BIM可視化技術(shù)在城市軌道交通運(yùn)維監(jiān)測領(lǐng)域的研究運(yùn)用

朱昊天，種傳強(qiáng)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

近幾年，中國城市交通快速發(fā)展，截至2021年6月，全國40個城市開通總長6 641.73 km的城市軌道交通線路。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，對軌道車輛基地的運(yùn)營提出了更高的要求。建設(shè)信息模型等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展及其在城市軌道交通部門的推廣和應(yīng)用，使基本運(yùn)營服務(wù)模式逐步向立體、智能化方向發(fā)展。目前國內(nèi)已有初步研究和試驗(yàn)，但還沒有形成完整的研究成果和應(yīng)用實(shí)例。基于BIM技術(shù)構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的光學(xué)智能系統(tǒng)，以提高運(yùn)行效率、可靠性和安全性為目標(biāo)，提出了一種基于BIM的光學(xué)智能運(yùn)維監(jiān)測系統(tǒng)。

1 BIM技術(shù)在我國軌道交通工程的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年來，BIM技術(shù)在我國軌道交通行業(yè)，例如大型城市的地鐵中得到了廣泛應(yīng)用[1]。另外，根據(jù)BIM應(yīng)用技術(shù)中心提供的統(tǒng)計(jì)資料，目前BIM技術(shù)主要用于軌道運(yùn)動模擬、方案選擇、碰撞試驗(yàn)等方面。雖然改進(jìn)了設(shè)計(jì)，但運(yùn)行維護(hù)主要是在工廠中進(jìn)行，城市道路工程的建設(shè)與管理在一定程度上并不能反映BIM技術(shù)的真實(shí)價值。從本質(zhì)上講，模型的簡單運(yùn)用是難以改變的。實(shí)施BIM的最大代價貫穿整個設(shè)計(jì)周期，包括參與、提供和接受所有參與者需要的信息、累積信息——多層次數(shù)據(jù)使用與管理的有效協(xié)調(diào)導(dǎo)致軌道交通項(xiàng)目的真正全球性變化。

2 以運(yùn)營為導(dǎo)向的BIM技術(shù)應(yīng)用方案

2.1 基于“運(yùn)營部門牽頭、BIM總體單位主導(dǎo)”的組織方式

當(dāng)前，我國軌道交通BIM應(yīng)用主要是以行業(yè)組織模式為主，集成度不高[2]。當(dāng)前，業(yè)務(wù)部門難以將信息模型有效地傳遞到業(yè)務(wù)部門，而服務(wù)收益則主要集中在規(guī)劃和建設(shè)階段，這主要是由于傳統(tǒng)項(xiàng)目本身的需要、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)，以及缺乏統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。這使得BIM應(yīng)用很難集成到單一的項(xiàng)目中，BIM的實(shí)施薄弱，無法實(shí)現(xiàn)BIM的目標(biāo)以及整個項(xiàng)目實(shí)施過程的技術(shù)價值。

BIM技術(shù)應(yīng)用在運(yùn)維監(jiān)測指導(dǎo)下實(shí)施，組織結(jié)構(gòu)是“運(yùn)營管理，BIM模塊管理”。根據(jù)BIM模型，整個BIM模塊處于項(xiàng)目的總體高度，對BIM應(yīng)用進(jìn)行總體規(guī)劃和管理，根據(jù)BIM運(yùn)營部門的要求，制定BIM操作標(biāo)準(zhǔn)和BIM項(xiàng)目實(shí)施時間表，與傳統(tǒng)的組織模式不同，在施工期間，管理層開始參與BIM的選舉和投標(biāo)[3]。

2.2 基于運(yùn)營導(dǎo)向的BIM系統(tǒng)架構(gòu)

BIM通用平臺負(fù)責(zé)軌道交通項(xiàng)目管理，主要協(xié)調(diào)客戶工作、設(shè)計(jì)、勘察、施工和監(jiān)測等，各參與單位在BIM聯(lián)合管理平臺的基礎(chǔ)上，及時發(fā)現(xiàn)并解決技術(shù)規(guī)劃與設(shè)計(jì)問題，確保項(xiàng)目參與者收集的信息及時、準(zhǔn)確，避免不對稱或過早接觸造成的設(shè)計(jì)錯誤。BIM常規(guī)軌道交通項(xiàng)目聯(lián)合管理平臺的主要目的是優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，組織大量設(shè)備的使用。

BIM系統(tǒng)是一種多平臺、多系統(tǒng)、混合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，它可以訪問大量的設(shè)備數(shù)據(jù)和混合結(jié)構(gòu)，以滿足新一代智能化的要求，在智能化技術(shù)變革的背景下，提高在軌運(yùn)營交通項(xiàng)目的能力。

以運(yùn)維監(jiān)測為導(dǎo)向的BIM體系結(jié)構(gòu)包含了完整的供應(yīng)管理平臺和BIM業(yè)務(wù)管理平臺，BIM應(yīng)用了全自動化操作系統(tǒng)等智能信息與管理技術(shù)，城市軌道云和PHM（故障預(yù)測和健康管理）高級供應(yīng)管理平臺，為整個供應(yīng)鏈提供服務(wù)[4]。該系統(tǒng)是一種BIM模型管理平臺，用于模擬和模擬過程的控制，以及作為規(guī)劃建設(shè)階段BIM的聯(lián)合管理平臺，它提供了設(shè)計(jì)、施工、設(shè)計(jì)和施工的一致服務(wù)；BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)利用BIM平臺收集完整的模型、數(shù)據(jù)和文件，將公眾監(jiān)督、健康監(jiān)督和其他與運(yùn)維管理系統(tǒng)BIM模型運(yùn)維有關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接起來，并在運(yùn)維階段為各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和模型支持，在運(yùn)維階段為各種應(yīng)用提供虛擬監(jiān)控、維護(hù)、維護(hù)、培訓(xùn)和響應(yīng)等功能。

2.3 依托IROOM的協(xié)同工作方式

相對于傳統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，軌道交通項(xiàng)目所需時間較長，參與BIM應(yīng)用項(xiàng)目的參與者、產(chǎn)品組成、運(yùn)作方式以及參與者之間的互動難度較大。結(jié)合顯示、集成、建模等方面的特點(diǎn)，結(jié)合國外對EMPRETEC協(xié)作方法的研究，采用了Iroom協(xié)作方法。Iroom通常認(rèn)為它是一個交互的、綜合的辦公空間，也就是說，它是一個多功能的辦公空間。

軌道交通項(xiàng)目相對于傳統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目而言，工期長、項(xiàng)目參與者多、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參與BIM方案的難度較大。BIM模型的特點(diǎn)和國外在基于工作空間的業(yè)務(wù)技術(shù)方案中采用了合作協(xié)作的模式。Iroom的公共地點(diǎn)是一座交互式辦公空間綜合體，是一種基于BIM等聯(lián)合討論的交互式辦公空間綜合體。

BIM運(yùn)營應(yīng)用強(qiáng)調(diào)的是運(yùn)營，有別于傳統(tǒng)的城市軌道交通BIM應(yīng)用。模擬結(jié)果對BIM的實(shí)施起到了一定的促進(jìn)作用，但是，以主項(xiàng)目單元為單元的生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)模式的整個過程需要有足夠的時間來完成。建設(shè)單位（建筑工程分包）、監(jiān)理、施工管理、施工管理、管理等。本文的目標(biāo)是建立一個開放的BIM工作室，提供模擬軟硬件、模型和標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合檢查與討論，提供模擬訓(xùn)練設(shè)施和個案研究。Iroom為參與BIM軌道交通項(xiàng)目的參加者提供了一個更好的工作環(huán)境，以及一個基于BIM的交互式運(yùn)營模式。

3 基于BIM技術(shù)的城市軌道交通車輛基地可視化智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)路線

本系統(tǒng)的研究路線在于，在明確昆明、武漢、溫州等地城市軌道交通運(yùn)維監(jiān)測需求的基礎(chǔ)上，以BIM技術(shù)為主要手段，建立基于車輛基地的可視化運(yùn)維監(jiān)測系統(tǒng)，以此對城市軌道交通的運(yùn)維情況、檢修工藝、既有信息化系統(tǒng)等進(jìn)行有效管理。本文所采用的的運(yùn)維監(jiān)測系統(tǒng)，通過相關(guān)數(shù)據(jù)接口，對車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，然后構(gòu)建BIM模型，還原實(shí)際場景，并將車輛和檢修設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)用3D形式展現(xiàn)出來，以此實(shí)現(xiàn)智能化的城市軌道運(yùn)維管理。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架

對于系統(tǒng)構(gòu)架的研究，本文按照從表到里的形式對其進(jìn)行了分析，即首先是顯示層、應(yīng)用層，然后是支撐層、數(shù)據(jù)處理層和接入層，最后是源代碼層。

3.2.1 源數(shù)據(jù)層

在這一層級中，因?yàn)槠涫墙⑾到y(tǒng)的主體，因此包括了最基本的設(shè)計(jì)資料、建設(shè)資料、管理資料和基礎(chǔ)資料。其中，最根本的數(shù)據(jù)包資料包括了設(shè)備信息、建筑信息（BIM數(shù)據(jù)）、車輛信息（GIS、BIM、歷史信息、零部件構(gòu)成等）；在管理數(shù)據(jù)包中主要包含的是歷史數(shù)據(jù)，主要有故障、檢修、配件和配屬更換等，另外，還包括設(shè)備使用情況和股道占用信息；在該系統(tǒng)中，預(yù)留接口同樣也是監(jiān)測數(shù)據(jù)，該接口通過連接攝像頭、傳感器等對各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，主要收集的內(nèi)容有車輛運(yùn)維狀態(tài)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時動態(tài)信息等。

3.2.2 數(shù)據(jù)接入層

系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源由數(shù)據(jù)接入層全權(quán)負(fù)責(zé)，通過相關(guān)接口，可以對既有系統(tǒng)進(jìn)行連接，如人員調(diào)度、資產(chǎn)管理、溫度傳感、視頻監(jiān)控等。同時，還可以預(yù)留出可擴(kuò)展的其他IOT接口。對于已有系統(tǒng)來說，在數(shù)據(jù)接入中，主要是依靠協(xié)議交換相關(guān)信息，然后利用數(shù)據(jù)采集器、單類多功能采集器、集成采集器等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。針對可擴(kuò)展的IOT接口，為了保證其通用性，需要事先制定標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議和接口，以此來降低工作量。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理層

在這一層面當(dāng)中，主要功能是完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲和管理，它所能管理和保存的數(shù)據(jù)主要包括實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和增量數(shù)據(jù)。在這一層面，會根據(jù)用戶需求和分層標(biāo)準(zhǔn)對從數(shù)據(jù)接入層獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化管理，以此來提高數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的快速修改和查詢。另外，為了保證數(shù)據(jù)查詢的實(shí)時性和有效性，在優(yōu)化相關(guān)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理層會將數(shù)據(jù)上傳到云端，完成對接。

3.3 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)城市化軌道交通運(yùn)營的基本需求，在軌道交通運(yùn)維監(jiān)測的過程中，需要具備以下功能：即能夠?qū)⒃O(shè)備檢修狀態(tài)、車輛檢修過程、車輛具體狀態(tài)智能顯示出來。為了實(shí)現(xiàn)這一功能需要建立多個功能模塊，如BIM、車輛信息、設(shè)備信息、監(jiān)控設(shè)備、圖文檔管理等。需要注意的是，前4項(xiàng)功能模塊要以可視化為標(biāo)準(zhǔn)，最后1項(xiàng)要以BIM模型為基礎(chǔ)。

3.3.1 BIM可視化管理

BIM可視化控制模塊具有以下功能：在可視化系統(tǒng)中顯示和管理BIM模型，實(shí)現(xiàn)BIM模型與實(shí)時模型的集成，確保操作員在系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一致；實(shí)現(xiàn)了物理模型BIM模型的輕量級量化和系統(tǒng)中的輕量級顯示，保證了無需紙板即可快速瀏覽和操作；模型將根據(jù)不同的專業(yè)類別進(jìn)行分類，以避免因圖形元素過多而造成混淆。為了保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，減少處理器占用，該模塊通過優(yōu)化模型的曲面數(shù)量來提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，結(jié)合仿真模型，提高系統(tǒng)性能，確保BIM模型中沒有卡頓問題。

3.3.2 車輛信息可視化管理

車輛信息管理模塊的功能包括模擬和報(bào)告車庫內(nèi)關(guān)鍵車輛的使用狀況、路線組成、實(shí)際停車時間、車號、維修時間、運(yùn)營時間及相關(guān)人員等信息；實(shí)時可視化數(shù)據(jù)顯示反映軌道使用動態(tài)（如車輛路線、路徑和位置的描述）、車輛維護(hù)計(jì)劃和車輛維護(hù)細(xì)節(jié)等信息；車輛進(jìn)出口和進(jìn)出口的全面實(shí)時顯示和跟蹤；為了支持車輛的運(yùn)行和維護(hù)，以三維視覺服務(wù)、細(xì)節(jié)和其他信息的形式實(shí)時演示車輛的靜態(tài)和動態(tài)壽命。

為了實(shí)現(xiàn)該模塊的功能，必須安裝不同的數(shù)據(jù)接口，將操作員連接到不同的維護(hù)系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)；訪問現(xiàn)有信息系統(tǒng)，獲取用于BIM模型管理的車輛級指標(biāo)，動態(tài)反饋信息與車輛級模型相結(jié)合，提供組件結(jié)構(gòu)和動態(tài)信息的雙向索引。

3.3.3 監(jiān)控設(shè)備集成管理

數(shù)據(jù)存儲在監(jiān)控設(shè)備綜合管理模塊和現(xiàn)有車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。監(jiān)控?cái)z像機(jī)總數(shù)不少于10臺，在線攝像機(jī)數(shù)量不少于30臺，主要功能包括：通過現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備的二次開發(fā)查看監(jiān)控功能，點(diǎn)擊BIM模型中的監(jiān)控模型；可以用于監(jiān)測其狀態(tài)的設(shè)備的健康狀況，用不同顏色識別設(shè)備，并針對設(shè)備故障或維護(hù)需求發(fā)出警告；可以搜索設(shè)備類型和編號，也可以將模型拖放到控制界面，查看臺賬設(shè)置信息；設(shè)備模型可旋轉(zhuǎn)，便于顯示具體的錯誤位置；統(tǒng)一安全權(quán)限認(rèn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)了管理層和權(quán)限層的動態(tài)配置管理；在層次結(jié)構(gòu)的分層查詢中，可以看到整個硬件層次結(jié)構(gòu)，用戶可以快速找到相關(guān)信息。

4 結(jié)束語

目前，BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用在很大程度上取決于其在不同國家的應(yīng)用，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)和施工階段，沒有體現(xiàn)出BIM技術(shù)的真正價值。提出以公司為中心的項(xiàng)目理念，充分考慮地鐵項(xiàng)目全生命周期的管理需求，以運(yùn)營維護(hù)為導(dǎo)向，規(guī)范設(shè)計(jì)和施工階段，促進(jìn)BIM在軌道交通中的生命周期應(yīng)用和以企業(yè)為中心的EMPRETEC計(jì)劃已經(jīng)取代了聯(lián)合行動模式，為基于BIM的聯(lián)合討論和其他應(yīng)用提供了一個互動和集成的工作空間，從而實(shí)現(xiàn)了相關(guān)單位之間的互動。