基于BIM的綜合維修生產管理信息系統設計與實現

李俊波，沈 鹍，王東妍，郝貴才

（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）

全國鐵路營業里程“十三五”期間增加至14.63萬km，其中，高速鐵路達到3.79萬km，“八縱八橫”高速鐵路網加密成型[1]。伴隨鐵路信息化建設的發展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術已被應用于鐵路工程設計、建造、運維過程管理當中。基于BIM的鐵路工程管理平臺標準規范體系建設，優化了傳統工程建設的工作流程、技術管理標準與規范[2]。BIM是一個涵蓋項目從設計到運維生命期的管理工具[3]，可承載豐富的設計、施工、維修信息，實現基礎設施全生命周期數據集中統一管理[4]。基于BIM的運維管理，能夠有效提升管理水平和工作效率[5]，是進行跨專業信息共享、高效協同的重要技術支撐手段。

目前，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）正在積極推進運輸生產和勞動組織改革，構建高速鐵路綜合維修生產一體化管理模式，創新運營養護維修模式[6-7]。鐵路工程設計、建造數據對運維階段價值顯著，在高速鐵路綜合維修一體化改革驅動下，本文運用全生命周期管理理念，設計基于BIM的綜合維修生產管理信息系統，運用數據驅動設計、建設階段的信息向運維傳遞，接入運維期檢測監測數據，實現跨專業信息共享與應用，推動工程建造與運維階段的緊密銜接，進行綜合維修模式下的生產流程再造[8]，進一步提升高速鐵路基礎設施運維管理水平與工作效率。

1 系統需求

鐵路BIM聯盟已初步建立了相關標準體系框架[9]，基于BIM技術的可視化模型承載著大量的工務、電務、供電專業基礎設施設計、建造數據信息，相關數據可直接應用于運營及設備養護維修中[10]。

（1）目前，鐵路基礎設施由建造期向運營期的數據交接尚未做到平滑過渡，需進行大量人工干預，對數據加以規范整理。

（2）在系統層面，建設期系統與運維期系統相互獨立，且專業分割，難以進行數據共享與聯動，亟須采用新的技術手段，將工程建造、運維數據緊密銜接，減少人工干預，進行數據自動交付與共享。建設期數據可為運維管理提供數據基礎，運維期結合工程設計、建設期數據及運營階段設備缺陷、維修等數據，正向反饋驅動優化工程設計。

（3）推動構建可視化的檢測監測體系、生產維修過程管理，形成全專業信息的共享和深度運用，開 展數據深度分析、挖掘和智能化應用。

2 系統設計

2.1 系統架構

本文在堅持國鐵集團信息化建設“統一規劃、統一標準、統一平臺”原則的基礎上，推進基于BIM的綜合維修生產管理信息系統研發與建設。

系統采用B/S模式和云化資源，在國鐵集團主數據中心鐵路內部服務網集中部署，用戶通過內部服務網終端進行訪問。支撐國鐵集團、鐵路局集團公司、專業站段、車間、班組用戶的聯網應用。

系統在鐵路內部服務網中通過數據服務平臺與鐵路工程管理平臺、鐵路自然災害及異物侵限監測系統、北斗基礎設施監測系統、一體化綜合視頻監控系統、信號集中監測系統、供電6C數據中心實現數據交互，與鐵路地理信息平臺實現地圖及功能服務調用。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

2.2 技術架構

基于BIM的綜合維修生產管理信息系統技術架構主要由訪問層、接口層、服務層、數據存儲層組成，如圖2所示。

圖2 技術架構

訪問層：用戶可借助PC端、移動終端或其他終端設備訪問系統，實現用戶操作交互。

接口層：采用微服務網關中心模式，將系統涉及的工務、電務、供電專業業務分解為多個獨立部署的服務應用，實現對單體業務接口訪問的解耦。

服務層：包括服務通信、業務服務模塊、服務管理及統一日志記錄和統一權限管理。通過服務通信實現數據調用與存取；業務服務模塊支撐業務功能實現，包括統一坐標體系下的BIM、地理信息系統 （GIS，Geographic Information System）服務融合；服務管理用于配置、發布管理服務接口；統一日志記錄提供安全日志審計；統一權限管理實現用戶身份到應用授權的映射。

數據存儲層：主要實現結構化、非結構化數據的存儲，用以滿足工務、電務、供電專業的檢測監測、生產維修及現場視頻、圖片、語音等多樣化的數 據存儲需求。

3 系統主要功能

3.1 BIM+GIS可視化

BIM+GIS可視化功能實現統一場景融合全線的BIM、GIS和周邊地形地貌數據，以工務、電務、供電、房建基礎設施BIM為載體，承載工程設計、建設過程、設備履歷、檢測監測、設備缺陷、養護維修等數據。同時，集成運營期各專業檢測監測報警數據，運用BIM+GIS與設備單點缺陷、區段單元評價與軌道質量指數（TQI，Track Quality Index）數據相結合，直觀展現單點及區段設備質量狀態。將線上生產作業、設備缺陷報警與視頻進行聯動，運用視頻分析結果，輔助判定作業安全規范，實現跨專業信息共享與運用。

3.2 現場作業監控

利用生產作業終端App，對現場作業過程進行監控，實現作業計劃獲取、人員及機具進出場確認、關鍵作業過程短視頻及圖像采集、現場作業工單回復等功能，結合BIM+GIS可視化功能，全程監控跟蹤作業過程及人員活動軌跡。

3.3 生產調度管理

按照設備檢修周期、設備狀態分析結果建立月、周、日生產計劃編制功能。結合天窗計劃、車輛運行計劃進行多專業的周生產計劃平衡。日計劃主要編排作業、人員、機具、物料、風險防控等信息，以工單為驅動，形成生產力要素配置、上道安全控制、設備缺陷整治、設備更新信息的聯動管理。

3.4 數據分析管理

利用工務、電務、供電檢測檢查數據對線路區段、橋隧、道岔、信號、接觸網等設備質量狀態進行評價，開展工務、電務、供電設備單元量化分析，以道岔為主的工務與電務結合部分析等。結合專業缺陷數據建立專業問題庫，輔助專業分析人員判識設備質量狀態、設備缺陷，篩選優先維修地段，為編制狀態修生產計劃提供依據。

3.5 設備履歷管理

實現基礎設施分專業設備履歷的統一管理，包含工務專業（坡度、曲線、車站、道岔、股道、鋼軌、軌枕、道床及橋隧設備等）、電務專業（通信基站、中繼站、信號機、軌道電路、轉轍機、應答器、軌旁設備等）、供電專業（接觸網支柱、接觸懸掛、補償裝置、分段絕緣器、斷路器、隔離開關、變配電所等）。基于設備臺賬數據，建立設備專題圖管理功能。

3.6 移動檢測數據

建立工務專業動態檢測車檢測數據文件加載與入庫、車載式線路檢查儀數據實時接入、便攜式添乘儀與人工添乘數據管理功能，對原始檢測數據進行管理；實現電務檢測車檢測缺陷問題的采集功能；建立供電檢測問題缺陷標準，實現供電1～4C檢測缺陷數據的分類管理。

3.7 固定監測數據

實時接入北斗基礎設施監測系統路基沉降、邊坡位移、隧道仰坡監測報警數據、信號集中監測報警數據、供電5～6C監測數據及圖像，分析報警點監測數據歷史變化趨勢，輔助研判報警發生原因，為專業養護維修和應急搶修提供技術支撐。

3.8 現場檢查數據

規范專業設備檢查缺陷標準，實現工務道岔、曲線、橋梁、隧道、涵渠等日常檢查數據采集，電務現場檢查維護記錄、檢修電氣測試數據的標準化采集，供電設備日常、周期性檢查數據的采集。

3.9 BIM+GIS數據服務

利用地理信息空間數據引擎發布BIM服務，基于鐵路地理信息平臺，統一存儲和管理鐵路GIS空間數據，發布為標準、規范、共享的空間數據服務，在應用層面實現BIM、GIS服務的融合。

3.10 工程建設數據交付

分類組織工程建設階段數據，按專業管理模式形成項目及單位工程信息、設計及建設期數據目錄，歸集工程建造期數據；按照施工與竣工運營里程對照關系，轉換建設期數據，形成運營期數據，以運營期數據需求為導向，形成運營基礎數據，建立以BIM為承載的建設期完整竣工交付數據。

4 系統效果

基于BIM的綜合維修生產管理信息系統于2020年8月在北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）開展試點，面向中國鐵路北京局集團有限公司、所屬段、車間、工區開展運用。系統接入工程建造期數據，統籌管理運維期工務、電務、供電專業生產流程，接入高速鐵路防災、北斗基礎設施監測、綜合視頻、信號集中監測、供電6C缺陷數據等，采用數據驅動方式，進行基礎設施全生命周期管理。

4.1 基礎設施專業數據統一管理

系統基于BIM+GIS技術，將鐵路基礎設施的設計、施工、建設管理所涉及到的各類數據信息納入運維層面，建立完善的數據管理體系，實現了鐵路基礎設施數據的集中統一管理，對三維空間場景進行虛擬化展示和數字化管理，圖3為多專業數據資源共享及多場景數據聯動界面。

圖3 多專業數據資源共享及多場景數據聯動界面

4.2 設備履歷及質量狀態可視化

集成展示京張高鐵工務、電務、供電等專業設備設施空間信息，與設備履歷、檢測監測、生產維修、狀態分析數據相融合，通過二/三維空間動態展現各專業設備技術參數、生產維修信息、設備質量狀態及變化趨勢。

4.3 一體化生產組織流程

通過業務流程改造，建立統一的綜合維修生產作業流程，圖4為統一生產作業流程界面。系統以高效組織生產過程為核心，建立檢測檢查、狀態分析、生產計劃、線上作業、安全管控、質量評估閉環生產組織流程。

圖4 統一生產作?業流程界面

4.4 跨專業數據共享聯動

系統運用BIM+GIS空間數據服務，通過鐵路數據服務平臺實現與高速鐵路防災、信號集中監測、綜合視頻、供電6C的數據集成。動態實時呈現京張高鐵沿線設備報警信息，同步調用視頻，進行報警信息的快速復核與確認，同時，將維修計劃與綜合視頻進行聯動，輔助開展維修作業安全管控。圖5為日天窗計劃進出通道門聯動視頻分析界面。

圖5 天窗計劃進出通道門聯動視頻分析界面

5 結束語

基于BIM的綜合維修生產管理信息系統以工程建設期BIM+GIS為載體，圍繞工務、電務、供電基礎設施，綜合運用動態檢測、自動化監測、人工檢查數據，輔助開展狀態修、預防性維修決策，實現設備銷缺、維修生產流程閉環，推動基礎設施建設維修一體化及全壽命周期管理。在系統運用過程中，還存在建設數據交付標準化、BIM輕量化、專業設備缺陷字典規范化、綜合維修模式下的生產組織深度融合等問題，后續將進一步深化與相關專業信息系統的資源共享，運用大數據手段優化設備檢測數據分析與維修決策分析，為打造鐵路基礎設施智能運維體系提供參考。