BIM 與GIS 數據融合的智慧地鐵運維系統研究

劉學偉

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引 言

地鐵運營安全不僅關系著城市居民的出行，還直接關系著群眾的生活質量[1]。因此，如何提高地鐵的運營效率和安全性是地鐵運營管理部門一直在探索的問題。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術的發展，數字化技術已成為提高地鐵運維效率和安全性的有力工具。本文主要研究BIM 和GIS 數據融合在智慧地鐵運維系統中的應用，旨在提出一種有效的解決方案，以實現地鐵運維的智能化和數字化管理。

1 BIM 和GIS 模型的數據規范

1.1 IFC 規范

工業基礎類標準（Industry Foundation Classes，IFC）是BIM 中的一種數據交換格式，用于描述建筑、結構和建筑設施等方面的信息。IFC 規范主要由國際建筑業界聯合會制定，旨在實現BIM 軟件之間的互操作性，使不同軟件之間的模型數據可以進行交流和共享。首先，IFC 規范定義了一系列類別和屬性，用于描述建筑信息模型中的對象[2]。其中，每個類別都有特定的屬性和關系，用于描述建筑物中的不同部分和組件。其次，IFC 規范中的類別包括了建筑物、樓層、墻體、門窗以及梁柱等，可以描述建筑物中的各種元素和構件。再次，IFC 規范還定義了一些通用的屬性，如名稱、材料、尺寸以及一些特定的屬性（厚度、重量、強度等）。在BIM 建模中，將模型轉換為IFC 格式可以使模型數據在不同軟件之間進行交換和共享，從而實現BIM 軟件之間的互操作性。最后，IFC 格式的使用也可以提高建筑信息模型的數據質量和準確性，有利于建筑項目的設計、施工以及運維管理等方面的工作。在地鐵運維系統中，BIM 和GIS 技術的融合可以提高地鐵的運維效率和安全性，而IFC 規范的應用也是實現BIM 和GIS 數據融合的重要手段之一[3]。因此，熟悉和掌握IFC 規范的應用，對地鐵運維系統的建設和管理具有重要的意義。

1.2 CityGML 規范

首先，城市地理標記語言（City Geography MarkupLanguage，CityGML）規范是一種用于描述城市建筑和景觀的三維數據模型規范，基于地理標記語言（Geography Markup Language，GML）和可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）技術進行開發。其次，CityGML 規范定義了一系列城市模型類別和屬性，用于描述城市建筑物、街道以及綠地等元素，可以為城市規劃、管理和應急響應等方面提供有力支持。最后，CityGML 規范中定義了5 個不同層次，從低到高依次為基本模型、城市模型、建筑模型、裝配模型以及多尺度模型。其中，基本模型是最簡單的模型，只包含點、線和面等基本要素；城市模型則是基于基本模型加入了城市地物要素，如道路、建筑物、河流等；建筑模型是在城市模型的基礎上，進一步描述建筑物的細節和特征，如建筑物的立面、屋頂等；裝配模型是將建筑物的不同部分組裝起來，以實現更復雜的建筑物模型；多尺度模型則是在不同的層次上描述城市建筑物的細節和特征，可以實現不同精度和規模的城市模型[4]。在地鐵運維系統中，應用CityGML 規范可以為地鐵建筑物和設施的管理與維護提供支持，如地鐵站點、車站以及車輛庫等。通過將BIM 模型轉換為CityGML 格式，可以實現BIM 和GIS數據的互通和融合，從而更好地實現地鐵運維系統的智能化和數字化管理。同時，CityGML 規范的應用也可以為城市規劃和管理等領域提供支持，為城市的可持續發展和管理提供更加準確和全面的信息。

2 BIM 和GIS 融合方案

2.1 BIM 和GIS 融合方法

BIM 和GIS 的融合是一個復雜的過程，需要考慮數據格式、坐標系、數據精度等多個因素。在BIM和GIS 融合的過程中，主要有以下幾種方法。第一，坐標系轉換法：將BIM 模型和GIS 數據統一到相同的坐標系下，可以實現數據的對齊和融合，常用的坐標系轉換工具包括FME、ArcGIS 等。第二，數據轉換法：將BIM 模型和GIS 數據轉換為相同的數據格式，如CityGML、GML、Shapefile 等，實現數據的融合，數據轉換工具包括3D-Tool、Datakit 等。第三，接口對接法：通過開發接口實現BIM 和GIS 之間的數據交換和共享，實現數據的融合，如使用應用編程接口（Application Programming Interface，API）進行開發。第四，數據庫融合法：將BIM 和GIS 數據存儲到同一個數據庫中，通過數據庫管理系統實現數據的融合和管理，如Oracle Spatial、PostGIS 等。BIM 和GIS 融合方法的比較如表1 所示。

表1 BIM 和GIS 融合方法的比較

通過以上比較，可以看出不同的方法各有優缺點，需要根據實際情況選擇最適合的方法進行BIM 和GIS融合。

2.2 地鐵運維系統中相關技術融合手段

在地鐵運維系統中，BIM 和GIS 的融合可以實現對地鐵運營數據和設施設備信息的全面管理與維護。BIM 和GIS 融合在地鐵運維系統中的相關特點如表2所示。

表2 BIM 和GIS 融合在地鐵運維系統中的相關特點

通過上述方案的比較可以看出，地鐵模型與GIS融合主要用于地鐵設施設備的建模和展示，而運維信息與BIM融合主要用于設施設備的維護和管理。因此，在實際應用中，需要根據具體需求選擇合適的方案進行BIM 和GIS 融合。

3 BIM+GIS 運維系統相關問題探究

3.1 運維系統平臺的構建

基于BIM+GIS 的智慧地鐵運維系統需要一個完善的運維系統平臺，才能實現對地鐵運營數據和設施設備信息的全面管理與維護。運維系統平臺主要由前端展示界面、后臺數據管理系統、設備傳感器等組成[5,6]。

前端展示界面是整個系統的外在表現，其需要對地鐵設施設備的實時狀態進行展示和監測，同時能夠進行設施設備的查詢和位置跟蹤。因此，前端展示界面需要有可視化的界面設計、交互式的操作功能以及實時反饋的數據顯示等特點。同時，前端展示界面需要能夠通過API 接口與后臺數據管理系統進行數據交互。后臺數據管理系統是整個系統的核心，其需要對地鐵運營數據和設施設備信息進行維護與管理[7]。后臺數據管理系統的設計要求高度的可擴展性和數據可視化分析能力。同時，系統需要考慮到BIM 和GIS兩種數據模型的不同規范以及數據的一致性與完整性。設備傳感器是智慧地鐵運維系統的關鍵組成部分，其需要實時獲取設施設備的各項數據，并將其傳輸到后臺數據管理系統進行處理和分析。設備傳感器的設計需要考慮到設備種類的多樣性、數據類型的不同以及傳感器與系統的數據交互模式等方面的問題。

同時，還應該對系統安全性等因素加以關注和研究。所謂系統安全性主要是指系統的完整性和可靠性等相關因素；而穩定性主要涵蓋了系統可用性、容錯性等多重內容。因此在專業系統設計過程中更應該對上述問題予以關注，以此采用合理手段提高系統安全性和穩定性。在構建運維系統平臺時，需要采用開放式的系統架構，采用標準化的數據交互方式，利用開源的軟件技術進行開發和維護。通過這些方式，可以實現系統的高效、穩定以及可擴展[8]。此外，系統的構建需要經過充分的測試和優化，以保證系統的性能和用戶體驗。

3.2 基于智慧運維系統的主要功能實現

基于BIM 和GIS 的智慧地鐵運維系統可以提供多種功能[9]。第一，實時監測：智慧地鐵運維系統可以實時監測地鐵線路和車站的運行情況。通過安裝傳感器和攝像頭，系統可以監測列車位置、車速、乘客數量、車站擁堵程度等數據，以及檢測地鐵設施的狀態，如電梯、自動扶梯等是否正常運轉。第二，故障預警：系統可以分析實時數據，對可能出現的故障進行預警，及時通知地鐵維護人員進行維修，避免故障發生延誤和安全事故。第三，維護管理：系統可以管理地鐵的維護信息，包括設備檢修、維護計劃和維修記錄等。通過將BIM 模型和GIS 模型融合，維護人員可以在地圖上直觀查看設施的位置和狀態，提高維修效率與準確性。智慧地鐵運維系統的主要功能和對地鐵運營的影響如表3所示。

表3 智慧地鐵運維系統的主要功能和對地鐵運營的影響

4 結 論

BIM 和GIS 的融合在智慧地鐵運維系統的構建中發揮了重要的作用。通過IFC 和CityGML 規范的統一標準，使得不同數據來源的模型能夠互相交互和融合，為智慧地鐵運維系統提供了基礎支持。隨著科技的不斷進步，智慧地鐵運維系統將會不斷發展和完善，未來可能會加入更多的智能技術，如人工智能、大數據分析等，為地鐵的運行管理提供更加精細化和智能化的支持。