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深入BIM：借助BIM进行静态和动态安全性分析
摘要
设计和建筑行业正在向建筑信息模型（BIM）发展，该模型提供传统3D CAD的所有优势，增加了数据层，允许新的和强大的应用程序。我们研究了使用BIM中的数据来更好地探索安全设计和注意事项的概念。我们通过首先绘制BIM的物理实体来捕获它们作为节点和链接的关系表示来实现这一点。该图表示将有助于使用图论或基于代理的模拟来帮助分析静态和动态行为BIM周围的环境。我们还通过调查BIM的使用来探索自动化基础设施安全设计和通过红色团队的考虑来展示图形应用。目的是使安全分析更容易，并且可以在项目的设计阶段执行，即使是非专业用户也可以执行。
关键词
BIM；安全；模拟；图形；多代理；智能代理；红队；延迟
1.引言
物理安全评估是检查设施并确定其被渗透的风险而没有检测或适当响应的过程。为了实现这一过程，人们传统上需要一位安全专家，他们的知识和经验具有代表性的成本。在许多情况下，这可能导致安全性考虑几乎成为事后的想法，需要通过专家经常在项目生命周期的后期进行咨询来实施。
研究人员已经研究过使用计算机模拟来帮助安全从业者。然而，这些尝试经常面临用户设置和操作软件所需的知识的问题，这通常会妨碍系统的有用性[19]。在本文中，我们演示了一个概念验证计算机辅助安全仿真工具，旨在通过将已知的安全建模方法和启发式应用于建筑信息模型（BIM）中包含的信息来缓解这些问题。
BIM是一种3D建模范例，通过添加一层相关信息，扩展了传统3D计算机辅助设计（CAD）等“哑”建模应用程序的功能。通过利用该信息层，可以对设施进行更深入的分析，例如模拟建筑成本和时间等元素。在我们的研究中，我们希望提供可以打开物理安全性作为模拟选项的工具。
在本文中，我们将讨论BIM的一些优点和现有的安全模拟研究。然后，我们将介绍我们用于从BIM到仿真的过程，然后介绍我们迄今为止开发的静态和动态仿真应用程序。最后，我们将介绍我们的工作成果，并讨论我们在未来的发展方向。
2.背景
在本节中，我们将部分讨论BIM和基础设施安全的历史。我们还将讨论智能代理的一些背景知识，可用于进一步探索我们创建的模型。
2.1背景- BIM
BIM是设施协作和设计的不断发展的标准。我们越来越多地看到它的应用，许多数百万美元的项目正在利用它[7]。在澳大利亚，联邦和州政府越来越多地要求将BIM用于公共工程项目。然而，许多使用它的组织并未充分利用其潜力。
BIM相对于传统CAD的一个共同优势是BIM可以执行自动冲突检测，在设计阶段节省时间和金钱。然而，Gao和Fischer[7]发现他们检查的32个项目中只有14个利用了这个功能。Azhar等。[2]证明了BIM通过自动碰撞检测等活动获得的投资回报非常值得组织付出代价。
Cheng＆Wang[3]讨论了BIM如何允许比传统的3D CAD或2D设计方法更便宜地实现任何需要进行的更改。一个例子是移动支撑梁; 在传统CAD中，设计师通常需要单独移动梁，然后移动任何支撑，螺栓和基础。在BIM中，这些对象都可以进行分组，允许软件使用梁移动相关组件，从而节省设计人员的时间和精力。
BIM并非没有批评，尽管这种批评通常更多地与实施相关而不是概念。科茨等人。[4]声明“BIM代表数字乐高，而不是数字粘土”，部分是指当前软件不适应不同的设计方法。在他们的论文中，他们评论说BIM目前对自由形式草图和其他早期设计技术没有真正的支持。建议采用替代方案，例如Onuma Planning System，但随着BIM的不断成熟，我们很可能会看到软件供应商试图解决这些问题。
史密斯[17]发现了BIM帮助规划和设计设施的能力。他们建议，通过更好地规划如何使用设施，确保大声机械远离安静的工作区域等，可以提高设施的效率。他们接着说，如果设施的效率可以提高到3.8％，那么这项改进将在整个设施的整个生命周期内付出代价。
随着BIM在建筑业务中被广泛接受，提供的工具使建筑师能够快速轻松地获得有关其设计的反馈并将他们的注意力集中到他们可能想要调整的区域，从而实现廉价有效的修改。通过在现有BIM软件的基础上，我们打算将安全分析作为设计人员可以使用的另一种工具，以便于早期考虑和更改，以帮助提高设施的完整性。我们的工具不会取代安全专家，但我们的目标是使他们的一些知识易于访问，以便在最容易实现变更的关键设计阶段尽早纳入安全考虑因素。
2.2背景 - 基础设施安全
基础设施安全本身就是一个广阔的领域，所以在这里我们将主要关注影响我们自己工作的领域。我们将首先解决现有基础设施安全模拟系统。在此之后，我们将提供我们选择使用的安全启发式的一些背景知识。
Tarr和Peaty [19]，[20]，[21]研究了安全性计算建模的使用。他们的方法研究了建模的使用，以协助设计监狱设施。为了实现这一目标，将通过使用相对材料强度对给定路径上的所有障碍物进行建模来建立模拟，然后对其进行分析以确定其是否提供了足够的延迟和检测。
他们发现计算机辅助模拟是一种有益的方法，其中一个主要限制是专家用户需要输入数据和设置模拟。他们在原始出版物和最后一本出版物之间花费了大量精力来改进工具以降低设施建模的成本，但截至上次出版时，它仍然是一个问题。通过我们的系统，我们通过利用BIM 成功地将这些问题的负面影响降至最低。
其他人也使用BIM进行设施分析，其中一些人也分析安全问题。在早期概念设计的自动评估中，作者描述了他们的团队为创建Solibri模型检查器的扩展而开展的工作。[6]它们的扩展让人联想到专家系统，评估BIM设计是否符合各种法规并向设计师提供反馈，减少了设计师在处理Courthouse设计方面经验不足的知识负担。
Garcia [8]描述了EASI模型，它允许专家用户计算通过设施的单一路径的延迟。与Tarr和Peaty[21]的工作类似，对专家用户的依赖和单一路径计算都会使这个过程变得缓慢而昂贵。我们关注的一点是，上述系统中提出的单路径建模可能导致对可利用攻击向量的监督。上述系统还倾向于依赖用户输入延迟度量，增加他们的知识负担。
为此，我们目前使用基于Alach [1]的工作的安全启发式方法。Alach使用安全专家，学者和学生的调查来确定材料和攻击组合的可能延迟矩阵。虽然矩阵提供了所有可能材料和攻击的有限横截面，但它为我们提供了良好的起始基础。
为了实现未来的适应性，我们使用可扩展标记语言（XML）格式化，一种机器和人类可读的格式，使材料和攻击输入使我们的系统可扩展，以便可以使用用户首选的启发式方法轻松更新系统。系统当前使用相当简单的名称匹配系统将XML文件中的属性分配给BIM中找到的材料。一旦分配了这些属性，我们就可以在整个设施中执行安全性分析。
2.3 基于后台代理的模拟
“可以将代理定义为XML形式，可以将其视为通过传感器感知其环境并通过执行器对该环境起作用”。[16]多代理系统只是一个包含多个代理的环境。
在多代理系统中，代理组彼此交互以实现某些目标。代理人的个人目标可能与团队的目标一致，也可能不一致。
代理人对世界的认知和知识有限。考虑一下，如果每个代理人都要对世界有一个完整的了解，那么系统的行为就类似于通过较低级别的执行器和传感器工作的集中决策者。[15]
有几个应用程序显示了使用多代理系统（MAS）的好处。工业应用早在1987年就已开发出来，包括过程控制，制造和许多其他领域[10]。在防御方面，MAS已被用于军事模拟[14]，[13]并模拟关键基础设施的网络攻击[12]。本文介绍了BIM在物理安全评估方面的第一个MAS实现。
3.方法
3.1 BIM图
图论是计算机科学中一个研究得很好的领域，并且已经使用了一段时间来探索空间导航问题。Grason[9]提出了一些图形分析早期工作的例子，他讨论了一个用于将建筑物建模为图形的系统。正如从处理计算机模型的早期工作所预期的那样，它受到可用资源的限制，例如通过简单几何形状描述设施作为程序一部分的要求。
这是我们和其他人发现BIM等信息丰富的系统可用作图形分析基础的地方。将BIM转换为图形允许我们利用图论的知识库来有效地探索问题域。但是为了利用这个知识库，我们首先需要从BIM中推断出一个图形模型，这个过程我们将在下面描述。
图由由边连接的节点组成。对于安全建模，我们将环境中的区域或区域（例如房间）表示为节点。节点之间的边缘表示可能的路径，给边缘赋值以指示该路径的成本。在我们的建模中，成本通常是与给定路径相关的延迟。
在下面的图2中，我们可以看到一个简化的示例，在任意两个节点之间只有一条边。节点通常会有多条边连接它们; 门，墙和窗户都提供区域之间的可能路径。为了成功绘制BIM图形，我们必须识别所有有效路径并生成匹配边缘，从而创建BIM的完整图形模型（参见图1）。
图1以3D为单位的简单BIM（选择前墙）
图2 BIM图的变换
从图形转换问题的早期探索，决定从墙壁生成边界数据生成节点将证明过于复杂和不可靠的过程。在Autodesk的BIM创作解决方案Revit中，我们使用Rooms工具定义给定BIM中的区域，利用工具智能确保标记所有感兴趣的区域。使用房间作为我们分析的基础，我们可以搜索与给定区域的边界框交互的对象，从而减少搜索空间并简化问题。
一旦定义了节点，我们就会在它们之间建立边缘。如上所述，两个区域之间的任何物理链接都可能提供路径，因此我们必须生成与所有墙壁，门，窗户甚至地板和天花板相对应的边缘。在墙、门和窗的情况下，这个过程非常重复，因此我们将在这里介绍用于绘制墙的方法，其他路径在实现中非常相似。
对于每个区域，我们搜索所有可用的墙壁，寻找与边界相交的墙壁。当找到这样的墙壁时，我们会搜索所有其他有效区域，以测试任何与墙壁接壤的区域，从而可能会链接。由于在此过程中使用边界框的不准确性，我们需要检查我们是否在一个角落不匹配。但如果两个区域通过必要的检查，我们就会创建边缘，如图3顶部所示。
图3 蓝色节点代表底层区域、绿色节点代表一楼区域
图3翻译：Room空间、door门、lobby大厅、outer外部空间、wall墙
在顶部我们绘制的图形没有任何垂直链接在底部我们添加了垂直链接
如果找不到链接区域，我们会创建一个链接到“外部”区域的边。这些未在图3中示出以降低视觉复杂性。外部区域用于表示设施外的世界，并被视为攻击的起始区域。一旦完成了墙的过程，我们就为所有其他水平边重复它，为我们提供逐层图表。
地板和天花板是一个略有不同的过程。由于它们在多个区域中水平延伸，因此我们需要使用一些不同的指标来确保正确关联。首先，我们通过并建立设施每个楼层的边界高度，创建楼层数量及其边界的映射列表。然后对于每个楼层或天花板，我们遍历每个区域并建立中点以测试是否落入边界内。如果它在边界区域内，我们检查天花板或地板的高度是否会将其放置在该区域附近。
类似于生成墙边的过程，我们然后搜索上面级别的所有区域以识别垂直邻居。当识别出邻居时，我们在它们之间创建一个链接，如图3底部所示。对于最顶层和最底层，当找不到邻居时，我们再次创建到外部区域的链接。
我们现在有一个设施的3D图表，考虑到大多数水平和垂直链接。最后一步是创建表示垂直运输的边缘，例如电梯或楼梯。当我们考虑单层楼的成本旅行一套楼层的成本时，我们只在相邻楼层之间创建边缘。从图形的角度来看，这大大减少了边数，同时仍然准确地捕获了可用路径。
例如，在通过图表从楼梯井水平1移动到楼梯井水平2到楼梯井水平3时，在成本方面在功能上是相同的，因为它将从楼梯井水平1行进到楼梯井水平3。通过逐级链接，我们降低了图的计算复杂度，而没有真正的保真度损失。
3.2 建模的安全性-静态分析
可以从三个D的原则考虑安全性; 延迟，检测和扣留。延迟代表攻击者到达目标并逃脱的时间，检测沿途发现它们的可能性并确定及时拦截它们的概率。到目前为止，我们一直在对Delay进行建模，并将在下面讨论我们这样做的方法。
我们应该注意到，目前我们还没有解决由于房间内的移动造成的延误问题，例如攻击者走路或跑步。这是由于这种计算的复杂性，遗憾的是，我们目前的研究范围内可能无法解决这些问题。如果时间允许，我们很可能会考虑采用基于或类似于通用循环网络（UCN）的模型[11]。
UCN试图在一个环境中捕捉更真实的人类运动，而不是简单的中心线方法，在这种方法中，人们需要采取最直接的路线。对于安全建模而言，类似人类的最佳案例导航可能会很好地指示延迟有效性，扩展其工作也很有趣。在给定时间的情况下，我们可以研究将攻击者熟悉的区域，对象杂乱和攻击者移动性障碍与工具负载相结合。
对于较大的设施来说，结合类似于Werner等人所做的工作的分层路线图系统也是有趣的[22]。这可以允许对设施内的攻击者移动进行流体评估，并且还可以攻击适用于通过汽车或其他运输方式到达区域的路线。但是现在我们必须在没有这些延迟信息的情况下进行分析。
鉴于3.1节中生成的图形，我们有一个计算可搜索的设施表示。我们现在为边缘分配适当的成本
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