基于BIM的鐵路時空信息云平臺構建與應用

王 鼎

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

我國鐵路網規模將達15萬km，并形成八縱八橫的高鐵網，在此基礎上，基于定位系統、物聯網傳感設備等我國鐵路數據總量已經約有10PB，鐵路大數據已然成為鐵路行業發展過程中不可忽視的關鍵一環[1]。鐵路時空大數據在獲取信息和支撐平臺建設中起到非常重要的作用，而平臺要解決這些海量數據的清洗、存儲、共享和應用擴展等問題。另外，只有通過信息平臺將鐵路方面的相關數據匯集起來再按一定形式發布出去，才能打通數據共享、協作的壁壘[2]，助力鐵路行業構建高效、協同、安全新發展，實現鐵路行業的高度信息化、智能化發展。

1 傳統鐵路數據平臺現狀與問題

傳統的鐵路數據平臺建設雖然取得了不錯的信息化成果，但是受技術發展、經費制約、組織方式等因素影響，還是存在著一些問題。首先，前期的鐵路信息化建設處在打基礎階段，大多缺乏統籌規劃，短期的計劃沒有考慮長期需求，使得數據不能高效集成、有效共享，造成數據“遺忘角落”“信息孤島”的現象發生[3]。其次，鐵路系統各部門、各業務單位為了鐵路信息化改造，分別采購BIM、GIS等專業軟件和鐵路相關數據（地理時空數據、工務時空數據等），造成人力、物力、成本的大量浪費。最后，隨著技術革新升級平臺軟硬件架構，可能會導致軟件、硬件、服務等多方面的信息安全隱患，而已有的信息系統安全防護措施未達到風險抵御能力級別[4]。

2 基于BIM的鐵路時空信息云平臺構建規劃

基于BIM的鐵路時空信息云平臺是結合物聯網和云計算架構并依據標準體系規范和系統安全體系構建的，以打造多類型、多時空、多層級的鐵路時空信息云平臺體系。該架構如圖1所示，總共分為5層，分別是感知層、網絡層、數據層、平臺層和應用層。

（1）感知層是層次結構中的關鍵部分。該層主要涉及RFID標簽、智能終端等物聯感知終端設備，傳感器、無人機等信息收集終端設備，以及遙感衛星、北斗衛星等外部資源。

（2）網絡層位于感知層和數據層之間，完成信息的傳輸。網絡主要構成有專用網絡、公共網絡和通信衛星網，由于有些數據屬于不公開涉密信息，因此需要架設專用網絡或通過加密途徑進行傳輸。

圖1 基于BIM的鐵路時空大數據云平臺架構圖

（3）數據層。虛擬資源管理，利用云計算的虛擬化技術對物理計算資源進行整合或規劃。安全虛擬化，有效保障在網絡環境下平臺和儲存數據不受病毒感染，提高服務器和操作系統配置的靈活性和運轉速度。基于IFC標準、涵蓋工程項目全生命周期的各類BIM模型數據存儲在數據庫中，數據庫根據存儲內容的不同分類為時空基準數據庫、空間動態數據庫、多源時空數據庫、空間媒體數據庫。①時空基準數據庫：主要存儲由北斗衛星導航系統提供的時間基準數據和空間基準數據，前者包括基于北斗的守時和授時系統數據等，后者包括全國統一的大地基準、高程基準等數據。②空間動態數據庫：該數據庫涉及鐵路行業北斗衛星導航系統基準站采集的數據和軌跡數據。其中，軌跡數據為通過北斗定位測量的人員軌跡數據、群體軌跡數據、貨物軌跡數據等。③多源時空數據庫：存儲由感知層各種終端設備所采集來的數據、照片、音頻、影像等信息，如RFID標簽信息、傳感器采集的檢測數據、無人機采集的傾斜攝影數據和視頻影像等。④靜態信息數據庫：該數據庫存儲短時期不會快速變化的數據。涉及的數據有地圖或地圖集數據、BIM模型定位信息、圖紙文檔以及BIM模型構件信息及屬性（如尺寸、材質、功能）等，其中地圖或地圖集數據包括數字柵格地圖（digital raster graphic,DRG）數據、數字高程模型（digital elevation model,DEM）數據、數字線劃地圖（Digital Line Graphic,DLG）和數字正射影像地圖（digital orthophoto model,DOM）數據等。

（4）平臺層。該層主要有業務支撐平臺和能夠支撐平臺、服務的運行環境。業務支撐平臺主要提供時空數據采集、清洗、計算、挖掘、查詢、預測、共享發布等服務。其他四類功能輔助平臺運行，安全管理有身份認證、訪問控制等，主要保障安全性，防止數據外泄；中間件引擎有消息隊列、服務總線等，有效集成各服務；工作流引擎有流程管理、任務管理等，改進平臺性能；資源管理有負載均衡、監視統計等，使資源調整更靈活和高效。

（5）應用層。基于以上服務、功能、業務平臺，對鐵路業務從規劃、設計、施工、運維全生命周期進行智慧化應用，比如智能路網供電、智能運行維護、智慧設施檢測、智慧鐵路樞紐等。

3 基于BIM的鐵路時空大數據云平臺應用

3.1 智慧鐵路樞紐應用

智慧鐵路樞紐是利用物聯網、云計算、大數據等一系列技術構建一個布局立體、出行便捷、換乘高效且更加人性化的鐵路綜合交通樞紐。基于BIM的鐵路時空大數據云平臺的使用，在規劃設計階段，結合4D（DRG、DLG、DOM、DEM）數據、坡度數據等信息構建三維地形實景模型，在模擬環境中論證規劃建設的綜合鐵路樞紐，分析周邊環境對建設過程的影響，得到一個資源、環境、成本多方均衡的規劃結果。利用BIM三維可視化，對鐵路樞紐的BIM模型進行交通規劃驗證，優化交通站點布局；通過平臺專業協同，減少設計過程中存在的“錯漏缺碰”；分析人員行動路徑，優化人流產生的沖突點，改善客流擁擠狀況。

施工運維階段，在設計BIM模型中輸入材料、結構和設備等信息形成施工BIM模型，各專業施工人員可從模型仿真中理解施工流程、工藝工法，以此減少施工誤差、工程碰撞發生。通過BIM技術模擬施工現場，合理劃分各區域，形成合理的人車物交互動線。此外，該平臺可對建筑內部各設備進行聯網管理，當有突發事件發生時，可以輔助管理者對現場做出決策；利用大數據分析人員軌跡及行為，及時鎖定并上報危險事件，提升安全管理水平。

3.2 智慧建設應用

基于平臺實現建設過程多主體協調、多專業集成、多功能整合。在建設區域布設視頻監控，通過局域網或互聯網將施工狀況實時傳遞給管理人員，以全面管理建設過程，及時調整物料資源、施工工序；可在該平臺分類存儲設計、施工、監理、建設等相關信息（包括設計圖紙、工藝標準、施工影像等），以達到資源互通、專業協同、技術交換的效果。利用BIM模型進行施工圖復核；利用BIM三維動畫模擬施工進度和施工工藝，完成重大結構施工方案、主要工序等的可行性論證；結合介導現實等技術，在建設場景中實現獲取模型構件屬性信息、間距測量或構件調整等操作。

3.3 智慧工務應用

既有鐵路工務巡檢原先主要分為靜態、動態檢測，軌檢小車或巡檢作業車所產生的數據都是人工、定時產生的，檢測數據缺乏實效性和交互性，結合物聯網技術和該平臺，用感知層中的設備檢測鐵路基礎設施服役狀態和地質狀況，監測數據可通過5G網絡實時傳遞到平臺，經數據清洗并處理后供技術人員分析預測，提前防范災害、事故[5]。

建立工務電子地圖，將鐵路基礎設施的相關屬性、運維狀況、工務巡檢安全等級范圍展示在地圖上，直觀展示鐵路基礎上設施的服役、監測狀況。建立智慧工務駕駛艙，通過柱狀圖、熱力圖、儀表盤等可視化技術全方位展現系統運行、變化趨勢、監測指數等情況，全方位監控工務巡檢工作。

4 結束語

文章根據目前鐵路信息化、智能化的實際需求，提出基于BIM的鐵路時空信息云平臺的構建，并列出三點適用于不同階段、環境的應用場景，為鐵路行業良好發展提供準確、全面、綜合的服務信息。