BIM轻量化技术在物联集成平台开发中的应用
- 发布时间：2023-05-31
BIM轻量化技术在物联集成平台开发中的应用
陈宏博
Application of BIM lightweight technology in the development of IOT integration platform
摘要：近年来,由于云计算、大数据、物联网等新信息技术的不断涌现,并与实际施工过程中建筑信息管理模块(BIM)等技术的运用不断融合,而日益引起了人们的重视。利用基于BIM模式的物联集成管理平台的构建,完成了智能化工程项目的安全监测、报警联动、门禁管控、巡更管控、大数据统计综合展现等管理功能,但由于常规BIM模式占有大量数据资源,对硬件需求过高,严重限制了物联集成管理平台的推广。因此,企业可以通过利用BIM等轻量化信息技术构筑物联综合管控平台,对建筑物内各种智能、安全设施实现全方位高效的监测与管控,进一步丰富建筑物的综合应用功能和提升物业管理的整体效能,实现建筑群内的各种关键设施均处于高效、节能、良好的工作状态,进而给建筑物内人员创造一种安全、舒适、便利、有效的工作环境。
关键词：BIM；物联集成；轻量化
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：BIM；IOTintegration；lightweight
一、引言
随着物联网技术的发展，人们对生活、办公环境在满足基本需求的同时，对舒适感、安全性、便利、节约、环境、卫生、服务、管理等方面也有了较高的需求，因此诞生了“物联集成”的概念。物联集成管理平台是智能建筑与信息技术相结合的产物。
物联综合管理平台则是在传统智能建筑管理的基础上,还可以进一步的与BIM、通信网络、信息系统进行更高一层的建筑物综合管理。
物联集成管理平台的物联网应用已经展现了巨大市场,从智能建筑迈向现代物联网应用架构的脚步也越来越快,而物联集成管理平台的所有子系统技术也都有着和BIM紧密结合的方向在发展。
不过,因为BIM主要是为了详细描述完整的建筑物所产生的,而BIM数据则是为了通过不同方法维持着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数量及其耗费,也因此从中获得的大量三D数据集也为建筑实时管理技术发展提出了挑战。任何类型的实时渲染系统的基本特征都是提供交互式和即时更新,否则就会减少收益,或者根本无法实现应用该高新技术的目的。太低或波动的刷新速率将使对向导或者一些交互任务的需求更高,还可能会造成参加者迷失方向。
所以,为了使之作为高效交互的平台,可视化软件就需要提高相应的渲染特性,并提高了平台与交互者的体验。为使BIM可在物联集成管理平台中使用,首先要对BIM模型轻量化处理,以减轻BIM建模对PC和网贸端设备的压力,目前BIM轻量化已遂逐渐成为物联集成领域新发展的方向。
本文以我公司的协同物联集成管理平台SynchroIoTMS在BIM轻量化的开发和应用进行描述。
二、方法
（一）ＢＩＭ模型的轻量化
在工程实践中,需要根据实际应用建模的具体情况,通过转换为BIM建模的各种数据格式,轻数字化的改造图像,属性数据过滤和复用,建模的渲染表现,多终端互动的大数据分析等应用,从而可以在不子系统中查找建模的重要信息内容,并方便于平台管理者方便快捷地调用建模,进一步发挥了BIM建模的各种数据可辨识、信息内容可联系等特点,将BIM工程技术融合于大物联的综合管理平台系统之中。
1、基于标准数据格式的模型文件转换
BIM轻量化施工技术的基础技术手段是将标准资料数据格式化。三维建模的数据分析来源于施工等建筑行业的许多专业。土木、机械、钢结构、幕墙设计等的专业,BIM技术人员通常会通过Revit,Tekla,芬兰普罗格曼有限公司,Civil3D等各种各样的BIM应用软件建立三维模型以及他们所要求的数据分析,因此我们必须思考多源数据分析整合的问题。
目前,BIM并未可以形成一个完全统一的应用系统,在参加项目人间交流信息时,需要将BIM模式转为现在主要的以IFC数据标准为基础的模式,才可以进行数据交换。协同物联集成的数据管理平台SynchroIoTMS帮助在各种BIM软件之间,实现以IFC数据标准为基础而实现的信息交流,从而实现了两种BIM模型间数据共享以及交流信息的顺畅性。
2、基于语义解析分割的图形轻量化
轻量化的核心数据仍然是由BIM建模。因为组成BIM模块的结构数量特别多,而且每个结构的信息都比较复杂,导致BIM模块的数量丰富。
首先三维建模的数据分析,必须在各种建模软件中得到,在处理这种数据分析的时候,会尽可能提取最基本的形状模型参数,而不是最确切的三角面片形状,这不但能够提高三维建模数据分析的轻量化,同时还能够更好地解释形状数据所表示的意思。由于将这种设计参数化的图像数据显示,在各端可以根据对各种的功能要求翻译成所要求的几何图形来显示。
三角面片优化数据库技术的轻量化最关键的一个技术指标。就是利用BIM设计参数化的几何图形数据显示,在各端可以透过将各个的各种功能要求翻译成所要求的几何学图像来显示。首先根据网格相似性与匹配的准则分析其结构的相似性,并使用一个三角形网格对相同几何结构形状的空间结构加以描述;而后再使用矩阵变换的方式,对其空间加以存储。交换准则如图1所给出。
图1 BIM参数化图形数据转换原则
由于建筑模型数据量大收集了各专业的数据,模型的三角面片数量会超过数千万,而存储器的开支通常在20~30G以上。在常规的绘画流程下平台无法加载整个数据,绘画过程也非常卡顿,所以必须通过各种技术手段加快现场的绘画速度,并精简、限制存储器的开支。在本研究中,主要采用了遮挡剔除、批量绘制、以及多重LOD的办法,来进一步提高优化视觉效率。BIM轻量化技术以及基于映射的存储方案,如图2所给出。
图2 BIM轻量化技术基于映射的存储方式
3基于插件的属性数据筛选与复用
BIM建模轻化技术作为模板建立和使用过程的中间环节,已经确定了BIM建模轻化解决方案需要同时掌握以下二方面的技能:一方面,对引擎进行转换时需要一个模板文件。利用二次开发BIM软件,合理地组织与提炼BIM模块内部的信息,形成一个导出后占据空间较小的文档,并对原BIM文档里面的重要信息加以保存;此外,分析引擎对输出的文档加以分析,将文档内部的重要信息加以还原,实现模块的浏览和展示。
(1)结构属性数据筛选法。对BIM模块结构中所对应的属性数据,用软件系统进行筛选。数据可以在建模软件中提取或者在软件功能中使用自行手动输入,但根据BIM软件中不同的应用目的,会舍弃不相应的冗余数据,而选择了相应的属性数据存取。轻量化必须保证对数据尽可能的精简,每次只提取与当前功能相应的数据。数据可以在同一平台上整个软件中共用,但不同的客户端采取了不同的方法,以确保不会遗漏所需要的数据。
(2)复合性数据分析提取方法。利用同一数据类型实现多个应用目的,是复合性数据分析提炼技术发展在轻数据化中的主要思想。软件功能和实际复用频率范围,确定了复用性数据分析的选取方法。在基本的建模中能够转换得出其它相似的建模,通过这些复用性数据分析获取相关技术,能够节约巨大的数据量,是轻量化的一种主要组成。
4基于云渲染的BIM模型展示
在进行BIM建模展示的流程中,如果想要把某个物件绘制在显示器上,就必须进行一次的图形API绘制调用。为了优化系统性能、负载均衡等,可把所有具有同一状态(例如相同材质)的物件整合在一个绘画调用中,并利用整合物件来降低绘画调用,进而带来系统性能的优势。并结合了动态与静态的批次整合策略,以实现绘制顺畅率的提高。
5基于多端交互的数据应用
协同物联集成管理平台同时支持PC端、移动客户端和网站端的多平台应用,因此各端的功能划分问题是应用层轻量化中需要着重处理的问题。TMS适合于各大市场上主流浏览器的应用,无须配置或者下载一个插件就可以直接在浏览器端对一个复杂的三维BIM建模或者二维图纸进行浏览。而TMS更适合于移动客户端或者PC端的操作平台。
(1)PC端平台应用
协同物联集成信息管理平台,通过WebGL解决方案的网站客户端应用技术,在网站客户端上实现了进行场景漫游、查看建筑物信息,以及尺寸检测等基本功能,便于管理员随时随地查询掌握物联网资讯,同时也大大降低了应用门槛,有效促进平台的广泛使用。鉴于固定端设备突出的特性,能够胜任大规模、高度逼真的模拟显示,大规模信息处理、运算与录入,以及直观的数据处理等功能,设备也能够实现更高层次的功能。
图3 PC端模型操作使用效果展示
（2）移动端平台应用
手机和平板就是这种设备最一般的移动终端,因为它携带很方便,而且能够在现场进行使用。移动端则采用了最小化的数据展示方式来满足用户的需要,在移动设备上能够进行更多平台功能的现场使用。
移动端还需要进行即时的现场数据收集,如照片,录音,记录问题等功能。也可以发出消息,或是记录简单的数据。鉴于移动终端设备特性的限制,模型展示宜分区域处理。可采取按一个楼层、某个专业,或楼层与专业相结合的方法划分模块。
（二）、基于轻量化BIM的物联集成平台应用管理功能
平台提供了集成本项目多种设备系统、监控系统的接口，以BIM统一模型基础，实现数据共享、协同管理服务，提供标准的数据接口，按照一致标准存储，同时将几何数据与结构化的属性数据分离。预留数据接口的可扩展性，适应将来数据标准可能的扩展和变化。在平台中，数据与对应的分析应用程序一起封装成服务，根据不同用户角色进行分发，既共享了数据价值，也保障了数据的安全性。
图4 物联集成管理平台结构图
采用三维数字动态监视和界面设计,可以快速构建现场模式,以三维可视化方法显示真实数据,以文本、像素、形状、报表、动漫、录像、音频等多媒体技术方法显示数据,使用者还可以透过子系统工作方式、设施的位置等方法,实现集成监视、控制系统与管理工作;支持对网络的远程访问、远程管理。
（1）视频监控
通过三维展示效果，监测视频监控摄像机的在线、离线状态、点击摄像头弹出对应的实时画面，并可通过BIM模型对摄像机画面进行放大、缩小，也可对球机进行云台控制操作。
另外，视频监控系统可以与多个子系统进行视频联动，如消防系统，入侵报警系统等。
图5 BIM在视频监控中的应用
（2）防盗报警
通过三维展示效果，监测防盗报警防区的报警状态，并可进行撤防、布防等操作，也可与视频监控系统、门禁系统进行联动。
图6 BIM在防盗报警中的应用
（3）电子巡更
通过三维展示效果，查看巡更点，及巡更路线，并可查看巡更历史记录信息。对巡更信息进行统计汇总。
（4）门禁管理
通过三维展示效果，监测门禁在线、离线、门禁开关状态、在权限许可情况下，对门禁进行远程开启操作。实现对门禁进出记录、门禁非法刷卡、门禁告警等信息的多条件查询。
图7 BIM在门禁管理中的应用
（5）能耗管理
基于ＢＩＭ物联集成管理平台通过数据分析进行能源可视化分析，能够出具报表和图表，使物业管理人避免了重复抄表查表的工作。识别设备运行问题并实时能耗告警,快速给出可落地的方法,以实现节约能源,降低能耗的目的,为建设绿色运营体系奠定了基石。
图8 BIM在能耗管理中的应用
（6）广播管理
通过三维展示效果，展示广播终端及扬声器空间位置，广播播放区域及播放状态等信息。
监测广播在线、离线、广播播放状态、在权限许可情况下，对广播进行音量调节，节目播放等操作。
（7）考勤管理
通过三维展示效果，显示考勤终端的空间位置，对考勤信息进行综合显示，以报表，折线图、饼图、柱形图等多种图表方式进行数据统计汇总。
（8）访客管理
通过三维展示效果，显示访客机终端的空间位置，对访客信息进行多种条件检索，提供数据导出、打印等功能。对访客信息进行综合显示，以报表，折线图、饼图、柱形图等多种图表方式进行数据统计汇总
（9）与其它系统联动
通过配置安防与广播系统的联动策略，实现BIM三维场景下的信息联动、提升安防级别，保证安全可靠。
当发生入侵报警时，BIM三维模型第一时间显示报警所在位置，并展示报警可能的逃跑路线，平台可联动视频监控系统弹出相关视频图像，联动对应区域广播进行告警。
当发生安防报警时，系统联动信息发布进行报警提醒。
3、设备设施管理
设备运维管理模块是对区域内所有智能设备进行登记、维护和信息查询的管理模块。本模板主要内容涵盖了机械设备平台、故障管理、机械设备养护、机械设备维修等内容。
设备台账包括：设备编号、名称、类型、安装位置、管理范围、责任人等。
故障管理包括：故障信息、统计、报修。
设备维修包括：设备维修工单、备品配件等。
设备保养包括：保养计划、保养执行等。
设备巡检包括：巡检管理、巡检记录、问题上报等。
建立设备信息台账，对设备信息进行增加、删除、修改维护，包括设备的类型、设备名称、安装位置、管辖区域、责任人、日期时间等信息。
实现设备故障报警，故障问题上报，设备问题查询、统计等功能。
根据设备故障问题，申请维修，主管审批，生成设备维修工单，维修工单派发、物料审批、维修结果登记等。
运维设备的定期保养,可以建立对预防性保养工作的维护规划,通过设定维护标准,可以自行根据所设定保养的周期产生维护规划和相应工单信息,并可以进行工单信息的实时状况监测与统计分析。计划生成任务发送到手机APP端进行保养任务的执行。
通过设定巡检点、巡检时间等，生成巡检计划，由值班人员根据巡检计划完成设施设备的运行、安全巡检等各专业的运行管理工作，生成巡检记录，发现问题进行问题上报。
使用手机App对设施设备的二维码进行了扫描,为系统录入了巡查时间、工作人员信息、巡查结果信息等,从而形成了巡查报表。发现异常问题,通过手机拍照上传图片,描述问题,立即上报主管部门。提供了对历史巡检信息的查询数据、漏检数据、异常问题统计、巡检率统计等。
BIM应用主要体现在空间管理、资产管理（设备设施、维修保养）、监控安保、物业运维等方面。通过建立BIM建筑信息化模型，将建筑空间结构、智能化设备、运行数据等信息全方位三维展示，定位准确。
利用基于BIM的物联集成管理平台，可进行安防演练，模拟突发事件，应急调度指挥，评估突发事件损失。为物业部门、安保部门、工程部门提供可视化空间、设备信息管理与查询功能。
四、结论
物联集成管理平台ＢＩＭ轻量化技术核心是ＢＩＭ轻量化与物联集成技术结合，搭建出ＢＩＭ物联集成管理平台并辅助完成相关工作，实现多参与方多终端综合信息的共享与管理。在ＢＩＭ轻量化的平台中，导入搭建的ＢＩＭ模型，使各参与方随时查阅相关资料，并查看有关摸型，平台引入全景制作技术，可使各参与方实现在网页端和移动端等多系统终端组达到组织一体化管理，提高管理人员的工作能力和对整个项目的监管与管理效率。通常ＢＩＭ技术的运作是一顼规模较大且对综合性要求较高的复杂应用，针对这一缺陷，采用轻量化技术保留了ＢＩＭ技术的优点，还可使ＢＩＭ技术的运作与应用更加简化与方便，在一定程度上增强了ＢＩＭ技术应用的可操作性，提高了物联集成过程精细化水平及工作效率。
参考文献
1、肖成志、薛鑫磊 ＢIＭ技术应用的研究现状及发展趋势［Ｊ］建筑技术，２０１９，５０（７）：７９８－８００
2、梁宏生等 ＢＩＭ轻量化技术在京杭运河枢纽港扩容提升工程绿色智能运维管理平台开发中的应用［Ｊ］建筑技术，2020，５1（1）：64－68
3、陈庆财等 ＢＩＭ模型数据轻量化方法研究［Ｊ］ 建筑技术，２０１９， ５０（４）：４５５－４５７
作者介绍：陈宏博，男，工程师，西安协同数码股份有限公司，710075，029-88386222，现从事物联集成及智慧融合技术支持工作。