基于 BIM 技術的城市軌道交通車輛基地可視化智能運維系統

郭 欽，劉 奧

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通發展迅速，成為重要的城市公共交通方式。截至2019年底，我國內地共有40個城市開通城市軌道交通運營線路，里程共計6736.2 km[1-2]。城市軌道交通車輛基地作為列車停放、檢修、保養的重要場所，隨著線網規模的逐漸擴大，對運維水平也提出了更高的要求。而傳統的以人工為主的二維運維模式，已無法滿足當前的運維需求，現代化運營手段不足、檢修效率低、時間緊等因素成為城市軌道交通車輛基地高效運營、持續發展的阻力[3-5]。

隨著建筑信息模型（BIM）等現代信息技術的發展及在城市軌道交通行業的推廣應用，城市軌道交通車輛基地的運維模式逐漸向三維可視化、智能化方向發展，部分城市已進行了初步的研究和嘗試，但目前仍沒有較好、完整的研究成果和應用案例。此外，BIM技術目前在城市軌道交通設計、建設領域中的應用比較廣泛，但在運維過程中應用較少。在此背景下，本文將BIM技術應用到車輛基地運維中，創建基于BIM技術的車輛基地可視化智能運維系統，以提高其運維的效率、可靠性和安全性。

2 系統技術路線

本文通過調研武漢、昆明、溫州等地的城市軌道交通智能運維需求，構建基于BIM技術的車輛基地可視化智能運維系統，對車輛基地內的車輛、工藝檢修設備、既有信息化系統等進行標準化、集成化管理。該系統通過車輛及檢修設備數據接口，調取車輛和檢修設備的運行數據；通過構建完整的車輛基地BIM模型，對其場景進行1 : 1還原，并將車輛和檢修設備的運行數據進行三維可視化顯示，以實現其可視化智能運維。該系統技術路線如圖1所示。

3 系統構架

該系統的構架從底層到頂層分別為：源數據層、數據接入層、數據處理層、支撐層、應用層、展示層，如圖2所示。

3.1 源數據層

源數據層包括基礎數據、管理數據、監測監控數據。基礎數據包括車輛履歷信息、車輛部件信息、設備信息、建筑BIM數據、車輛BIM數據、地理信息系統（GIS）數據等。管理數據包括檢修、配屬、故障、配件更換等歷史數據，以及占用股道信息、設備使用記錄等。監測監控數據在該系統中為預留接口，接口通過連

接傳感器、攝像頭等數據收集裝備獲取各類監控數據，包括設備狀態、監控設備狀態、車輛運行維護狀態及車輛基地建筑實時信息等監控數據。

圖1 系統技術路線

圖2 系統構架

3.2 數據接入層

數據接入層負責為系統提供數據，通過數據接口可連接資產管理、人員調度等既有系統，以及視頻監控、溫度傳感等設備，并預留可擴展的其他IoT接口。其中，針對既有系統，數據接入的方式是依靠協議交換數據信息，實現方法為軟件數據通信、協議轉換和數據采集；針對監控設備，數據接入的方式是依靠數據接口和協議交換數據信息，通過數據采集器、集成數據采集器和單類多功能數據采集器實現；針對未來可擴展的其他IoT接口，提前制定了標準化協議與接口，以保證通用性，減少工作量。

3.3 數據處理層

數據處理層支持基礎數據的分層儲存和各類管理，包括歷史數據、實時數據、增量數據等。該層會根據分層標準和用戶需求對從數據接入層獲取到的各類數據進行標準化和優化處理，既可避免數據冗余，又可對數據進行快速查詢和修改等。此外，為保證操作人員可隨時隨地查看相關數據，數據處理層在對數據進行標準化和優化處理后，會將數據傳至云端，完成對接。

3.4 支撐層

支撐層負責為系統運行提供業務邏輯的支撐，保證同一用戶在不同模塊中的一致性，實現不同應用的互通性，并保證系統能夠自由進行擴展開發。其功能包括用戶權限管理、系統日志管理、表單模塊管理、組織結構管理、系統認證登錄和系統運行維護。

3.5 應用層

應用層為主要功能模塊，用以滿足具體的用戶需求，包括建筑結構、車輛結構及三維文件可視化呈現，BIM文件管理與維護，車輛狀態及視頻監測，設備狀態及視頻監測等模塊。

3.6 展示層

展示層是系統和用戶交互的界面，支持多類型終端訪問，特別是手機端和電腦端，以便于操作人員在現場使用。同時，展示層充分體現了BIM技術的優勢，以三維可視化的方式對車輛、設備、構件等的細節信息進行展示，并支持拖拽放大、定位功能，便于操作人員從多角度深入探查細節信息。

4 系統功能模塊

根據車輛基地相關運營需求，車輛基地可視化智能運維系統應實現對車輛狀態、主要檢修設備運行狀態、車輛檢修過程數據的可視化集成顯示，因此建立BIM可視化管理、車輛信息可視化管理、設備信息可視化管理、監控設備集成管理、基于BIM模型的圖文檔管理5 個功能模塊[6-7]，如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

4.1 BIM可視化管理

BIM可視化管理模塊的功能有：①實現BIM模型在可視化系統中的顯示和操作管理，以及BIM模型與實景模型的實時數據融合，保證操作人員在系統中獲取的數據與現實數據相同[8]；②實現BIM模型與實景模型的輕量化，及其在系統內的輕量化顯示，確保快速瀏覽、操作無卡頓[9]；③按照不同專業類別，對模型進行分層顯示，避免圖元過多造成的視線混亂。為保證系統的流暢性，降低對CPU的占用率，該模塊采取優化模型面數的方式提升系統運行效率，采用同類模型合并技術提升系統性能，進而實現BIM模型大場景下的操作無卡頓[10]。該模塊界面如圖4所示。

4.2 車輛信息可視化管理

車輛信息可視化管理模塊的功能有：①擬真化顯示車輛基地內車輛的關鍵信息，如在車輛段（場）里的運行狀態、股道占用情況、實際停留時間、車輛編號、檢修時間、檢修操作、相關乘務人員等信息；②通過對數據的實時可視化顯示，動態反映股道空間利用情況（如對車輛進行線區、股道、列位3級描述）、車輛檢修進展、車輛檢修部件等信息；③集成顯示車輛出庫、入庫位置，以及進行運動軌跡的實時追蹤；④以三維可視化的形式實時顯示車輛靜態、動態履歷及零部件等信息，為車輛的全生命周期運維提供數據支持[11]。

為實現該模塊功能，需與運營商的各類檢修運營系統數據接口進行對接，建立統一的數據接口標準；接入既有的信息化系統，獲取車輛層次結構目錄索引，并以此為依據對BIM模型進行管理，將動態履歷信息與車輛層次結構模型進行融合，實現部件結構樹與動態信息的雙向索引。該模塊界面如圖5所示。

4.3 設備信息可視化管理

設備信息可視化管理模塊通過與既有工藝設備的數據接口對接，讀取設備實時運行狀態信息和車輛相關監測數據。其功能有：①顯示設備基礎屬性信息（規格參數、零部件、安裝位置、圖紙資料等）、運行狀態信息、使用記錄、日常維護保養記錄（設備保養、潤滑、日常檢、定期檢及專項檢內容，檢修人員，檢修日期）等歷史數據和動態信息；②對設備的BIM模型進行層次結構管理，通過設備BIM模型查看設備的基礎臺賬和專業臺賬，對設備的專業屬性進行專項顯示和瀏覽；③實現設備的分層查看功能，即通過選擇對應的設備查看當前設備或該類設備的信息，包括不落輪鏇車床、輪對及受電弓在線檢測設備、洗車機、安全聯鎖系統、空壓機等[12-14]。該模塊界面如圖6所示。

圖4 BIM可視化管理界面

圖5 車輛信息可視化管理界面

4.4 監控設備集成管理

監控設備集成管理模塊通過與車輛基地既有視頻監控系統進行數據對接，集成監控攝像機數量不少于10 路，聯機數不少于30臺。其功能有：①通過對既有監控設備進行二次開發，實現在BIM模型場景中點擊監控模型即可查看該監控畫面的功能；②根據監控設備的不同健康狀態，將設備標識為不同顏色，同時在設備發生故障或預計需要檢修時發出警報；③可通過搜索設備類型和編號，或者在管理界面中拖拽模型，查看設備資產臺賬信息；④設備模型可進行旋轉，以方便查看具體發生故障的位置；⑤通過統一安全權限認證技術，實現對操作人員級別的控制及對權限動態配置的管理；⑥ 實現以樹形結構層級查詢的方式查看設備的完整層次結構，便于用戶快速查找相關信息。該模塊界面如圖7所示[15]。

4.5 基于 BIM 模型的圖文檔管理

基于BIM模型的圖文檔管理模塊具有圖紙、車輛資料及設備資料實時查看和管理功能。其中，圖紙管理功能可對所有與車輛基地相關的竣工圖紙，按照其不同用途以及所屬不同的專業進行分類管理，實現二維平面圖紙與BIM模型構件的關聯；可通過選擇專業以及輸入圖紙相關的關鍵詞，快速查找圖紙。車輛和設備資料管理功能通過外部數據接口，將車輛和設備的安裝調試手冊、操作維保規程等文檔信息結構化關聯到三維模型，通過雙向索引實現相關技術信息的快速查看。該模塊界面如圖8所示。

5 結語

本文以目前城市軌道交通車輛基地實際運營和檢修需求為出發點，對基于BIM技術的車輛基地可視化智能運維系統的構架和功能進行了詳細設計，闡述了該系統的數據層、數據接入層、數據處理層、支撐層、應用層和展示層6大構架層級的設計準則，以及BIM可視化管理、車輛信息可視化管理、設備信息可視化管理、監控設備集成管理、基于BIM模型的圖文檔管理5大模塊的功能。該系統還預留了功能擴展接口，在投入使用后可根據實際需求擴展其他相關功能。該系統的研發可推動車輛基地運維方式從傳統二維操作向三維可視化方向轉變，提升車輛基地的運維效率、可靠性和安全性。

圖6 設備信息可視化管理界面

圖7 監控設備集成管理界面

圖8 基于BIM模型的圖文檔管理界面