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基于BIM的施工进度表的过程模式识别
Kateryna Sigalov ， Markus Kouml;nig鲁尔大学波鸿，德国波鸿
摘要
施工进度是一个非常苛刻且耗时的过程。建筑信息建模（BIM）在规划和排程中正变得越来越重要，因为它提供了重要的支持这项艰巨的任务。通过为基于BIM的计划应用预定义的流程模板，可以实现进一步的改进。它可以减少计划时间，从而提高生产率。但是，手动定义适当的和特定于应用程序的过程模板非常具有挑战性。自动检测施工过程的重复类似配置（称为过程模式）将极大地支持这一复杂任务。所标识的过程模式可以随后进行概括，以支持过程模板的设计。该贡献提出了一个总体概念通过应用基于图的方法，在基于BIM的施工计划中识别过程模式。由于图匹配算法通常非常耗时且耗费资源，基于特征的索引技术用于更有效地解决此问题。本文重点评估施工进度表中的相似性，详细描述基于特征的方法和相似性度量定义。另一个重点是制定时间表以确认流程模式，包括将进度表分解为较小的部分（称为子进度表），和功能标准化。两个不同的案例研究证明了这一概念的潜力。评估的正确结果表明，所提出的方法和相似性指标已足够用于识别施工进度表中的过程模式。
关键字：模式识别、工艺模式、BIM、基于知识的调度
1.简介
建设项目的成功及其合规性预算和时间表与施工进度的质量直接相关。确实，确定有效和有效的时间表是极具挑战性和耗时的[1]。当前的软件工具对此仅提供部分支持要求很高的任务。例如，链接建筑元素具有相应构造过程的3D模型被称为4D建筑信息模型（BIM）的目视分析施工进度[1]。尽管如此，这单靠不足以简化完整性检查时间表的正确性。此外，
施工过程及其依存关系仍在执行手动。自动化施工进度的可能性最近在一些研究项目中得到认可和解决年[2–9]。所需信息将自动提取从BIM模型中生成时间表。但是，施工过程的选择，执行顺序，以及一个或另一种选择的决策方法必须由负责的计划人员或计划团队完成
并基于自己的知识和经验。在许多在没有明确记录此类决定的情况下，很难验证它们并重用所获得的经验未来的项目。尽管如此，仍有许多重复执行的任务可以以相同或相似的方式执行具有一些预定义的过程模板的巨大优势这个。这样的过程模板可以应用于其他项目立即或更普遍地在改编之后。这个会大大减少了生成时间表的时间，因此提高生产力。这也可能有助于了解先例决策，并通过提高计划质量考虑到以前的知识和经验。不幸的是，手动定义适当的过程模板也非常具有挑战性。模板必须设计特定于应用程序，代表常见或已批准的解决方案。自动检测施工过程中重复出现的类似配置将极大地支持过程的创建模板。通常，对重复性和规律性的搜索被称为模式识别，并广泛用于许多应用领域[10–14]。识别过程模式
基于施工的进度表应使用基于图形的方法，因为进度表可以优先级表示插图。 为此，有必要检查给定给定过程（节点）的相似图和结构组成中包含的内容信息通过流程的相互依赖（边缘）。
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通讯作者。
电子邮件地址：kateryna.sigalov@rub.de（K. Sigalov），koenig @ inf.bi.rub.de
（科尼格先生）
术语模式具有多种含义，并且在不同研究领域中使用的术语也不统一。 在里面
过程工作流，土木工程，体系结构，产品开发，软件工程以及许多其他环境单词模式是指模板，原始对象制作副本或可重复使用的解决方案（请参阅[15]）。 在机器领域学习模式识别是指规律性的识别在数据中lsquo;lsquo;[。 。 。]机器如何观察环境，学习从背景中区分出感兴趣的模式，以及对类别进行合理合理的决定模式[。 。 。]” [14]。 由于两种含义的广泛使用，因此在本文中保留了术语。 但是，注意描述开发的概念和评估时，应使用统一的术语。 这里有区别在定义的流程模板和公认的流程之间图案。
这项研究的主要目的是通过应用基于图的算法来识别基于BIM的施工进度中的过程模式。某些准备步骤和调整是实现此目标所需的资源，也是此贡献的主题。在这项研究工作的范围内，仅要检查结构过程模式。因此，时间和成本组件和所需的资源被故意省略。确定的过程模式可以作为定义过程模板，在过程中支持人类专家设计。模式识别结果的分析和评估可以识别常见或最佳实践解决方案。随后创建的过程模板可以在计划定义期间应用于定期发生的任务，从而施工进度更高效。另一个主要优势自动模式识别的可能性在于时间表中不希望有的规律性以避免这种情况未来的失败。通过检测到的过程的汇总自动定义正确的和通常有效的过程模板模式是另一个重要的挑战。但是，自动流程模板的生成及其在以下方面的应用
施工进度超出了此范围。
本文首先概述了基于BIM的调度，基于模式的方法的最新研究成果。施工管理的领域以及状态该领域的艺术技巧。 在简短描述了用于自动生成施工进度表的基于BIM的基础框架之后，就对过程进行了全面的开发模式识别在第3节中介绍。第4节重点介绍将建模时间表分解为一组子时间表。 分解对于搜索小的重复项是必需的子结构和基于图的合理适用性方法。 施工进度的相似度估算为在第5节中详细讨论，描述定义的相似性措施和所选方法（包括应用程序）具体调整。 最后，在测试数据库上评估实现的实现结果。
2.最新技术及相关工作
传统的施工进度安排方法是手动定义过程及其相关性，仅受支持优先顺序图方法（PDM），包括关键路径方法（CPM）和程序评估与审查技术（PERT）。尽管这种耗时且容易出错的做法并没有过时，但3D建模的优势在于规划过程早已被认可并应用于研究与实践。本节对当前重点研究计算机辅助调度基于知识的方法，尤其是基于模式的方法。图案迄今为止，在该领域几乎没有研究图形识别施工管理。但是，有一些状态其他研究领域的艺术技巧。综合调查基于图的模式识别方法的文献最近的40年可以在[10-12]中找到。在计算机视觉领域已经提出了大多数现有方法。图案识别是一个非常大的研究领域，因此仅对本文中相关的技术进行了研究。并在本节末尾提供。
2.1. 4D建模
随着3D建筑模型的可用性不断提高，调度过程已通过可视化补充施工进度。为此，建筑几何是与时间信息和建筑过程联系在一起进度表，即4D建模。它使早期分析以及对计划和帮助的可视化验证探索方案并增加计划的透明度处理。但是，在大多数当前的4D应用程序中，时间表是与建筑模型和链接分开开发随后，在繁琐的手动过程中实现了施工过程的排序。由于确定手工方法的缺点[16]，有待进一步研究研究了产品和过程之间的自动链接模型[17-21]。在[17]中，根据建筑元素的几何位置自动确定施工顺序。实际上，拓扑对齐并不总是决定性的用于相关过程的排序。提出的方法文献[18]中的内容允许使用手动预定义的规则和施工方法来生成施工进度表。 huaYeoh [20]和Chua等。 [21]特别注意静态和动态计划约束的捕获和建模。4D模拟软件没有明确的偏好在施工进度中。尽管如此，基于BIM4D软件，尤其是基于IFC（工业基础课程）的4D软件，在研究和实践中变得越来越重要[22]。IFC标准的优点是很多提供了对象定义。基于BIM的应用自动生成时间表的方法近年来具有重要意义[5,6,9,23–27]。大量为分析和自动提取做出了科学努力BIM模型确定特定于建筑的空间信息[9,23,24,27]。在[27]中，提取的几何信息进一步用于支持施工计划。通过建筑构件之间的派生邻接关系原来的时间表可以改善。更高级的方法文献[9]中提出了这种方法，其中考虑了用户定义的排序规则，将空间，几何，数量，材料和其他信息应用于生成进度表。这意味着对于每个项目和每个建筑元素的一系列活动规则必须手动确定。
与基于规则的系统相比，基于约束的链接方法不需要任何规则的预定义。一些方法，例如在[2-8]中已经提出。在这些方法中流程包含有关建筑元素，构造方法和要满足的约束的信息。约束是由某些状态下的建筑要素描述并被认为作为流程的前提和结果。然后通过将流程置于正确的顺序来自动生成时间表，以便考虑所有约束。输出是有向的图，其中任务由节点表示并生成有向边的依赖性。通过[2,7]中介绍的建模技术，每种元素类型都有一个预定义的有序集合描述施工过程的状态变量。美国组件的类型按其类型描述。通过为组件分配组件类型，可以实现前辈-后继关系从对应的排序关系中得出状态变量。 [3-5]中提出的方法使用了类似的方法概念，但约束条件直接包含在定义中的过程。但是，组件可能只有两种状态：不存在和已完成。在另一个项目[6]中，通过灵活的状态和状态手动定义扩展了该概念。当前未使用的BIM中未存储的其他元素模型（非结构性约束，例如文档，材料，资金或天气状况）。研究的主要重点[3]着眼于建筑的识别和管理备择方案。 [4,5]中介绍的项目的主要问题是
基于案例的基于知识的计划生成推理（CBR）。
2.2. 基于知识的施工进度安排方法
记录和管理过程知识是对于建筑和工业项目极为重要。这对其可验证性，透明度，可比性和可重用性产生影响。不幸的是，计算机辅助的专家仅限于2D / 3D建模程序，标准Office应用程序和过程建模工具的功能。因此，文档和管理通常很乏味，费时的手动任务。大量的项目尽管与以前的经历相似，但还是从零开始发展起来的。因此，项目规划和一个或另一种工艺选择的决定仅限于过去的经验和负责任的项目经理的直觉[28]。这导致不完整，不透明且难以理解的过程模型和时间表。重用过程知识从先前成功实现或失败的项目可以减少时间表，以及产品开发时间，努力，成本和易错性。独特产品的生产过程具有知识密集，个性化和高度复杂的特点。尽管如此，部分流程定期发生，可以应用于其他项目。
许多研究者对此越来越关注广泛的研究主题。 已经出版了大量出版物，提出了基于知识的建筑方法。使用语义Web技术，基于案例的推理（CBR），基于规则或基于模式的方法进行调度。 语义网特别是本体论的概念已经证明了其价值用于以机器可读格式表示和共享领域知识。 它们广泛用于各种方法中，例如一个有效的过程知识交流支持工具管理[29–35]。 关于知识的再利用，可以强调两种不同的方法：基于CBR的方法和基于模式的方法。 下面讨论与重用建筑过程知识有关的概念。
2.2.1. 基于案例的推理方法
一种著名且有效的机器学习方法通过重新应用和改编以前类似经验中的解决方案来解决新设计问题的方法是基于案例的推理。每个已解决的案例都存储在案例库中，并分为两个零件：问题和解决方案。在典型的四个阶段内CBR周期（检索，重用，保留和修改）最相似一个新问题的解决方案可以被发现，重用，改编并存储在案例库中以备将来处理[36]。尽管CBR盛行，但在建筑规划领域却很少开发基于案例的专家系统，例如CasePlan [37]，CBRidge Planner [38]，CONPLA-CBR [39]和Alice [4-6,8]。 Langenhan等。 [40]提出了一种基于图的CBR方法在早期搜索参考示例以支持设计人员设计阶段。从BIM模型中提取有关空间配置的拓扑信息，并以图形表示，称为建筑物的语义指纹。基于图匹配算法用于检索相似的参考模型从案例库中获取灵感。
但是，CBR方法的一些缺点阻止了它从完全有效。为了获得可靠的结果，需要数据库，因此必须手动创建案例。这导致数据泛滥和案件冗余的另一个问题。 CBR无法确保最佳或最佳解决方案，仅提供类似经验的合理解决方案。此外，适应新问题的案例非常具有挑战性。没有良好的自适应算法和隐式概括，就无法保证所提供解决方案的可重用性。 因此，仅以案件形式保留以前的经验并不总是足够的。对于定期重复问题，使用过程模式存储常用或最佳实践解决方案是有利的。模式可以应用于更广泛的由于它们的普遍性和较高的程度而导致的一系列问题推荐与案例相比。此外，部分解决了冗余和存储空间的问题，因为可以消除一般情况。
2.2.2. 施工过程中的模式
使用模式来解决工程问题的想法不是新的，并起源于建筑师亚历山大[15]。 这个想法在许多学科中被采用和发展。 亚历山大的概念在计算机科学领域得到广泛认可并且在软件工程方面尤其有影响力。将基于模式的方法应用于过程知识重用在业务流程建模领域很普遍，但具有尚未在建设范围内得到充分确立流程。 在过程模式在施工管理中的应用和认可的背景下，仅进行了一些研究吴等人的贡献。 [41]，Huhnt等。 [42]，恩格[43]，谢勒和Sharmak [33]，Benevolenskiy等。 [35]和Kouml;nig等。 [44]可以提到。 几乎所有人都只专注于用法以及流程模板的正确手动配置。
Scherer和Sharmak [33]使用所谓的配置模板反映时间表中可能的结构变化，这些变化是由施工方法，过程的不确定性引起的顺序和相关风险。可配置过程的定义基于业务流程的模板应用技术模型和符号（BPMN）可以提供适当的文档，重用和改进相关过程知识。因为它是几乎不可能在不同的建设项目中应用相同的进度表，因此建议的标准化过程描述包括可配置片段的使用。根据本文中指定的定义，其中包含一个过程模型一个或多个可配置片段被指定为可配置片段过程模型。配置模板构成一个概括可配置片段，并描述了最常见的面向结构的改编。它们分为一般（插入，替换，取消和并行），间断性（停止和动作）和反应性（重复和重复）三组。拆除）模板。一个过程模型，包含所有可行的方法可配置的片段，形成可配置的参考流程模型（CRPM），用作过程知识的来源。对于CRPM的管理，使用本体作为知识基础。配置模板的应用保证了语法正确性，一致的设计以及所创建过程模型的灵活性。但是，每一项风险治疗都必须预先定义并关联到合适的配置模板。因此，定义每种可能的风险并进行
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