史原貌，而电子文件是对工程活动历史原貌的逻辑体现。

工程电子文件和本体数据联系有二：（1）本体数据是电子文件形成的参考依据。不论是设计图纸、施工工艺文档还是竣工图纸与验收文件，都是在参考文本数据的基础上形成的。例如，设计图纸时要考虑风向水文、地貌地形等本体数据，施工工艺文档要参考历史施工本体数据。（2）电子文件是本体数据融合的原则和指导。工程数据很多，哪些可以是本体数据，哪些只能是数据，主要看是否符合电子文件的需求，也就是输出决定输入，使用决定融合。为确保使用无错，各智慧应用前瞻，应充分建立在电子文件的基础上，不能把电子文件抛开。

根据区别与联系，可以从理论角度，给出工程电子文件本体空间数据动态融合模型，如图1所示。

图1 工程电子文件本体空间数据动态融合模型

通过上述分析，可以看出全生命周期本体空间动态数据融合构建有利于背景数据、实体数据生成的全过程关联控制、流程控制、回溯控制和有效利用。此方面已有专家开展研究，如：穆勇（2022）等综合了建筑效果、专家意见，对某更新工程进行了设计方面的回溯[1]；吴冬（2022）等研究在施工过程中，进行质量实时分析，及时发现施工失误、设计失误，第一时间预警[2]；Claudio Favi（2019）等，利用工程本体数据，构建面向全生命周期的数据框架，为整体管理提供支持[3]；夏翠娟（2022）等，认为其是数智时代，构建社会记忆的多重证据。[4]

2 本体空间动态数据融合研究与应用模型

2.1 融合研究。工程电子文件全生命周期本体空间动态数据融合研究关注点有四：全生命周期融合需求、融合来源、融合对象和融合模式。

全生命周期融合需求的研究，重点在于形态和语义的融合，如钱毅（2022）归纳了档案从数字化到数据化、从语义化到故事化的全链路业务轨迹，总结档案资源形态在不同态别之间的跃迁[5]。其余研究，基本没有从全生命周期的角度，考虑本体数据的融合。

本体空间动态数据融合来源，主要有三：网络来源、业务系统、手操业务开展。当前，面向网络的数据融合，已经成为研究热点，包括互联网平台和智能终端的平台。业务系统包括在线系统、局域网系统和单机系统，单机系统或受限于条件，更多是安全方面的考虑。某些手操业务的开展，也可能产生本体数据，一般为某项业务提供支持，虽然数量不多，但可能具有代表性和针对性。

图纸、公文、网站页面是本体空间动态数据融合的主要对象，通过下载或截图的方式，或者直接以原格式融合，或者转换为pdf格式或图片格式。业务数据也逐渐成为融合的主要构成，载体以图片、视频类为主，甚至面向工程项目的探讨、交流，也作为融合的对象。

从融合模式来看，通过“爬虫技术”，实现本体数据的“自动增量”[6]，是当前研究的热点。在面向业务系统时，部分研究考虑到了融合时的筛选和标注，已经融入了一定的加工流程。基于信息抽取，利用可视化技术，对本体数据进行融合，保障了融合的质量，丰富了未来的应用。知识图谱技术，也被运用到工程图纸本体数据的融合中，通过“知识识别粒度、知识多维关联度以及知识融合与利用程度”等方面的研究，实现了智能化的分类。[7]

2.2 智慧应用模型

面向工程全生命周期管理，以本体空间动态数据为主，融合其他相关数据，与智慧应用关系模型如图2所示。

图2 全生命周期本体动态数据与智慧应用关系模型

该关系模型具有前瞻可控、连续改进、质量溯源、多模感知等功能。

前瞻可控方面，主要包含设计类、以往施工类本体动态数据，设计类本体动态数据为工程模型的建设提供原始数据，通过计算，模拟未来施工的情况；以往施工类，则主要起到预警的作用，体现曾经出现的设计与施工之间衔接出现的问题。另外，地理、水文类本体动态数据，也将为工程模拟提供支持，达到接近式仿真效果。而模型的可控功能，则模拟出最佳施工效果，提前倒逼设计优化，从而实现尚未施工，胸有成“工”的效果。

连续改进方面，以工程材料和施工过程本体动态数据为支撑，结合历史施工问题库和重点施工环节库，通过流程分析、特征识别技术，对正在开展的施工进行实时分析。发现的问题，以及整改的过程，也可以作为本体空间动态数据，进入到整改库中，包括将来的整改评估报告等。

质量溯源方面，对于建筑工程项目来说，溯源非常重要，因为建筑工程项目，一旦出现问题，就可能是事故，就可能导致巨大的经济损失甚至生命损失[8]。因此，采用多维溯源机制，构建可借鉴、可预见和可视化的溯源模型就非常关键。

多模感知方面，基于本体空间动态数据，利用视觉感知、听觉感知、触觉感知、生理信号感知等多模态感知方式，以多种形态，演绎工程生命周期，更可以在行业精神建设、企业文化塑造、产教融合智慧教学、沉浸式员工实践培训、城市记忆塑造、建筑知识科学普及等方面，提高理解速度，加深感知印象，实现深度記忆。

3 本体空间动态数据融合问题分析

3.1 融合问题调研过程。本研究选择以郑州市地下综合管廊惠济项目、瑞佳路跨贾鲁河大桥项目为主要调研对象，其他六处国内大型工程为辅助调研对象。调研内容包括环境、项目、方法、需求、对象、人员等六要素。调研方法为实地考察、过程跟踪、本体空间动态数据主题分析、个人访谈等。调研时间为2022年3月到2022年6月共4个月的时间。

3.2 本体空间动态数据融合的主要问题

3.2.1 融合环境恶劣，影响效果。调研中，选择了4个融合环境：施工材料初加工环境、现场施工环境、施工检测环境、完工检测环境，其中现场施工环境是调研重点。影响本体空间动态数据融合的因素，主要考虑危险系数、光线、天气、温湿度、尘土（能见度）、电力支持因素[9]。经调研发现，融合环境非常恶劣，尤其是大型工程的施工环境，非常危险，没有合适的、稳固的、支持连续融合的位置，使得融合只能在较远的距离实现；地下管廊的施工，主要通过电力照明解决光线问题，其他大型工程项目，一为综合成本，二是考虑施工地点远离市区，三则大型工程项目的工期较为紧张，因此一般昼夜施工，对数据融合造成了较大影响。天气对工程施工会造成影响，例如导致工期延迟，这种影响会同步到数据融合，另外，阴云密布、雷雨天气，均会对数据融合质量造成影响；温湿度、尘土除了对本体数据融合效果造成影响之外，同时影响了数据融合设备的使用，可能造成设备损坏或使用时间变短，更重要的是，影响了数据融合人员的状态；在各处施工环境，交通不便是共性因素，即使是项目验收阶段，交通也没有项目运行时便利，不合理又无可奈何的数据融合路线，将会直接影响数据融合的效率；工程项目电压较大，无法为数据融合提供直接的电力支持。

3.2.2 融合方法落后，需求复杂。现有数据融合方法，比较简单。根据调研，数据融合工具使用频率排名为：手机、专业相机、数码摄像机和摄像头。数据融合的方法主要包括根据要求的主题数据融合、随机数据融合两种。专项融合主要是根据工程的要求，对某些特殊的施工阶段、施工环节、施工部位，进行针对性的融合，从数量和频次上讲，有單张融合和多张持续融合，这种情况，一般会采用专业相机或数码摄像机，进行精准融合。对时间有要求的融合，主要通过架设摄像头的方法融合。专项融合也可能是因为非工程因素导致，例如上级检查、节日献礼、教育教学、素养科普或城市记忆等。随机融合也可解读为无目的融合，或即时融合，主要通过手机来完成。

融合的需求，涉及多个方面。例如面向工程建设的专项融合，对融合的时间、密度频次、质量和精度、分辨率等有着严格的要求，对融合内容也有指标性或强制性的规定，甚至是载体的形式等都有严格的要求。尤其是本体空间动态数据的融合，在融合时间上，具有不可复制性，某个阶段、某个操作的工程完成了，不可能再重新实施，一旦数据融合不成功，就没有下次融合的机会。

3.2.3 融合对象繁多，人员缺乏。本体动态数据的融合对象，主要包括重要环节的施工过程、重点位置的施工状态和结果、施工材料成分及混合，施工验收的特殊位置、整体形象效果等，这些主要以视频、音频和图片等形式为载体。另外，部分工程施工环节和验收环节的融合对象，可能还包括各种检测信号，例如超声波、偏移图像、波速图像、模拟地震信号、空洞信号、水文信号、雷达波、卫星图像等。容易遗漏的，还包括一些实验测试数据，如在再生混凝土的劈裂抗拉破坏过程中的系列模拟数据。[10]

如今，外包性质的第三方融合人员逐渐增多，可以开展良好的融合工作，但往往是刚工作不久的人士，且学历不高，专业针对性不强，融合水平有待提高。

3.2.4 融合工程复杂，问题众多。大型工程项目，具有线路长、体量大的特点，导致单个人员融合困难，需要联合多人合作融合；融合路线变化，导致融合时间增长、融合密度低，源数据缺乏连续性和完整性；地质环境复杂，导致融合效果差；变形缝多、立体空间节点多且复杂、预埋件及预留洞多，导致无法近距离、清晰融合等系列问题。另外，声像档案元数据传统融合方式载体单一，融合对象准备时间长，很多部位无法及时补采。

4 本体空间动态数据智慧融合设计

4.1 智慧融合总体设计。智慧融合的重点包括智慧寻物寻址、动态修正融合方案、构建基于应用场景的即采即用微生态和智慧管理四个方面。

因为工程体量比较大、施工环境比较复杂，交通不便，因此，设计首先考虑融合主体、融合对象的自动寻找和融合路线的自动规划，从而节省时间。另外，根据业务的需求和技术的标准要求，结合天气、光线、灰尘等外部环境，能够自动的修正融合方案，调整融合标准，包括融合时长、频率、分辨率、形式的智慧选择等。同时，根据施工的需求，对部分融合内容进行及时补采。本体空间动态数据的融合，很多时候需要即采即用，这种使用，有的在现场，有的在异地，有的需要其他工程数据，而且使用场景可能不同，因此需要能够实现上述功能的微生态环境。除此之外，融合设备的位置调整、网络传输配置、充电管理等，都需要一定的智慧管理。

4.2 智慧融合模式设计

面向实际需求，研究设计四种融合模式：最优融合模式、多角融合模式、协同融合模式和纠复融合模式。

4.2.1 最优融合模式。该模式主要根据设计图纸、历史施工验收等本体数据和融合要求，自动选择最佳的融合点，并且支持连续融合；同时，利用GPS定位模块可自动协同其他融合点位置，更可以多个融合点同时融合，是原人工融合模式效率的30倍（原人工每天融合点10个左右，自动设备每天融合点300个左右），解决人工融合模式下需手动调整融合点位置高低、角度融合选择点计算费时费力、融合位置和角度受限、融合点不协调等系列问题。

4.2.2 多角融合模式。该模式采用悬移式的个性化设计，支持立体空间节点多且结构复杂、专业安装设备多、单个工艺时间长，部分融合和施工冲突等特殊情况下的多角度持续定点融合。该模式也可根据融合需求，进行定点选择，对工程的整体或部分进行持续性的信息融合，确保档案源数据信息的连续性；亦可以从多个角度对同一个点进行融合。

4.2.3 协同融合模式。该模式能够充分利用空间优势，对同一现场内或不同现场间各环节施工档案进行实时、关联协同融合，并且根据关联协同关系进行自动匹配。关联协同包括融合现场的实时关联，也可以后期进行关联，对融合内容进行拟合，以选择甚至生成最佳的融合效果。

4.2.4 纠复融合模式。该模式通过设置扫描轨道，执行等比例全进融合，解决单点拍摄时产生的比例失真问题，进行全景平行融合，融合的源数据质量好，支持即融即用、自动纠偏、及时复融，为施工质量提供了可靠支持。解决传统融合方式中，融合效果靠眼睛、专业人工判断，避免因融合效果不好，继续融合与施工不能中止的矛盾，降低了对人员专业水平的依赖，提高了声像档案标准化融合质量、融合效率。

5 悬移式本体空间动态数据智慧融合方案设计

5.1 硬件设计。基础硬件包括设备保护模块、感知和任务处理器、移动处理器、内置存储、主板、液晶显示设备、灯光显示设备、语音交互和广播硬件等构成。悬移硬件包括支持定点融合和移动融合两种模式。融合硬件包括视频采集和音频采集设备。传输硬件包括位置、状态控制等命令信号的传输和本体空间动态数据的传输。可以通过建立专门的数传电台来进行命令的传输，数据则可以通过WIFI信号、5G信号等实现。

5.2 软件设计。操作系统主要采用安卓开源操作系统，实现路线规划、开放接口、数据分析、角度与姿态调整、集群管理和调度、安全管理、电池管理和任务管理等。设计将数据传输控制和运行控制软件，集成到操作系统中，以模块化形式存在，集成度更高。融合软件涉及两部分。一部分是如何更好的融合，涉及融合精度、融合时长、融合角度等方面。一部分则是体现智能的时候，例如自动寻址算法、特征识别算法、对比分析算法、压缩算法等。应用软件包括本体空间動态数据的管理，例如放大缩小查看、智能分类、重复识别，也包括基于融合设备的语音交流模块。

6 实证与效益分析

本研究由中国建筑第二工程局有限公司档案管理部门负责样机的组织、部件总成和协调；郑州航空工业管理学院团队负责本体空间动态数据智慧融合设备业务需求、技术标准、智能化规划部分设计、硬件部分和电子工程档案数据智能处理与转换部分设计与实现。在参与研究协助的工程研究中心中，对本体空间动态数据智慧融合设备进行了设计测试和功能测试，并由中建二局第二建筑工程有限公司选择复杂工程项目进行试用。表1为传统本体空间动态数据融合和论文研究的效益对比。

除直接经济效益外，在工程项目建设中，本体空间动态数据智慧融合设备更可创造无形效益，例如融合质量的提高、数据的连续性和完整性、即采即用，质量追溯、失误预警等。而且，在传统工程电子文件融合中，档案人员固定在某个项目上，每次只能为一个项目服务，而现在的融合方式，可以多台设备集中为一个项目融合，确保某个任务的高质量协同，更可以一台设备为多个项目服务，提高了设备的利用率。

参考文献：

[1]穆勇，李国华.小西湖地块微更新工程回溯与反思[J].建筑学报，2022（01）：36-40.

[2]吴冬，安彬，南宏峰，李立军，李颖杰.基于BIM的隧道工程预警可视化应用研究[J].现代交通技术，2022，19（04）：34-38.

[3]Claudio Favi，Federico Campi，Marco Mandolini，Michele Germani.Using engineering documentation to create a data framework for life cycle inventory of welded structures[J].Procedia CIRP，2019（80）：358-363.

[4]夏翠娟.构建数智时代社会记忆的多重证据参照体系：理论与实践探索[J].中国图书馆学报，2022，48（05）：86-102.

[5]钱毅.破析与融合——析档案资源形态与语义表现相互作用的U型曲线现象[J].档案学研究，2022（04）：108-115.

[6]张建根，于耀祖.网络爬虫在拟在工程项目数据分析中的应用[J].科技风，2021（19）：119-121.

[7]Sylvain Hallé，Rapha?l Khoury，Quentin Betti，Antoine El-Hokayem，Yliès Falcone.Decentralized enforcement of document lifecycle constraints[J].Information Systems，2018，74（13）117-135.

[8]李琳，霍炜洁，盛春花，徐红.水利工程质量检测设备计量溯源风险识别与管控[J].中国测试，2021，47（S2）：19-24.

[9]付永华，白占俊，张旭阳.工程电子文件阅读设备中多源异构文件获取模式与处理技术研究[J].档案管理，2018（02）：53-56.

[10]何盛东，林玉婷，杨孟琪.再生混凝土劈裂抗拉性能的离散元模拟[J].郑州航空工业管理学院学报，2022，40（05）：73-78.

（作者单位：1.郑州航空工业管理学院信息管理学院 付永华，硕士，副教授，硕士生导师；张文欣，情报学硕士研究生；张策，图书情报硕士研究生；2.中国建筑第二工程局有限公司 刘茹，本科双学位，政工师；3.中建二局第二建筑工程有限公司 杜妍枢，本科，高级工程师  来稿日期：2022-10-20）