基于BIM-GIS多層級協同技術的某高原鐵路智能物流管理系統研究

李 準

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

引言

某高原鐵路建設周期長，面對施工沿線復雜多變的地形地質條件[1]，如何加強工程項目物流管理，保障前方物資供應，確保工程項目順利實施，是擺在施工建設面前必須解決的難題。物流管理系統包括了物資采購、運輸、倉儲、搬運等全過程管理[2]，綜合該高原鐵路工程規模、施工周期、運輸條件、施工環境、資源分布等風險因素[3]，建立強有力的協同機制，以智能物流為平臺，圍繞精準配送，構建供應鏈集成環境下[4]的物流管理體系，是保障現場物資供應的有效手段。因此，研究分析高原鐵路物流管理系統迫在眉睫。

目前，國內外學者對施工物流組織模式做了大量研究，包括有基于供應商管理庫存(VMI)思想的庫存管理[5-7]、供應商自營物流和第三方物流公司(VMI&TPL)物流系統集成[8-11]等。該鐵路全線施工物流組織建議采取“分段集中、統籌安排、分級配送”的原則[12]，本文借鑒多層級協同集成技術，運用智能化系統思維，將BIM和GIS技術相結合，構建智能化物流關系系統架構，形成一套智能化物流管理系統，推動整個高原鐵路的建設發展。

1 BIM-GIS的提出和特點分析

建筑信息模型(BIM)是通過三維的方式將信息嵌入到對象模型中，增強可操作性，提高工程管理、共享與協作的高效性，減少建筑過程中不必要的浪費[13]。地理信息系統(GIS)是基于計算機科學，綜合地理地質學、勘察測量學、繪圖定測學等相關技術，并且對各項信息進行讀取、保存、查閱、對比和計算的系統[14]。GIS將枯燥的文字、數字、表格信息地理化、圖形化、形象化，使眾多信息一目了然，強化了分析與表達能力；地圖的多層處理方式也賦予數據更豐富的內涵，信息查找與咨詢迅速，輸出形式圖文并茂、精美；體現了系統所要求的透明性、開放性和網絡性[15]。

從特點分析來看，BIM技術可以將工程形狀、大小、所占空間等多層級信息進行不同階段間的相互比較[16]，而GIS技術是將工程規模、施工周期、運輸條件、施工環境、資源分布等多層級外部因素進行客觀分析。集成BIM和GIS技術，將內部和外部的多層級因素統籌考慮，即通過對多層級信息流的控制，從材料采保到現場調用，再到竣工形成實體直至維修保養[17]，將物資廠家、運輸企業、承包人、發包人形成一個有機的智能物流網鏈。

2 BIM-GIS多層級協同物流系統流程設計

系統設計階段，利用BIM建立工程信息數據庫，利用GIS對物流供應過程中的數據進行分析、管理，結合該鐵路施工物流特征，三者協同，將繁雜無章的信息變成有序科學的數據，確定準確的工程屬性信息，從而建立智能物流管理系統模型[18]。智能物流管理系統設計流程如圖1所示。

圖1 智能物流管理系統設計流程

2.1 物流階段可視化

某高原鐵路涉及面廣，施工單位駐地分散，具有點多、線長的特征，需要借助先進的現代物流管理理念，因地制宜，在確定物資供應商后，評價料源位置對于項目的進度和成本的影響。在料源位置到現場之間，對材料的信息、采購、運輸、倉存以及調配進行過程管理，隨時更新信息，建立基于GIS技術的可調整最佳運輸路線，并對物流實現可視化跟蹤。

2.2 信息流動

某高原鐵路受氣候因素和地理環境影響較大，鐵路施工過程中不可預見和多變性隨時發生，每個環節發生變化都可能影響物流保障，工程項目物流組織更為復雜。利用BIM建立本項目框架，包含地理、數量、構件等信息，在分析類似歷史數據訂購、庫存、運輸成本后完成本項目信息。利用GIS網絡分析，確定運輸能力、倉庫能力和產品特質的數據庫，通過已經分析確定的初步最優運輸路線，修正物資信息，最終得出總成本分析GIS模型，這種可視化跟蹤信息流動的處理方式，能充分掌握實施過程中物資采購成本、運輸保存和調撥庫存等信息，真正實現GIS與BIM的協同一體化。

2.3 物流監控

某高原鐵路工地多較偏僻，山高路險，運量和運速都受到極大制約，BIM-GIS一體化的應用能保證項目管理者所獲得的信息可靠性，實現物資實時可視化跟蹤。將各類物資冠以相應的ID，通過ID與計劃工作建立聯系，管理者可視化核實上一步工序的物資信息，調控物資下一步工序狀態，現場管理者可以查看每一個構造物組成，并隨時更新信息。

2.4 成本監控

該高原鐵路建設項目工期長，隨著建設物資供應時間加長，局部地區供求關系變化，供應價格必然受市場經濟波動的影響，客觀上給供應組織造成困難。如前所示，BIM技術提取類似歷史項目中產生的訂購成本、庫存成本、運輸成本等數據，運用到本項目的地理、數量、構件屬性信息，運輸車輛依據通過GIS技術確立的初步最優運輸路線和計劃數據，從相應的廠家出發，到達對應的施工段落，在運輸組織過程中收集實時交通信息與相關數據，GIS模型將其與最初的最優運輸路線做比較，借助網絡分析模塊評價和修正物流全過程，從而調整最優交通運輸路線，實現最終的最優方案。

3 智能物流管理系統關鍵數據設計

運用BIM-GIS多層級協同技術，物流采購階段首先利用GIS選擇最優廠家和最優運輸組織線路，將采購、運保和調撥聯系起來，綜合考慮優化費用。其次利用BIM-GIS一體化，可視化監控不同物流過程中物資實際狀態，并實時與計劃方案對比分析修正，積極融合物聯網、智能移動應用等最新信息化技術。

為解決上述問題，該高原鐵路智能物流管理系統關鍵數據設計包括物流執行系統、倉儲管理系統、物流綜合信息系統，物聯網數據值守中心。

3.1 功能模塊

物流執行系統包含場地路線規劃及預警、智能配貨、車輛定位、環境影響分析4個模塊。

倉儲管理系統主要包含貨源廠家管理、貨物定位管理兩個模塊。

物流綜合信息系統主要完成貨物狀態跟蹤功能。

物聯網數據值守中心主要包含風速風向監測、溫度濕度監測、地質災害監測。主要完成物流及施工環境下物聯網感知數據的接收及存儲。

某高原鐵路智能物流管理系統功能結構如圖2所示。

圖2 某高原鐵路智能物流管理系統功能結構

3.2 物流執行系統

物流執行系統主要包含場地路線規劃及預警、智能配送、車輛定位、環境影響分析4個模塊。主要解決高原鐵路物流安全、物流效率方面存在的問題。從物流安全角度考慮建設車輛定位、環境影響分析、預警功能；從物流效率角度考慮建設場地及路線規劃、智能配貨功能。

(1)場地路線規劃及預警

在高原鐵路項目施工的過程中，場地是管理系統第一層級因素。場地主要需考慮地形條件、地表附著物、水文地質、地方規劃等風險。運輸路線是管理系統第二層級因素，運輸路線設計不合理將導致物資的重復運輸，從而影響項目施工進度。對于高原鐵路所具有復雜地形的風險因素來說，企業僅僅開展常規的三通一平并不足夠。建立實景模型，采集原有地理信息，規劃臨時施工便道，利用GIS+BIM一體化信息集成技術，將周圍環境信息導入到3D地形模型中，通過更為直觀的可視化表現，可以充分了解周邊環境情況，這樣更有利于規劃產地布置和運輸線路，避免重復搬運，確保物流組織的順利開展。比如針對鋼構廠的選址、拌和站的選址等。

針對無法避開的危險運輸線路，在GIS可視化場景下進行危險路段的高亮或者特殊顏色的標注，提醒工作人員以及司機降速安全行駛。同時可以考慮成本、運輸效率等因素來決定是否對危險路段進行維修養護。

充分發揮BIM與GIS的技術特點，BIM確定項目所需建筑構件的屬性，生成詳細的物料清單，GIS確定物料的最佳運輸路線并根據可能有的變化進行動態調整。同時進行實時跟蹤物料狀態，更新庫存信息，將計劃狀態與實際狀態進行對比，根據已建立的評價指標對每一個工序進行績效評價。

(2)車輛定位

運輸環境艱險、運輸場地和路線規劃難、網絡環境不穩定、物流易受天氣、地質災害等多層級風險因素影響，智能物流利用BIM+GIS管理平臺對車輛進行定位，若運輸車輛出現緊急情況，則平臺做出報警提示，以便及時掌握車況，迅速做出應急處理。

為滿足安全及監管的需求，系統對施工車輛進行定位，車輛的實時位置信息可通過4G、衛星、建設基站等通訊方式上傳至物聯網數據值守中心，數據值守中心將車輛的位置信息、時間信息同時接收存儲，可在電腦端、移動端通過GIS平臺實時查看車輛位置信息。

(3)環境影響分析

為了保障施工安全、合理控制施工進度，建立GIS地形建設環境監測站，遠程遙測終端和傳感器對風速、風向、溫度、濕度、地質災害進行實時監測，當監測數據超出設置閾值的時候提醒施工人員停止施工或者采取保護措施施工。

3.3 倉儲管理系統

(1)貨源廠家管理

貨源廠家管理主要維護廠家名稱、廠家地址、貨物種類、貨物規格型號、廠家地址到倉儲中心的距離、廠家地址到施工現場的距離等多層級因素[19]。基于以上因素協同匹配最近的貨源地址、最經濟實惠的車輛類型及噸位，降低物流成本，實現智能配送。

(2)貨物定位管理

結合該鐵路倉儲中心自身的特點，建設基于BIM技術的貨物定位管理功能，通過布設立體貨架或平面倉儲區對貨物進行管理。建設BIM可視化和實際立體貨架、平面倉儲區的對應關系，在BIM可視化中快速定位貨物并在實際位置查找及運輸貨物。

3.4 物流綜合信息系統

物流綜合信息系統主要應用于物資運輸、倉保、調撥等過程中。在此模塊實現：貨物識別、貨物狀態、地點跟蹤等各類貨物溯源信息的維護和檢索。

3.5 物聯網數據值守中心

首先建設環境監測站，遠程遙測終端和傳感器對溫度、濕度、風速、風向、地質災害進行實時監測[20]。

某高原鐵路數據值守中心，主要用來實時接收遠程遙測站實時上報的各類監測數據，當監測數據超出閾值范圍時系統出現預警信息，提醒施工條件惡劣，杜絕產生安全隱患，其根本目的是對現場施工環境進行精確監控保障施工安全。

(1)風速、風向監測

對圈定地理范圍內的施工區域進行風速、風向的監測。首先布設風速傳感器，可設置監測上報的頻率，數據值守中心實時接收遙測終端上報的風速、風向數據，當風速超過設定速度時，當風向變化時，系統提供風速超閾值預警功能及風向變化提醒車輛運行采取安全、環保措施，保障物流安全及綠色施工。

(2)溫度、濕度監測

對圈定地理范圍內的施工區域進行溫度、濕度的監測。首先布設溫度傳感器，可設置監測上報的頻率，數據值守中心實時接收遙測終端上報的溫度、濕度數據，當溫度、濕度超出系統設定的閾值范圍則進行自動預警，管理人員據此數據分析決策物流及施工是否受到影響。

(3)地質災害監測

地質災害對物流及施工會產生非常嚴重的后果，尤其是物流階段，物流可能在艱險山區、高山峽谷，當出現地質災害時安全撤離時間得不到保障[21]。

考慮地質災害的局部性、時間敏感性等特點可建設地質災害監測傳感器，采用高頻率的上報方式將監測數據發送到數據值守中心，當監測點的相對位移量數據超出閾值范圍時，該系統第一時間給出預警，物流及施工相關人員第一時間從移動端獲知安全隱患則停止施工。

4 智能物流管理系統架構確定

某高原鐵路智能物流管理系統架構設計依據鐵路施工行業物流運輸特點結合高原鐵路沿線地形環境特點，本著穩定、實時、高效的設計原則，采用多層級協同技術運轉，保證物資配送過程中的每個環節都能夠實現精準、全面的監控調度，為鐵路工程進度保駕護航。

4.1 網絡架構

某高原鐵路智能物流管理系統的正常運行需要穩定可靠的網絡環境實現數據的實時精準傳輸，通信網絡架構如圖3所示。

圖3 某高原鐵路智能物流管理系統網絡架構

由圖3可知，平臺網絡及服務器架構主要涉及三大方面，其一是精準的終端定位網絡，其二是可靠的終端數據傳輸網絡，第三部分是平臺數據中心服務器及網絡環境設計[22]。

通過北斗結合GPS雙重定位網絡，盡可能保證車輛位置信息能夠精準采集；采用4/5G結合衛星通訊網絡結構，以保證車輛位置、狀態信息及相關突發情況信息能夠實時穩定的上報數據中心；設置身份認證和數據加密防護墻進行數據安全防護，數據解析服務、BIM+GIS服務以及數據庫服務所處網絡環境與外部網絡隔離，保證業務數據與模型數據的安全性。

4.2 軟件架構

整個系統根據使用場景通過物流執行系統、倉儲管理系統、物流綜合信息系統、物聯網數據值守中心4個子系統的協同工作，實現工程物流管理的全方位覆蓋。

平臺按技術職責劃分為業務服務系統、數據通信服務、數據解析服務、GIS+BIM服務系統四大部分。

業務服務系統負責平臺相關業務功能的實現，采用SOA架構設計實現，客戶端系統包括網頁端系統和手機APP端系統，提供具體的業務操作功能；Service層負責實現與數據庫服務器的數據交換，同時為網頁端和手機端系統提供數據交換接口，完成業務數據的維護[23]。

數據通信服務包括基礎Socket通信服務與衛星通信服務兩部分，衛星通信服務負責收發北斗短報文數據，通過RS232/RS458與衛星接收終端設備連接實現數據收發，將解析完成的數據通過Socket通信轉發至基礎Socket服務，同時將基礎Socket服務發送的業務數據封裝為北斗短報文數據包并發送到其他衛星通信終端；Socket服務負責接收車載終端發送的定位及其他上報信息以及通過衛星通信服務接入的相關業務數據，將與數據解析服務進行雙向通信完成業務數據的收發存儲。

數據解析服務負責將數據通信服務上報的數據進行解析存儲。采用Socket通信與數據通信服務進行數據交互，同時調用業務服務系統API實現與數據庫的數據交互。

GIS+BIM服務負責GIS地圖與BIM模型的發布，為業務系統提供穩定可靠的地理信息數據和BIM模型數據。

最終確定系統架構如圖4所示。

圖4 高原鐵路智能物流管理系統架構

5 結語

物流水平高低是高原鐵路建設施工能否順利完成的關鍵，是體現我國鐵路建設競爭實力的核心內容。針對該高原鐵路特有的建設施工特征，圍繞高原鐵路建設項目物流管理各類風險因素，構建基于BIM+GIS一體化多層級協同技術的高原鐵路智能物流管理系統，該系統在該高原鐵路中已全面試運行，運行安全可靠，實現其一體化全生命周期管理目標。同時，由于本系統是一種項目驅動的動態系統，需要建設管理人員、勘察設計人員、施工人員、物資管理人員進行信息充分共享，實現操作性更強的一體化、標準化系統，