基于BIM＋GIS的城市桥梁群运管平台架构及功能设计

金昌根

（中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210061）

当前，城市桥梁群运维主要依靠基于传统互联网的平面化管理模式。随着互联网应用、BIM技术、GIS技术的普及，以及大数据、虚拟化技术、物联网、云计算技术的日渐成熟，结合城市桥梁群结构复杂、数量众多、地理空间较为分散等特点，传统城市桥梁群运维管理必定会向可视化程度更高的BIM＋GIS运维管理方向进行升级［1］。BIM技术的优势在于通过BIM模型，将运营养护管理中的各项数据有机联系起来，从二维信息管理转变为三维可视化的信息管理，大大增强结构状态的表现力和各阶段信息的提取能力，为桥梁群运维提供便捷化、个性化的数据服务［2-3］。GIS技术利用在线地图服务提供遥感影像、行政区划等多级瓦片地图，为城市桥梁群的安全运维提供了清晰的空间定位。BIM＋GIS运维管理平台需要负载庞大的桥梁BIM模型和复杂的地图瓦片，单体应用架构难以满足BIM＋GIS数据快速加载与响应的需求，并且会带来复杂性高、可靠性低、扩展能力受限等诸多问题。近年来，微服务架构以其独立部署、耦合度低、业务扩展能力强、可靠性高等优点成为火热的开发架构之一，使用该架构能够高效流畅地加载体量巨大的桥梁群BIM模型、GIS空间数据以及海量巡检养护动态数据，并提供良好的用户体验。本文旨在通过以城市桥梁群运维管理为实际业务场景，利用BIM＋GIS技术，完成城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台微服务架构的设计与构建。

1.1 BIM＋GIS分析

城市桥梁群在运营使用期间，桥梁结构及附属设施设备会出现病害，需要维护、更换、加固等。通过BIM技术可以记录和展示桥梁长期运营过程中桥梁结构及设备设施的状态变化，形成桥梁设备设施履历信息库［4］；
管理者可利用该库掌握桥梁设备设施的运营状态，按需制定各类检查、养护计划，从而确保桥梁性能符合标准规范。而GIS技术能够对城市桥梁群进行空间管理和追踪，利用GIS定位、导航等功能，使得运维管理团队能够迅速到达桥梁群出现异常的具体位置，对异常问题进行快速研判与处理。使用BIM＋GIS技术，能够让城市桥梁群运维由原先的平面二维管理转变成更加高效直观的三维可视化管理，提升了运维管理的质量和效率。为了解决BIM＋GIS集成的技术难题，实现BIM＋GIS应用场景的无缝对接，平台采用了SuperMap GIS引擎，该引擎在GIS平台、BIM模型高效分级加载等关键技术［5］上取得了重大突破，利用在GIS中构建三维数据模型，实现了BIM＋GIS的融合应用。

1.2 微服务架构分析

微服务架构将单体应用程序拆分为若干组小型服务，每组小型服务都在其内部容器中运行，服务之间使用基于RestFul Http的协议进行通信［6］。这些服务围绕着不同的业务功能进行构建，遵循功能单一的原则，可以通过自动化部署机制进行分布式部署。微服务架构应用在城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台中具有如下优势：(1）微服务是一个独立的应用程序，能够独立部署和运行；
(2）微服务运行在高可用的分布式环境当中，系统的稳定性、可靠性将大大提升；
(3）每个微服务专注于一个相对独立的业务功能，可扩展性优秀；
(4）不同开发团队可根据自身技术特点选择更适配的技术路线，技术升级重构难度降低，易开发性良好。

城市桥梁的建、管、养等信息系统经过多年的发展，功能模块众多；
随着管理和用户认知的升级，新的应用需求还将不断被提出。融合各类信息系统的城市桥梁群运维管理平台，功能需求更为复杂，需要不断的迭代设计和开发，基于微服务架构的开发无疑是最适合的开发模式。

1.3 技术路线

本文研发的城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台是一个Java EE分布式微服架构平台，后端采用Spring Boot，持久层组件使用的是MyBatis，数据库使用轻量级关系数据库MySQL和缓存库Redis，前端采用基于Vue的Element UI框架。BIM＋GIS融合方面采用SuperMap GIS引擎。平台微服架构方面选择开源性更好、开发者生态更优的Spring Cloud＆Alibaba框架。

2.1 总体架构设计

规划好产品服务是微服务架构系统开发成败的关键，在规划产品服务时应以单一职责、服务粒度适中、避免环形或双向依赖为原则。根据自上而下的原则，城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台分为基础数据层、网络接入层、业务支撑层、业务应用层、服务展示层、服务对象层，分层设计使平台可以完美的支撑各类综合业务，同时也更易进行扩展。平台总体架构如图1所示。

图1 总体架构

(1）基础数据层。该层为整个平台的运行提供各类数据，包括桥梁监测数据、管养业务数据、BIM模型数据、GIS矢量数据等。

(2）网络接入层。该层是运维平台的基础，为各系统间提供通信链路以及数据传输通道。

(3）业务支撑层。该层包括设备支撑、数据支撑和服务支撑三部分。设施支撑为平台安全稳定可靠的运行提供硬件基础；
数据支撑为业务应用层提供数据服务；
服务支撑完成了数据的汇聚以及各类中间件的接入。

(4）业务应用层。该层在业务支撑层提供的计算、存储、数据等能力基础上，通过自研微服务架构技术将各类数据根据城市桥梁群运维管理需求进行重新梳理整合，主要包括城市桥梁群基础业务管理、城市桥梁群巡检管理、城市桥梁群养护管理、城市桥梁群三维可视化管理等。

(5）服务展示层。该层是各类应用对外的服务载体，主要包括后台管理、综合可视化大屏、移动App等。

(6）用户层。该层是指所面向的对象，主要包括管养单位管理人员、基层巡查人员、上级领导和其他访客等。

2.2 逻辑架构设计

平台的设计与开发模式为前后端分离，前端采用基于JavaScript的VUE框架，使用组件化开发模式，封装常用组件，实现架构级别的复用，并将重点放在流畅的页面、快速的交互响应、良好的用户体验等目标上；
后端则采用了基于Spring Boot的微服务框架［7］(见图2）。平台通过对整体业务需求的分析与提炼，最大程度实现服务原子化，构建逻辑层面的微服务体系。

图2 逻辑架构

(1）API服务网关：API网关是系统的后端统一入口，能够提供规范化、标准化的API接口。API网关位于具体业务服务与负载均衡之间，负责将客户端服务调用者的请求，精确的转发到对应的服务实例。API服务网关与核心业务逻辑无关，能够实现日志监控、限流熔断等切面功能。(2）认证中心：其主要功能就是判别用户请求的合法性。系统采用token的方式，用户成功认证后，所有请求都携带token进行安全认证，用于控制可访问的系统资源。(3）注册与配置中心：其在微服务架构中扮演着非常重要的角色，是微服务架构中的纽带，类似于通讯录，记录了服务和服务地址的映射关系。系统采用阿里巴巴开源的Nacos作为注册与配置中心，构建了一个服务实例发现和服务健康监控、配置动态管理的平台，保证微服务基础设施的流畅运行。(4）应用容器部署：微服务架构下，当众多的应用服务实例需要更新升级或者迁移时，其发布及部署的过程异常繁杂。使用容器化部署能够完美地解决上述问题［8］。通过应用容器部署，可以实现版本控制、组件复用等功能，真正做到一次构建，多次交付。(5）分布式日志：针对日志分析的场景，实时记录应用服务实例的调用情况，如用户登录、用户删除等操作记录，实现可追溯的系统审计功能。(6）熔断和降级：微服务架构中，多个微服务构成一个完整的应用，各微服务之间必然存在互相调用，因此微服务运行的稳定性尤为重要。系统采用阿里开源的Sentinel组件，该组件在分布式服务体系结构中承担着流量控制的角色，使用流量限制、断路控制、自动降级等手段来保证微服务的稳定运行。

城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台基于微服架构，实现了城市桥梁群运维三维可视化立体管理，具体功能模块如图3所示。

图3 城市桥梁群BIM＋GIS运维管理平台功能模块

下面针对平台中的部分核心功能模块说明如下：

3.1 资产管理

平台根据桥梁群管养过程中关联的资产类型，将资产分为桥梁结构资产、桥梁附属设备资产等。资产信息主要包括资产编号、资产名称、资产类型以及资产状态等。平台通过建立资产模型，实现资产管养清单与资产模型的关联，管养者可通过模型或动态表格查询资产状况。

3.2 结构响应模拟

平台基于BIM模型，利用桥梁群健康监测数据，将桥梁群结构响应以3D方式进行呈现；
如通过结构温度监测数据生成温度场数据，在BIM模型中虚拟桥梁温度场；
通过应变监测数据生成应力云数据，在BIM模型中虚拟桥梁应力分布；
通过挠度以及GNSS监测数据，在BIM模型中虚拟桥梁形变。

3.3 模型病害联动

平台将桥梁群巡检病害与构件、BIM模型关联，实现了在BIM模型上查看桥梁存在的病害，包括病害类型、病害位置、病害照片、病害程度、病害发展。病害在BIM模型上显示，可以让管养者直观了解各类病害的位置分布，便于制定更合理的保养和维修计划。

3.4 应急演练

平台通过建立应急物资模型库，如各类车辆、人员、路锥、水码、标识标牌、工程车辆、着火点等模型，让用户可以在BIM模型上拖拽布置对象；
同时，平台提供路线规划、线路标识、运动动画设置等功能，可以仿真车辆、人员运动轨迹；
在紧急事件发生时，管理人员可根据BIM中的虚拟处理方案，快速调配资源、指挥现场应急处理。

3.5 轨迹管理

平台通过对移动终端的GNSS定位信息(人员、车辆位置）进行收集，并在BIM模型中模拟人员和车辆位置，生成运动轨迹，为应急事件处理时就近调度人员和车辆提供方便。

3.6 交通模拟

平台能够利用称重系统、交通监控系统采集的桥上车辆通行数据，并在BIM模型上模拟车辆运行轨迹，直观反映桥梁通行状态。

3.7 移动App

移动App为管养人员提供了一个使用方便、及时可靠、功能强大的管养利器。移动App提供的任务下载功能，可让管养人员随时随地接收最新巡检养护任务，保证巡检养护的及时性；
移动App提供的问题上报功能，可在管养人员上报病害的同时，上传病害和人员的定位信息，结合GIS地图，实时展现病害情况。

本文研究分析利用微服务架构构建城市桥梁群运维管理平台，并利用BIM＋GIS的融合，提供了一种新型的信息化管养理念。平台通过BIM模型为载体，引入GIS提供桥梁空间数据，实现了桥梁群运维管理场景的三维可视化，能够满足不同管养层级人员的管理需求。微服务架构的引入则提高了平台的响应速度、承载能力、可靠性、可扩展性、用户体验度。该平台已在某市政设施管养单位进行了应用，有效地提升了该单位桥梁群管养的工作效率；
平台统筹规划并预留了桥梁之外的其他市政设施的接口，后续能够接入道路、泵站等市政设施的管养数据，实现市政设施“一张图”的管理模式，为市政设施的安全运行提供高质量保障。

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