BIM輕量化技術在物聯(lián)集成平臺開發(fā)中的應用
- 發(fā)布時間：2023-05-31
BIM輕量化技術在物聯(lián)集成平臺開發(fā)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(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新信息技術的不斷涌現(xiàn),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(lián)集成管理平臺的構建,完成了智能化工程項目的安全監(jiān)測、報警聯(lián)動、門禁管控、巡更管控、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計綜合展現(xiàn)等管理功能,但由于常規(guī)BIM模式占有大量數(shù)據(jù)資源,對硬件需求過高,嚴重限制了物聯(lián)集成管理平臺的推廣。因此,企業(yè)可以通過利用BIM等輕量化信息技術構筑物聯(lián)綜合管控平臺,對建筑物內(nèi)各種智能、安全設施實現(xiàn)全方位高效的監(jiān)測與管控,進一步豐富建筑物的綜合應用功能和提升物業(yè)管理的整體效能,實現(xiàn)建筑群內(nèi)的各種關鍵設施均處于高效、節(jié)能、良好的工作狀態(tài),進而給建筑物內(nèi)人員創(chuàng)造一種安全、舒適、便利、有效的工作環(huán)境。
關鍵詞：BIM；物聯(lián)集成；輕量化
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：BIM；IOTintegration；lightweight
一、引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，人們對生活、辦公環(huán)境在滿足基本需求的同時，對舒適感、安全性、便利、節(jié)約、環(huán)境、衛(wèi)生、服務、管理等方面也有了較高的需求，因此誕生了“物聯(lián)集成”的概念。物聯(lián)集成管理平臺是智能建筑與信息技術相結合的產(chǎn)物。
物聯(lián)綜合管理平臺則是在傳統(tǒng)智能建筑管理的基礎上,還可以進一步的與BIM、通信網(wǎng)絡、信息系統(tǒng)進行更高一層的建筑物綜合管理。
物聯(lián)集成管理平臺的物聯(lián)網(wǎng)應用已經(jīng)展現(xiàn)了巨大市場,從智能建筑邁向現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)應用架構的腳步也越來越快,而物聯(lián)集成管理平臺的所有子系統(tǒng)技術也都有著和BIM緊密結合的方向在發(fā)展。
不過,因為BIM主要是為了詳細描述完整的建筑物所產(chǎn)生的,而BIM數(shù)據(jù)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(shù)量及其耗費,也因此從中獲得的大量三D數(shù)據(jù)集也為建筑實時管理技術發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。任何類型的實時渲染系統(tǒng)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(xiàn)應用該高新技術的目的。太低或波動的刷新速率將使對向?qū)Щ蛘咭恍┙换ト蝿盏男枨蟾?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(lián)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(wǎng)貿(mào)端設備的壓力,目前BIM輕量化已遂逐漸成為物聯(lián)集成領域新發(fā)展的方向。
本文以我公司的協(xié)同物聯(lián)集成管理平臺SynchroIoTMS在BIM輕量化的開發(fā)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(jù)實際應用建模的具體情況,通過轉(zhuǎn)換為BIM建模的各種數(shù)據(jù)格式,輕數(shù)字化的改造圖像,屬性數(shù)據(jù)過濾和復用,建模的渲染表現(xiàn),多終端互動的大數(shù)據(jù)分析等應用,從而可以在不子系統(tǒng)中查找建模的重要信息內(nèi)容,并方便于平臺管理者方便快捷地調(diào)用建模,進一步發(fā)揮了BIM建模的各種數(shù)據(jù)可辨識、信息內(nèi)容可聯(lián)系等特點,將BIM工程技術融合于大物聯(lián)的綜合管理平臺系統(tǒng)之中。
1、基于標準數(shù)據(jù)格式的模型文件轉(zhuǎn)換
BIM輕量化施工技術的基礎技術手段是將標準資料數(shù)據(jù)格式化。三維建模的數(shù)據(jù)分析來源于施工等建筑行業(yè)的許多專業(yè)。土木、機械、鋼結構、幕墻設計等的專業(yè),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(shù)據(jù)分析,因此我們必須思考多源數(shù)據(jù)分析整合的問題。
目前,BIM并未可以形成一個完全統(tǒng)一的應用系統(tǒng),在參加項目人間交流信息時,需要將BIM模式轉(zhuǎn)為現(xiàn)在主要的以IFC數(shù)據(jù)標準為基礎的模式,才可以進行數(shù)據(jù)交換。協(xié)同物聯(lián)集成的數(shù)據(jù)管理平臺SynchroIoTMS幫助在各種BIM軟件之間,實現(xiàn)以IFC數(shù)據(jù)標準為基礎而實現(xiàn)的信息交流,從而實現(xiàn)了兩種BIM模型間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)仍然是由BIM建模。因為組成BIM模塊的結構數(shù)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(shù)量豐富。
首先三維建模的數(shù)據(jù)分析,必須在各種建模軟件中得到,在處理這種數(shù)據(jù)分析的時候,會盡可能提取最基本的形狀模型參數(shù),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(shù)據(jù)分析的輕量化,同時還能夠更好地解釋形狀數(shù)據(jù)所表示的意思。由于將這種設計參數(shù)化的圖像數(shù)據(jù)顯示,在各端可以根據(jù)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(yōu)化數(shù)據(jù)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(shù)化的幾何圖形數(shù)據(jù)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(jù)網(wǎng)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(wǎng)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(shù)化圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則
由于建筑模型數(shù)據(jù)量大收集了各專業(yè)的數(shù)據(jù),模型的三角面片數(shù)量會超過數(shù)千萬,而存儲器的開支通常在20~30G以上。在常規(guī)的繪畫流程下平臺無法加載整個數(shù)據(jù),繪畫過程也非?？D,所以必須通過各種技術手段加快現(xiàn)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(yōu)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié),已經(jīng)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(zhuǎn)換時需要一個模板文件。利用二次開發(fā)BIM軟件,合理地組織與提煉BIM模塊內(nèi)部的信息,形成一個導出后占據(jù)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(nèi)部的重要信息加以還原,實現(xiàn)模塊的瀏覽和展示。
(1)結構屬性數(shù)據(jù)篩選法。對BIM模塊結構中所對應的屬性數(shù)據(jù),用軟件系統(tǒng)進行篩選。數(shù)據(jù)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(jù)BIM軟件中不同的應用目的,會舍棄不相應的冗余數(shù)據(jù),而選擇了相應的屬性數(shù)據(jù)存取。輕量化必須保證對數(shù)據(jù)盡可能的精簡,每次只提取與當前功能相應的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
(2)復合性數(shù)據(jù)分析提取方法。利用同一數(shù)據(jù)類型實現(xiàn)多個應用目的,是復合性數(shù)據(jù)分析提煉技術發(fā)展在輕數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析的選取方法。在基本的建模中能夠轉(zhuǎn)換得出其它相似的建模,通過這些復用性數(shù)據(jù)分析獲取相關技術,能夠節(jié)約巨大的數(shù)據(jù)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(diào)用。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能、負載均衡等,可把所有具有同一狀態(tài)(例如相同材質(zhì))的物件整合在一個繪畫調(diào)用中,并利用整合物件來降低繪畫調(diào)用,進而帶來系統(tǒng)性能的優(yōu)勢。并結合了動態(tài)與靜態(tài)的批次整合策略,以實現(xiàn)繪制順暢率的提高。
5基于多端交互的數(shù)據(jù)應用
協(xié)同物聯(lián)集成管理平臺同時支持PC端、移動客戶端和網(wǎng)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?；蛘叨S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(xié)同物聯(lián)集成信息管理平臺,通過WebGL解決方案的網(wǎng)站客戶端應用技術,在網(wǎng)站客戶端上實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(guī)模、高度逼真的模擬顯示,大規(guī)模信息處理、運算與錄入,以及直觀的數(shù)據(jù)處理等功能,設備也能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)場進行使用。移動端則采用了最小化的數(shù)據(jù)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(xiàn)場使用。
移動端還需要進行即時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集,如照片,錄音,記錄問題等功能。也可以發(fā)出消息,或是記錄簡單的數(shù)據(jù)。鑒于移動終端設備特性的限制,模型展示宜分區(qū)域處理。可采取按一個樓層、某個專業(yè),或樓層與專業(yè)相結合的方法劃分模塊。
（二）、基于輕量化BIM的物聯(lián)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(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的接口，以BIM統(tǒng)一模型基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同管理服務，提供標準的數(shù)據(jù)接口，按照一致標準存儲，同時將幾何數(shù)據(jù)與結構化的屬性數(shù)據(jù)分離。預留數(shù)據(jù)接口的可擴展性，適應將來數(shù)據(jù)標準可能的擴展和變化。在平臺中，數(shù)據(jù)與對應的分析應用程序一起封裝成服務，根據(jù)不同用戶角色進行分發(fā)，既共享了數(shù)據(jù)價值，也保障了數(shù)據(jù)的安全性。
圖4 物聯(lián)集成管理平臺結構圖
采用三維數(shù)字動態(tài)監(jiān)視和界面設計,可以快速構建現(xiàn)場模式,以三維可視化方法顯示真實數(shù)據(jù),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(shù)據(jù),使用者還可以透過子系統(tǒng)工作方式、設施的位置等方法,實現(xiàn)集成監(jiān)視、控制系統(tǒng)與管理工作;支持對網(wǎng)絡的遠程訪問、遠程管理。
（1）視頻監(jiān)控
通過三維展示效果，監(jiān)測視頻監(jiān)控攝像機的在線、離線狀態(tài)、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(jiān)控系統(tǒng)可以與多個子系統(tǒng)進行視頻聯(lián)動，如消防系統(tǒng)，入侵報警系統(tǒng)等。
圖5 BIM在視頻監(jiān)控中的應用
（2）防盜報警
通過三維展示效果，監(jiān)測防盜報警防區(qū)的報警狀態(tài)，并可進行撤防、布防等操作，也可與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)進行聯(lián)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(tǒng)計匯總。
（4）門禁管理
通過三維展示效果，監(jiān)測門禁在線、離線、門禁開關狀態(tài)、在權限許可情況下，對門禁進行遠程開啟操作。實現(xiàn)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(lián)集成管理平臺通過數(shù)據(jù)分析進行能源可視化分析，能夠出具報表和圖表，使物業(yè)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(xiàn)節(jié)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(qū)域及播放狀態(tài)等信息。
監(jiān)測廣播在線、離線、廣播播放狀態(tài)、在權限許可情況下，對廣播進行音量調(diào)節(jié)，節(jié)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總
（9）與其它系統(tǒng)聯(lián)動
通過配置安防與廣播系統(tǒng)的聯(lián)動策略，實現(xiàn)BIM三維場景下的信息聯(lián)動、提升安防級別，保證安全可靠。
當發(fā)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(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)彈出相關視頻圖像，聯(lián)動對應區(qū)域廣播進行告警。
當發(fā)生安防報警時，系統(tǒng)聯(lián)動信息發(fā)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(qū)域內(nèi)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(nèi)容涵蓋了機械設備平臺、故障管理、機械設備養(yǎng)護、機械設備維修等內(nèi)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(tǒng)計、報修。
設備維修包括：設備維修工單、備品配件等。
設備保養(yǎng)包括：保養(yǎng)計劃、保養(yǎng)執(zhí)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(qū)域、責任人、日期時間等信息。
實現(xiàn)設備故障報警，故障問題上報，設備問題查詢、統(tǒng)計等功能。
根據(jù)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(fā)、物料審批、維修結果登記等。
運維設備的定期保養(yǎng),可以建立對預防性保養(yǎng)工作的維護規(guī)劃,通過設定維護標準,可以自行根據(jù)所設定保養(yǎng)的周期產(chǎn)生維護規(guī)劃和相應工單信息,并可以進行工單信息的實時狀況監(jiān)測與統(tǒng)計分析。計劃生成任務發(fā)送到手機APP端進行保養(yǎng)任務的執(zhí)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(jù)巡檢計劃完成設施設備的運行、安全巡檢等各專業(yè)的運行管理工作，生成巡檢記錄，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)、漏檢數(shù)據(jù)、異常問題統(tǒng)計、巡檢率統(tǒng)計等。
BIM應用主要體現(xiàn)在空間管理、資產(chǎn)管理（設備設施、維修保養(yǎng)）、監(jiān)控安保、物業(yè)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(shù)據(jù)等信息全方位三維展示，定位準確。
利用基于BIM的物聯(lián)集成管理平臺，可進行安防演練，模擬突發(fā)事件，應急調(diào)度指揮，評估突發(fā)事件損失。為物業(yè)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(lián)集成管理平臺ＢＩＭ輕量化技術核心是ＢＩＭ輕量化與物聯(lián)集成技術結合，搭建出ＢＩＭ物聯(lián)集成管理平臺并輔助完成相關工作，實現(xiàn)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(xiàn)在網(wǎng)頁端和移動端等多系統(tǒng)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(jiān)管與管理效率。通常ＢＩＭ技術的運作是一頊規(guī)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(yōu)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(lián)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?shù)?ＢＩＭ模型數(shù)據(jù)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(xié)同數(shù)碼股份有限公司，710075，029-88386222，現(xiàn)從事物聯(lián)集成及智慧融合技術支持工作。