信息技术在工程建设领域中应用的发展趋势-信息孤岛与信息集成

在国外,工程项目的建设是信息技术较早涉足的领域之一。早在上世纪60年代,结构工程师就开始利用有限元分析软件进行结构计算。随着上世纪80年代以来个人计算机(PC)的迅速普及和各种软硬件的飞速发展,信息技术在工程建设领域应用的广度与深度比以前有了质的飞跃。时至今日,计算机广泛地用于CAD设计、概预算、投资控制以及办公自动化等等,诸如专家系统(ExpertSyｓtem)、虚拟现实(VirtualReality)、Internet等先进技术在工程建设领域中也逐步得到了应用。

1信息孤岛现象

图1由德国学者Hannuｓ所绘制,在国外一些相关文献中被广为引用,用以表示信息技术在工程建设领域的应用历史和发展趋势。从该图我们可以知道,信息技术在建筑业中的应用主要集中在三个领域:建筑设计、工程设计和施工。在建筑设计领域,上世纪80年代有了2D制图软件(2DCAD),上世纪90年代则出现了3D可视化制图软件(3DCAD);在工程设计领域,上世纪60年代就产生了结构分析软件,上世纪70年代有了有限元的方法(FEM)、参数化工程设计(ParametricDeｓign)以及预制件建模技术,到了上世纪80年代则出现了各种专业CAD软件;在施工领域,早在上世纪60年代计算机就开始用于统计计算与数据管理,上世纪80年代则有了许多工程量计算软件和施工计划编制软件,进入上世纪90年代以后出现了生产自动化系统。除此之外,信息技术在物业管理(FM)以及产品数据库等一些领域也逐步得到了应用。但必须加以指出,所有这些计算机软件的开发仅仅面向于工程建设中特定领域中的特定问题,人们根本没有从整个建筑业的角度考虑跨专业的信息传递与共享的需求。因而这些计算机软件通常是片面的、孤立的,彼此之间很难进行有效的信息沟通和信息集成。正因为如此,上图各个“岛屿”之间基本上呈分离割裂状态,这就是所谓的“自动化孤岛”(IｓlandｓofAutomation)或“信息孤岛”(IslandｓofInformation)。

目前,“信息孤岛”现象已经严重制约了信息技术在工程建设领域中的充分应用和进一步发展,越来越多的专家开始关注不同应用领域的信息交换与系统集成问题。同样在图1我们可以看出,各种各样不同的技术或标准正在试图局部或者是根本性地解决该问题,比如“国际互操作性联盟”(In ternationalAllianceforInteroperation-IAI)所开发的“产业基础分类”(IFC)数据模型、Internet技术、电子数据交换(EDI)、产品数据管理(PDM)以及CAD数据交换格式(DXF)等等,另外虚拟现实建模语言(VRML)也开始进入并试图解决一些相关的问题。我们还可以注意到,该图右上方的“北极星”代表了信息技术在未来工程建设领域应用的发展方向,比如多媒体技术、产品数据管理系统(PDMS)、公共对象请求代理体系结构(CORBA)、核心模型(CoreModel)、产业基础分类(IFC)、ISO的产品数据交换标准(STEP)、CAD数据交换格式(DXF)以及虚拟现实技术(VR)等等。

2 总体项目系统

加拿大UniverｓityofBritiｓhColumbia的T.Froeｓe博士对以上的“信息孤岛”现象作了深入的研究,并提出了各种各样信息技术、标准规范的相互关系与发展趋势的完整框架,其所提出的“总体项目系统”(TotalProjectSystem)可以从根本上解决各种信息交换与系统集成问题,从而彻底消除所谓的“信息孤岛”现象。具体如图2所示。

2.1 3DCAD

目前,建筑工程设计领域主要采用2DCAD。但3DCAD作为一种相当完善的技术,开始成为主流趋势。3DCAD的一个十分出色的功能就是可以应用基于计算机的建筑模型(BuildingModel)进行工程项目的设计和信息交换。这就使得传统的CAD模型能够包含并处理更多的语义信息(SemanticInformation)和非空间信息,因而CAD实体不再仅仅是一般性的空间形状,而是一个相当明确的建筑构件。3DCAD的发展推动了对建筑产品模型的研究,建筑产品模型与建筑业的数据模型标准(例如IFC)现已成为国际上的研究热点,但还存在着许多尚未解决的技术难题。

2.2 工业工程

近年来一些工业工程的先进思想纷纷被引入建筑业,比如过程重组、全面质量管理以及精益建设等等,这些新思想无一例外都注重于对建设过程的改进。另外,诸如投资估算、进度计划等工程管理软件也必须涉及到工程项目的建设过程。于是,对建设过程的高度重视推动了过程建模技术的发展。所谓的过程建模,是指一系列表达和运用建筑生产过程信息的技术。产品建模技术、过程建模技术再与工业工程的新思想结合,导致了过程设计工具的出现。目前的进度计划软件只不过是对现有建设过程的简单规划。但过程设计工具还涉及了对于集成的产品与过程模型非常重要的建设项目的各种信息。例如4DCAD(空间三维+时间维)作为一种新的过程设计和分析工具,可以使用户对大量的建设项目信息进行发掘并且建立关联,从而能够设计出更有效的建设进度计划。【2】

2.3 Internet技术

上世纪90年代所兴起的Internet深刻地影响着传统的信息技术,尤其是对信息技术的理解和看法。相应地,信息共享与交换的方式也与以前有了明显的不同。目前,Internet在建筑业中的主流应用仅仅是利用电子邮件进行人际沟通以及利用WWW实现文档共享。但随着Internet的分布式对象体系结构(如CORBA)和通用数据交换标准(如XML)的完善,以及与数据模型标准的结合,将进一步促进整个建筑业的数据交换技术的发展。而所有这些技术都将使得建设工程领域各种软件能够实现更高层次的集成。

2.4 总体项目系统

以上这些技术的不断发展与相互融合,最终将导致高度集成的总体项目系统。所谓的总体项目系统,应该具备三个特性:①全面性:可以为不同专业领域的工程管理活动提供相应的应用程序;②集成性:所有的应用程序共享各种项目信息;③灵活性:各种应用程序在一个高度模块化、开放、灵活、分布式的环境中运行。

3 信息的集成

在图2中,有一条虚线将整个图分为上下两部分。对于上半部分我们可以理解为基于信息模型的集成,而下半部分则可以认为是基于Internet的集成。前者试图将ISO的产品数据交换标准(STEP)或“国际互操作性联盟”(IAI)的产业基础分类(IFC)以及其它组织所提出的信息模型标准作为整个建筑业的统一规范,为工程建设不同领域的软件系统开发提供一个基本框架,从而实现不同软件系统之间信息的高度集成。图3就是一个基于信息模型的集成化的信息系统。这种集成思路试图一劳永逸地解决问题,但该方法涉及到整个建筑业的根本,需要国家乃至国际合作力量去完成,非个人或企业行为所能解决。本文所引用的图1(1998年的最新版本)非常强调各种信息模型的发展,认为随着2010年左右统一的建筑产品模型的应用(图中的海岸线)就能够最终连接各个“信息孤岛”。但值得回味的是,该图的1987～1996年版本(http://www.civil.ubc.ca/～tfroeｓe/pubｓ/fro94a＿ｓtandardｓ/in fo＿iｓlandｓ.gif)相当乐观地估计在2000年就能基本实现这一目标,由此可见基于信息模型的集成是何等艰难。

在这种情况下,另外一种信息集成思路———基于Inter net的集成目前受到越来越多学者的注意。这种集成方法把传统的应用软件移植到Internet,从而摆脱硬件平台、操作时间与操作地点的限制,任何人都可以在任何地方、任何时间、采用任何操作系统在自己的权限范围内访问项目数据库。例如美国Meｓa公司出品的Meｓa/Viｓta项目管理系统就是把现有的项目管理软件移植到Internet,实现信息共享的目的。基于Internet的集成是建立在分布式对象体系结构(如CORBA或DCOM)以及通用数据交换标准(如XML)的基础上。采用分布式对象体系结构,软件开发人员就可以创建一些“对象”,即一些功能与数据单元,任何符合同一接口标准的软件构件均可方便地访问这些分布式对象,从而大大提高了对象的互操作性和可复用性。XML(可扩展标记语言)与HTML一样,都是SGML的子集,但XML不仅仅只是网页标识语言,而是一种能够实现不同程序之间信息交换的标准,不管是结构化的数据还是非结构化的文档都能通过XML轻而易举地实现信息交换。

4 结语

迅猛发展的信息技术在建筑业中同样引起了一场深刻的变革。目前,工程建设的各个专业领域都已广泛应用了各种不同的计算机软件,但这些不同的软件系统主要针对其特定领域中不同的特定问题,彼此之间很难进行有效的信息沟通和共享。本文所引进的“总体项目系统”的概念能有效解决从整个建筑业的角度跨专业领域集成各个软件系统的问题。其中,基于Internet的信息集成由于其相对的简单性和有效性必将是今后的一个发展方向。

[参考文献]

[1] MattiHannuｓ.EvolutionofITinConｓtructionoverthelaｓtdecadeｓ[DB/OL].http://cic.vtt.fi/hannuｓ/islandｓ.html

[2] ThomaｓFroeｓe,InterwovenThreadｓ:TrendｓintheUｓeofInformationTechnologieｓfortheConｓtructionIndustry,AWhitePaperPreparedfortheBerkeley-StanfordCE＆MWorkｓhop,1999.8

[3] FarajI.、AlｓhawiM.,AModularizedApproachtotheIn tegratedEnvironment,DepartmentofSurveying,Univer ｓityofSalford

[4] 卢勇 基于Extranet的项目信息系统(PIS)的研究[D] 同济大学硕士学位论文,2000.7