基于BIM與三維GIS集成的房建設(shè)備運(yùn)維監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王建偉，魏小娟

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；

2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路運(yùn)輸房建設(shè)備主要是指鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)使用的房屋、構(gòu)筑物及其附屬設(shè)備，比如鐵路站房、旅客站臺、站臺雨棚、變電所、通信基站、辦公樓等和附屬的電氣照明設(shè)備、水暖設(shè)備、供熱空調(diào)設(shè)備等[1]。具體分類參照鐵路運(yùn)輸房建設(shè)備大修維修規(guī)則[2]中針對房建設(shè)備的劃分。其中站臺、雨棚等的使用狀態(tài)直接影響鐵路的運(yùn)輸安全，站房、附屬物的使用狀態(tài)也不同程度的影響鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)和服務(wù)質(zhì)量。因此，對房建設(shè)備管理技術(shù)要求越來越高，涉及專業(yè)也很廣泛[3]?，F(xiàn)有管理存在一些主要問題有：人工管理和檢修效率偏低；文件資料數(shù)據(jù)量大，難于保存和管理；缺乏對信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析；管理和監(jiān)督難度大[4]。鑒于此房建設(shè)備管理迫切需要信息化的手段來提供技術(shù)支撐，可以利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)-建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）為施工管理提供可視化、信息化的手段，提高各階段信息共享水平，節(jié)約成本，避免浪費(fèi)[5]。為實(shí)現(xiàn)房建設(shè)備信息化管理，發(fā)揮信息系統(tǒng)在房建設(shè)備管理中的作用。本文依據(jù)鐵路大修相關(guān)規(guī)程規(guī)定，結(jié)合房建設(shè)備具有的空間位置特性，利用GIS與BIM融合技術(shù)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了房建設(shè)備運(yùn)維監(jiān)管信息系統(tǒng)。旨在為鐵路局、站段房建專業(yè)相關(guān)人員提供車站三維可視化展示、臺賬圖紙查詢以及運(yùn)維數(shù)據(jù)的全過程管理，以進(jìn)一步提升房建設(shè)備管理水平。

1 需求分析與設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

房建設(shè)備運(yùn)維監(jiān)管信息系統(tǒng)是以房建設(shè)備為管理對象，針對房建設(shè)備使用、檢查、維修等業(yè)務(wù)作業(yè)流程，研發(fā)適用于現(xiàn)場管理實(shí)際的應(yīng)用功能，主要包括管理信息集成展示、網(wǎng)格可視化、設(shè)備檢查、設(shè)備維修、大修改造等功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了臺賬圖紙等信息的統(tǒng)一集成，并對設(shè)備巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的問題做管理，根據(jù)問題是否危及旅客和行車安全、費(fèi)用等因素來區(qū)分是否納入檢修、綜合維修或大修更改。針對綜合維修和大修更改，根據(jù)春秋檢的情況，房建段向鐵路局土房處提出申請，待上級批復(fù)同意后進(jìn)行施工，在施工結(jié)束由車間自驗(yàn)，房建段及鐵路局土房處進(jìn)行驗(yàn)收，通過后形成紀(jì)要和竣工文件存檔，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

1.2 總體架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求分析，房建運(yùn)維監(jiān)管信息系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)組織

（1）數(shù)據(jù)范圍。系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（房建專業(yè)和其他專業(yè)數(shù)據(jù)）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（圖紙、圖片、視頻等）、接口數(shù)據(jù)（外部接入）。

（2）建模范圍。三維建模包括車站范圍內(nèi)所有專業(yè)的相關(guān)設(shè)備設(shè)施，主要為房建和其他專業(yè)。具體房建專業(yè)設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)包括：建筑物、構(gòu)筑物、排水設(shè)備、電照設(shè)備、消防系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)等。

（3）準(zhǔn)備工作。需要準(zhǔn)備車站竣工圖紙、其他專業(yè)竣工圖紙、建模區(qū)域DEM地形圖、建模區(qū)域遙感圖等。

1.2.2 數(shù)據(jù)集成與共享

（1）數(shù)據(jù)集成。將收集的臺賬數(shù)據(jù)通過抽取、轉(zhuǎn)換、形成規(guī)范化的模板數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，并且將圖紙、圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼等規(guī)范化操作錄入數(shù)據(jù)庫，與臺賬數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。

（2）數(shù)據(jù)共享。通過Oracle數(shù)據(jù)庫與ArcSDE，利用空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫中相同的字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫集成[6]。同時(shí)其他系統(tǒng)也可以通過服務(wù)調(diào)用的形式使用該模型，并獲取車站及附屬設(shè)備的空間信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2.3 三維建模

（1）BIM建模。將竣工圖紙按照建筑竣工圖、結(jié)構(gòu)竣工圖、給排水竣工圖、電氣竣工圖、暖通竣工圖、消防竣工圖和其他專業(yè)圖紙分類，以這些圖紙為基礎(chǔ)采用主流的BIM建模軟件，如Revit繪制標(biāo)高和軸網(wǎng)，分別按照類別建立車站建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)筑物、機(jī)電設(shè)備等模型，建模完成后檢查，有問題返回重新建模，待模型無誤后，貼紋理渲染最后導(dǎo)出模型。

（2）BIM與GIS轉(zhuǎn)換。工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC，Industry Foundation Classes）是Building SMART為BIM應(yīng)用提出的一種開放數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)信息的表達(dá)，共享及應(yīng)用，并已成為了國際標(biāo)準(zhǔn)（IS016739）[7]。IFC和CityGML（City Geography Markup Language）分別作為BIM和 3D GIS領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。BIM與GIS轉(zhuǎn)換是將BIM的rvt格式通過一系列操作生成ArcgisPro所要求的格式。

1.2.4 支撐技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備直觀可視化展示、過程化管理以及業(yè)務(wù)信息集成共享，需要一些關(guān)鍵技術(shù)支持，包括設(shè)備三維建模技術(shù)、多源信息集成技術(shù)、網(wǎng)格化管理技術(shù)和可視化技術(shù)。其中，在三維建模技術(shù)中，主要研究解決三維場景搭建、GIS建模、BIM建模等關(guān)鍵問題；多源信息集成技術(shù)中，主要研究解決設(shè)備原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及設(shè)備臺賬、資料參數(shù)、病害維修信息的統(tǒng)一、集成展示問題；網(wǎng)格化管理技術(shù)中，主要研究解決車站網(wǎng)格劃分規(guī)則、網(wǎng)格單元管理流程、運(yùn)用方式問題；可視化信息系統(tǒng)中，主要研究解決三維場景融合、BIM融合、模型輕量化以及系統(tǒng)功能研制等問題。

1.2.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用

結(jié)合現(xiàn)場需求情況，開展具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括集成展示、網(wǎng)格管理、設(shè)備巡檢、設(shè)備維修、更新改造、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

1.3 功能設(shè)計(jì)

結(jié)合數(shù)據(jù)展示需求和高鐵車站房建管理業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能模塊劃分如圖2所示。

（1）綜合展示。利用三維GIS和三維BIM技術(shù)，將房建設(shè)備臺賬、設(shè)備圖紙、設(shè)備圖片和設(shè)備巡檢記錄、設(shè)備維修記錄、設(shè)備大修記錄等數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)集成展示。并實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同設(shè)備的基本信息以及其他參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的查詢功能。點(diǎn)擊列表具體的設(shè)備可在三維場景中實(shí)現(xiàn)定位功能。

（2）設(shè)備巡檢。實(shí)現(xiàn)對設(shè)備巡檢的全過程管理，檢查分為日常檢查、定期檢查、春（秋）季檢查、應(yīng)急檢查、健康監(jiān)測統(tǒng)一管理，為車站房建巡檢人員提供日常檢查的線路規(guī)劃功能，各類設(shè)備的到期提醒功能，對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的病害提供病害登記功能，并建立統(tǒng)一的病害庫。

（3）設(shè)備維修。包括設(shè)備檢修和綜合維修。設(shè)備檢修管理是結(jié)合設(shè)備檢查和用戶報(bào)修，對房建設(shè)備進(jìn)行的簡單修理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。綜合維修提供對維修計(jì)劃、施工管理、維修標(biāo)準(zhǔn)管理、驗(yàn)收管理以及維修機(jī)具的管理等功能。

（4）更新改造。提供對房建設(shè)備大修周期、大修計(jì)劃、大修設(shè)計(jì)、施工過程、驗(yàn)收的全過程管理以及維修器具的管理等功能。

圖 2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)應(yīng)用

房建設(shè)備運(yùn)維監(jiān)管信息系統(tǒng)通過三維建模，發(fā)布車站三維服務(wù)，如圖3為原型車站三維場景預(yù)覽展示。如圖4在列表中選擇閘機(jī)，點(diǎn)擊具體的設(shè)備可在三維場景中實(shí)現(xiàn)定位。并且展示相關(guān)信息，包括基本臺賬、設(shè)備圖紙、設(shè)備圖片、巡檢記錄、維修記錄、大修記錄。

圖3 三維車站預(yù)覽

房建設(shè)備巡檢是為了解和掌握房建設(shè)備使用功能、技術(shù)狀態(tài)、局部病害進(jìn)行的現(xiàn)場查勘、檢驗(yàn)等，通過巡檢人員進(jìn)行日常檢查、定期檢查、春秋檢發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，做出記錄，為開展維修大修工作提供依據(jù)。設(shè)備巡檢依據(jù)巡檢周期制定巡檢計(jì)劃，同時(shí)根據(jù)巡檢周期可設(shè)置周期提醒功能。不同設(shè)備針對不同的檢查內(nèi)容可設(shè)置不同周期，如圖5所示?？砂凑赵O(shè)備、部位、周期等進(jìn)行查詢。

同時(shí)針對不同設(shè)備巡檢并且登記記錄，如針對雨棚巡檢形成的巡檢記錄，如圖6所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM與三維GIS可視化融合技術(shù)

（1）三維GIS技術(shù)。采用輕量的WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場景和模型的繪制、渲染，客戶端無需任何瀏覽器插件。CityEngine通過CGA規(guī)則建立模型的方法，能夠構(gòu)建模型庫，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)用，而且可以通過制定規(guī)則與數(shù)字地形圖緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大范圍的批量、高效建模，建出的三維模型優(yōu)化后體量較小，在三維地圖環(huán)境中加載速度更快。GIS建模適合批量建模、其建模效率高，適合大場景三維模型。

（2）BIM建模技術(shù)。BIM建模軟件建造過程比較精細(xì)，可以實(shí)現(xiàn)施工前建筑物的可視化，可以模擬搭建檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎_突的地方，同時(shí)可以出工程圖，實(shí)現(xiàn)工程方案的檢驗(yàn)和優(yōu)化。但是建模過程相對復(fù)雜，而且不能進(jìn)行批量建模，一次建模周期較長、效率低，不適合建立大范圍的三維場景。

（3）BIM+GIS融合技術(shù)[6]。將BIM的rvt格式通過Revit軟件中的插件轉(zhuǎn)換為中間格式RVZ，使用ArcGIS中的工具將其轉(zhuǎn)換為主要提供屬性信息存儲(chǔ)的FeatureClass，導(dǎo)入三維模型導(dǎo)出路線中生成的OBJ文件與屬性文件導(dǎo)出路線生成的屬性文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終生成含有屬性信息的多面體（Multipatch）文件并儲(chǔ)存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。這個(gè)過程基本由軟件完成，顏色和透明度會(huì)保存比較完整，整體效果比較理想。

3.2 房建設(shè)備系統(tǒng)化模塊建模技術(shù)

針對高速鐵路客運(yùn)站實(shí)際特點(diǎn)，為滿足車站建筑、空調(diào)系統(tǒng)、水暖系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施在復(fù)雜空間位置及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的直觀展示要求，明確建模范圍，需要準(zhǔn)備的資料有車站竣工圖紙、其他專業(yè)竣工圖紙、建模區(qū)域數(shù)字高程模型（DEM）地形圖、建模區(qū)域遙感圖等，采用模塊化系統(tǒng)建模，基于GIS+BIM技術(shù)，對外部可見設(shè)備以及設(shè)備間隱蔽工程進(jìn)行建模。研究高鐵房建設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系，隱蔽工程各系統(tǒng)設(shè)備通路的建模方法和一般規(guī)律。

3.3 海量數(shù)據(jù)量條件下三維地理信息展示與模型優(yōu)化技術(shù)

車站內(nèi)設(shè)備類型多、數(shù)量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜。針對大數(shù)據(jù)量模型實(shí)時(shí)可視化展示問題，本研究將采用與視點(diǎn)相關(guān)的適合大數(shù)據(jù)量三維模型實(shí)時(shí)繪制的簡單高效的算法，并根據(jù)模型的復(fù)雜度的不同對三維地理信息數(shù)據(jù)間隔提取然后渲染，采用抽殼技術(shù)和細(xì)節(jié)層析技術(shù)過濾冗余信息，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率[10]，保留三維模型必要的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)信息等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化和壓縮，減少模型瀏覽需要的工作量。保證模型在一定的精度條件下具有較高的壓縮比，從而顯著降低了車站三維地理信息模型的復(fù)雜度和計(jì)算量；同時(shí)有效地簡化三維模型的繪制，提高三維模型實(shí)時(shí)渲染效率。

3.4 基于空間信息的多維格網(wǎng)劃分技術(shù)

本研究以空間信息為基礎(chǔ)，按照區(qū)域進(jìn)行格網(wǎng)劃分，同時(shí)以系統(tǒng)、設(shè)備類型、隱蔽工程等多維度建立立體格網(wǎng)，從而能夠?qū)Ψ拷ㄔO(shè)備進(jìn)行多視角的關(guān)聯(lián)分析。多維網(wǎng)格化管理是將車站房建設(shè)備按照建筑空間位置、系統(tǒng)影響范圍或者運(yùn)營管理職責(zé)范圍等一定的外在標(biāo)準(zhǔn)劃分成若干網(wǎng)格單元，利用現(xiàn)代信息技術(shù)和協(xié)調(diào)機(jī)制，構(gòu)建能夠精確監(jiān)控車站設(shè)備狀態(tài)、及時(shí)進(jìn)行設(shè)備維修決策的虛擬車站，更徹底、更精細(xì)的進(jìn)行設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)更全面的設(shè)備狀態(tài)信息互聯(lián)互通，為車站房建設(shè)備閉環(huán)管理提供基礎(chǔ)支撐，這是高速鐵路車站房建設(shè)備管理的核心要求。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)基于房建設(shè)備管理相關(guān)技術(shù)要求與現(xiàn)場實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)高速車站房建專業(yè)信息相關(guān)數(shù)據(jù)的集成可視化管理；在三維場景中實(shí)現(xiàn)可見設(shè)備與隱蔽工程的基礎(chǔ)展示，包括圖紙等在線預(yù)覽功能，可為提高檢修效率提供支持。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對房建設(shè)備檢查、維修以及大修技改的全過程管理，通過GIS和BIM技術(shù)深度融合，將進(jìn)一步提升車站信息化和管理能力。此外，系統(tǒng)試驗(yàn)已在丹陽北站、天津南站開展試點(diǎn)，研究不同鐵路局的管理方式，做到統(tǒng)籌兼顧，具備應(yīng)用推廣價(jià)值。