面向鐵路BIM的數據存儲與交互式關鍵技術

陳慧穎 劉恒 楊柳

【摘 要】?隨著BIM技術的發展，其在鐵路行業的應用也逐漸普及。鐵路BIM技術的實施和發展離不開BIM數據存儲技術和BIM模型跨平臺、跨專業交互等技術。隨著鐵路工程中BIM相關應用產生的數據體量越來越大以及用戶對交互體驗感受要求越來越高，如何高效可靠地存儲BIM數據以及便捷快速的完成模型可視化交互成為BIM技術在實施過程中的一大挑戰。基于此，文章研究面向鐵路應用的BIM存儲技術，重點討論基于分布式大數據平臺Hadoop的HBase數據庫、圖數據庫Neo4j以及GIS數據庫等技術在鐵路BIM中的應用，此外，文章還對基于B/S與C/S架構的BIM模型跨平臺交互技術以及其在鐵路行業的相關應用進行了分析。

【關鍵詞】鐵路BIM; 數據存儲; 交互技術

BIM是建筑信息模型技術，由Autodesk公司于2002年率先提出的，最早應用在建筑領域。近年來，隨著BIM技術本身的日益成熟與其他行業的信息化程度逐漸提高，以鐵路行業為代表的交通工程領域也開始引入BIM技術。2013年，中國鐵路BIM聯盟成立， 中國鐵路總公司決定將BIM技術作為鐵路建設信息化的主要技術發展方向，致力于建設數字鐵路[1]。

近年來，隨著“交通強國、鐵路先行”、“智能鐵路、精品工程”等戰略目標的提出，BIM技術已經在鐵路行業有著越來越廣泛的應用[1]。鐵路BIM項目會涉及到許多技術，其中核心的技術就是BIM數據存儲技術，一種合適的BIM數據存儲技術可以實現有效的內存資源利用、高效的信息檢索以及可靠的數據傳輸等，其對BIM系統的健壯穩定有著重大意義。由于鐵路BIM數據種類繁多、結構復雜、體量巨大且物理位置分散，因此，探尋一種更高效更穩定的BIM數據存儲技術以及更輕量更便捷的BIM模型交互服務化技術將越來越急切。

本文將從BIM數據存儲技術和BIM模型跨平臺交互服務兩個方面入手，探討各大技術在項目應用中的優劣以及在各領域中的使用情況，研究面向鐵路設計時，各技術該如何高效服務于項目，為實現面向鐵路設計的跨平臺、跨專業的BIM模型交互奠定基礎。

1 鐵路BIM模型數據高效存儲與組織

1.1 基于傳統數據庫的鐵路BIM數據存儲技術

傳統的BIM數據存儲技術大致有基于文件的數據庫存儲技術、基于關系數據庫存儲技術和基于面向對象的數據庫存儲技術三類[2]。

在BIM項目發展初期，建筑項目的整個生命周期中每個階段所產生的數據，都是由設計人員和工程師使用不同BIM軟件產生的。所以為了解決各個廠商BIM數據的交互問題，行業內誕生了BIM數據的交換標準，其中IFC標準應用最廣，其能夠很好的描述項目中的各種信息，完成BIM數據的共享和交互。

然而，使用基于文件的數據庫存儲基于IFC標準的數據時，會出現不少問題，例如難以構建完整的BIM項目模型，難以更改和傳輸數據，難以對對象級數據進行控制等。由于使用基于文件的數據庫來存儲IFC數據帶來了以上問題，許多學者開始研究如何利用其他存儲技術來存儲IFC數據[3]。事實證明，利用關系數據庫以及面向對象數據庫技術可以有效解決基于文件的數據存儲技術存在的問題。

易思蓉和聶良濤[4]提出了采用大型關系型數據庫Oracle在鐵路數字化選線設計系統中進行數據管理。而張為和[5]提出在夜郎河雙線特大橋施工中使用Microsoft SQL Server進行數據存儲。

1.2 傳統BIM數據存儲技術存在的問題

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（1）隨著項目不斷進行和行業不斷發展，各種BIM數據量勢必會不斷增多，呈現大數據的特性，然而數據是企業寶貴的財富，需要保留很長時間，這就需要足夠大的存儲空間，而存儲系統能夠容易擴展將非常重要，然而傳統的基于面向對象的數據庫剛好擴展能力較差，所以不太適用于如今BIM數據存儲。

（2）傳統數據庫更適合存儲結構化數據，然而BIM項目還會產生很多呈現非結構化特征的數據，如圖片、工程文檔等。這類數據對于傳統的關系數據庫來說有一些局限，而文件存儲系統能展現出一些優勢。

（3）隨著BIM數據存儲技術的發展，對于存儲系統有了許多其他的需求，比如高可用性、負載均衡等。關系數據庫系統對高可用性的實現，利用了主從復制來構成分布式集群，將讀寫分散到不同的節點，造成數據的冗余來提高系統的高可用性。負載均衡的實現則是在此基礎上，利用一個控制端來接收訪問請求，然后根據當前各節點的負載情況來采取相應的均衡策略，進而訪問數據庫，這樣各節點可以均衡壓力、相互協作。然而關系型數據庫構成的主從復制集群采取的是最終一致性方案，數據復制具有延遲，系統并不完全實時同步，所以使用關系型數據庫來實現存儲系統的高可用性和負載均衡并不適用。

鐵路BIM項目普遍有著規模極大、跨度極廣的特點，從站前的路面、隧道、橋梁設計到站后的排水、供暖設計，再到施工建設的管理階段，因此，相比于民用建筑行業的BIM項目，鐵路BIM項目對于傳統數據庫存儲技術改進需求更加急迫。傳統的數據庫早已經不足以存儲鐵路BIM項目中海量信息，如何系統而高效的組織與存儲這些繁雜的空間信息和屬性數據，將是鐵路BIM數據存儲一個重要研究方向。

1.3 應用在鐵路BIM中的存儲技術

1.3.1 分布式存儲技術

面對傳統的數據庫存儲系統存儲鐵路BIM數據存在的上述問題，許多學者開始探尋其他數據存儲技術，分布式大數據技術平臺Hadoop和HBase（Hadoop Database）數據庫便是其中研究最多的一個方向。

Hadoop是可以為海量數據分析存儲的分布式軟件架構，具有強大的運算能力以及海量的存儲能力，可以從單個服務器擴展到很多個，并且允許離線計算存儲。在Hadoop框架中有兩個最不可或缺的組件： HDFS（Hadoop Distributed File System）和MapReduce。HDFS與MapReduce分別是分布式文件系統與計算框架，對數據進行存儲與計算分析。HBase是基于HDFS的一個面向列的適合存儲非結構化數據的分布式數據庫，這一點與傳統的關系數據庫適合存儲結構化數據不同。

陳遠[2]等人提出了基于HBase數據庫建立建筑信息模型存儲系統，并且通過HBase Java API將基于IFC標準的BIM數據存入數據庫中。由于HBase是用Java語言開發，所以使用Java API是可以有效訪問數據庫，而API的合理設計有利于數據庫擴展。

海量的BIM數據還包含了很多格式，對于不同格式的文件應該使用針對性的存儲處理方法，以此提高處理BIM數據的效率。王寶會和高遠[6]了提出聯合式BIM存儲方案，即使用HDFS存儲體量較大的文件，如.rvt文件，而使用FastDFS存儲體量較小的文件，如.rfa文件。同時為了滿足存儲系統的高可用性，兩者均采用了冗余備份的方式。

1.3.2 混合存儲技術

由于BIM數據比較復雜，數據類型較多，不同類型的數據適合采用不同的存儲方式，考慮傳統數據庫存儲技術段和分布式存儲各自的存儲優勢，將兩者結合起來，可以滿足不同類型BIM數據的存儲要求。

用混合存儲技術來處理結構化數據和非結構化數據的方法在鐵路BIM項目中受到了廣泛關注。段熙賓[7]等人在軌道交通BIM協同設計平臺的設計與實現中，就提出了采用MySQL數據庫來存儲系統用戶信息、項目信息、自定義流程模型、任務分配等結構化數據，采用文件系統來存儲BIM設計模型、項目相關文檔等非結構化信息的思路。

1.3.3 圖數據庫

隨著BIM工程產生數據的體量不斷增長，其中的空間關系也變得更加復雜化和多樣化，現有用于存儲和檢索BIM數據的研究項目大多只考慮了IFC實體屬性的信息，很少考慮BIM模型的空間關系。若仍然使用傳統的關系型數據庫，數據存儲和查詢將會非常困難，需要各種聯表操作才能做到，由此帶來系統性能降低與難以維護等問題。于是，圖數據庫Neo4j存儲技術開始在BIM技術中應用起來。

圖數據庫是一種基于圖論的NoSql數據庫，與將數據存儲在若干表格中的關系數據庫不同，圖數據庫以節點和邊來存儲數據及其之間的關系。但是圖數據庫依然支持傳統數據庫的某些功能，例如CRUD和處理事務等。對于具有復雜空間結構關系的數據，關系型數據庫每次存儲查詢都需要涉及多個表格，但是圖數據庫只需要一句簡單的cypher語句便可實現查詢功能，因此圖數據庫比較適合用來檢索查詢具有復雜空間關系的BIM數據。

姜韶華與吳崢[8]提出了一種BIM分布式負載均衡集群方案，為了實現對大規模的IFC數據進行高效快速的檢索查詢，將彈性搜索框架（Elastic Search）和圖數據庫Neo4j結合了起來。

1.3.4 GIS數據庫

GIS（Geographic Information System，地理信息系統）是一種特定的空間信息系統，它是借助了計算機的支持，對地球表層（包括大氣層）的全部或者部分空間中的有關地理分布的數據進行收集、存儲、管理、計算、分析等操作的技術系統[9]。

由于鐵路建設項目分布極廣、跨度極大、工點復雜多樣，需要將整個施工組織的工點位置、施工要素、各數據間的關系以及其他的地理信息都囊括在內，而僅僅依賴BIM技術則具有局限性。鐵路工程表現出的線性特點就需要以空間分析、空間數據庫和三維可視化為核心技術的GIS提供相關的技術支持，包括如何系統而高效的組織存儲這些繁雜的空間信息和屬性數據[10]。

然而BIM技術與GIS技術在數據結構組織方式和信息表達傳遞上的理解不相同，這給模型跨平臺交互帶來了不小困難，如何使得BIM與GIS融合技術得到有效運用，是眾多學者們的一個研究重點。

對此，張文勝[11]等人提出BIM與3DGIS的集成技術，實現了將BIM模型批量集成到3DGIS中，解決了項目工程各階段之間的數據交互與挖掘的難題。

而范登科[12]也提出了兩種數據格式轉換方案，分別利用3DMax和FME導出Direct X文件，再通過TerraExplore進行處理所有文件，使BIM模型可以跨GIS平臺進行交互。

2 鐵路BIM模型跨平臺交互服務

2.1 BIM模型交互服務技術概述

BIM模型跨平臺交互一直以來是所有各級項目管理人員以及各專業的施工人員都存在的需求。最開始時，當BIM模型已經完成并需要交付給其他專業的工作人員時，往往不具備建模等專業知識的工作人員也需要安裝專業的建模軟件并且具有一定的軟件基本操作能力。即使只是需要查看模型，也需要下載完整的BIM模型再用專業軟件打開，這讓用戶的使用感受很不好，并且降低了工作效率。

但隨著BIM模型交互技術的發展，已經有了很多方法可以簡化上面的操作流程。目前進行BIM模型交互使用最多的方式是BIM服務端來存儲所有信息，而客戶端來進行用戶交互。根據客戶端的不同形式，系統中網絡架構可分為C/S（Client/Server 客戶機/服務器）架構以及B/S（Browser/Server 瀏覽器/服務器）架構。

2.2 基于C/S架構系統在模型交互上的應用

與B/S架構相比，C/S架構的使用和維護十分復雜繁瑣，各級項目人員要參與其中必須下載對應的應用程序軟件，否則將難以隨時共享和交互項目信息。

但是這種基于服務器的重量級應用也有它的應用領域，在用戶交互多、數據流量大、執行速度要求高的的工程項目中就可采用C/S模式。在鐵路工程中，王永義[13]提出過由于鐵路BIM項目中產生數據量很大，因此可以采用C/S架構，在C/S架構下用戶可以通過客戶端實時訪問BIM協同平臺數據庫，以確保平臺的平穩運行。

2.3 基于B/S架構系統在模型交互上的應用

而隨著移動互聯網的普及，B/S架構已經成為了一個熱點。B/S架構實現了前后端分離，后端服務器中完成了絕大多數的數據運算，所以客戶端的任務少負載低，維護便利使用方便，用戶只需要打開瀏覽器訪問特定的網址，就能快速便捷的完成BIM模型的共享和交互，以一種在線可視的輕量化方式展現BIM模型。目前基于B/S架構的系統在BIM模型交互服務上應用非常廣泛，很多企業在BIM模型輕量化方面做了大量研究的開發，比如BIMFACE、BIMe等已經實現了網頁端模型輕量化顯示。

在B/S架構下，BIM模型如何高效的在網頁上進行三維瀏覽一直是個問題，所以徐照[14]等人提出將WebGL和IFC標準結合，實現一種可解決Web渲染中BIM模型矢量數據缺失問題的模型可視化方法。

在鐵路工程中，由于B/S架構與C/S各有其應用優勢和使用場景，常采用B/S和C/S混合架構作為平臺框架。比如劉延宏[15]提出了采用兩者結合的架構實現對基于“BIM+GIS”平臺的服務端工程項目的管理和控制。

3 結束語

本文研究面向鐵路應用的BIM存儲技術，對常見存儲技術的特點及適用場景進行了分析。此外，本文還探討了鐵路BIM模型的交互服務技術，對比了主流BIM模型交互服務在鐵路應用中的優缺點。

參考文獻

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[4] 易思蓉，聶良濤. 基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統[J]. 西南交通大學學報，2016，51（2）：373-380.

[5] 張為和. 基于BIM的夜郎河雙線特大橋施工應用方案研究[J]. 鐵道標準設計，2015，59（3）：82-86.

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[7] 段熙賓，王冰峰，杜小智，等. 軌道交通BIM協同設計平臺的設計與實現[J]. 鐵道標準設計，2020，64（3）：60-64.

[8] 姜韶華，吳崢. BIM空間關系數據的云存儲與檢索方法研究[J]. 圖學學報，2018，39（5）：835-842.

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[14] 徐照，徐夏炎，李啟明，等. 基于WebGL與IFC的建筑信息模型可視化分析方法[J]. 東南大學學報：自然科學版，2016，46（2）：444-449.

[15] 劉延宏. 基于BIM+GIS技術的鐵路橋梁工程管理應用研究[J]. 交通世界：運輸.車輛，2015，（9）：30-33.

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