徐秦平，佘健俊 ，葉 嵩

(1. 南京工業(yè)大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211800； 2. 中建八局第三建設(shè)有限公司， 江蘇 南京 210046)

近年來，全國范圍內(nèi)對環(huán)境保護和資源節(jié)約的監(jiān)管執(zhí)法更加規(guī)范化、嚴格化，開展綠色施工成為我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的一條重要途徑。而傳統(tǒng)的純手工評價方式費時、費力且不準確，這極大地限制了綠色施工的健康發(fā)展。

建筑業(yè)信息化的蓬勃發(fā)展也推動了綠色施工的改變，BIM(Building Information Modeling)、IOT (Internet of Things)、智能化和移動通訊等信息技術(shù)已經(jīng)在勞務(wù)實名制管理、施工現(xiàn)場的安全監(jiān)管、工程現(xiàn)場環(huán)境和能耗監(jiān)測中有所應(yīng)用。然而綠色施工評價還停留在人工主觀評價階段，對信息技術(shù)所產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)缺乏集成應(yīng)用。

本體是共享概念模型明確的、形式化的規(guī)范說明[1]，使得描述對象的概念內(nèi)涵具有嚴謹?shù)倪壿嬯P(guān)系。網(wǎng)絡(luò)本體語言(Ontology Web Language，OWL)作為一種本體描述語言[2]，可以作為領(lǐng)域內(nèi)部的人、機器、軟件系統(tǒng)等不同主體之間進行對話、互操作、共享等溝通交流方式的一種語義基礎(chǔ)。語義是推理支持的先決條件，為異質(zhì)數(shù)據(jù)向語義數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)異質(zhì)數(shù)據(jù)的集成和不同應(yīng)用間的互操作[3]，完成領(lǐng)域本體的復(fù)用和推理。將本體引入綠色施工評價，建立評價標準的結(jié)構(gòu)化表達，實現(xiàn)綠色施工評價的語義描述與智能推理。

1 綠色施工智能評價系統(tǒng)的建立

1.1 現(xiàn)有綠色施工評價存在的問題

綠色施工評價是對施工的過程評價，過程中所產(chǎn)生的評價信息源沒有固定統(tǒng)一的保存格式，導(dǎo)致施工過程產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏結(jié)構(gòu)化形式。在建立本體模型之前，通過文獻回顧以及對綠色施工評價數(shù)據(jù)利用情況的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有綠色施工評價存在的問題如下：

(1)采集過程費時、費力且不準確。根據(jù)國家綠色施工評價標準，按照“四節(jié)一環(huán)保”[4]的評價要求，綠色施工評價是對工程建設(shè)過程全面、綜合的評價，評價信息采集是在有組織的條件下進行的。但是評價的施工活動繁多且持續(xù)時間長，數(shù)據(jù)信息獲取渠道沒有統(tǒng)一口徑。本研究通過BIM模型提取、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)及現(xiàn)場輔助檢查，可以實現(xiàn)半自動化評價信息的采集工作。

(2)信息容易丟失且缺乏集成。綠色施工評價信息來源廣泛，評價數(shù)據(jù)存儲格式多樣且多數(shù)是未分類的、零散的，相關(guān)綠色施工信息可能保存在文檔、圖紙或數(shù)據(jù)庫中，缺乏統(tǒng)一的標準。傳統(tǒng)的人工采集信息方式，容易導(dǎo)致信息輸入過程中的遺漏或丟失，且存儲過程中對支撐評價計算的描述不足，會形成信息通信的壁壘。因此用于綠色施工評價的數(shù)據(jù)需要提前進行結(jié)構(gòu)化處理，本體作為結(jié)構(gòu)化知識表達方式，可以清晰地對概念進行邏輯描述，實現(xiàn)異質(zhì)數(shù)據(jù)的集成和不同應(yīng)用間的互操作。

(3)無法實時監(jiān)控和動態(tài)優(yōu)化。在工程實踐過程中，信息采集和集成的困難，造成了評價的滯后和優(yōu)化的缺失。在工程項目中，存在不同的施工階段且施工過程由不同的施工對象和施工活動組成，這將產(chǎn)生豐富的過程信息。這些過程信息與評價標準之間沒有高效的鏈接，而綠色施工的措施優(yōu)化與施工過程的動態(tài)評價又是密切相連的，所以實現(xiàn)智能化評價和施工過程知識的重用是十分重要的。

1.2 系統(tǒng)框架概述

綠色施工智能評價系統(tǒng)的應(yīng)用框架是領(lǐng)域知識表示、共享和重用的過程，其基本框架如圖1所示，包括知識獲取、數(shù)據(jù)收集和規(guī)則推理三個部分，這三個部分并非獨立而是相互嵌套的。

首先，在知識獲取模塊，初步定義標準規(guī)范蘊含的概念之間的關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)化的知識表達，并得出評價信息需求以確定數(shù)據(jù)的獲取方案，本研究采用BIM與IOT集成并結(jié)合現(xiàn)場檢查的方式，實現(xiàn)評價數(shù)據(jù)全方位的采集。

圖1 綠色施工智能評價系統(tǒng)基本框架

其次，數(shù)據(jù)獲取模塊中采集的數(shù)據(jù)分為兩種類型：IFC格式數(shù)據(jù)和表格格式數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)映射處理，得到語義數(shù)據(jù)并輸入本體庫，形成實例并完善本體的信息，再運用語義網(wǎng)規(guī)則語言(Semantic Web Rule Language，SWRL)[5]對評價指標蘊含的評判標準和計算規(guī)則進行定義，拓展本體的推理能力。

最后，通過調(diào)用推理機進行語義推理，實現(xiàn)智能化評價，評價結(jié)果表示為得出的新的斷言；再選擇查詢服務(wù)器，利用SPARQL[6](Simple Protocol and RDF Query Language)查詢語言，對不合格的指標進行語義查詢，實現(xiàn)結(jié)合知識重用的優(yōu)化措施方案設(shè)計。

1.3 程序結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

本研究選用由斯坦福大學醫(yī)學信息化研究小組所開發(fā)的Protégé 5.5.0[7]作為本體模型構(gòu)建的工具。Protégé 5.5.0屏蔽了具體的本體描述語言，用戶只需在概念層次上進行領(lǐng)域本體模型的構(gòu)建，用戶操作界面簡潔友好，且具有很強的可擴展性，通過插件和基于Java的API(Application Programming Interface)可以滿足本研究系統(tǒng)框架的所有內(nèi)容。系統(tǒng)利用BIM系統(tǒng)(Revit軟件)提供模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Revit API進行數(shù)據(jù)輸出。通過Protégé中的Cellfie，Reasoner，SWRL TAP插件，進行規(guī)則推理和SPARQL查詢。

2 綠色施工評價本體的構(gòu)建

2.1 本體的語義框架

使用本體語義完成綠色施工智能化評價，是將綠色施工評價標準及規(guī)范的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成可計算的規(guī)則，將異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成語義數(shù)據(jù)的過程。根據(jù)系統(tǒng)框架三大模塊梳理的功能關(guān)系，構(gòu)建出如圖2的本體語義框架，并通過標準規(guī)范提取、語義數(shù)據(jù)映射、檢查規(guī)則集編寫和優(yōu)化查詢設(shè)計，這四個主要步驟開發(fā)支撐系統(tǒng)的語義框架[8]。

圖2 本體的語義框架

綠色施工評價本體由目標評價本體和數(shù)據(jù)格式本體組成。按照相似性程度對標準規(guī)范文本集進行語義分解和聚類，得到綠色施工評價關(guān)鍵句，再進行規(guī)范化約束，解決指標的獨立性、概念之間的關(guān)系和層次問題，形成具有評價指標集的目標評價本體。數(shù)據(jù)格式本體是描述評價所需數(shù)據(jù)的語義集合，通過對目標評價本體的信息需求分析，確定所需數(shù)據(jù)的種類和來源。綠色施工評價是對施工水平和成果的過程評價，信息需求主要包括：靜態(tài)的建筑模型信息、動態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息、過程的現(xiàn)場檢查信息。

通過目標評價本體和數(shù)據(jù)格式本體之間概念的語義映射關(guān)系，構(gòu)建轉(zhuǎn)換規(guī)則集，主要分為兩個任務(wù)，一是數(shù)據(jù)格式本體的類對照目標評價本體的類規(guī)定一對一關(guān)系；二是兩者之間一對一或一對多(即目標評價本體屬性由數(shù)據(jù)格式本體的多個屬性計算而來)的屬性映射關(guān)系。

檢查規(guī)則集是由標準規(guī)范文本中規(guī)定的元數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的SWRL規(guī)則，即運用SWRL TAP對綠色施工評價計算標準的規(guī)則編寫，包括指標項計分標準和評價結(jié)果計算標準的編寫。優(yōu)化查詢的設(shè)計是本體知識重用的過程，運用SPARQL Query對不合格指標查詢，結(jié)合本體設(shè)置的語義情況，得出優(yōu)化措施。

2.2 本體層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)本研究確定的語義框架，將綠色施工評價的領(lǐng)域知識構(gòu)建成如圖3所示的本體模型結(jié)構(gòu)。

圖3 本體的層次結(jié)構(gòu)

隨著綠色施工水平的進步和現(xiàn)場管理要求的提高，本模型參考最新國家及地方規(guī)范，在“四節(jié)一環(huán)保”的基礎(chǔ)上新增人力資源節(jié)約與保護評價大類，選用“五節(jié)一環(huán)?！钡脑u價指標項本體描述綠色施工水平，如圖4。通過綠色施工過程模型和項目信息模型，賦予評價項過程內(nèi)容的描述語義，建立數(shù)據(jù)格式本體與評價指標本體的映射關(guān)系，實現(xiàn)評價信息與評價指標的關(guān)聯(lián)。模型假設(shè)如下：

圖4 評價指標項本體

(1)綠色施工過程可以看作是施工活動使用施工資源產(chǎn)生施工影響，并對施工活動所屬的階段和現(xiàn)場區(qū)域進行描述，如圖5所示。

圖5 綠色施工過程模型

(2)施工活動和資源是綠色施工管理的主要對象，通過調(diào)整施工活動和資源改變施工造成的影響從而可以優(yōu)化綠色施工的評價結(jié)果。

3 本體規(guī)則和檢索的建立

3.1 推理規(guī)則的定義

本節(jié)主要利用邏輯推理機制對構(gòu)建的本體及模型假設(shè)進行一系列陳述，在類及實例定義完善后，通過語義表示規(guī)則和SWRL規(guī)則進行規(guī)則描述。

3.1.1 語義表示規(guī)則的建立

類的屬性分為對象屬性(object property)和數(shù)據(jù)屬性(data property)。根據(jù)上一章對本體構(gòu)建的定義和說明，利用對象屬性將本體的類建立聯(lián)系：每個被評價建筑的評價過程都由一系列的評價任務(wù)組成；進行每項評價任務(wù)都要以相應(yīng)的評價標準為依據(jù)，其中通過領(lǐng)域(Domain)與范圍(Range)來鏈接兩個個體。對象屬性確定之后，將評價所需的數(shù)據(jù)與實例的關(guān)系設(shè)置成本體類的數(shù)據(jù)類型屬性，如Sensor_Property[9]類描述傳感器數(shù)據(jù)，HasInspectionResults類描述現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，IFC-Product描述BIM模型數(shù)據(jù)。

3.1.2 SWRL規(guī)則的建立

本節(jié)主要利用SWRL規(guī)則推理機制對構(gòu)建的本體進行規(guī)則定義，SWRL綜合了本體描述語言以及Datalog RuleML，其結(jié)合本體中定義的元素來進行規(guī)則編輯，拓展了OWL數(shù)據(jù)的表達能力。SWRL 語法包含兩個主要部分前提(body)和結(jié)果(head)，這兩部分用運算符“->”相連，含義表示為：只要前提條件中指定的條件成立，那么結(jié)果條件中指定的條件也必須成立。“前提”和“結(jié)果”都是元素(atom)的集合體，各元素間采用“^”相連，代表邏輯中的AND關(guān)系。

本研究從綠色施工評價計算標準的規(guī)則庫中選取了兩條具有代表性的規(guī)則示例，其規(guī)則構(gòu)建如下：

(1)場界設(shè)置動態(tài)連續(xù)噪聲監(jiān)測設(shè)施，噪音分貝值為X(db)，60

Rule1.1:NoiseSensor(?a)^Noise_Sensor_Property(?a,?b)^swrlb:lessThanOrEqual(?b,70)^swrlb:greaterThan(?b,60)^NoiseMonitoring(?c)->hasScore(?c,score1)

Rule1.2:NoiseSensor(?a)^Noise_Sensor_Property(?a,?b)^swrlb:lessThanOrEqual (?b,60)^swrlb:greaterThan(?b,50)^NoiseMonitoring(?c)->hasScore(?c,score2)

Rule1.3:NoiseSensor(?a)^Noise_Sensor_Property(?a,?b)^swrlb:lessThanOrEqual (?b,50)^NoiseMonitoring(?c)->hasScore(?c,score3)

(2)采用鋁合金、塑料、玻璃鋼和其他可再生材質(zhì)的模板得2分。

Rule2.1:IFCForwork(?a)^IFCRelAssociatesMaterial(?a,?b)^swrlb:contains(?b,“Plastic”)^Evaluate-Forwork(?c)->hasScore(?c,score1)

Rule2.2:IFCForwork(?a)^IFCRelAssociatesMaterial(?a,?b)^swrlb:contains(?b,“AluminiumAlloy”)^ EvaluateForwork(?c)->hasScore(?c,score2)

Rule2.3:IFCForwork(?a)^IFCRelAssociatesMaterial(?a,?b)^swrlb:contains(?b,“GlassSteel”)^Evaluate-Forwork(?c)->hasScore(?c,score3)

3.2 基于SPARQL的指標查詢

本體知識庫中蘊含的大量數(shù)據(jù)可以為綠色施工管理和優(yōu)化提供依據(jù)，首先就是如何查詢到相應(yīng)數(shù)據(jù)。SPARQL是為RDF(Resource Description Framework)開發(fā)的一種查詢語言和數(shù)據(jù)獲取協(xié)議，是W3C制定并推薦的查詢語言。本研究利用Apache Jena Fuseki作為SPARQL語言查詢工具，Apache Jena[10]是一個開源的Java語義網(wǎng)框架(open source Semantic Web Framework for Java)，用于構(gòu)建語義網(wǎng)和鏈接數(shù)據(jù)應(yīng)用，F(xiàn)useki是Jena提供的SPARQL服務(wù)器。

本研究基于Windows 10系統(tǒng)，java jdk-14.0.1作為系統(tǒng)環(huán)境變量之一，通過Windows PowerShell，鍵入fuseki-server-update-mem/ds，運行fuseki- server并更新數(shù)據(jù)，在內(nèi)存里面寫入ds數(shù)據(jù)集，通過瀏覽器打開端口localhost:3030，進行指標查詢。

根據(jù)評價計算規(guī)則設(shè)定各項指標得分標準，假設(shè)得分小于1為不合格，現(xiàn)對不合格指標進行查詢，查詢代碼示例如下。查詢結(jié)果為目標評價本體中不合格指標項，通過本體庫中過程模型的語義描述和數(shù)據(jù)格式本體的語義數(shù)據(jù)，進行優(yōu)化方案的制定。

PREFIX rdf:

PREFIX rdfs:

PREFIX owl:

PREFIX xsd:

PREFIX green:

SELECT ?index WHERE{

?index green:hasScore green:Score0

}

4 數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用分析

4.1 模型的數(shù)據(jù)流

BIM數(shù)字模型作為建筑信息數(shù)據(jù)庫，具有豐富描述性和可操作性的原數(shù)據(jù)為提取評價需求信息提供了數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可以提供建筑施工環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)，將IOT和BIM集成，BIM實體的實際狀態(tài)可以通過實時物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的讀數(shù)來更新，實現(xiàn)靜態(tài)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r信息模型[11]。通過編輯IFC(Industry Foundation Classes)標準的EXPRESS-G視圖將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實體添加入IFC標準框架內(nèi)[12]，再在BIM模型中進行族創(chuàng)建，通過添加共享參數(shù)，將傳感器讀數(shù)在Revit中作為對象屬性，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的表達和集成。

綠色施工評價的過程就是“數(shù)據(jù) - 信息 - 知識”轉(zhuǎn)變的過程，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行檢查，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換與推理

(1)BIM模型數(shù)據(jù)通過Revit API將內(nèi)置參數(shù)或共享參數(shù)提取出來，通過IFC to OWL[13]轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)映射，輸入到數(shù)據(jù)格式本體的實例中。

(2)將評價標準中無法用BIM模型數(shù)據(jù)及IOT監(jiān)測數(shù)據(jù)直接獲取信息，且需輔助人工檢查的內(nèi)容設(shè)計為現(xiàn)場檢查表格，通過Protégé中的Cellfie模塊，實現(xiàn)檢查表格的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)本體轉(zhuǎn)換[14]。

(3)本體知識庫對輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行評價檢查，輸出評價結(jié)果及優(yōu)化措施。

4.2 應(yīng)用分析

根據(jù)上文所建立的本體模型，利用推理規(guī)則進行評價標準的邏輯描述，得出綠色施工評價結(jié)果。本節(jié)以現(xiàn)場檢查項中的裸土覆蓋及車輛進出場清洗兩項為例進行說明，將現(xiàn)場檢查記錄表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為語義數(shù)據(jù)，利用本體編輯軟件Protégé 5.5.0進行建模，在Cellfie模塊中構(gòu)建轉(zhuǎn)換規(guī)則集(圖7)，其語法規(guī)則遵循MappingMaster DSL。轉(zhuǎn)換規(guī)則集將檢查項歸于類 “InspectionItems”中，通過單元格地址生成實例的唯一標識符，單元格內(nèi)容通過Annotation添加注釋，評價結(jié)果通過數(shù)據(jù)屬性“HasInspectionResults”連接實例及其值；車輛車牌號信息通過數(shù)據(jù)屬性“HasID”連接實例及其值，車輛進出場信息實例通過“HasID”推理并存入類“Vehicle—車牌號”本體過程模型中，可以通過查詢車牌號調(diào)取駕駛員、車輛類型等信息。

圖7 Cellfie模塊的規(guī)則轉(zhuǎn)換示例

完成數(shù)據(jù)映射后，檢查表格中的信息將會存儲在本體知識庫中(圖8)，再調(diào)用推理機執(zhí)行下列規(guī)則推理：

Rule3.1：裸土覆蓋(?a)^HasInspectionResults (?a,?b)^swrlb:startsWith(?b,"合")^BareSoilCover (?c)->hasScore(?c,score1)

Rule3.2：裸土覆蓋(?a)^HasInspectionResults (?a,?b)^swrlb:contains(?b,"不")^BareSoilCover(?c) ->hasScore(?c,score0)

Rule4.1：車輛進出場清潔(?a)^HasInspection-Results(?a,?b)^swrlb:startsWith(?b,"合")^Vehicle-Cleaning(?c)->hasScore(?c, score1)^Vehicle(?a)

Rule4.2：車輛進出場清潔(?a)^HasInspection-Results(?a,?b)^swrlb:contains(?b,"不")^Vehicle-Cleaning(?c)->hasScore(?c,score0)^Vehicle(?a)

圖8 綠色施工評價本體的圖形用戶界面

完成推理并得到評價結(jié)果本體(圖9)，表現(xiàn)為評價項的特定實例，score1為類BareSoilCover的實例，意為裸土覆蓋評價項得1分；score0為類VehicleCleaning的實例，意為車輛進出場清潔評價項得0分。

圖9 評價項推理結(jié)果

5 結(jié) 論

本研究構(gòu)建了一種基于本體的綠色施工智能評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)將BIM與IOT進行信息集成并結(jié)合現(xiàn)場檢查，來獲取評價信息，有效減少了人工信息采集和評價工作，提高了綠色施工的信息化水平。本體語義框架為規(guī)范開發(fā)評價本體提供了解決方案，轉(zhuǎn)換規(guī)則集與檢查規(guī)則集為個體數(shù)據(jù)的提取創(chuàng)建和規(guī)則推理提供了算法結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)信息在本體知識庫的集成與智能化推理，為綠色施工評價與管理的語義網(wǎng)實現(xiàn)提供重要基礎(chǔ)。

此外，本研究提出的智能評價系統(tǒng)也存在一些不足。在智能評價系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，各項評價標準的語義轉(zhuǎn)化需要具體定義評價數(shù)據(jù)的對象、時間和形式，并對評價標準及模型的準確性進行驗證；各類數(shù)據(jù)的提取與輸入需要手動轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)處理繁雜，因此實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)集成處理也十分重要。上述問題需要在今后的研究中解決。