基于BIM技術的軌道工務運維智慧信息平臺研發

摘要：【目的】為推動軌道工務運維信息化、智慧化，提高檢修效率，【方法】基于Revit二次開發和Unity3D平臺，研發了鐵路軌道工務運維智慧信息平臺。平臺采用數據層、應用層和界面層三層構架，集成了人機交互、運維信息管理和技術信息查閱三大模塊，可實現AR掃描、BIM模型漫游展示、復雜設施拆裝作業動畫模擬、軌道幾何形位波形圖繪制、TQI值計算、檢修記錄查閱、技術規章和CAD圖紙查詢等功能，具有實用性高、便攜性好、可操作性強的特點。【結果】經工務現場應用測試，平臺性能良好，各功能均穩定運行，達到了研發預期目的。【結論】平臺的構建和研發為推動鐵路軌道工務運維信息化、智慧化提供了一種新思路。

關鍵詞：鐵路工務；BIM技術；智慧信息平臺；移動增強現實；人機交互

中圖分類號：U216 文獻標志碼：A

本文引用格式：胡趙磊，宋鑫，徐蘊航，等. 基于BIM技術的軌道工務運維智慧信息平臺研發[J]. 華東交通大學學報，2024，41（5）：56-64.

Research and Development of Intelligent Information Platform for Operation and Maintenance of Track Maintenance

Based on BIM Technology

Hu Zhaolei1， Song Xin2， Xu Yunhang1， Zhang Pengfei1， Zhang Hong1， Yu Lu1

（1. State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 2. Foshan Metro Operation Group Co.， Ltd.， Foshan 528000， China）

Abstract： 【Objective】To promote the informatisation and intelligence of railway engineering operation and maintenance， and to improve the efficiency of maintenance， 【Method】 Based on the secondary development of Revit and Unity3D platform， a railway track engineering operation and maintenance intelligent information platform is developed. The platform adopts a three-layer structure of data layer， application layer and interface layer， integrates three modules of human-computer interaction， operation and maintenance information management and technical information access， and can realize functions such as AR scanning， BIM model roaming display， animation simulation of complex facilities disassembling and assembling operation， drawing of track geometric waveform， calculation of TQI， access to maintenance records， querying of technical regulations and CAD drawings， et al.， which is of high utility， high portability， and strong operability. It has the features of high practicality， good portability and strong operability. 【Result】 The platform performs well in the field application test of public works， and all functions can run stably， which achieves the expected purpose of research and development. 【Conclusion】 The construction and development of the platform provides a new way of thinking to promote the informatisation and intelligentisation of railway engineering operation and maintenance.

Key words： railway engineering; BIM technology; intelligent information platform; mobile augmented reality; human-computer interaction

Citation format： HU Z L， SONG X， XU Y H， et al. Research and development of intelligent information platform for operation and maintenance of track maintenance based on BIM technology[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（5）： 56-64.

【研究意義】隨著我國鐵路運營里程的不斷增加，現場靜態檢查數據、維修計劃、整治方案、質量驗收數據等工務運維信息激增。這些信息通常以離散形式保存，如紙質資料、Excel或Word文件，難以方便地查詢和統計，不僅對后期查詢檢索與統計分析造成困難，還會對檢修人員夜間天窗期檢修材料的使用帶來不便。因此，鐵路運維信息共享與管理平臺的開發，對于顯著提高線路檢修效率具有重要意義。

【研究現狀】近年來，建筑信息模型（building information model，BIM）技術在軌道交通基礎設施領域得到了越來越廣泛的應用，國內外學者開展了大量的研究工作并取得了豐碩的成果。盧春房等[1]融合BIM、AI、IoT、GIS等技術，建立了線路設備空天車地一體化檢測監測平臺，提出了平臺應用層的主要技術功能，為重載鐵路線路設備智能運維提供支撐。王同軍[2]根據智能高速鐵路的現有研究成果，構建了三維智能高速鐵路體系架構模型。閆立忠[3]針對鐵路四電工程的BIM應用，提出了一種覆蓋協同設計到施工管理的全過程技術路線，利用BIM模型完成鐵路四電工程的拓展應用。萬偉明等[4]開發了鐵路車站改擴建工程資料管理系統，實現了改擴建工程資料5D可視化管理。劉驚灝等[5]基于B/S架構，通過監測物聯網體系中的傳感器，搭建了鐵路運維管理數據系統，將可視化BIM技術應用在鐵路運維中。任星辰[6]結合各平臺BIM軟件，開發BIM插件，對裝配式建筑進行了三維可視化協同設計。劉珍珍[7]建立了以BIM技術為支撐的鐵路信號專業運維管理模式，提出了專業-工程單元-系統-設備四級模型結構樹構建方法。韓德志等[8]針對城市軌道交通工程建設，通過建立建設階段與運維階段的數據映射關系，實現建設與運維的順暢銜接。陳東生等[9]利用移動互聯網和云計算技術，開發了一款鐵路工務智能移動終端系統，系統通過Android平臺發布，能夠為工務現場提供完整的輔助檢修服務。Min等[10]結合英國干線鐵路網絡上的工程案例，基于BIM與GIS技術，提出了一種鐵路養護投資評價方法，確定了更經濟的鐵路養護策略。Hassanain等[11]基于IFC（industry foundation classes）標準定義運維信息，提出了設備運維管理模型，以描述設備運維工作中的檢查和維護信息。Riaz等[12]通過可視化呈現BIM模型，對監測傳感器接收到的數據進行實時分析，以避免在建筑工地密閉空間中工作的工人遇到緊急情況。

【關鍵問題】現有研究大多集中于軌道運維平臺功能性的研發，雖在一定程度上降低了工人勞動量，提高了運維效率，但在提高平臺便攜性、實用性等方面的研究還相對較少。

【創新特色】為推動軌道工務運維信息化智慧化，提高檢修效率，本文以某高校軌道交通實驗中心軌道為研究對象，針對軌道的構造特點，基于Revit二次開發和Unity3D平臺，研發了軌道工務運維智慧信息平臺，通過人機交互、運維信息管理和技術信息查閱三大功能，為推動軌道工務運維數字化、信息化、智慧化提供了一種新思路。

1 軌道BIM模型自動構建

構建軌道BIM模型是軌道工務運維智慧信息平臺功能實現的基礎。本文通過對CAD二次開發和Revit二次開發實現了軌道BIM模型的自動建立，其設計思路如圖1所示。

1.1 軌道構件族創建及族庫插件開發

目前Revit軟件主要應用于房屋建筑工程中，Revit的系統構件族多為墻、柱和梁等，并不適用于軌道構件的創建。因此需要利用Revit族編輯器，選擇合適的族樣板，結合軌道構件的特點，創建軌道構件族。

通過Revit二次開發擴展軟件功能對構件族進行管理，族庫以樹結構形式對構件族進行分類，通過調用RevitAPI來執行族文件載入、族文件刪除和族模型查看等操作。

1.2 Revit二次開發及模型的建立

先獲取CAD圖紙中所有多段線，然后計算每個數據所在方格的最大點和最小點，得到所需二維數據，最后把讀取到的二維坐標加上對應構件的控制點相對坐標和高程數據，即可得到對應構件的三維坐標。

對Revit進行二次開發，通過提取出的數據，自動創建軌道結構中路基、道床、軌道板、軌枕、扣件、鋼軌等構件BIM模型，最終建立軌道BIM模型。軌道BIM模型構建流程圖如圖2所示。

2 軌道工務運維智慧信息平臺開發

2.1 平臺需求分析及主要功能

現場檢修過程中，復雜結構的檢修需要進行多器械、多工序作業，是工務維修的重點和難點。工務現場累積了大量的紙質和電子資料，儲存形式的不同，導致難以系統地查詢和統計。此外，現場作業需要設備臺賬和歷史檢修數據支持，紙質資料不方便攜帶，也不便于在夜間天窗期使用。所以，可以利用先進的技術手段，研發基于BIM技術的鐵路軌道工務運維智慧信息平臺，提供便捷的輔助維修服務。根據需求分析，本文所研發的平臺擬實現以下功能。

1） 人機交互功能。基于BIM和移動增強現實技術，針對軌道部件開發人機交互功能，展示構件的BIM模型以及模擬構件拆裝作業。在軌道工務維修過程中使用移動設備識別工務現場的設施設備，通過放大、縮小和上下左右滑動屏幕等操作，觀察構件的細部結構，展示相關設施設備的拆裝作業模擬過程，為軌道工務檢修提供參考，增加本平臺的實用性。

2） 運維信息管理功能。運維信息管理功能能夠集成設備的名稱、型號、數量和編碼等信息，實現各系統間信息的關聯；展示鐵路軌道的結構和空間位置排布，記錄主要設施設備的檢修故障數據；通過載入軌道幾何形位檢測數據，可以繪制軌道幾何形位波形圖，計算各段線路軌道質量指數（track quality index，TQI）[13]，為鐵路軌道工務運維檢修決策提供參考。

3） 技術信息查閱功能。可在平臺中查看鐵路軌道的工務維修規范和相關設施設備CAD圖紙等技術信息，現場工務人員通過移動端即可查詢所需的檢修資料，提高鐵路軌道工務運維檢修效率。

2.2 平臺開發環境及架構設計

本軌道工務運維智慧信息平臺開發環境：PC操作系統為Windows 10操作系統，PC開發平臺為Unity3D 2017.3.0f3，開發環境為.NET Framework 4.7，開發工具為Vuforia SDK，JDK，開發語言為C#（Visual Studio 2017），應用運行平臺為Android端。平臺架構采用了經典的3層架構設計，如圖3所示。

界面層主要是通過軌道工務運維智慧信息APP對平臺應用功能進行展示，方便使用。應用層主要基于Unity3D平臺定制相應功能，共分為3個功能模塊，分別為人機交互模塊、運維信息管理模塊和技術信息查閱模塊，通過相應的功能程序與數據層建立聯系，實現數據的存儲與提取。數據層主要由BIM模型庫、運維數據庫和技術信息庫構成。

2.3 人機交互功能實現

1） 移動增強現實技術實現。該技術實現流程如下：首先采集目標圖片提取特征點，打包成數據集；然后與攝像機的視頻幀率進行對比，通過三維跟蹤注冊技術實現在現實世界中的跟蹤和定位；將虛擬世界的元素添加到現實世界中進行人機交互。移動增強現實技術實現流程如圖4所示。

2） 構件BIM模型展示功能實現。使用移動增強現實技術識別到構件后，在屏幕上展示構件BIM模型，并添加交互功能，如模型旋轉、放大、縮小，以及觸發按鈕等。實現這些交互功能，需要判斷交互所使用的手指數量及其觸摸狀態，并根據不同的情況調用相應的控制指令。單指滑動屏幕旋轉模型，雙指滑動屏幕根據兩點滑動相對距離實現模型的放大和縮小，雙擊模型跳轉到構件拆裝作業模擬場景，點擊退出按鈕退回到平臺首頁場景。實現模型旋轉、放大、縮小、跳轉功能的程序邏輯如圖5所示。

3） 構件拆裝作業模擬功能實現。在展示構件BIM模型的基礎上，添加Animator組件，模擬復雜設備拆裝作業動畫。設置“上一步”和“下一步”按鈕，以便對每一步動畫進行控制，并添加相應的文字說明。相應的動畫控制邏輯如圖6所示。

2.4 運維信息管理和技術信息查閱功能實現

TQI是指200 m單元區段內軌道的左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平和三角坑7項不平順的標準偏差之和，通過將全線分為若干個單元進行計算后得到TQI的平均值，以表示線路的整體狀態，TQI在軌道區段質量狀態評價中發揮了巨大的作用。

TQI值的計算式為

[xi=1nj=1nxij] （1）

[σi=1nj=1n（xij-xi）2] （2）

[TQI=i=17σi] （3）

式中：n為采集點的個數（200 m單元區段中[n=800]）；[xij]為200 m單元區段中各項幾何偏差的幅值，[i=1，2，…，7]，[j=1，2，…，n]；[σi]為各項幾何偏差的標準差，[i=1，2，…，7]，分別為：左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑。

通過導入軌道幾何形位檢測數據文件，將軌道的左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平和三角坑數據按測點導入到對應設備模型中，可在對應軌道模型上顯示軌道幾何形位波形圖，計算并顯示該段軌道的TQI值。

基于Unity3D平臺開發檢修記錄和設備管理界面，該界面可編輯并保存如基本數字、字符串、照片等多種格式的信息，實現運維信息管理功能。將鐵路軌道的工務維修規范和相關設施設備CAD圖紙等技術信息錄入平臺，實現技術信息查閱、查詢功能。

3 平臺功能測試

3.1 測試環境

當前以智能手機為代表的移動智能終端設備在性能表現上呈現跨越式發展，本次測試所使用的移動設備配置參數見表1。

3.2 測試過程

為檢驗軌道工務運維智慧信息平臺的功能，進行了工務現場應用測試。測試主要包括頁面測試、人機交互功能測試、運維信息管理功能測試和技術信息查閱功能測試。本平臺發布于Android平臺，打開App進入平臺主界面。平臺主界面設置了8個功能按鈕，包括“AR掃描”“作業模擬”“工程瀏覽”“軌道波形”“檢修記錄”“設備管理”“技術規章”和“圖紙查看”。平臺模塊共分為人機交互模塊、運維信息管理模塊和技術信息查閱模塊。人機交互模塊由“AR掃描”和“作業模擬”按鈕進入，運維信息管理模塊由“工程瀏覽”“軌道波形”“檢修記錄”和“設備管理”按鈕進入，技術信息查閱模塊由“技術規章”和“圖紙查看”按鈕進入。

頁面測試主要是各頁面按鈕的功能性和UI顯示效果測試，經現場測試效果表明，各頁面按鈕的功能性和UI顯示均能達到預期的效果。

點擊“AR掃描”按鈕，進入移動增強現實功能頁面，調用移動智能終端的攝像機，在工務作業現場進行掃描識別，屏幕顯示相應設備的三維模型于設備上方，如圖7所示。

可通過滑動或點擊屏幕進行人機交互，雙擊三維模型進入構件BIM模型展示場景，如圖8所示，通過放大、縮小、上下左右滑動屏幕等操作，觀察模型的細部結構。點擊“拆裝模擬”按鈕，可進入構件拆裝作業模擬場景，點擊“上一步”和“下一步”按鈕拆裝轉轍器，如圖9所示，如需查看相應構件具體維修作業信息，可通過“技術規章”按鈕進入技術信息查閱模塊查閱。

通過點擊平臺主界面的“工程瀏覽”按鈕，進入工程瀏覽界面，雙擊構件三維模型，即可顯示相關設施設備詳細參數信息，如圖10所示。

在工程瀏覽界面點擊“軌道波形圖——選擇標示里程”或主界面“軌道波形”按鈕，進入軌道幾何形位波形圖界面，可在軌道模型上方查看對應標識里程軌道幾何形位波形圖及該段軌道的TQI值，也可將數據從系統中導出，由使用者自行繪制軌道幾何形位波形圖。以某高校軌道交通實驗中心其中一段為例，計算標示里程BK0+000-BK0+200區段的TQI值，如圖11所示。

通過點擊平臺主界面“設備管理”按鈕進入設備管理界面，在表格中按照相應的編號、名稱、型號、數量、單位和現狀錄入設施設備信息，點擊“+”按鈕可增加表格的行，如圖12所示。

通過點擊平臺主界面的“檢修記錄”按鈕或點擊模型展示界面的“檢修記錄”按鈕進入檢修記錄界面，在表格中按照相應的設備名稱、設備編號、設備型號、記錄時間、設備現狀和備注錄入檢修記錄，點擊相機圖標可以拍照記錄設備現狀，點擊“+”按鈕可增加表格的行，如圖13所示。

通過點擊平臺主界面的“技術規章”按鈕進入技術規章界面，可選擇查看設備標準、修理要求及設備修理主要作業要求。通過點擊平臺主界面的“圖紙查看”按鈕進入CAD圖紙庫界面，如圖14所示，點擊對應按鈕，可以展示鐵路軌道主要設施設備的CAD圖紙。

通過工務現場應用測試，人機交互功能、運維信息管理功能和技術信息查閱功能均能正常使用，且都能達到預期目的。

當前，工務運維平臺主要分為網站型平臺和APP型平臺，如孫雷等[14]基于B/S設計了鐵路工務維修輔助平臺，張超等[15]基于Unity3D平臺開發了高速鐵路工務智能維修移動應用程序。相比于其他工務運維平臺，本平臺在實用性和可操作性上具有明顯優勢。

相比于網站型平臺，本平臺運行更加流暢、穩定，同時所有功能均能離線使用，可避免在偏遠山區工務維修現場由于網絡不暢而導致平臺不能正常使用的問題。

相比于Windows端應用，本平臺為移動應用程序，便攜性大大提高。和同類型的移動端平臺相比，本平臺內存大小僅80 M，對移動設備配置要求不高，平臺界面簡潔，操作簡單，能有效滿足工務現場輔助維修的需要。

4 結論

以某高校軌道交通實驗中心軌道為研究對象，基于Revit二次開發和Unity3D平臺研發了軌道工務運維智慧信息平臺，詳細地闡述了平臺的構建過程及功能實現。主要結論如下。

1） 基于Unity3D開發平臺，采用三層架構模型，研發了軌道工務運維智慧信息平臺，并根據平臺需求分析，實現了人機交互功能、運維信息管理功能和技術信息查閱功能。

2） 平臺能夠漫游展示軌道的結構和空間位置排布；在維修過程中，可以識別現場的設施設備，直接提供相關設施設備的三維可視化模型和拆裝作業模擬動畫；導入軌道幾何形位檢測文件和軌道幾何形位數據，可繪制軌道幾何形位波形圖并計算TQI值；可以查閱檢修記錄、設備管理資料、技術規章和CAD圖紙等。相比于其他工務運維平臺，本平臺的實用性和可操作性大大提高，能有效提升工務現場的維修效率。

3） 平臺集成了多個獨立功能，以標準化的檢修場景為驅動，通過移動終端提供軌道工務運維信息，攜帶方便，可進一步提升軌道工務運維的智能化水平，對推動軌道工務運維向信息化、智慧化方向邁進具有重要的參考價值。

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第一作者：胡趙磊（2000—），男，碩士研究生，研究方向為軌道交通BIM技術。E-mail： 2075839595@qq.com。

通信作者：張鵬飛（1975—），男，教授，博士，博士生導師，國家自然科學基金獲得者。研究方向為橋上無縫線路設計理論與關鍵技術。E-mail： zhangpf4236@163.com。