基于BIM的鐵路房建信息管理平臺方案研究

王志華，馮文暉，米建設，付 濤，劉忠海

（1.中國鐵道研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；

2.中國鐵路北京局集團公司 土地房產(chǎn)部，北京 100860；

3.中國鐵路總公司 工電部，北京 100844）

隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，新建鐵路房屋建筑在設計和施工過程中采用了大量新技術(shù)、新設備和新工藝[1]，這給鐵路房建設備的運維管理工作提出了更高更新的要求。

目前，鐵路房建專業(yè)的信息化管理尚處于起步階段，信息技術(shù)的應用較為粗淺，并且各房建設備管理單位信息化建設差異較大，無法實現(xiàn)統(tǒng)一管理和信息資源共享[2-3]。僅依靠傳統(tǒng)的管理方式和操作手段已經(jīng)無法滿足鐵路建設發(fā)展和變革的需要。2014年5月1日，中國鐵路總公司新版《鐵路運輸房建設備大修維修規(guī)則》施行，新版規(guī)則提出房建設備管理要實現(xiàn)信息化的要求[4]。建筑信息模型[5]（BIM，Building Information Modelong）技術(shù)作為一門新興的綜合性技術(shù)，能夠?qū)⒎拷ㄔO備在各階段的信息進行集成，通過協(xié)同和交互工作來實現(xiàn)全生命周期的管理[6-7]，它與房建設備管理的集成應用為促進各管理單位信息共享，提高管理工作效率，推動鐵路房建專業(yè)信息化發(fā)展提供了重要動力。

鑒于此，本文綜合考慮鐵路房建專業(yè)的業(yè)務范圍和特點，提出基于BIM的鐵路房建信息管理平臺的建設方案，以期實現(xiàn)對房建設備的運維集中管控和業(yè)務高效執(zhí)行的目標。

1 平臺總體方案

1.1 建設目標

在鐵路信息化總體規(guī)劃的指導下，以科學管理、安全生產(chǎn)、工效提升、保值增效、節(jié)能環(huán)保、信息共享為主要目的，以生產(chǎn)調(diào)度、作業(yè)安全、工程控制、數(shù)據(jù)分析及設備技術(shù)狀態(tài)臺賬動態(tài)化管理為重點，構(gòu)建統(tǒng)一的鐵路房建信息管理平臺，實現(xiàn)集團公司集中部署，集團公司、房管所、建筑段、車間、工區(qū)5級應用；充分利用BIM技術(shù)三維可視化、信息集成化的特點，全面深化BIM技術(shù)在鐵路房建領域中的應用，實現(xiàn)基于BIM的房建設備可視化管理，基于BIM的數(shù)據(jù)信息集成和基于BIM的設備模擬及仿真分析；采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗定位技術(shù)實現(xiàn)人員作業(yè)實時定位與跟蹤管理；為房建設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)和既有健康監(jiān)測設備提供開放統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中可視化管理；通過對各級房建管理單位的工作內(nèi)容進行集中統(tǒng)一，在安全、環(huán)保、節(jié)能和降低成本等方面實現(xiàn)房建專業(yè)各項生產(chǎn)活動全方位、全過程的精細化管理，全面推動房建部門生產(chǎn)作業(yè)的標準化、信息化、智能化建設。

1.2 總體架構(gòu)

基于BIM的房建管理信息平臺實現(xiàn)集團公司房建設備的集中統(tǒng)一管理，在集團公司信息化建設實施方案中屬于業(yè)務應用系統(tǒng)中的運輸生產(chǎn)類。

依托集團公司統(tǒng)一建設的基礎設施平臺、一體化集成平臺，搭建基于BIM的房建管理平臺。通過鐵路基礎設施運維管理應用，為集團業(yè)務處室和基層房建管理站段提供設備運維管理的信息化輔助手段。通過實施房建管理系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路基礎設施房建設備安全可靠、功能完備、運營狀態(tài)良好，保值增效的目標。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.3 技術(shù)架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

基于先進的BIM理念[8]，鐵路房建信息管理平臺運用三維可視化、地理位置定位、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以實現(xiàn)對鐵路房建設施設備進行全生命周期的管理。同時，考慮到鐵路房建設備管理工作涉及的部門/單位眾多、業(yè)務范圍廣泛，為提高平臺的易用性和穩(wěn)定性，整個平臺體系采用基于B/S的框架設計，確保各級用戶可以直接通過用戶名和密碼即可登錄使用，并為既有信息化系統(tǒng)提供標準的數(shù)據(jù)傳輸接口。平臺采用3層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、應用與服務層、表示層進行開發(fā)，其中，應用與服務層又分為支撐層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)應用層。基于BIM的鐵路房建信息管理平臺技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于BIM的鐵路房建信息管理平臺技術(shù)架構(gòu)

1.3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層即數(shù)據(jù)資源層，主要包括從各類數(shù)據(jù)源采集到的鐵路房建設備的技術(shù)臺賬數(shù)據(jù)、資產(chǎn)設備數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和各類技術(shù)狀態(tài)評定數(shù)據(jù)等。

1.3.2 支撐層

支撐層是實現(xiàn)各級部門數(shù)據(jù)共享的軟件基礎，包括用戶管理和授權(quán)、BIM+GIS可視化服務、自定義報表引擎、外部接口以及公共服務（如電子郵件、文件傳輸、Web發(fā)布）等。

1.3.3 業(yè)務層

業(yè)務層用來處理日常業(yè)務邏輯，將各類數(shù)據(jù)按照房建設備管理業(yè)務的邏輯規(guī)范管理、組織起來，主要包括基礎信息管理、技術(shù)資料管理、安全質(zhì)量管理、能源管理、工程管理、材料管理、房產(chǎn)管理等業(yè)務內(nèi)容。

1.3.4 數(shù)據(jù)應用層

數(shù)據(jù)應用層用來處理用戶邏輯，將規(guī)范化的數(shù)據(jù)按照用戶的需要提取出來提供給用戶，為用戶提供多樣化的服務，服務內(nèi)容包括BIM和GIS功能服務，數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表下載、春秋檢臺賬、技術(shù)臺賬、日常維修記錄匯總等信息的統(tǒng)計查詢服務，以及信息管理、統(tǒng)計管理、權(quán)限管理、技術(shù)參數(shù)等后臺管理應用。

1.3.5 表示層

表示層即終端層，是指用戶訪問平臺所需的各類外接終端設備，包括PC端瀏覽器、移動手機終端、RFID掃描器和平板電腦。用戶通過這些設備可以獲得與其身份權(quán)限相對應的數(shù)據(jù)信息與功能服務。

2 數(shù)據(jù)來源

基于BIM的鐵路房建信息管理平臺主要面向鐵路局級集團公司和基層站段級管理單位，根據(jù)各級使用主體對房建設備管理的業(yè)務需求，鐵路房建信息管理平臺涉及的數(shù)據(jù)源主要分為3類。3類數(shù)據(jù)源接入平臺進行應用的示意圖如圖3所示。

2.1 鐵路數(shù)據(jù)服務平臺數(shù)據(jù)

鐵路數(shù)據(jù)服務平臺[9]（簡稱：數(shù)據(jù)服務平臺）集中統(tǒng)一管理著鐵路多個業(yè)務系統(tǒng)提供的核心數(shù)據(jù)資源。通過先進的技術(shù)和流程，數(shù)據(jù)服務平臺作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源頭可提供房建專業(yè)各類設備的基礎主數(shù)據(jù)、基礎臺賬數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)等歷史數(shù)據(jù)資源。因此，通過數(shù)據(jù)服務平臺提供的數(shù)據(jù)共享接口，鐵路房建信息管理平臺可以與數(shù)據(jù)服務平臺進行對接，將上述歷史數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)移至平臺中進行統(tǒng)一管理和維護，以便與BIM+GIS相融合，為房建專業(yè)各級管理用戶提供先進的BIM+GIS可視化服務。

圖3 3類數(shù)據(jù)源平臺接入示意圖

2.2 下級業(yè)務終端上傳數(shù)據(jù)

該部分涉及的數(shù)據(jù)主要依賴下級業(yè)務終端進行現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并上傳至鐵路房建信息管理平臺。數(shù)據(jù)信息包括房建設備日常生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)、BIM應用數(shù)據(jù)、地理定位數(shù)據(jù)和檢測評估數(shù)據(jù)等信息。在本方案中，采用手持移動終端提供數(shù)據(jù)采集和上傳服務。通過市場調(diào)研，當前應用于鐵路巡檢作業(yè)的手持終端設備主要有以下3類：

（1）基于安卓系統(tǒng)的智能終端。可以集成射頻識別（RFID）、指紋、GPS傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，能夠開發(fā)專用的應用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、查看、使用的一體功能。

（2）專用的單片機。根據(jù)用戶實際需要，集成相關功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、RFID、GPS定位、GPRS傳輸?shù)龋话悴恢С謹?shù)據(jù)的錄入和查看等。

（3）基于個人手機的APP。利用手機自身的硬件設備如GPS、RFID、攝像等，開發(fā)專用的應用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、查看、使用等的一體化應用。

鑒于個人手機的便利性，本方案采用基于手機APP的方式將巡檢過程中的檢測信息、病害狀況信息以及地理定位信息上傳至鐵路房建信息管理平臺，幫助運維管理人員制定有效的維修計劃，實現(xiàn)數(shù)字化作業(yè)、智能化監(jiān)控的目標。

2.3 監(jiān)測與監(jiān)控設備數(shù)據(jù)

這類數(shù)據(jù)是指在房屋、建筑物、構(gòu)筑物以及相關設備的建設階段，安裝或預埋的視頻監(jiān)控設備和傳感感知設備采集到的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于目前鐵路各站段使用的監(jiān)測監(jiān)控設備的類型多種多樣，所以鐵路房建信息管理平臺采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建起無線傳輸網(wǎng)絡，并為不同類型的設備提供專用的數(shù)據(jù)接口，以保證采集到的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠高效、穩(wěn)定、實時地傳輸至平臺上，從而為健康監(jiān)測和故障診斷等功能服務提供數(shù)據(jù)支撐。

3 應用功能設計

基于BIM的鐵路房建信息管理平臺利用所采集的大量數(shù)據(jù)資源，結(jié)合BIM三維模型和GIS地理信息數(shù)據(jù)對房建設備開展數(shù)字化、智能化運維管理應用，該管理平臺的功能模塊如圖4所示。

圖4 基于BIM的鐵路房建信息管理平臺功能模塊圖

3.1 BIM+GIS應用

該模塊包含房建設備的三維立體展示、生產(chǎn)作業(yè)管理、BIM+二維碼管理、公共安全管理和空間管理共5個子模塊。通過該功能模塊，運維管理人員可以便捷地使用BIM+GIS技術(shù)，直觀掌握房建設備的空間布局信息和數(shù)據(jù)臺賬信息，從而為設備維修計劃的制定提供決策依據(jù)。

設備三維展示子模塊提供BIM幾何屬性及臺賬信息、建筑內(nèi)隱蔽工程的空間布局信息和設備安裝復雜工藝工序信息的三維展示以及模擬功能。

生產(chǎn)作業(yè)管理子模塊基于BIM+GIS+RFID+移動手持終端對房建設備的巡檢、報修、維修、大修工作提供技術(shù)支持，實現(xiàn)巡檢計劃與BIM進行關聯(lián)，實時跟蹤定位人員作業(yè)信息，自動在BIM中記錄和更新設備的維修狀態(tài)信息，形成一套設備病害從發(fā)現(xiàn)、上報到處理的信息化處理流程。生產(chǎn)作業(yè)管理子模塊為領導決策、部門工作部署提供快速獲取設備信息的渠道，能夠有效提高工作效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。基于BIM+GIS+RFID+移動手持終端技術(shù)的設備信息識別流程如圖5所示。

圖5 設備信息識別流程圖

BIM+二維碼設備管理子模塊通過制定設備模型構(gòu)件和編碼的映射規(guī)則，形成房建設備信息的唯一“二維碼標識”管理形式，提供“具有全生命周期”的設備二維碼臺賬信息。

公共安全管理子模塊提供自然災害下對重點房建設備的檢查預警、應急救援方案模擬、以及綜合指揮的功能。

空間管理子模塊可提供包括照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、管道設備的空間位置信息，通過BIM可以快速查找設備的位置信息，并可查看周邊環(huán)境尤其是疏散通道的信息。

3.2 計劃實施管理

計劃實施是鐵路房建設備運維管理工作的重要內(nèi)容，該模塊主要涉及年度生產(chǎn)計劃、工程管理、以及統(tǒng)計分析共3個子模塊。

根據(jù)房建設備運維作業(yè)模式和房建系統(tǒng)對生產(chǎn)管理控制的作業(yè)流程需求，年度生產(chǎn)計劃子模塊可自動生成不同類型房建設備的綜合維修計劃、重點維修計劃、大修計劃、住宅專項維修計劃以及更新改造計劃，提供完善的計劃審批下達服務。生產(chǎn)計劃各業(yè)務流程如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)計劃各業(yè)務流程圖

工程管理子模塊主要是針對因維修工作量大且基本維修解決不了的病害進行的整體大修、單項大修、更新改造和重點修繕工作，從工程施工管理的角度出發(fā)，依據(jù)修繕類型設置了房屋/構(gòu)筑物大修工程、屋面專項修工程、住宅專項修工程、重點修工程、以及設備更新改造工程共5個子模塊。利用BIM在施工工程組織、安全、質(zhì)量、進度、成本和工程技術(shù)資料管理方面的技術(shù)優(yōu)勢，加強房建單位工程管理的標準化、規(guī)范化、精細化、信息化建設。

統(tǒng)計分析子模塊可實現(xiàn)月度、季度、年度自動生成各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，并為各運維管理人員提供生產(chǎn)任務進度表、設備病害處理記錄表、病害種類比重及趨勢圖表的對比功能和分析功能。

3.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊功能如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)模塊功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)管理模塊管理著平臺上所有房建設備的BIM數(shù)據(jù)、GIS地圖信息、技術(shù)檔案資料和靜態(tài)、動態(tài)臺賬數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)資料分類建庫，提供數(shù)據(jù)資料查詢、下載以及更新功能。

通過建立數(shù)據(jù)標準規(guī)范，數(shù)據(jù)管理模塊可以對房建設備的各類數(shù)據(jù)資料進行集中、有效的管理，并作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源頭供各級管理單位進行業(yè)務應用。

3.4 房產(chǎn)管理

房產(chǎn)管理模塊主要提供與房屋經(jīng)營相關的服務功能，包括房產(chǎn)信息管理、單身宿舍管理和出租房屋管理功能。房產(chǎn)信息管理的內(nèi)容有管理體系信息（組織機構(gòu)、人員、崗位等基礎信息）、房產(chǎn)信息臺賬、房產(chǎn)分布示意圖、房產(chǎn)數(shù)字化圖紙文件及權(quán)屬文件等信息。單身宿舍管理的內(nèi)容有宿舍管理體系信息、報修管理、消防應急演習記錄、培訓記錄、安全檢查記錄、交班記錄、住宿相關的手續(xù)、住/退宿登記等內(nèi)容。出租房屋管理功能顯示房屋租賃的審批、備案、明細臺賬等信息內(nèi)容。

3.5 專項管理

專項管理是指對房建設備運維生產(chǎn)管理過程中有關設備安全、人身安全、財產(chǎn)安全、節(jié)能環(huán)保等具有顯著專業(yè)性、單一性、階段性、周期性的生產(chǎn)管理活動的管理，是房建設備管理內(nèi)容的重點之一。平臺設置了專項管理模塊對建筑接近限界、危險建筑物、能源、以及季節(jié)性工作進行統(tǒng)一管理。其中，建筑接近限界管理子模塊提供站臺和雨棚的技術(shù)資料、測量工具臺賬、限界測量記錄、侵限測量記錄、侵限問題臺賬庫、以及侵限問題整治情況等信息；危險建筑管理子模塊主要負責對危險房屋和構(gòu)筑物的日常檢查監(jiān)測記錄、技術(shù)狀態(tài)檢查記錄、檢查鑒定記錄、險情影響及其他匯總資料進行統(tǒng)計分析；能源管理子模塊可提供不同周期的能源記錄表和統(tǒng)計分析表；季節(jié)性工作子模塊主要對防洪方面的設備臺賬、防洪準備督察工作情況、防洪物資計劃、防洪搶險救援方案、汛期檢查工作情況以及防寒供暖方面的臺賬信息統(tǒng)計表、用戶回訪記錄、請修故障排查記錄、供暖檢查記錄等信息進行管理。

3.6 監(jiān)測應用

監(jiān)測應用模塊主要為既有監(jiān)控系統(tǒng)、重要視頻設備、健康檢測設備提供數(shù)據(jù)接口服務，實現(xiàn)現(xiàn)場拍攝的影像資料遠程傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺分類建庫，主要功能包括監(jiān)控視頻查詢、圖像/視頻展示、設備狀態(tài)分析等應用功能。通過將實際監(jiān)控監(jiān)測設備設施與BIM進行數(shù)據(jù)同步和信息關聯(lián)，實現(xiàn)對特種設備的遠程控制、數(shù)據(jù)及視頻的實時監(jiān)測以及無人值守的功能[10]，幫助管理人員通過直接點擊BIM來查看實時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

隨著鐵路信息化建設的快速推進，BIM技術(shù)在鐵路設計、建設領域的應用越來越多，實踐證明，BIM技術(shù)能夠貫通設施設備從設計、施工到運維管理階段，實現(xiàn)全生命周期的管理。因此，針對鐵路房建設備管理特點，本文提出一種基于BIM的信息共享管理平臺總體方案和功能框架，通過采用BIM+GIS技術(shù)建立統(tǒng)一的鐵路房建信息管理平臺對房建設備進行全生命周期管理，推動鐵路房建設備管理走向標準化、信息化、可視化、智能化的創(chuàng)新發(fā)展道路。