BIM輕量化技術在物聯集成平臺開發中的應用
- 發布時間：2023-05-31
BIM輕量化技術在物聯集成平臺開發中的應用
陳宏博
Application of BIM lightweight technology in the development of IOT integration platform
摘要：近年來,由于云計算、大數據、物聯網等新信息技術的不斷涌現,并與實際施工過程中建筑信息管理模塊(BIM)等技術的運用不斷融合,而日益引起了人們的重視。利用基于BIM模式的物聯集成管理平臺的構建,完成了智能化工程項目的安全監測、報警聯動、門禁管控、巡更管控、大數據統計綜合展現等管理功能,但由于常規BIM模式占有大量數據資源,對硬件需求過高,嚴重限制了物聯集成管理平臺的推廣。因此,企業可以通過利用BIM等輕量化信息技術構筑物聯綜合管控平臺,對建筑物內各種智能、安全設施實現全方位高效的監測與管控,進一步豐富建筑物的綜合應用功能和提升物業管理的整體效能,實現建筑群內的各種關鍵設施均處于高效、節能、良好的工作狀態,進而給建筑物內人員創造一種安全、舒適、便利、有效的工作環境。
關鍵詞：BIM；物聯集成；輕量化
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：BIM；IOTintegration；lightweight
一、引言
隨著物聯網技術的發展，人們對生活、辦公環境在滿足基本需求的同時，對舒適感、安全性、便利、節約、環境、衛生、服務、管理等方面也有了較高的需求，因此誕生了“物聯集成”的概念。物聯集成管理平臺是智能建筑與信息技術相結合的產物。
物聯綜合管理平臺則是在傳統智能建筑管理的基礎上,還可以進一步的與BIM、通信網絡、信息系統進行更高一層的建筑物綜合管理。
物聯集成管理平臺的物聯網應用已經展現了巨大市場,從智能建筑邁向現代物聯網應用架構的腳步也越來越快,而物聯集成管理平臺的所有子系統技術也都有著和BIM緊密結合的方向在發展。
不過,因為BIM主要是為了詳細描述完整的建筑物所產生的,而BIM數據則是為了通過不同方法維持著建筑物完整生命周期中所使用的信息,由此形成了巨大的BIM數量及其耗費,也因此從中獲得的大量三D數據集也為建筑實時管理技術發展提出了挑戰。任何類型的實時渲染系統的基本特征都是提供交互式和即時更新,否則就會減少收益,或者根本無法實現應用該高新技術的目的。太低或波動的刷新速率將使對向導或者一些交互任務的需求更高,還可能會造成參加者迷失方向。
所以,為了使之作為高效交互的平臺,可視化軟件就需要提高相應的渲染特性,并提高了平臺與交互者的體驗。為使BIM可在物聯集成管理平臺中使用,首先要對BIM模型輕量化處理,以減輕BIM建模對PC和網貿端設備的壓力,目前BIM輕量化已遂逐漸成為物聯集成領域新發展的方向。
本文以我公司的協同物聯集成管理平臺SynchroIoTMS在BIM輕量化的開發和應用進行描述。
二、方法
（一）ＢＩＭ模型的輕量化
在工程實踐中,需要根據實際應用建模的具體情況,通過轉換為BIM建模的各種數據格式,輕數字化的改造圖像,屬性數據過濾和復用,建模的渲染表現,多終端互動的大數據分析等應用,從而可以在不子系統中查找建模的重要信息內容,并方便于平臺管理者方便快捷地調用建模,進一步發揮了BIM建模的各種數據可辨識、信息內容可聯系等特點,將BIM工程技術融合于大物聯的綜合管理平臺系統之中。
1、基于標準數據格式的模型文件轉換
BIM輕量化施工技術的基礎技術手段是將標準資料數據格式化。三維建模的數據分析來源于施工等建筑行業的許多專業。土木、機械、鋼結構、幕墻設計等的專業,BIM技術人員通常會通過Revit,Tekla,芬蘭普羅格曼有限公司,Civil3D等各種各樣的BIM應用軟件建立三維模型以及他們所要求的數據分析,因此我們必須思考多源數據分析整合的問題。
目前,BIM并未可以形成一個完全統一的應用系統,在參加項目人間交流信息時,需要將BIM模式轉為現在主要的以IFC數據標準為基礎的模式,才可以進行數據交換。協同物聯集成的數據管理平臺SynchroIoTMS幫助在各種BIM軟件之間,實現以IFC數據標準為基礎而實現的信息交流,從而實現了兩種BIM模型間數據共享以及交流信息的順暢性。
2、基于語義解析分割的圖形輕量化
輕量化的核心數據仍然是由BIM建模。因為組成BIM模塊的結構數量特別多,而且每個結構的信息都比較復雜,導致BIM模塊的數量豐富。
首先三維建模的數據分析,必須在各種建模軟件中得到,在處理這種數據分析的時候,會盡可能提取最基本的形狀模型參數,而不是最確切的三角面片形狀,這不但能夠提高三維建模數據分析的輕量化,同時還能夠更好地解釋形狀數據所表示的意思。由于將這種設計參數化的圖像數據顯示,在各端可以根據對各種的功能要求翻譯成所要求的幾何圖形來顯示。
三角面片優化數據庫技術的輕量化最關鍵的一個技術指標。就是利用BIM設計參數化的幾何圖形數據顯示,在各端可以透過將各個的各種功能要求翻譯成所要求的幾何學圖像來顯示。首先根據網格相似性與匹配的準則分析其結構的相似性,并使用一個三角形網格對相同幾何結構形狀的空間結構加以描述;而后再使用矩陣變換的方式,對其空間加以存儲。交換準則如圖1所給出。
圖1 BIM參數化圖形數據轉換原則
由于建筑模型數據量大收集了各專業的數據,模型的三角面片數量會超過數千萬,而存儲器的開支通常在20~30G以上。在常規的繪畫流程下平臺無法加載整個數據,繪畫過程也非常卡頓,所以必須通過各種技術手段加快現場的繪畫速度,并精簡、限制存儲器的開支。在本研究中,主要采用了遮擋剔除、批量繪制、以及多重LOD的辦法,來進一步提高優化視覺效率。BIM輕量化技術以及基于映射的存儲方案,如圖2所給出。
圖2 BIM輕量化技術基于映射的存儲方式
3基于插件的屬性數據篩選與復用
BIM建模輕化技術作為模板建立和使用過程的中間環節,已經確定了BIM建模輕化解決方案需要同時掌握以下二方面的技能:一方面,對引擎進行轉換時需要一個模板文件。利用二次開發BIM軟件,合理地組織與提煉BIM模塊內部的信息,形成一個導出后占據空間較小的文檔,并對原BIM文檔里面的重要信息加以保存;此外,分析引擎對輸出的文檔加以分析,將文檔內部的重要信息加以還原,實現模塊的瀏覽和展示。
(1)結構屬性數據篩選法。對BIM模塊結構中所對應的屬性數據,用軟件系統進行篩選。數據可以在建模軟件中提取或者在軟件功能中使用自行手動輸入,但根據BIM軟件中不同的應用目的,會舍棄不相應的冗余數據,而選擇了相應的屬性數據存取。輕量化必須保證對數據盡可能的精簡,每次只提取與當前功能相應的數據。數據可以在同一平臺上整個軟件中共用,但不同的客戶端采取了不同的方法,以確保不會遺漏所需要的數據。
(2)復合性數據分析提取方法。利用同一數據類型實現多個應用目的,是復合性數據分析提煉技術發展在輕數據化中的主要思想。軟件功能和實際復用頻率范圍,確定了復用性數據分析的選取方法。在基本的建模中能夠轉換得出其它相似的建模,通過這些復用性數據分析獲取相關技術,能夠節約巨大的數據量,是輕量化的一種主要組成。
4基于云渲染的BIM模型展示
在進行BIM建模展示的流程中,如果想要把某個物件繪制在顯示器上,就必須進行一次的圖形API繪制調用。為了優化系統性能、負載均衡等,可把所有具有同一狀態(例如相同材質)的物件整合在一個繪畫調用中,并利用整合物件來降低繪畫調用,進而帶來系統性能的優勢。并結合了動態與靜態的批次整合策略,以實現繪制順暢率的提高。
5基于多端交互的數據應用
協同物聯集成管理平臺同時支持PC端、移動客戶端和網站端的多平臺應用,因此各端的功能劃分問題是應用層輕量化中需要著重處理的問題。TMS適合于各大市場上主流瀏覽器的應用,無須配置或者下載一個插件就可以直接在瀏覽器端對一個復雜的三維BIM建模或者二維圖紙進行瀏覽。而TMS更適合于移動客戶端或者PC端的操作平臺。
(1)PC端平臺應用
協同物聯集成信息管理平臺,通過WebGL解決方案的網站客戶端應用技術,在網站客戶端上實現了進行場景漫游、查看建筑物信息,以及尺寸檢測等基本功能,便于管理員隨時隨地查詢掌握物聯網資訊,同時也大大降低了應用門檻,有效促進平臺的廣泛使用。鑒于固定端設備突出的特性,能夠勝任大規模、高度逼真的模擬顯示,大規模信息處理、運算與錄入,以及直觀的數據處理等功能,設備也能夠實現更高層次的功能。
圖3 PC端模型操作使用效果展示
（2）移動端平臺應用
手機和平板就是這種設備最一般的移動終端,因為它攜帶很方便,而且能夠在現場進行使用。移動端則采用了最小化的數據展示方式來滿足用戶的需要,在移動設備上能夠進行更多平臺功能的現場使用。
移動端還需要進行即時的現場數據收集,如照片,錄音,記錄問題等功能。也可以發出消息,或是記錄簡單的數據。鑒于移動終端設備特性的限制,模型展示宜分區域處理。可采取按一個樓層、某個專業,或樓層與專業相結合的方法劃分模塊。
（二）、基于輕量化BIM的物聯集成平臺應用管理功能
平臺提供了集成本項目多種設備系統、監控系統的接口，以BIM統一模型基礎，實現數據共享、協同管理服務，提供標準的數據接口，按照一致標準存儲，同時將幾何數據與結構化的屬性數據分離。預留數據接口的可擴展性，適應將來數據標準可能的擴展和變化。在平臺中，數據與對應的分析應用程序一起封裝成服務，根據不同用戶角色進行分發，既共享了數據價值，也保障了數據的安全性。
圖4 物聯集成管理平臺結構圖
采用三維數字動態監視和界面設計,可以快速構建現場模式,以三維可視化方法顯示真實數據,以文本、像素、形狀、報表、動漫、錄像、音頻等多媒體技術方法顯示數據,使用者還可以透過子系統工作方式、設施的位置等方法,實現集成監視、控制系統與管理工作;支持對網絡的遠程訪問、遠程管理。
（1）視頻監控
通過三維展示效果，監測視頻監控攝像機的在線、離線狀態、點擊攝像頭彈出對應的實時畫面，并可通過BIM模型對攝像機畫面進行放大、縮小，也可對球機進行云臺控制操作。
另外，視頻監控系統可以與多個子系統進行視頻聯動，如消防系統，入侵報警系統等。
圖5 BIM在視頻監控中的應用
（2）防盜報警
通過三維展示效果，監測防盜報警防區的報警狀態，并可進行撤防、布防等操作，也可與視頻監控系統、門禁系統進行聯動。
圖6 BIM在防盜報警中的應用
（3）電子巡更
通過三維展示效果，查看巡更點，及巡更路線，并可查看巡更歷史記錄信息。對巡更信息進行統計匯總。
（4）門禁管理
通過三維展示效果，監測門禁在線、離線、門禁開關狀態、在權限許可情況下，對門禁進行遠程開啟操作。實現對門禁進出記錄、門禁非法刷卡、門禁告警等信息的多條件查詢。
圖7 BIM在門禁管理中的應用
（5）能耗管理
基于ＢＩＭ物聯集成管理平臺通過數據分析進行能源可視化分析，能夠出具報表和圖表，使物業管理人避免了重復抄表查表的工作。識別設備運行問題并實時能耗告警,快速給出可落地的方法,以實現節約能源,降低能耗的目的,為建設綠色運營體系奠定了基石。
圖8 BIM在能耗管理中的應用
（6）廣播管理
通過三維展示效果，展示廣播終端及揚聲器空間位置，廣播播放區域及播放狀態等信息。
監測廣播在線、離線、廣播播放狀態、在權限許可情況下，對廣播進行音量調節，節目播放等操作。
（7）考勤管理
通過三維展示效果，顯示考勤終端的空間位置，對考勤信息進行綜合顯示，以報表，折線圖、餅圖、柱形圖等多種圖表方式進行數據統計匯總。
（8）訪客管理
通過三維展示效果，顯示訪客機終端的空間位置，對訪客信息進行多種條件檢索，提供數據導出、打印等功能。對訪客信息進行綜合顯示，以報表，折線圖、餅圖、柱形圖等多種圖表方式進行數據統計匯總
（9）與其它系統聯動
通過配置安防與廣播系統的聯動策略，實現BIM三維場景下的信息聯動、提升安防級別，保證安全可靠。
當發生入侵報警時，BIM三維模型第一時間顯示報警所在位置，并展示報警可能的逃跑路線，平臺可聯動視頻監控系統彈出相關視頻圖像，聯動對應區域廣播進行告警。
當發生安防報警時，系統聯動信息發布進行報警提醒。
3、設備設施管理
設備運維管理模塊是對區域內所有智能設備進行登記、維護和信息查詢的管理模塊。本模板主要內容涵蓋了機械設備平臺、故障管理、機械設備養護、機械設備維修等內容。
設備臺賬包括：設備編號、名稱、類型、安裝位置、管理范圍、責任人等。
故障管理包括：故障信息、統計、報修。
設備維修包括：設備維修工單、備品配件等。
設備保養包括：保養計劃、保養執行等。
設備巡檢包括：巡檢管理、巡檢記錄、問題上報等。
建立設備信息臺賬，對設備信息進行增加、刪除、修改維護，包括設備的類型、設備名稱、安裝位置、管轄區域、責任人、日期時間等信息。
實現設備故障報警，故障問題上報，設備問題查詢、統計等功能。
根據設備故障問題，申請維修，主管審批，生成設備維修工單，維修工單派發、物料審批、維修結果登記等。
運維設備的定期保養,可以建立對預防性保養工作的維護規劃,通過設定維護標準,可以自行根據所設定保養的周期產生維護規劃和相應工單信息,并可以進行工單信息的實時狀況監測與統計分析。計劃生成任務發送到手機APP端進行保養任務的執行。
通過設定巡檢點、巡檢時間等，生成巡檢計劃，由值班人員根據巡檢計劃完成設施設備的運行、安全巡檢等各專業的運行管理工作，生成巡檢記錄，發現問題進行問題上報。
使用手機App對設施設備的二維碼進行了掃描,為系統錄入了巡查時間、工作人員信息、巡查結果信息等,從而形成了巡查報表。發現異常問題,通過手機拍照上傳圖片,描述問題,立即上報主管部門。提供了對歷史巡檢信息的查詢數據、漏檢數據、異常問題統計、巡檢率統計等。
BIM應用主要體現在空間管理、資產管理（設備設施、維修保養）、監控安保、物業運維等方面。通過建立BIM建筑信息化模型，將建筑空間結構、智能化設備、運行數據等信息全方位三維展示，定位準確。
利用基于BIM的物聯集成管理平臺，可進行安防演練，模擬突發事件，應急調度指揮，評估突發事件損失。為物業部門、安保部門、工程部門提供可視化空間、設備信息管理與查詢功能。
四、結論
物聯集成管理平臺ＢＩＭ輕量化技術核心是ＢＩＭ輕量化與物聯集成技術結合，搭建出ＢＩＭ物聯集成管理平臺并輔助完成相關工作，實現多參與方多終端綜合信息的共享與管理。在ＢＩＭ輕量化的平臺中，導入搭建的ＢＩＭ模型，使各參與方隨時查閱相關資料，并查看有關摸型，平臺引入全景制作技術，可使各參與方實現在網頁端和移動端等多系統終端組達到組織一體化管理，提高管理人員的工作能力和對整個項目的監管與管理效率。通常ＢＩＭ技術的運作是一頊規模較大且對綜合性要求較高的復雜應用，針對這一缺陷，采用輕量化技術保留了ＢＩＭ技術的優點，還可使ＢＩＭ技術的運作與應用更加簡化與方便，在一定程度上增強了ＢＩＭ技術應用的可操作性，提高了物聯集成過程精細化水平及工作效率。
參考文獻
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3、陳慶財等 ＢＩＭ模型數據輕量化方法研究［Ｊ］ 建筑技術，２０１９， ５０（４）：４５５－４５７
作者介紹：陳宏博，男，工程師，西安協同數碼股份有限公司，710075，029-88386222，現從事物聯集成及智慧融合技術支持工作。