李建利，董路熙，王三虎

(1．山西警察学院 交通管理系 辽宁 大连 030041； 2.北方工业大学 电气与控制工程学院,广西 桂林，1001443.吕梁学院 计算机科学与技术系 山西 离石 033001)

随着“交通强国”战略的提出和全面实施，中国隧道建设快速发展，借助BIM、移动互联网、物联网等新兴技术，建立一套实时隧道机电综合监控系统，对于数智化控制隧道内机电设备、全面掌握隧道设备状态、合理利用全生命周期资源有着重要意义.

相比于传统的隧道机电信息综合管理方法，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)将分散的多类信息源进行融合，为隧道数智监控提供数据支持和技术融合.近年来，国内外研究学者对BIM技术在隧道应用方面展开了一系列的研究.Moon等[1]基于3D Earthwork BIM技术对隧道设备进行参数建模，通过集成硬件和软件技术开发图形模拟系统协助操作人员来控制隧道设备；Qian等[2]通过交通流量和环境监测数据构建了基于BIM-随机森林的数据驱动感知模型，实现不同运营状态的特长公路隧道机电设备智能控制；Li等[3]提出了BIM技术的隧道设备安全风险识别系统和监控系统框架，通过BIM和现代信息技术监控设备安全状态；陈政[4]基于简化BIM模型构建综合性运维和管控平台，该平台具有四方面功能，从而实现了公路隧道优化管理、可视监测和智能控制；姜谙男[5]研究了隧道设备BIM参数化建模方法，构建了基于C/S共享模式的隧道设备监控信息系统，实现隧道关键区段设备实时监控；徐帮树[6]建立了基于BIM的隧道设备参数化方法，开发了一种Revit隧道设备控制参数可视化插件；李晓军等[7]利用Revit软件建立隧道设备与结构段之间的关联信息模型，通过Unity3D软件实现模型自适应拼接和多尺度BIM分级加载.

综上所述，国内外学者在基于BIM技术的隧道应用方面做出了许多扎实的工作，涵盖了隧道设备参数化建模和监控系统开发等多类应用成果，对于进一步数智监控隧道设备和合理利用隧道全生命周期资源具有重要意义.因此，本文构建“互联网+智慧高速”BIM隧道数智监控系统，实现系统多功能耦合、各系统间信息协同、隧道机电全生命周期智能监控.

1 BIM隧道数智监控系统拓扑结构

BIM隧道数智监控系统部署在施工现场，管理者通过专用网络或者通信系统连接，进行远程实时控制，BIM隧道机电系统与其子系统通过视频传输协议(以太网协议)实现隧道图像、火灾报警、交通采集、通风照明控制、事件等多类型信息互联共享，基于BIM数字化模型确定共享数据库结构，完成隧道状态感知、特征辨识、突发事故评估和预警、决策管理和控制等功能.

2 BIM隧道数智监控系统框架设计

在目标及需求分析的基础上，“互联网+智慧高速”BIM隧道机电系统采用“六层两翼”的架构模式，其中六层结构以数据和信息的流向来看自下而上分别是感知层、通信层、数据层、中间服务层、业务层和应用层，两翼是保证系统安全可靠运行的重要保障，分别为信息安全支撑系统和技术标准与法律法规.系统框架如图1所示：

图1 系统框架图

感知层：“互联网+智慧高速”基础设施感知层处在BIM隧道机电系统的底层，是BIM隧道机电系统的基础，同时具有多源信息采集与传输功能.基础设施感知层主要由数据采集与数据传输两大部分构成，利用系新兴技术和新型设备，通过道路多类系统对隧道多种类信息进行实时收集，提供可靠且丰富的数据源.

通信层：数据传输是以先进的通信系统融合有线网和无线网的方式作为基础，通过传感网络将信息进行过滤、协议转换和压缩加密，然后传输至“互联网+智慧高速”BIM隧道机电系统，从而实现隧道基础设备之间、车辆与道路之间以及车辆与车辆之间的信息交互，保证交互信息传输的实时性、安全性和可靠性.

数据层：数据层主要采集高速公路隧道AI视频数据、情报板发布数据、通风报警控制数据、事件发生数据、紧急呼救数据等BIM+全生命周期多源数据，对获取到的不规范数据表进行智慧化合并整理、规范化设计等，保证数据应用的正确性，根据用户的权限进行开放共享，为其提供不同的需求服务.

中间服务层：针对“互联网+智慧高速”BIM隧道机电系统数字化建设不同的实际需求，基于“BIM+新兴技术”和建模软件生成相应的BIM数字化模型、BIM+GIS决策模型、数据分析统计模型、信息发布模型等数字化模型，利用标准化通用接口为BIM隧道监控结构化的数据提供了导入与导出，非结构化数据的转化、储存与访问条件，为后期的应用层的各子系统之间的资源、信息、成本等动态管理提供模型依据.

业务层：包括隧道通风照明子系统、火灾监测与预警子系统、交通实时监测与控制子系统、闭路电视监视子系统、中央管理与控制子系统等多种系统.

应用层：“互联网+智慧高速”BIM隧道机电系统数字化建设各子系统之间的信息共享和交互层，通过应用层获取数据或BIM模型信息提取、编辑、储存和下载，提高各子系统之间的协同工作效率.

3 BIM功能设计

3.1 BIM模型维护

根据BIM平台汇总隧道机电项目工程信息，解决“信息孤岛”问题，同时基于三维模型整理、存储和融合多种信息，实现项目全生命周期中的各相关利益方随时共享功能.通过对“BIM分布式”模型在整个隧道机电工程项目中的统一规划、运维管控，从而确保BIM模型信息的准确性、及时性和安全性.

3.2 隧道场景分析

通过对场地的复杂因素分析来实现对可能造成影响的环境现状、施工配套及建成后交通流量等各种因素进行分析与评价.基于“BIM+GIS”系统对场地及拟建的隧道机电设备数据进行时空建模，为项目在规划阶段评估场地的使用条件和特点提供帮助和关键决策.

3.3 综合管理分析

基于BIM多源异构数据库获取、分析、统计工程前期设计过程中的不同设计方案筛选和建造成本预估，保证工程量不同信息与规划设计方案的一致性.通过虚拟三维环境下建立BIM数智模型，防止规划设计方案中隧道结构之间出现碰撞冲突现象，从而提升隧道机电系统的设计能力和工作效率.

3.4 维护计划

结合“BIM+运营维护管理”模型，充分发挥空间定位和数据实时采集优势，合理制定后期维护计划，优化专项维护工作分配，达到提高设备综合性能和维护总成本的目的.除此之外，还能够对重要基础设备的历史维护数据进行动态跟踪，预判出设备的最佳使用状态.

4 结论

面向现有隧道监控系统实际需求，本文引入BIM技术，并构建“互联网+智慧高速”BIM隧道数智监控系统，采用“六层两翼”系统架构，结合新兴技术和新型感知设备整合隧道机电各类要素信息，实现系统多功能耦合、各系统间信息协同、隧道机电全生命周期智能监控，解决高速公路隧道各阶段信息孤岛问题，提升高速公路隧道数智监控效率.