上海地鐵智慧城軌全生命期數據共享與集成應用

文：辛佐先丨上海市隧道工程軌道交通設計研究院

近年來，各階段的BIM應用方案越來越成熟，但各階段的BIM數據在全生命期共享及有效集成應用的問題與挑戰(zhàn)愈發(fā)突出。本文在上海軌道交通14號線的建設與運營實踐中開展研究，提出了一種基于BIM技術的城市軌道交通全生命周期數據共享與應用的解決方案，并研究總結了應用成效。

上海地鐵14號線自2014年項目初期就引入BIM技術，在建設過程中結合GIS、物聯網、多源數據融合、數據挖掘等多種信息化技術，打造一個集成設計、建設、運維需求，覆蓋全生命期的數字化、可視化、一體化信息管理方案及系統平臺，實現全生命期數字化模型傳遞，實現數據自動化集成和輕量化共享，為城市軌道交通行業(yè)全生命期數據管理提供一個基于BIM技術的解決方案。

一、數據共享與集成應用方案研究技術路線

BIM數據共享與集成應用方案分為三個層面：上海地鐵BIM集成應用的管理體系研究、全生命周期信息化數據集成共享的關鍵技術研究、全生命期信息管理平臺開發(fā)及應用（圖1）。

方案研究主要分為以下三個階段：

第一階段，上海地鐵BIM集成應用的管理體系研究，包括企業(yè)級BIM標準、BIM實施總體管理文件及項目級BIM應用技術指導要求的研究。

第二階段，全生命期多源、異構數據集成共享與管理，包括數據校驗模板自定義、多源/異構數據集成等關鍵技術研究。

第三階段，基于BIM技術的城市軌道交通全生命期信息管理平臺開發(fā)及應用，包括軌道交通數字化設計協同管理平臺、軌道交通數字化智慧建設管理平臺、軌道交通數字化智慧運營管理平臺、軌道交通BIM數據資源共享服務平臺的開發(fā)及應用研究。

二、方案研究過程

（一）上海地鐵BIM集成應用的管理體系

城市軌道交通BIM集成應用管理體系，以企業(yè)級BIM標準為指導，制定項目級BIM實施總體管理文件以及BIM應用技術指導要求。其中，企業(yè)級BIM標準是BIM應用管理體系的頂層設計，其內容與企業(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃銜接；BIM實施總體管理文件規(guī)范工程項目BIM應用，并結合工程實際按需調整；BIM應用技術指導要求制定了各BIM應用點的實施細則，全面指導BIM應用工作，保證具體實施單位在BIM應用落地實施過程中有據可依，充分發(fā)揮BIM技術的價值。

一是企業(yè)級BIM標準。結合上海軌道交通既有線路的BIM技術應用實踐經驗，上海申通地鐵集團已經形成了一套符合上海城市軌道交通工程的企業(yè)級BIM標準，包括《城市軌道交通建筑信息模型族創(chuàng)建標準》《城市軌道交通設施設備分類與編碼標準》《城市軌道交通建筑信息模型交付標準》《城市軌道交通巖土工程勘察信息模型數據規(guī)則》《城市軌道交通地下管線信息模型數據規(guī)則》《城市軌道交通建筑信息模型應用技術標準》。

二是BIM實施總體管理文件。根據企業(yè)級的BIM標準，結合工程的BIM應用特點，制定了BIM實施總體管理文件。該管理文件明確了總體管理目標，落實工作分解結構、組織架構與職責分工、工作季度計劃，并構建合理的質量管理體系、進度保障措施、參建方培訓、考核管理等方案，不僅具備良好的實用性，同時兼顧了開放性和前瞻性。

三是項目級BIM應用技術指導要求。項目級BIM應用技術指導要求是規(guī)范各參建方BIM應用落地的操作性文件，包含項目級各應用點BIM技術指導要求，規(guī)范BIM應用的過程，并確保BIM成果的準確性，助力BIM應用落地。在設計階段開展三維設計、預制拼裝、清單工程量計等BIM應用，最終促進基于BIM模型的標準化、精細化的協同設計，提高規(guī)劃設計品質和效率；在施工階段解決建設過程中的各類技術問題，如復雜施工工藝仿真、施工方案模擬、運營檢修空間審查等，并輔助管理優(yōu)化，包括進度、成本、質量管理等，實現工程建設管理由傳統的經驗管理向科學管理、流程化管理的轉變，有效增強以業(yè)主為核心的業(yè)務管理能力。

（二）全生命周期信息化數據集成共享的關鍵技術研究

一是數據校驗模板自定義技術。為保證BIM數據資源的準確性，僅制定紙質的BIM標準還不足，需開發(fā)對應的平臺工具對全生命期的模型數據進行校驗。本項目開發(fā)軌道交通IFC數據校驗軟件，根據各業(yè)務系統應用管理的需求，進行不同類型的數據校驗工作。研究并制定校驗模板自定義技術，可以供用戶更新或修改校驗模板，包括分類編碼、信息類型、校驗規(guī)則等。校驗模板自定義是在校驗算法不變的基礎上，通過修改模板完成校驗需求的更新，有利于保證軌道交通BIM模型校驗方法的通用性和可擴展性。

二是多源、異構數據的集成技術。為保證BIM數據資源能夠對接設備狀態(tài)、業(yè)務狀態(tài)等動態(tài)數據，需提供多源、異構數據集成接口，如集成CCTV、ISCS、AFC、OA、人員定位等業(yè)務數據。本項目研究了標準化接口，實現了動態(tài)業(yè)務數據與BIM模型數據的自動化集成，為既有業(yè)務信息系統提供整合后的模型數據資源，打造BIM數據資源共享服務平臺，可在三維可視化環(huán)境中開展各類管理業(yè)務。為保證既有業(yè)務系統能夠調用BIM數據資源，制定統一、標準的開發(fā)協議，編制企業(yè)級BIM數據資源共享服務平臺數據接口標準，研究對各業(yè)務信息系統接口的要求，定義各大業(yè)務板塊的接口范圍，如票務管理、資產管理、巡檢管理等，提供平臺所有基礎功能的接口清單，形成企業(yè)級數據接口標準，為既有業(yè)務系統提供有效的BIM數據資源。

（三）基于BIM技術的城市軌道交通全生命期信息管理平臺開發(fā)及應用

上海地鐵14號線從項目建設初期開始就開啟了BIM技術的研究和應用，基于數字化工程模型，結合物聯網、云計算、多源數據融合、大數據分析與數據挖掘等多種信息化技術，將數字化工程模型應用于城市軌道交通項目前期、設計、施工、運維的全過程，開發(fā)并應用了軌道交通數字化設計協同管理平臺、軌道交通數字化智慧建設管理平臺、軌道交通數字化智慧運營管理平臺、城市軌道交通BIM數據資源共享服務平臺，提升軌道交通全生命期信息化管理水平。

一是軌道交通數字化設計協同管理平臺。設計協同管理平臺實現了廣域網跨單位多專業(yè)協同設計與設計管理，打通網頁端接口、建設單位OA系統和移動端接口、企業(yè)微信接口，同時配備輕量化瀏覽模式，讓設計人員、管理人員可以從任意電腦瀏覽器或手機、PAD在線安全訪問查看三維輕量化模型，并可在線對三維模型進行瀏覽、批注等操作，批注意見實時同步線上流程表單，形成校審意見單，極大提升了模型的在線審核、分發(fā)和共享效率，充分發(fā)揮可視化設計的優(yōu)勢。

二是軌道交通數字化智慧建設管理平臺。通過BIM模型與GIS數據深度融合的技術，搭建工程項目三維可視化數字沙盤，在線填報工程進度，直觀了解整條線路中各分項工程的施工進度；結合用地征拆遷數據，統覽項目周邊土地、房屋的征拆進度及所處位置；導入管線數據，包括管線類型、位置、標高及相關監(jiān)測點信息，實現對地下管線埋入情況的剖面及三維可視化瀏覽；導入風險數據，基于GIS及BIM模型進行標記，依照風險等級開展風險管理；導入算量與造價數據，輔助工程建設成本管理。

三是軌道交通數字化智慧運營管理平臺。

1.在軌道交通運維階段，通過融合數據處理技術、BIM模型輕量化共享技術、數據自動化集成技術等，形成一套軌道交通車站數字孿生底座構建技術，對車站竣工BIM模型進行數據檢查、數據導出，在三維場景中進行實例化和材質優(yōu)化處理后輕量化發(fā)布，以統一編碼為核心實現數據自動化集成，將包含BIM數據在內的軌道交通數字資產數據與物聯網（IoT）動態(tài)感知數據進行融合，構建具備全空間特性和實時動態(tài)感知的車站數字孿生底座，進而服務于車站運營管理各項業(yè)務應用場景。

2.根據維修規(guī)程對軌道交通車站機電設施設備的維修檢修工作進行流程再造，結合自定義工作模板、流程和標準化表單，將維修檢修工作拆解至最小工作單元，基于數字底座空間特性將所有最小工作單元與空間位置進行關聯，靈活組合最小工作單元自動形成巡檢維護任務，從而實現運維場景可視化、工單流程無紙化、巡檢工作線上化（圖2）、維護計劃精細化、設備運維動態(tài)化、物耗管理規(guī)范化和服務監(jiān)管科學化，有效避免漏檢、錯檢、巡檢不及時等問題，全面提升基于數字化模型的設施設備全生命期管理質量。

圖2 巡檢路線排布界面

3.利用信息集成技術、大數據技術、移動應用技術，圍繞車站乘客服務、乘務管理等主題應用場景，把從既有管理系統獲取的在運營過程中產生的極度分散、高度相關、前后依存的多源信息，迅速、及時地整合成完整的主題數據，為多崗位多場景提供數據支持。站務信息聚合終端面向車站工作人員提供設備管理、客運管理、事件管理等車站運營業(yè)務模塊，同事可為乘客提供出行路線、遺失物品、專用通道、投訴等一站式信息查詢服務；乘務信息聚合終端面向全自動運行場景提供車輛狀態(tài)監(jiān)測、車輛位置、電子報單等信息服務，避免線上線下和系統之間的切換，對內提升協同工作效率，對外提升服務質量（圖3）。

圖3 站務及乘務信息聚合終端圖

4.創(chuàng)新性地將近場通信技術（NFC）、藍牙技術（BT）、超寬帶技術（UWB）等多種定位技術進行融合，滿足車站內不同區(qū)域的人員定位精度需求，并與車站運營管理業(yè)務流程融合，對站內人員、委外維修人員的巡檢工作進行標準化配置和精細化過程管理，并在車站三維場景中實現人員實時位置和歷史軌跡的可視化查詢，實時掌握巡檢工作進度。利用面部信息識別技術，對進入車站施工的委外維修人員進行人員信息驗證，實現執(zhí)行到人、執(zhí)行到點、實時管控，實現高質量的人員精細化管控。

5.以車站運營管理需求為導向，解決運營管理方的難點痛點問題，建立多個專項專題管理數據分析模型，包括電梯管理、客流管理、能耗管理、智慧廁所、應急預案等，結合數字孿生場景實現可視化管控，通過數據挖掘、數據貫穿、數據分析等技術，實現電梯一梯一檔自動歸檔、客流分析及預警、能耗分析及預警等智慧運營管控，輔助車站運營決策。

四是城市軌道交通BIM數據資源共享服務平臺。研究數據校驗模板自定義技術，對全生命期的模型數據進行有效性校驗，保證數據資源的有效性；制定統一、標準的開發(fā)協議，實現動態(tài)業(yè)務數據與模型數據的自動化集成，支持在三維可視化環(huán)境中開展各類業(yè)務系統功能開發(fā)。具備面向軌道交通行業(yè)內外的數據共享及信息服務能力，可為其他平臺提供精準的BIM數據資源與數據接口，為既有業(yè)務系統的可視化改造提供有力支撐，助力數字化智慧城軌建設。

三、方案應用成效

（一）設計階段應用成效

14號線全線以裝修為主導，引入了空間藝術和藝術空間的概念，通過BIM軟件把二維的平面轉化成三維的空間藝術，最大程度地利用了頂面和管線的凈高和凈寬，直觀的展現空間感，使整個車站呈現出藝術空間的美感（圖4）。

圖4 14號線金粵路站裝修模型效果

在公共區(qū)通過BIM對管線進行梳理，并對各類終端進行整合,將管線走向和布置結合裝飾整體效果展現出來（圖5），通過機電裝修多專業(yè)整合優(yōu)化，從BIM模型中直接導出可用于施工的專業(yè)圖紙,既方便施工，又有利于檢修維護。

圖5 14號線云順路站BIM模型導出管綜圖

裝配式一體化設計施工還可減少擾民，減少材料消耗，縮短建設工期，并降低裝修成本。

機電三維設計試點探索了三維正向設計流程、培養(yǎng)了設計人員BIM技術能力、定制了滿足二維出圖要求的各專業(yè)構件模型單元，為之后新線設計中采用BIM三維正向設計提供了技術路線及寶貴經驗。創(chuàng)新研發(fā)國內領先的分級權限管理技術，實現設計全流程閉環(huán)管理（圖6）。

圖6 14號線機電正向三維設計試點出圖

（二）施工階段應用成效

在施工階段通過BIM技術開展施工專項方案模擬與優(yōu)化、施工進度的科學管理、產品模型單元收集以及竣工模型構建等工作，減少工期，提高施工質量，控制項目造價，提高施工管理水平（圖7）。

圖7 14號線施工圖模型指導現場施工

14號線浦東大道站車站主體穿越大連路隧道工程對環(huán)境影響控制要求高，施工空間狹小且有障礙物，凍結孔施工難度大，施工時容易引起地層沉降，利用BIM技術模擬冰凍施工法過程中的每一道工序，確保工程的可行性，最終完成施工。

桂橋路站是一座超長特大斷面管幕法建造的地鐵車站，首次運用管幕技術，通過BIM模擬研究新的保安全、少搬遷、輕影響的施工技術和施工工藝，進行大斷面車站的施工技術，為復雜的施工條件提供技術儲備，為后續(xù)暗挖車站施工提供積累。從研究到最終實施，總體水平達到國際領先。

（三）運維階段應用成效

截止到2022年10月，軌道交通數字化智慧運營管理平臺在上海地鐵14號線的應用已形成了巡檢模板122類、巡檢點位1477個、巡檢計劃1104條、維護計劃1741條、工單流程50類、質量記錄表2165類，實現維修巡檢工作全部線上化，所有流程環(huán)節(jié)精準管控到人、管控到點，提升管理質量，降低運營管理和使用成本。

四、總結

上海地鐵14號線初步形成了從設計到施工、運維的BIM數據共享技術路線。通過BIM集成應用管理體系，明確工程各階段參與方的工作模式與職責，對BIM數據的生成、審核、校驗、移交的過程進行規(guī)范化管理；依據BIM數據標準，對BIM數據的完整性、通用性、可靠性、時效性進行約束，并通過智能輔助設計工具落實標準的執(zhí)行，保障數據生成的質量和效率；將數據使用方的業(yè)務需求前置，打造融軌道交通設計、施工、運維于一體的全生命期信息管理平臺，通過統一的框架和數據接口標準實現以BIM數據在全生命期共享，消除信息孤島，提出了軌道交通數據共享的新思路。