基于BIM的鐵路周界防護系統平臺的設計與實現

李陽

摘要：針對目前國內將BIM技術與鐵路周界防護系統相結合的研究較少的現狀，設計并實現了基于BIM的鐵路周界防護系統平臺，該平臺以滬蓉高鐵部分路段為試點，充分驗證了BIM技術與鐵路周界防護需求相結合的可行性，為進一步推動BIM技術與鐵路全周期管理相結合，進行了有益的探索和實踐。

關鍵字： BIM；鐵路；周界防護

中圖分類號：TP3? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0108-03

1 研究背景

鐵路周界防護系統是我國鐵路越來越普遍使用的一種預警方式。該系統通過在鐵路沿線部署具有入侵探測功能的各種探測終端（目前使用較為廣泛的包括泄露電纜、振動電纜、微波探測器、紅外/激光對射、脈沖電子圍欄、高清視頻、雷達+視頻的雷視一體機等），通過有線網絡/無線網絡等傳輸通道，將數據傳輸到后端，并在后端平臺上實現報警數據的展示和保存[1-3]。目前鐵路上使用的各類周界防護系統平臺，在效果展示上都是通過二維平面地圖，不具備三維可視化效果。基于BIM的三維可視化技術，在鐵路上目前更多地研究方向也局限于鐵路設計、建設、運維、管理全過程方面[4-5]。將基于BIM的三維可視化技術與鐵路周界防護系統平臺相結合的研究，目前在國內的研究和使用上還很少。因此，本文設計并實現基于BIM的鐵路周界防護系統平臺，利用BIM技術的可視化、協調性、模擬性的特點，來進一步提升鐵路周界防護系統平臺的適用性和易用性。

2 BIM技術

BIM（Building Information Modeling） 源于美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業的查克伊士曼博士提出的一個概念。通過在計算機中組建可視化的精準三維模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，它具有信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性等特點。

由于BIM技術的可視化能力，容易獲取系統、設備、監控區域等之間的空間位置信息關系，便于管理者進行更好的查看、溝通、討論與決策。在本文中，為了實現鐵路周界的可視化、運營管理的可視化及對告警數據的直觀查看，對鐵路及其泛周邊環境進行BIM建模，充分描述各個構件之間的空間關系，通過與前端感知設備關聯并與智能分析的數據進行聯動展示，便于平臺接收到前端告警信息后快速定位及三維可視化展示。

3 系統需求

鐵路BIM聯盟已初步建立了相關標準體系框架[6]，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[7]，從資源的重復利用角度出發，這些數據也可以直接應用于周界防護中，同時，作為鐵路周界防護系統的平臺，必須具備能夠對接各種前端設備、對接鐵路系統既有平臺的功能，因此，基于BIM的鐵路周界防護系統平臺在系統設計和功能設計上，必須要綜合考慮以上要素。

4 系統設計

4.1 系統架構

由于鐵路周界防護系統接入的系統多、設備多、數據多，本文在設計系統平臺架構的時候，遵循“統一規劃、統一標準、統一平臺”的原則，推進基于BIM的鐵路周界防護系統平臺研發與建設。如圖1所示，系統平臺在整個鐵路周界防護系統中屬于核心模塊，系統平臺對接前端監測設備，負責接收前端監測設備回傳數據，并對回傳數據進行分析、存儲；同時系統平臺采用B/S模式，用戶通過內部服務網終端或者移動終端進行訪問，通過權限控制，可支持集團級、局級、站段級、車間級、班組級不同等級用戶聯網訪問。系統平臺在鐵路內部服務網中通過通用接口單元與鐵路沿線安全光纖綜合監測系統、視頻監控系統、鐵路數據服務平臺、鐵路時間同步系統等實現數據交互。

4.2 技術架構

基于BIM的鐵路周界防護系統平臺在技術架構上設計了四層體系的架構，四層即數據存儲層、邏輯服務層、訪問層、接口服務層；兩體系為“標準規范體系”和“安全保障體系”，如圖2所示。

其中數據存儲層主要負責平臺各種結構化、非結構化數據的存儲。針對時間、操作人、數據權限等數據采用結構化的關系型數據庫進行存儲；針對圖片、文件等非結構化數據，采用Key/Value形式的非關系型數據庫，具有更高的讀寫效率，可實現數據解耦，也有利于數據格式的動態擴展。此外，整個數據采用分布式存儲，可動態增加存儲節點或集群，既提高了數據存儲效率及容量，又可避免單點故障，滿足用戶多樣化的數據存儲需求。

邏輯服務層是系統平臺的核心層，提供包括BIM服務、視頻服務、存儲服務、應用服務等多種微服務，用以支撐整體業務功能的實現。同時，對于日志管理等系統輔助功能，也由邏輯服務層負責實現和提供。該層采用微服務設計理念，徹底解決系統解耦、性能低下等問題，滿足高并發、高可用、高穩定和高安全等性能要求。由于采用微服務架構，各個服務模塊化編寫，具有高內聚低耦合的優勢，便于靈活更新升級，而不會影響其他業務。同時支持移動應用和PC應用，提高效率，節約成本。

訪問層針對用戶訪問設備類型的不同，分別提供移動端服務和PC端服務，實現用戶操作交互功能。用戶可通過系統界面，通過多種方式操作BIM模型，查看系統狀態、告警位置及對應的告警信息，獲得三維沉浸式體驗，提高人機交互效果。

接口服務層將系統涉及的各類對接功能，分別作為獨立的接口對外提供服務，實現不同業務之間的相互解耦；通過定義通用的接口規范，屏蔽不同系統之間的差異。

標準規范體系包括數據交互涉及規范和元數據內容規范兩部分，主要是用來保證數據接口的一致性和通用性；安全保障體系是指系統的身份認證和鑒權，主要是用來保證系統平臺對外開放接口的安全性。

5 系統功能與應用

鐵路隧道口作為周界安防重要監控區域，本文以滬蓉高鐵某隧道口及其隧道監控區域為試點，展示基于BIM的防護系統應用，如圖3、圖4所示。

5.1 平臺與BIM展示

對隧道口泛周邊環境、近隧道口處隧道進行精細BIM三維建模，并將模型嵌入到B/S架構的平臺，進一步對監控探測終端進行建模并進行聯動。當探測終端本身存在異常時，三維模型上顏色自動顯示紅色；當發生告警時，設備上出現彈窗提示，同時對應的監測區域變紅。三維模型可通過旋轉、縮放進行展示與查看，通過關聯現場實時感知數據，實現現場實景的快速感知。

5.2 系統管理功能

平臺接入的各類設備或系統，建立統一的臺賬進行管理。將設備臺賬與設備所在的線路信息、路局信息以及相關責任部門建立對應關系，確保設備信息的一致性和準確性。

平臺接入監控系統及設備上傳的告警數據，實現報警數據的統計。可按報警日期、報警時間、報警類型、報警等級、處理狀態等進行查詢。告警分類統計以告警類型統計報警次數，報警等級統計以不同的等級顯示報警等級對應數量及占比，列表對應展示查詢結果集，用戶也可以通過查詢結果集，查看某條報警信息的詳情。

此外，為了完善系統的整體功能，同時，為以后對接鐵路內部在用的人員管理等已有系統，系統設計并實現了機構管理、人員管理等模塊，并預留了對接接口，保留了擴展性。

6 結束語

為了檢驗基于BIM的鐵路周界防護系統平臺的功能和效果，在滬蓉高鐵線路段開展試點，平臺主要面向相關線路工務段提供服務。在系統平臺試點過程中，通過三維模型與感知數據的深度聯動，極大提高了整個平臺的互動性和數據一致性，便于巡檢人員快速查看、定位問題，系統直觀，具備極強的拓展性。后續將進一步探討與鐵路相關專業資源共享的方式方法，同時，考慮引入大數據分析技術，更好地推動BIM技術與鐵路行業應用相結合的研究工作。

參考文獻

[1] 徐夢姝.高速鐵路周界入侵報警系統運用分析[J].中國安全科學學報，2018，28（S1）：29-33.

[2] 陳樹駿.振動光纖周界入侵報警系統在鐵路的應用[J].中國鐵路，2016（6）：82-84.

[3] 堯豐，王軍鋒，劉宏江，等.基于雷達視頻協同技術的鐵路區域安防系統[J].中國鐵路，2022（4）：114-119.

[4] 劉為群.BIM技術應用于數字鐵路建設的實踐與思考[J].鐵道學報，2019，41（3）：97-101.

[5] 王言.基于BIM技術的鐵路運維管理信息平臺設計研究[J].鐵路技術創新，2020（3）：40-44.

[6] 王志華，盧文龍，郭鵬飛，等.基于BIM的鐵路基礎設施運維管理平臺總體方案及關鍵技術研究[J].鐵路計算機應用，2019，28（4）：45-48，52.

[7] 錢錦.基于3DGIS與BIM的交通基礎設施信息化運維管理研究[J].城市建筑，2019，16（8）：32-34，55.

【通聯編輯：朱寶貴】