Từ hàng không đến hạ tầng dữ liệu liên thông ngành Xây dựng

Nếu thế giới có thể quản lý một tàu bay di chuyển qua nhiều quốc gia, nhiều vùng trời, được theo dõi bởi nhiều cơ quan và nhiều hệ thống công nghệ khác nhau mà vẫn duy trì được danh tính, trạng thái và trách nhiệm, thì liệu ngành xây dựng có thể làm điều tương tự với một công trình tồn tại 50, 100 năm hoặc lâu hơn? Câu hỏi này mở ra một cách nhìn khác về BIM và chuyển đổi số xây dựng. Vấn đề không còn chỉ là làm thế nào tạo ra mô hình ngày càng chi tiết, mà là làm thế nào để thông tin của công trình vẫn được nhận biết, hiểu đúng, kiểm chứng và tiếp tục sử dụng khi phần mềm, tổ chức, tiêu chuẩn và con người đã thay đổi nhiều lần.

Một công trình thường “sống lâu hơn” rất nhiều so với hệ thống thông tin tạo ra nó. Công trình có thể tồn tại một thế kỷ, nhưng một phần mềm chỉ phổ biến trong vài chục năm; một phiên bản định dạng dữ liệu có thể thay đổi sau vài năm; nhà tư vấn, nhà thầu, chủ đầu tư và đơn vị vận hành cũng lần lượt xuất hiện rồi rời khỏi dự án. Vì vậy, giữ được file không đồng nghĩa với giữ được thông tin. Một file BIM còn nguyên sau 50 năm nhưng không ai biết nó mô tả trạng thái nào của công trình, được tạo theo tiêu chuẩn nào, ai xác nhận và dữ liệu nào đã được kiểm chứng thì giá trị của nó sẽ giảm rất nhiều. Chuỗi số, hay Digital Thread, có thể bị đứt ngay cả khi file vẫn còn.

Hàng không là một trường hợp đáng nghiên cứu bởi ngành này từ lâu đã phải giải quyết bài toán liên thông giữa nhiều quốc gia, tổ chức và hệ thống độc lập. Một chuyến bay quốc tế không hoạt động trong một hệ thống thông tin duy nhất. Trong hành trình, nó đi qua nhiều vùng thông báo bay, nhiều cơ quan kiểm soát không lưu và nhiều hệ thống kỹ thuật. Điều quan trọng không phải tất cả các bên sử dụng cùng một phần mềm, mà là họ có những quy tắc đủ thống nhất để nhận biết đối tượng, trao đổi thông tin và chuyển giao trách nhiệm.

Khái niệm Quản lý thông tin toàn hệ thống, System Wide Information Management (SWIM), của hàng không đặc biệt đáng chú ý ở điểm này. Thay vì xây dựng vô số kết nối riêng giữa từng cặp hệ thống, SWIM hướng tới trao đổi thông tin thông qua các dịch vụ và mô hình thông tin được chuẩn hóa. Các lĩnh vực khác nhau có những mô hình trao đổi chuyên biệt như Mô hình trao đổi thông tin hàng không, Aeronautical Information Exchange Model (AIXM), Mô hình trao đổi thông tin chuyến bay, Flight Information Exchange Model (FIXM), hay Mô hình trao đổi thông tin khí tượng ICAO, ICAO Meteorological Information Exchange Model (IWXXM). Bài học quan trọng đối với xây dựng không phải sao chép các mô hình này, mà là học nguyên lý kiến trúc phía sau chúng: chuẩn hóa cách các hệ thống hiểu và trao đổi thông tin thay vì bắt tất cả các hệ thống trở thành một.

Nguyên lý đó có thể diễn đạt đơn giản là “Standardize the exchange, not the whole system”, tức là chuẩn hóa trao đổi chứ không đồng nhất toàn bộ hệ thống. Đây là một khác biệt rất quan trọng. Trong xây dựng, chúng ta không cần tạo ra một phần mềm quốc gia thay thế Revit, Archicad, GIS, hệ thống quản lý tài sản hay Môi trường dữ liệu chung, Common Data Environment (CDE). Các hệ thống vẫn có thể tồn tại độc lập. Điều cần thiết là khi chúng trao đổi với nhau, bên nhận phải biết đối tượng đang được nói tới là gì, thông tin thuộc trạng thái nào, được tạo khi nào, theo quy tắc nào, ai chịu trách nhiệm và bằng chứng nào chứng minh thông tin đó đáng tin.

BIM hiện đã có nhiều thành phần quan trọng cho việc này. Industry Foundation Classes (IFC) hỗ trợ biểu diễn và trao đổi dữ liệu công trình; Information Delivery Specification (IDS) có thể mô tả các yêu cầu thông tin theo dạng máy có khả năng kiểm tra; BIM Collaboration Format (BCF) hỗ trợ trao đổi vấn đề và phối hợp; buildingSMART Data Dictionary (bSDD) hỗ trợ ngữ nghĩa và từ điển dữ liệu; Construction Operations Building Information Exchange (COBie) hỗ trợ một số dạng thông tin bàn giao phục vụ vận hành. Tuy nhiên, không nên coi các công cụ này là bản sao trực tiếp của AIXM, FIXM hay IWXXM. Chúng mới là những thành phần có thể tham gia vào một kiến trúc trao đổi lớn hơn. Điều ngành xây dựng còn thiếu là cơ chế kết nối chúng thành một chuỗi thông tin xuyên vòng đời có khả năng truy nguyên và kiểm chứng.

Một nguyên nhân quan trọng khiến chuỗi này dễ đứt là chúng ta thường đặt quá nhiều chức năng vào mô hình hoặc file. Danh tính, Identity, thường gắn với mã của phần mềm hoặc Global Unique Identifier (GUID). Trạng thái, State, của công trình đôi khi chỉ được phân biệt bằng tên file như thiết kế, phát hành, hoàn công hay cập nhật. Bằng chứng, Evidence, lại nằm trong các báo cáo, bảng tính, biên bản hoặc email khác nhau. Trách nhiệm, Responsibility, thường nằm trong hợp đồng, chữ ký hoặc trí nhớ của tổ chức. Khi phần mềm thay đổi, mô hình được xuất lại hoặc dữ liệu được chuyển sang hệ thống khác, những liên kết này rất dễ mất.

Vì vậy cần tách ít nhất bốn khái niệm: Danh tính, Identity; Trạng thái, State; Bằng chứng, Evidence; và Trách nhiệm, Responsibility. Một đối tượng vật lý không phải là Revit ID, cũng không phải IFC GlobalId, GIS ID hay Asset ID. Những mã này chỉ là các định danh của đối tượng trong từng hệ thống hoặc từng biểu diễn. Đối tượng cần một cơ chế Danh tính bền vững, Persistent Identity, cho phép nhận ra rằng nhiều bản ghi khác nhau trong nhiều hệ thống thực chất đang nói về cùng một đối tượng.

Nguyên lý này có thể diễn đạt thành: một đối tượng, một danh tính bền vững, nhiều mã hệ thống, nhiều cách phân loại và nhiều cách biểu diễn. “One Object, One Persistent Identity, Many System IDs, Many Classifications, Many Representations.” Một cánh cửa có thể xuất hiện trong mô hình thiết kế, IFC, hệ thống GIS, hồ sơ nghiệm thu và cơ sở dữ liệu quản lý tài sản dưới những mã khác nhau, nhưng Digital Thread phải cho phép xác định chúng thuộc cùng một đối tượng vật lý.

Khó hơn nữa là công trình không đứng yên. Một phòng có thể được chia thành hai phòng. Hai khu đất có thể hợp nhất. Một thiết bị được tháo bỏ và thay bằng thiết bị mới. Một cây cầu có thể được mở rộng, gia cường rồi thay thế một phần kết cấu. Vì vậy Danh tính bền vững, Persistent Identity, không thể chỉ là việc cấp một mã rồi giữ mã đó mãi mãi. Hệ thống còn phải mô tả được lịch sử hình thành, chia tách, hợp nhất, thay thế và chấm dứt của đối tượng. Có thể gọi đây là Phả hệ thực thể, Entity Genealogy.

Trạng thái cũng cần được tách khỏi bản thân file. Công trình tại thời điểm thiết kế là một trạng thái. Công trình sau thi công là trạng thái khác. Sau cải tạo lại xuất hiện trạng thái mới. Điều quan trọng không chỉ là giữ từng trạng thái mà phải chứng minh được tại sao trạng thái sau được hình thành từ trạng thái trước. Đây chính là nơi Bằng chứng, Evidence, trở thành thành phần trung tâm của Digital Thread.

Mỗi lần thay đổi quan trọng cần được xem như một Chuyển đổi trạng thái có kiểm chứng, Verified State Transition. Hệ thống cần biết trạng thái trước là gì, thay đổi điều gì, dữ liệu nào được sử dụng, quy tắc nào được áp dụng, ai hoặc hệ thống nào kiểm tra, kết quả kiểm tra ra sao, ai phê duyệt và trạng thái mới nào được hình thành. Khi đó lịch sử công trình không còn đơn thuần là một thư mục chứa hàng nghìn phiên bản file. Nó trở thành một chuỗi các trạng thái được nối với nhau bằng bằng chứng.

Một yếu tố thường bị bỏ quên là phiên bản của quy tắc. Một kết quả kiểm tra chỉ thực sự có nghĩa khi biết nó được kiểm theo quy tắc nào. Quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật, hệ thống phân loại, định mức, đơn giá, IFC Schema, IDS và Mapping Rules đều thay đổi theo thời gian. Nếu chỉ lưu kết quả mà không lưu Quy tắc và phiên bản quy tắc, Rule and Rule Version, thì vài chục năm sau có thể không tái hiện được tại sao hệ thống từng kết luận một đối tượng là đạt hay không đạt. Vì vậy Digital Thread phải bảo tồn không chỉ dữ liệu mà cả bối cảnh dùng để diễn giải dữ liệu.

Từ đây có thể định nghĩa One Digital Thread của công trình là chuỗi liên tục các trạng thái thông tin có thể kiểm chứng của cùng một tài sản hoặc đối tượng xây dựng, được liên kết bởi danh tính bền vững, các lần chuyển giao hoặc thay đổi có xác nhận, bằng chứng có nguồn gốc và phiên bản của các quy tắc đã được áp dụng. Tại một thời điểm bất kỳ, chuỗi đó phải giúp con người hoặc máy trả lời được ít nhất các câu hỏi: đây là đối tượng nào, nó từng ở trạng thái nào, điều gì đã thay đổi, thay đổi khi nào, theo quy tắc nào, ai chịu trách nhiệm và bằng chứng nào chứng minh điều đó.

Điều này dẫn tới một nhận thức quan trọng hơn: One Digital Thread không nhất thiết yêu cầu tất cả dữ liệu của công trình phải được đưa vào một cơ sở dữ liệu khổng lồ. Dữ liệu có thể tiếp tục phân tán trong BIM, GIS, CDE, hệ thống quản lý tài sản, cơ sở dữ liệu của cơ quan nhà nước và những hệ thống tương lai mà hôm nay chúng ta chưa biết. Digital Thread đóng vai trò kết nối và duy trì khả năng nhận dạng, truy nguyên và kiểm chứng giữa chúng.

Nếu áp dụng tư tưởng SWIM vào xây dựng, có thể hình dung một “SWIM for Construction”, nhưng đây là sự tương đồng về nguyên lý kiến trúc chứ không phải sao chép hệ thống hàng không. Kiến trúc này cần ít nhất một Sổ đăng ký danh tính, Identity Registry, để quản lý danh tính bền vững; một lớp ngữ nghĩa và mô hình thông tin, Semantic and Information Layer, để các hệ thống hiểu dữ liệu; một Sổ đăng ký yêu cầu và quy tắc, Requirement and Rule Registry, để quản lý yêu cầu, tiêu chuẩn và phiên bản; một Lớp dịch vụ và trao đổi, Service and Exchange Layer, để các hệ thống giao tiếp; một Sổ bằng chứng, Evidence Registry, để lưu khả năng truy nguyên của hoạt động kiểm tra; và một Lớp giao dịch và nhật ký kiểm toán, Transaction and Audit Layer, để ghi nhận thay đổi, chuyển giao, xác nhận và trách nhiệm.

Trong bối cảnh Việt Nam, ý tưởng Hạ tầng dữ liệu xây dựng Việt Nam, Construction Data Infrastructure Vietnam (CDI-VN), có thể được phát triển theo hướng này. CDI-VN không nên được hiểu là một phần mềm BIM quốc gia, cũng không phải một kho dữ liệu trung tâm chứa toàn bộ mô hình công trình Việt Nam. Giá trị lớn hơn của nó là trở thành hạ tầng để nhiều chủ thể, nhiều hệ thống, nhiều định dạng và nhiều tiêu chuẩn vẫn có thể tham gia vào cùng một chuỗi thông tin đáng tin cậy.

IFC, IDS, BCF, COBie, bSDD, hệ thống phân loại Việt Nam trong tương lai, GIS, CDE và các nền tảng quản lý tài sản khi đó không cạnh tranh để trở thành “nguồn sự thật duy nhất”. Mỗi thành phần thực hiện chức năng phù hợp với nó, trong khi Digital Thread duy trì quan hệ giữa các thành phần. Đây cũng là lý do cần chuyển tư duy từ “Single Source of Truth” theo nghĩa một nơi chứa tất cả sang một hệ thống trong đó sự thật có thể được truy nguyên và kiểm chứng qua nhiều nguồn có thẩm quyền.

Một thí điểm thực tế có thể bắt đầu từ một công trình cụ thể. Ngay khi hình thành yêu cầu đầu tư, công trình và các đối tượng quan trọng được thiết lập danh tính. Khi thiết kế, các yêu cầu được liên kết với đối tượng. Khi mô hình được kiểm tra, kết quả kiểm tra và bằng chứng được ghi nhận. Khi thiết kế được phê duyệt, một trạng thái được xác nhận. Trong thi công, những thay đổi tiếp tục tạo ra trạng thái mới. Khi nghiệm thu, dữ liệu thực tế được gắn với bằng chứng nghiệm thu. Khi bàn giao, trách nhiệm thông tin được chuyển sang đơn vị vận hành. Khi cải tạo sau 20 năm, chuỗi tiếp tục thay vì bắt đầu lại từ một bộ hồ sơ mới.

Phép thử quan trọng nhất của kiến trúc này không phải mô hình hôm nay có đẹp hay chi tiết đến đâu. Hãy giả định Revit không còn tồn tại, IFC đã chuyển qua nhiều thế hệ schema, nhà thầu đã giải thể, người lập mô hình đã nghỉ hưu, quy chuẩn đã thay đổi nhiều lần và hệ thống CDE ban đầu không còn hoạt động. Nếu một hệ thống khác vẫn có thể xác định đây là đối tượng nào, dữ liệu đến từ đâu, trạng thái nào đã được phê duyệt, quy tắc nào từng được sử dụng và bằng chứng nào chứng minh quyết định đó, thì Digital Thread vẫn còn.

Do đó, mục tiêu dài hạn không phải là bảo tồn một mô hình BIM trong 100 năm. Không ai có thể bảo đảm phần mềm hôm nay còn tồn tại sau một thế kỷ. Điều cần bảo tồn là khả năng nhận dạng, diễn giải, truy nguyên và kiểm chứng công trình trong 100 năm. Mô hình có thể thay đổi, định dạng có thể thay đổi, phần mềm có thể biến mất và tổ chức có thể được thay thế, nhưng danh tính, lịch sử trạng thái, nguồn gốc, quy tắc và bằng chứng phải có khả năng tiếp tục được tái dựng.

Đây có lẽ là bài học sâu nhất mà ngành xây dựng có thể học từ hàng không. Hàng không không vận hành an toàn vì toàn thế giới sử dụng một phần mềm duy nhất. Nó vận hành nhờ một kiến trúc trong đó các chủ thể khác nhau có thể nhận biết cùng một đối tượng, trao đổi những thông tin cần thiết, chuyển giao trách nhiệm và tiếp tục hoạt động trong một hệ thống có quy tắc. Với xây dựng, bước tiếp theo của BIM vì thế có thể không phải là tạo thêm một mô hình lớn hơn, mà là xây dựng một hạ tầng niềm tin số, Digital Trust Infrastructure, đủ để công trình có một lịch sử số liên tục, có bằng chứng và có thể kiểm chứng xuyên suốt vòng đời.