李明玉?黃強

摘要：近年來，我國公路隧道建設里程快速增長，但是隧道運維管理中存在技術(shù)落后、管理人員配置不足、應急反應遲緩等問題。針對管理中存在的問題，將新型攝像技術(shù)引入公路隧道的運維管理，通過制定具體實施規(guī)劃及設計系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)可視化的公路隧道運維管理。并且建立基于BIM的公路隧道運維管理平臺，攝像技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，為公路隧道運維管理提供一種直觀、便捷的管理方式，提高公路隧道的信息化管理水平。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；公路隧道；攝像系統(tǒng)；三維掃描成像；運維管理

一、前言

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，道路建設的重要性變得越來越突出。截至2022年末，全國公路里程達到535.48萬公里。其中，公路養(yǎng)護里程535.03萬公里，占公路里程比例為99.9%。據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，全國建成通車的公路隧道共計10756.7km，同比2013年分別增長12%[1]。近年來，隨著計算機和人工智能的快速發(fā)展，土木工程領域也在逐步進行智能化變革，首先應用較廣泛的就是BIM技術(shù)。據(jù)交通運輸部的發(fā)展目標顯示，到2025年應達到在一定規(guī)模工程建設中全面應用BIM技術(shù)[2]。目前，我國對于技術(shù)的發(fā)展和應用尚處于初步階段。因此，在公路隧道建設的全壽命周期設計中有效利用BIM技術(shù)就更顯得很有必要。

公路隧道有它自身的壽命周期，近年來隨著交通量迅速擴大，公路隧道在后期的運營和維護過程中也會產(chǎn)生較多病害問題，比如：第一，隧道土建結(jié)構(gòu)病害較多。隨著運營周期的增長，受自然氣候和地質(zhì)災害的影響，公路隧道洞口邊坡失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)滲水、襯砌裂縫、混凝土材質(zhì)劣化、排水系統(tǒng)堵塞等病害日趨增多。第二，運維過程中公路隧道預防性養(yǎng)護開展不足。由于人員配備和資金保障等客觀因素的影響，日常的修理與維護深入程度不夠，容易忽視小病害問題，持續(xù)發(fā)展以至于后期出現(xiàn)嚴重的病害。第三，采用人工和信息化技術(shù)手段對病害問題進行監(jiān)控和預警，但現(xiàn)階段存在主要信息化程度不高、處理信息能力有限和管理技術(shù)落后等問題。第四，隧道交通事故、火災等安全形勢嚴峻。隧道具有狹長、空間密閉等獨特的結(jié)構(gòu)形式，其一旦發(fā)生事故或者火災，將會造成極其嚴重的后果。第五，隧道專業(yè)養(yǎng)護管理人員數(shù)量和專業(yè)技術(shù)能力亟待加強。一方面，公路隧道養(yǎng)護人員配備較少；另一方面，隨著信息化程度提高，對現(xiàn)有管理人員也沒有系統(tǒng)和科學的日常培訓制度[3-5]。

在以往的研究中，曹華[6]通過多種監(jiān)測技術(shù)手段，對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行分析，實現(xiàn)隧道實時監(jiān)控監(jiān)測、電纜火警預告和異常報警功能。龔佳琦等[7]通過構(gòu)建 BIM 數(shù)據(jù)庫與日常監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合實現(xiàn)了可視化的病害決策分析。常瑩等[8]提出信息化管理理念，將工程各階段的信息儲存在BIM云平臺，使工程管理更便捷，數(shù)據(jù)管理更透明化。李俊松等[9]提出利用BIM模型集成隧道信息并模擬火災險情發(fā)生時的人員疏散路徑和通風組織。施永泉等[10]針對日益突出的隧道運營養(yǎng)護問題，提出基于BIM技術(shù)建立隧道運維管理平臺，解決隧道結(jié)構(gòu)復雜、設備眾多和巡檢問題追溯困難等問題。段友祥等[11]基于Web服務研究和實現(xiàn)鉆井工程數(shù)據(jù)的組織、存儲和可視化，隨鉆測井數(shù)據(jù)的可視化和解釋，鉆遇地下地質(zhì)對象的可視化和分析等。深入研究了隨鉆過程的工程過程及關(guān)鍵技術(shù)，得到了隨鉆鉆井及測井過程中各種數(shù)據(jù)的獲取、表示方法，基于Web服務設計和實現(xiàn)了多源隨鉆信息的可視化。解曉明[12]針對工程全壽命周期的運維管理進行了研究，從進度、質(zhì)量、成本管理方面分析了BIM技術(shù)的優(yōu)點，解決了運維過程中出現(xiàn)的問題，提高了項目的可控性和管理的效率。

總結(jié)上述問題得出，現(xiàn)階段開發(fā)公路隧道信息化運維管理顯得很有必要。它不僅能提高監(jiān)測效率，而且能夠節(jié)省人力和大大增加病害監(jiān)測的準確性。本文針對運維階段公路隧道出現(xiàn)的病害問題，以BIM技術(shù)和現(xiàn)場預埋傳感器等技術(shù)手段，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的公路隧道運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于解決目前管理中存在的技術(shù)落后、效率低的問題。

二、BIM技術(shù)在公路隧道運維階段的應用

現(xiàn)階段我國在公路隧道信息化運維管理中仍存在很多不足，主要存在以下幾個方面原因：第一，老舊的公路隧道設計施工缺乏相應的數(shù)據(jù)資料、新建的信息化程度還比較有限，構(gòu)建完整的信息化數(shù)據(jù)鏈比較困難；第二，有關(guān)公路隧道信息化運維管理方法的行業(yè)標準還不夠完善；第三，缺少公路隧道運維安全預警的信息化標準，使得在運行過程中難以判定安全和事故病害原因，進而很難制定有效應對病害的管理方案。

建筑信息模型（BIM）在統(tǒng)一的工業(yè)標準下，通過計算機構(gòu)建實體物理模型，并在實體模型中存入、提取相關(guān)信息，實現(xiàn)在模型中信息的儲存、提取與查看[13]。

BIM技術(shù)在公路隧道運維管理中的應用優(yōu)勢：第一，在公路隧道建設初期，將設計圖紙導入BIM模型中，共享工程設計、施工等信息；第二，利用設計數(shù)據(jù)建立BIM虛擬仿真模型，實現(xiàn)可視化的管理方目的；第三，將公路隧道建設過程中各專業(yè)的過程信息整合到BIM信息平臺上，信息共享，解決各專業(yè)之間溝通不暢的問題；第四，BIM技術(shù)將公路隧道全壽命周期的信息和數(shù)據(jù)進行儲存，便于后期查閱工程信息，從而解決信息斷流的問題。

三、新型攝像系統(tǒng)的暢想

BIM建立的建筑模型在隧道運維中為其他設施提供了一個平臺，BIM具有的可視化能力不僅能進行隧道設備、空間、資產(chǎn)等管理，還可以進行可視化病害分析，從而改善現(xiàn)階段的運維管理工作[14]。根據(jù)工程對運營維護階段的相關(guān)要求，依據(jù)建立的BIM技術(shù)運維管理平臺，實施以BIM技術(shù)為背景的三維管理。針對該系統(tǒng)的設備運行維護管理、模擬實景培訓、應急管理等，將GIS、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和文中建立的BIM技術(shù)進行高度的集成化，從而保障工程項目的管理實行人工智能化和信息自動化[15]。利用BIM強大的功能，本文通過移植當前其他領域的先進技術(shù)提出一種功能強大的攝像系統(tǒng)，可用于隧道日常監(jiān)控、維護和預警。

（一）基于聲音和影像的隧道監(jiān)控分析系統(tǒng)

當前社會，信息化程度飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，而新的技術(shù)往往有著廣泛的應用面。本節(jié)將人工智能領域的影像識別系統(tǒng)和聲音識別系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種新型隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

現(xiàn)代的影像系統(tǒng)已經(jīng)十分發(fā)達，手機行業(yè)、汽車行業(yè)都有廣泛應用。手機行業(yè)中的面部識別系統(tǒng)可以識別人臉，并美顏，甚至可以識別年齡。汽車行業(yè)中，像特斯拉依靠圖像語義分割（semantic image segmentation）技術(shù)實現(xiàn)了自動駕駛，如圖1所示。圖像語義分割技術(shù)可以將畫面信息分為多塊，車輛通過分析有用畫面分析路況，對無用畫面即刻屏蔽，減少信息的處理量同時增加分析結(jié)果的準確性。圖像信息在別的領域已經(jīng)被充分分析，同樣隧道中可以移植這種技術(shù)，對過往車輛狀態(tài)進行分析；另一方面，語音識別技術(shù)在當代也達到了一個新的高度。微軟公司有語音識別系統(tǒng)微軟小娜，蘋果公司有siri，搜狗、百度都有自家語音識別系統(tǒng)。對聲音在軟件層面上分析，現(xiàn)在的聲音識別精確度已經(jīng)非常高。這種技術(shù)也可以用于分析隧道中的異常聲響，如車禍事故。

攝像技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用于隧道的監(jiān)控，但是普通監(jiān)控攝像系統(tǒng)只能提供畫面參考或只能簡單對車輛異常情況提供預警。在隧道設置高精度攝像機，同時布置聲音傳感器，兩種信息同時傳輸?shù)紹IM平臺，在BIM平臺中移植影像信息處理技術(shù)和聲音識別技術(shù)，對數(shù)據(jù)在后臺進行統(tǒng)一智能化分析，聲音與影像兩種信息交叉對比，相比只分析視頻影像，能夠提高識別準確度，如圖2所示。

通過上述兩種技術(shù)的結(jié)合，BIM平臺可以對隧道中出現(xiàn)的車禍、火災事故及時響應，其原理示意圖如圖3所示。

（二）基于影像系統(tǒng)的隧道變形分析系統(tǒng)

自隧道施工完成通車后，其內(nèi)部變形一直是關(guān)注和研究的熱點。由于隧道變形比較緩慢、周期長，傳統(tǒng)的貼應變片的方法費時費力，還有很多設置傳感器的方法，但這些方法需要單獨施工完成，并且造價較高，需要專業(yè)技術(shù)人員完成。眾所周知，公路和隧道在運營中，為實時監(jiān)控和調(diào)配道路安全運營，在此運行路線中會布置較多的監(jiān)控攝像機?；诖?，作者提出利用相關(guān)的攝像機，再結(jié)合當下時興的三維掃描成像技術(shù)對隧道進行變形監(jiān)測，不需要單獨使用專業(yè)的監(jiān)測設備。該監(jiān)測設備主要是三維掃描成像儀，如圖4所示。三維光學掃描儀按照其原理分為兩類，一種是“照相式”，一種是“激光式”，這兩種設備均不需要與被測物體接觸。通過兩臺或多臺高速相機，即可獲取三維數(shù)據(jù)，其照相式三維掃描儀的精度可達0.03mm。

在隧道的墻壁上布置三維掃描儀標記點，同時結(jié)合攝像技術(shù)，在隧道的監(jiān)控攝像機旁布置高速相機，攝像機通過同步截圖與高速相機共同組成拍照式三維掃描儀。在本系統(tǒng)中，攝像機既作為監(jiān)控用的攝像機又作為拍照式三維掃描儀的相機使用，實現(xiàn)一機兩用，節(jié)省經(jīng)費。將三維掃描成像技術(shù)應用到BIM中，得到三維模型，在不同的時間對三維模型進行對比，可以得到隧道的變形情況，對隧道的變形情況進行實時分析，掃描系統(tǒng)如圖5所示。

對隧道不同時段掃描對比，通過軟件進行變形分析，利用分析云圖能清楚顯示不同區(qū)域的變形狀況。將實時的變形數(shù)據(jù)與隧道標準BIM三維模型進行比對，可將某一隧道的變化趨勢進行統(tǒng)計分析，得出整個隧道的破壞程度。隨著科技的進步，如果三維掃描技術(shù)達到足夠的精度還可以對隧道中混凝土的收縮、徐變情況進行記錄，及時反饋到混凝土攪拌站，以促進材料技術(shù)的進步。

四、難點

本系統(tǒng)基于BIM技術(shù)對隧道的監(jiān)測系統(tǒng)提出建議，但由于當前技術(shù)所限，以下幾點的研發(fā)可能會受到限制：第一，用于隧道高清晰度的攝像機。由于攝像機同時應用于隧道三維掃描技術(shù)，要求攝像機有極高的分辨率。第二，影像—聲音分析系統(tǒng)及三維掃描系統(tǒng)與BIM接口的兼容性問題。BIM廣泛應用于建筑的信息化模型，而影像、聲音和三維掃描系統(tǒng)多用于工業(yè)和IT行業(yè)。

五、結(jié)語

本文依據(jù)當前已有技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)，對隧道的運維系統(tǒng)提出幾種可行方案。利用當前聲音、影像識別技術(shù)對隧道內(nèi)交通、災害狀況時時分析、動態(tài)決策和及時預警；通過三維掃描技術(shù)對隧道變形情況進行動態(tài)測量。相比傳統(tǒng)方案，本方法反應更加靈敏，準確度更高，省時省力且能夠做到全天候動態(tài)測量。

參考文獻

[1]丁浩.公路隧道養(yǎng)護標準化探討[J].中國公路，2016（05）：106-109.

[2]高宏剛，路紀雄，宋尚霖.BIM技術(shù)在公路隧道全壽命周期設計中的應用[J].中國建材科技，2019，28（04）：172-173+152.

[3]戴學臻.公路隧道運營安全評價及管理系統(tǒng)開發(fā)研究[D].西安：長安大學，2010.

[4]許致平.高速公路隧道運營安全管理探討[J].交通建設與管理，2014（22）：224-226.

[5]羅鵑.秦嶺終南山公路隧道安全運營管理對策研究[D].西安：長安大學，2012.

[6]曹華.電力電纜隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用[D].保定：華北電力大學，2013.

[7]龔佳琦，胡珉，喻鋼，等.BIM可視化輔助下的隧道病害決策分析[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2015，7（06）：31-36.

[8]?，?，瞿文婷.隧道工程全生命周期BIM云平臺建設方案[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（06）：65-69.

[9]李俊松，董鳳翔，張毅，等.基于達索平臺的鐵路隧道工程全生命周期BIM技術(shù)應用探討[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014（02）.

[10]施永泉，胡珉，吳惠明，等.基于BIM的上海大連路隧道運維管理[J].中國市政工程，2016，（06）：62-64+68+98-99.

[11]段友祥.基于Web服務的隨鉆信息可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學（華東），2019.

[12]解曉明.BIM技術(shù)在山區(qū)公路工程項目全壽命周期管理中的應用[J].公路工程，2018，43（04）：296-300.

[13]Li Y F， Wang H C， Zhao X F， et al. Research on BIM Technology Application in the Construction of a Subway Station[J].Applied Mechanics & Materials， 2013， 405-408（8）：3396-3400.

[14]李明博，蔣雅君，劉小俊，等.BIM技術(shù)在運營隧道病害檢測結(jié)果三維可視化中的應用[J].中外公路，2017，37（01）：297-301.

[15]李強.基于BIM技術(shù)全壽命周期成本控制研究[D].武漢：武漢工程大學，2016.

基金項目：1.洛陽理工學院2021年度教育教學改革研究項目“BIM技術(shù)在裝配式建筑施工中的應用與技能人才培養(yǎng)策略”（項目編號：2021JYZK-007）；2.服務創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略的高校雙創(chuàng)教育模式研究與實踐（項目編號：2021SJGLX568）

作者單位：洛陽理工學院土木工程學院

責任編輯：尚丹