BIM和IoT数据源框架

​​​​​​​1. 摘要

建筑信息模型（BIM）和物联网（IoT）是两项新兴技术，有望在基础设施的生命周期管理方面进行重大改进。最近，以BIM为中心的物联网应用研究越来越多。当前，存在一些主要挑战，阻碍了BIM和IoT协同工作的实现。其中之一是保持BIM与IoT数据生态系统之间有效的语义互操作性。实际上，要在基于IoT的原始感官数据与现有的基于BIM的基础设施数字模型之间进行准确的集成，就需要对上下文线索（时间、位置）有深刻的理解。该文作者提出一个框架，用于通过基于本体的中介机制集成BIM和IoT不同数据来源。此框架，可以通过查询重写过程对BIM和IoT的本地数据源进行集成访问。

2. 引言

建筑行业是最分散的行业之一，包含众多零碎学科（例如、建筑、结构、机械和电气工程）的大量数据/信息。这种碎片化在很大程度上伴随着对相同数据源使用各种数据表示语言和数据模型架构定义，从而导致BIM数据在语法上存在很大的异质性。这种碎片化和异质性不可避免地导致在基础设施生命周期的不同阶段所涉及的不同方使用的各种工具/数据库之间的数据/信息交换面临严峻挑战。尽管从封闭的数据生态系统向开放的可互操作BIM环境的转变势头强劲，但专有格式的应用在BIM数据生态系统中仍然司空见惯。将标准化序列化格式和数据表示模式（例如ifcXML）用于基于Web的BIM数据交换的应用将仅在语法级别解决互操作性问题。但是，BIM互操作性存在一个更深层次的问题，即语义互操作性。解决语义互操作性问题也是IoT领域的开放研究问题。许多关键因素导致缺乏足够的互操作性，这阻碍了物联网解决方案在不同应用领域中被广泛采用。

3. 系统架构

       本体论和语义网技术领域的发展为解决BIM和IoT领域的语义互操作性带来了新的研究思路。本体论起源于正统知识表示的领域，正统知识是人工智能学科的重要分支之一。本体论使用逻辑语言来表示特定领域中所关注的概念（本体类）以及这些概念之间的语义关系。语义网技术的愿景是为机器和人类提供对Internet上所有可用资源的共识，而正式本体在这方面起着至关重要的作用。迄今为止，已经设计了许多不同的工具和技术来满足语义网的愿景，例如OWL 2（用于本体创作的基于逻辑的语言），RDF 3（用于元数据的标准表示模型），SPARQL 4（一种用于RDF格式数据的查询语言）和SWRL 5（一种用于表达与OWL构造兼容的规则的逻辑语言）。

     在本文中，该作者提出了一个通用概念框架，用于创建对BIM和IoT数据的不同来源的集成且上下文感知的访问。框架的主要组成部分以及在BIM和物联网数据的本地来源之间实现集成所需的主要步骤描述如下：

图1 通过基于本体的中介进行BIM-IoT数据集成的概念框架

       如图所示，基于本地本体的架构是所提出框架的主要组成部分之一。本地模式将负责表示来自物联网传感器/设备的不同数据源以及基础设施数字模型中提供的BIM数据。BIM数据的基于本地本体的架构的一个示例是ifcOWL本体。从图中可以推断出，该框架的建议设计允许不同的基于BIM或IoT的数据源采用不同的本地格式（例如，以XML或JSON序列化编码）。此外，各种本体可用于交付基于RDF的BIM和IoT数据表示。在数据集成过程的第一步，需要根据其本地架构表示的本地BIM和IoT数据实例提供形式化参考。因此，将提供BIM和IoT数据的不同源，作为该设施的联合RDF数据源。框架的第二个主要组件是基于全局本体的架构，可以将其视为与所有本地架构在语义上相关的虚拟通用本体。该框架的下一个主要组件是基于本体的中介模块。这些模块主要负责通过提供基于全局本体的架构的实体与BIM和IoT数据本地来源的相关实体之间的语义对应关系（本体映射）来维护查询回答所需的语义理解。因此，为每个本地本体的方案建立了基于本体的中介模块。