基于BIM的鐵路基礎設施運維管理平臺總體方案及關鍵技術研究

王志華，盧文龍，郭鵬飛，楊玲玲

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著我國高速鐵路的快速發展和信息化建設的不斷推進，鐵路行業已從大規模設計建造階段逐步向以安全運營、科學管理、高效養護為目標的運營管理階段進行轉變。目前，信息化系統幾乎深入到鐵路所有專業領域，已經成為鐵路生產和管理工作中的重要工具和戰略資源。然而，在中華人民共和國鐵路基礎設施運維管理領域中，仍然普遍存在著數據來源多元化、業務系統建設分散化、運營維護獨立化、信息存儲孤島化等問題，由于基礎核心數據資源標準不統一，使系統之間無法進行互聯互通和交互共享，給基礎設施設備的運營維護工作帶來極大的不便。探索鐵路基礎設施運維管理信息化、規范化、智能化，已成為鐵路行業現階段大力研究的熱點之一。

面對當前復雜的信息化環境和不斷涌現的先進技術，針對鐵路基礎設施運維管理的業務范圍和特點，本文將建筑信息模型（BIM）技術基于模型管理的思想應用于鐵路基礎設施運維管理平臺建設中，對平臺的系統架構和網絡架構進行了研究和設計，并對平臺建設所采用的關鍵技術進行了剖析研究，以期改進現有鐵路基礎設施運維管理模式。

1 鐵路運維管理信息化系統現狀及需求分析

1.1 信息化現狀

目前，我國鐵路運維管理信息化還處在發展階段，雖然信息化改革要求緊迫，但無法做到一步到位，只能按輕重緩急采取分步實施的策略。隨著鐵路行業的工作重心逐步轉向運維管理領域，相應的鐵路運維信息化建設也取得了初步成效，基本建成了“鐵路總公司-鐵路局集團公司（簡稱：鐵路局）”兩級、“鐵路總公司-鐵路局-站段”三級信息系統運維體系，各級運維管理部門也相繼建設了一些運維管理信息化系統及工具。但限于局部應用受到經費投入、技術支撐、組織方式等方面的約束，傳統的分割化運維管理模式已經不能滿足鐵路信息化快速發展的需求，亟待解決的問題主要有以下幾個方面：

（1）數據源頭不統一，標準化程度低，難以實現數據共享應用。鐵路基礎設施在設計和建設期積累的歷史數據資料，是開展鐵路運維工作的基礎，其來源于各參建單位的信息化系統。但由于各系統各自為政、獨立建設，因此普遍存在基礎數據格式不統一、分散存儲以及多頭維護的情況，很難將其共享給鐵路各專業運維業務系統進行使用。

（2）信息集成度不高，展示方法有限，難以直觀掌握設備狀態。目前現有各專業運維系統接收的設計建設期資料多為二維圖紙及紙質資料，這些二維圖紙難以直觀地表達基礎設施的圖形信息，并且圖紙的使用需要一定的技術能力，這給運維管理人員帶來了極大地不便。同時，紙質資料的收集和管理需要較大的工作量，不利于運維管理工作的順利展開。

（3）先進技術應用不足，使用經驗匱乏，難以滿足鐵路信息化發展的需要。目前，鐵路運維管理信息化建設尚處于快速發展階段，鐵路行業對BIM、GIS、物聯網、云計算以及大數據等先進信息化技術的運用尚未成熟，仍處在積極探索和嘗試階段。

1.2 需求分析

（1）整合信息資源，統一數據標準。立足整個鐵路行業，全面梳理各個專業既有信息資源現狀，明確數據資源的分類、分級及數據模型，借助已建成的鐵路工程建設管理平臺上的數據資源，將各運維業務系統需要共享的數據抽取出來進行標準化處理和信息擴展，包括元數據、數據元及數據庫等標準，形成標準統一的數據交換格式，打破鐵路各級各專業數據壁壘，提升設計建設期數據資源的應用價值。

（2）引入先進技術，促進綜合應用。利用BIM、GIS、物聯網、云計算、大數據等先進信息化技術的獨特優勢，優化現有的設計建設期數據資料的管理方式，建立跨業務領域的統一數據模型，并提供多樣化的功能性服務，實現鐵路各專業數據信息的統一管理與集中展現，達到信息可視化、管理智能化的目的，促進設計建設期數據資源在運維管理領域的綜合應用。

（3）設計開放接口，實現數據共享。針對鐵路各專業運維系統和各類監測監控設備，設計統一的接口規范，開發安全開放的數據接口，實現所需數據的自動化獲取，為各業務系統提供唯一、高效、實時的數據服務，為各級運維管理部門之間的互聯互通、信息共享提供技術支持。

2 基于BIM的鐵路運維管理平臺設計

2.1 建設目標

在鐵路信息化總體規劃的指導下，以構建智能鐵路運維管理平臺為宗旨，以數據集中化、標準化管理為目標，建立基于BIM的一體化鐵路運維管理平臺，實現設計建設期數據資料的充分共享及綜合應用；通過設計、施工、建設階段的數字化移交，將BIM模型承載的建設管理過程信息和動態監測信息無縫轉移到鐵路運維管理平臺上，并為各級各專業運維系統設計專用數據接口，實現設計建設數據向運維階段的共享深化；充分發揮BIM技術在鐵路基礎設施設備三維模型構建和信息集成等方面的重要作用，并結合GIS、物聯網以及云計算等先進技術，實現信息采集自動化、三維模型可視化、信息共享系統化，為鐵路基礎設施運維管理數字化、信息化及智能化夯實基礎。

2.2 總體架構

根據鐵路各專業運維管理信息系統的業務需求，通過分析既有鐵路工程建設管理平臺、鐵路運維管理平臺和各專業運維系統之間的關系，提出基于BIM的平臺運作機理，采用基于B/S框架設計，總體架構如圖1所示。

（1）感知層。感知層的主要作用是獲取基礎設施在設計建設期的動態監測數據。鐵路運維管理平臺通過應力應變傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等各類傳感設備，感知自預埋/安裝后記錄的基礎設施的狀態數據，采用自動化的方式，為平臺提供實時、準確的動態監測數據。

（2）網絡層。網絡層是將采集到的數據信息安全、快速地傳輸到鐵路運維管理平臺的通道。網絡層主要包括互聯網、物聯網和W iFi，為數據信息提供高效、實時的傳輸通道，實現各級運維管理部門、各專業運維管理信息系統通過客戶終端隨時隨地獲取數據、聲音和視頻信息。

（3）基礎設施層。基礎設施層主要為鐵路運維管理平臺的建設提供所需的服務器、網絡、存儲設備、安全設備及其他設備資源，以實現與不同級別不同專業的運維管理信息系統進行數據交換，保證鐵路運維管理平臺高性能、高可靠穩定運行，并且具有靈活的擴展性，能夠輕松應對業務發展。

（4）數據層。鐵路運維管理平臺數據層負責集中、存儲、維護和管理從鐵路工程建設管理平臺移交的靜態數據資料和從傳感設備上傳的動態監測數據信息，靜態數據資料包括設計期數據、施工期數據、竣工驗收數據、三維BIM數據、文檔資料、地理信息、多媒體資料和其他資料等；動態監測數據包括涉及各專業管轄基礎設施在建造過程中預埋的各類傳感器的監測數據。

（5）服務層。鐵路運維管理平臺服務層是實現BIM數字資產功能服務的關鍵部分，其提供對存儲數據信息的查詢、管理及發布服務。服務模塊包括接口服務、認證授權服務、搜索引擎服務以及圖形引擎服務。服務層將集成在BIM上數據資產信息，以規范標準的數據格式通過對外接口進行發布，從而滿足各專業運維系統對設計建設期數據資料和BIM功能服務的需要。

（6）應用層。應用層主要針對既有鐵路各專業運維管理系統，例如工務運維管理系統、電務運維管理系統、供電運維管理系統等，這些系統可以通過調用鐵路運維管理平臺管理的基礎設施在設計建設階段的數據資料和B IM數據，開發符合自己專業需求的個性化應用。

圖1 總體架構圖

2.3 網絡架構

借鑒鐵路工程建設管理平臺部署在互聯網的成功經驗，并遵循信息公共資源共享的鐵路信息化建設原則，本文提出如圖2所示的網絡架構。鐵路運維管理平臺主要部署在外部互聯網上，并通過鐵路計算機安全網絡平臺實現外部互聯網與鐵路內部網絡的跨網信息交換，為部署在鐵路內部網絡上的各級各專業系統終端提供數據和服務。

鐵路運維管理平臺可統一部署在鐵路總公司或鐵路局的機房，共設置3種服務器：（1）應用服務器用于應用程序和接口程序；（2）數據服務器用于存儲鐵路工程管理平臺移交的數據資料；（3）BIM服務器用于緩存、管理BIM數據。

物聯感知設備通過采用窄帶物聯網（NB-IOT）技術實現在廣域網的蜂窩式數據連接，并直接部署在GSM無線網絡上，動態監測數據可通過無線網絡傳輸到鐵路運維管理平臺上。

鐵路總公司用戶、鐵路局用戶及各專業運維管理系統通過鐵路內部網絡訪問平臺，實時調用平臺上的數據信息、獲取相關服務。

3 關鍵技術

3.1 基于NB-IOT的監測數據傳輸

針對鐵路基礎設施運維管理這一龐大而復雜的工程，需要對線路、橋梁、隧道、接觸網等沿線各種設施資產進行全面的監測、分析和預警，各類監測傳感器所產生的數據量巨大。為了將感知數據無障礙、高可靠、高安全、低成本的傳輸到鐵路運維管理平臺上，采用NB-IOT技術建立動態監測數據的傳輸網絡是可行和先進的方法。

NB-IOT技術是一種基于移動蜂窩通信的廣域物聯網技術。在鐵路運維管理平臺建設體系中引入NB-IOT技術，可以動態實時地感知、采集、監控、管理鐵路基礎設施自建設期起的現場狀況信息，并與BIM進行掛接，實現動態監測數據的可視化展示，從而提高鐵路基礎設施設備維修管理水平、確保基礎設施設備安全，保障基礎設施在業務環節中各種數據的機密性、完整性、真實性和網絡的容錯性。

圖2 鐵路運維管理平臺網絡架構

3.2 BIM技術的應用方法

BIM可按照鐵路基礎設施的實際情況精確到構件級別,且相關的工程信息（名稱、幾何、材料等信息）皆集成在相應的構件中,相較傳統的運維管理系統來說，基于BIM技術的管理平臺能夠提高整個運維管理過程的精確性、可視性和交互性，可滿足鐵路各專業運維管理部門對基礎設施進行的空間管理、資本管理、設備設施監控、公共安全管理、能耗管理等多種應用要求。

BIM技術在運維管理階段，需要更高的建模精度和更細的信息粒度，以滿足不同專業精細化運維需求，而鐵路運維管理平臺上集中管理著不同專業基礎設施的BIM竣工模型數據，這為BIM運維模型的信息深化和綜合應用提供了便利條件。因此，采用BIM技術建立統一的鐵路運維管理平臺是一項具有創新性和先進性的工作，平臺不僅要提供BIM三維可視化和信息集成化功能,還要提供相應的接口服務，以保證各級運維管理用戶能夠直接調用BIM功能性服務，開發自己專業的深層應用，實現鐵路信息集成效應與協同應用。

3.3 圖形引擎技術的選擇

三維圖形引擎是BIM工程管理平臺中重要的組成部分，圖形引擎可以直觀地把三維模型信息展示給用戶，用戶亦可以通過圖形引擎同施工場景直接交互。要建立基于BIM的鐵路運維管理平臺離不開對圖形引擎技術的研究。參考近幾年鐵路行業對BIM技術的應用經驗，目前，支撐BIM可視化的圖形引擎主要分為基于BIM數據結構的圖形引擎和基于GIS數據結構的圖形引擎。兩種圖形引擎各有優缺點,本平臺圖形引擎的選擇主要需考慮5個方面：

（1）符合B/S系統框架的要求，對瀏覽器具有很好的支持能力；（2）滿足鐵路各專業對基礎設施管理的需求，能夠對大數據量模型提供承載能力；（3）具有較強的兼容能力，支持對主流BIM建模軟件數據格式的識別能力；（4）具有一定的信息深化能力，提供對大場景、大范圍數字化模型的擴展能力；（5）能夠提供豐富的二次開發接口功能。

結合鐵路基礎設施運維管理領域的特點，本平臺選擇GIS圖形引擎，經過大量二次開發和功能改造，將其無縫嵌入到基于BIM的鐵路運維管理平臺中，從而保證瀏覽器主流BIM建模軟件模型數據無損傳遞和流暢運行，與業務功能形成雙向聯動，在滿足BIM信息完整度和精度的條件下，更能適應大區域適用場景。

3.4 云計算技術

云計算技術為構建鐵路信息共享平臺提供了新的思路和方向。云計算提供了共享數據資源的全新架構和方法，它將資源相互鏈接并整合，滿足用戶的隨時訪問和共享信息技術服務，具有安全性、可擴展性、動態調配性、快捷便利性等優勢。鑒于此，基于BIM的鐵路運維管理平臺采用云計算技術,將平臺建設所需的所有軟硬件資源布置在云端,實現更新維護工作統一在云端部署。鐵路基礎設施運維管理用戶通過門戶網站即可使用各種功能服務,極大地降低了鐵路企業對軟硬件設施的投入成本,同時又保證了不同用戶使用平臺資源不受時間和地域的限制。

4 結束語

BIM技術在鐵路基礎設施運維管理中的應用越來越廣泛，基于BIM的鐵路運維管理平臺的建設必須堅持以BIM技術為核心，統一規劃、統一標準、統一管理的原則，結合物聯網、云計算等先進技術的優勢，建立起一個鐵路基礎設施運維管理一體化平臺，完善基礎設施全生命周期數據資料，以提升鐵路各級專業運維管理部門的信息化水平和工作效率，實現鐵路企業經濟效益的最大化。