BIM可視化技術在城市軌道交通運維監測領域的研究運用

朱昊天，種傳強

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

近幾年，中國城市交通快速發展，截至2021年6月，全國40個城市開通總長6 641.73 km的城市軌道交通線路。隨著城市軌道交通網絡的擴展，對軌道車輛基地的運營提出了更高的要求。建設信息模型等現代信息技術的發展及其在城市軌道交通部門的推廣和應用，使基本運營服務模式逐步向立體、智能化方向發展。目前國內已有初步研究和試驗，但還沒有形成完整的研究成果和應用實例?；贐IM技術構建了基于BIM技術的光學智能系統，以提高運行效率、可靠性和安全性為目標，提出了一種基于BIM的光學智能運維監測系統。

1 BIM技術在我國軌道交通工程的應用現狀

近幾年來，BIM技術在我國軌道交通行業，例如大型城市的地鐵中得到了廣泛應用[1]。另外，根據BIM應用技術中心提供的統計資料，目前BIM技術主要用于軌道運動模擬、方案選擇、碰撞試驗等方面。雖然改進了設計，但運行維護主要是在工廠中進行，城市道路工程的建設與管理在一定程度上并不能反映BIM技術的真實價值。從本質上講，模型的簡單運用是難以改變的。實施BIM的最大代價貫穿整個設計周期，包括參與、提供和接受所有參與者需要的信息、累積信息——多層次數據使用與管理的有效協調導致軌道交通項目的真正全球性變化。

2 以運營為導向的BIM技術應用方案

2.1 基于“運營部門牽頭、BIM總體單位主導”的組織方式

當前，我國軌道交通BIM應用主要是以行業組織模式為主，集成度不高[2]。當前，業務部門難以將信息模型有效地傳遞到業務部門，而服務收益則主要集中在規劃和建設階段，這主要是由于傳統項目本身的需要、應用和經驗，以及缺乏統一的應用標準。這使得BIM應用很難集成到單一的項目中，BIM的實施薄弱，無法實現BIM的目標以及整個項目實施過程的技術價值。

BIM技術應用在運維監測指導下實施，組織結構是“運營管理，BIM模塊管理”。根據BIM模型，整個BIM模塊處于項目的總體高度，對BIM應用進行總體規劃和管理，根據BIM運營部門的要求，制定BIM操作標準和BIM項目實施時間表，與傳統的組織模式不同，在施工期間，管理層開始參與BIM的選舉和投標[3]。

2.2 基于運營導向的BIM系統架構

BIM通用平臺負責軌道交通項目管理，主要協調客戶工作、設計、勘察、施工和監測等，各參與單位在BIM聯合管理平臺的基礎上，及時發現并解決技術規劃與設計問題，確保項目參與者收集的信息及時、準確，避免不對稱或過早接觸造成的設計錯誤。BIM常規軌道交通項目聯合管理平臺的主要目的是優化設計質量，組織大量設備的使用。

BIM系統是一種多平臺、多系統、混合結構的復雜系統，它可以訪問大量的設備數據和混合結構，以滿足新一代智能化的要求，在智能化技術變革的背景下，提高在軌運營交通項目的能力。

以運維監測為導向的BIM體系結構包含了完整的供應管理平臺和BIM業務管理平臺，BIM應用了全自動化操作系統等智能信息與管理技術，城市軌道云和PHM（故障預測和健康管理）高級供應管理平臺，為整個供應鏈提供服務[4]。該系統是一種BIM模型管理平臺，用于模擬和模擬過程的控制，以及作為規劃建設階段BIM的聯合管理平臺，它提供了設計、施工、設計和施工的一致服務；BIM運維管理系統利用BIM平臺收集完整的模型、數據和文件，將公眾監督、健康監督和其他與運維管理系統BIM模型運維有關的系統數據連接起來，并在運維階段為各種應用提供數據和模型支持，在運維階段為各種應用提供虛擬監控、維護、維護、培訓和響應等功能。

2.3 依托IROOM的協同工作方式

相對于傳統建設項目，軌道交通項目所需時間較長，參與BIM應用項目的參與者、產品組成、運作方式以及參與者之間的互動難度較大。結合顯示、集成、建模等方面的特點，結合國外對EMPRETEC協作方法的研究，采用了Iroom協作方法。Iroom通常認為它是一個交互的、綜合的辦公空間，也就是說，它是一個多功能的辦公空間。

軌道交通項目相對于傳統建設項目而言，工期長、項目參與者多、產品結構復雜，參與BIM方案的難度較大。BIM模型的特點和國外在基于工作空間的業務技術方案中采用了合作協作的模式。Iroom的公共地點是一座交互式辦公空間綜合體，是一種基于BIM等聯合討論的交互式辦公空間綜合體。

BIM運營應用強調的是運營，有別于傳統的城市軌道交通BIM應用。模擬結果對BIM的實施起到了一定的促進作用，但是，以主項目單元為單元的生產運行維護模式的整個過程需要有足夠的時間來完成。建設單位（建筑工程分包）、監理、施工管理、施工管理、管理等。本文的目標是建立一個開放的BIM工作室，提供模擬軟硬件、模型和標準的聯合檢查與討論，提供模擬訓練設施和個案研究。Iroom為參與BIM軌道交通項目的參加者提供了一個更好的工作環境，以及一個基于BIM的交互式運營模式。

3 基于BIM技術的城市軌道交通車輛基地可視化智能運維系統實現

3.1 系統技術路線

本系統的研究路線在于，在明確昆明、武漢、溫州等地城市軌道交通運維監測需求的基礎上，以BIM技術為主要手段，建立基于車輛基地的可視化運維監測系統，以此對城市軌道交通的運維情況、檢修工藝、既有信息化系統等進行有效管理。本文所采用的的運維監測系統，通過相關數據接口，對車輛的運行數據進行調取，然后構建BIM模型，還原實際場景，并將車輛和檢修設備的運行數據用3D形式展現出來，以此實現智能化的城市軌道運維管理。

3.2 系統構架

對于系統構架的研究，本文按照從表到里的形式對其進行了分析，即首先是顯示層、應用層，然后是支撐層、數據處理層和接入層，最后是源代碼層。

3.2.1 源數據層

在這一層級中，因為其是建立系統的主體，因此包括了最基本的設計資料、建設資料、管理資料和基礎資料。其中，最根本的數據包資料包括了設備信息、建筑信息（BIM數據）、車輛信息（GIS、BIM、歷史信息、零部件構成等）；在管理數據包中主要包含的是歷史數據，主要有故障、檢修、配件和配屬更換等，另外，還包括設備使用情況和股道占用信息；在該系統中，預留接口同樣也是監測數據，該接口通過連接攝像頭、傳感器等對各類數據信息進行收集，主要收集的內容有車輛運維狀態、監控設備狀態、實時動態信息等。

3.2.2 數據接入層

系統的主要數據來源由數據接入層全權負責，通過相關接口，可以對既有系統進行連接，如人員調度、資產管理、溫度傳感、視頻監控等。同時，還可以預留出可擴展的其他IOT接口。對于已有系統來說，在數據接入中，主要是依靠協議交換相關信息，然后利用數據采集器、單類多功能采集器、集成采集器等實現數據采集。針對可擴展的IOT接口，為了保證其通用性，需要事先制定標準化協議和接口，以此來降低工作量。

3.2.3 數據處理層

在這一層面當中，主要功能是完成基礎數據的存儲和管理，它所能管理和保存的數據主要包括實時數據、歷史數據和增量數據。在這一層面，會根據用戶需求和分層標準對從數據接入層獲取到的數據進行優化管理，以此來提高數據的有效性，實現相關數據的快速修改和查詢。另外，為了保證數據查詢的實時性和有效性，在優化相關數據后，數據處理層會將數據上傳到云端，完成對接。

3.3 系統功能模塊

根據城市化軌道交通運營的基本需求，在軌道交通運維監測的過程中，需要具備以下功能：即能夠將設備檢修狀態、車輛檢修過程、車輛具體狀態智能顯示出來。為了實現這一功能需要建立多個功能模塊，如BIM、車輛信息、設備信息、監控設備、圖文檔管理等。需要注意的是，前4項功能模塊要以可視化為標準，最后1項要以BIM模型為基礎。

3.3.1 BIM可視化管理

BIM可視化控制模塊具有以下功能：在可視化系統中顯示和管理BIM模型，實現BIM模型與實時模型的集成，確保操作員在系統中獲取的數據與實際數據一致；實現了物理模型BIM模型的輕量級量化和系統中的輕量級顯示，保證了無需紙板即可快速瀏覽和操作；模型將根據不同的專業類別進行分類，以避免因圖形元素過多而造成混淆。為了保證系統的平穩運行，減少處理器占用，該模塊通過優化模型的曲面數量來提高系統的運行效率，結合仿真模型，提高系統性能，確保BIM模型中沒有卡頓問題。

3.3.2 車輛信息可視化管理

車輛信息管理模塊的功能包括模擬和報告車庫內關鍵車輛的使用狀況、路線組成、實際停車時間、車號、維修時間、運營時間及相關人員等信息；實時可視化數據顯示反映軌道使用動態（如車輛路線、路徑和位置的描述）、車輛維護計劃和車輛維護細節等信息；車輛進出口和進出口的全面實時顯示和跟蹤；為了支持車輛的運行和維護，以三維視覺服務、細節和其他信息的形式實時演示車輛的靜態和動態壽命。

為了實現該模塊的功能，必須安裝不同的數據接口，將操作員連接到不同的維護系統，建立統一的數據接口標準；訪問現有信息系統，獲取用于BIM模型管理的車輛級指標，動態反饋信息與車輛級模型相結合，提供組件結構和動態信息的雙向索引。

3.3.3 監控設備集成管理

數據存儲在監控設備綜合管理模塊和現有車載視頻監控系統中。監控攝像機總數不少于10臺，在線攝像機數量不少于30臺，主要功能包括：通過現有監控設備的二次開發查看監控功能，點擊BIM模型中的監控模型；可以用于監測其狀態的設備的健康狀況，用不同顏色識別設備，并針對設備故障或維護需求發出警告；可以搜索設備類型和編號，也可以將模型拖放到控制界面，查看臺賬設置信息；設備模型可旋轉，便于顯示具體的錯誤位置；統一安全權限認證技術實現了管理層和權限層的動態配置管理；在層次結構的分層查詢中，可以看到整個硬件層次結構，用戶可以快速找到相關信息。

4 結束語

目前，BIM技術在工程項目中的應用在很大程度上取決于其在不同國家的應用，BIM技術主要應用于城市軌道交通工程的設計和施工階段，沒有體現出BIM技術的真正價值。提出以公司為中心的項目理念，充分考慮地鐵項目全生命周期的管理需求，以運營維護為導向，規范設計和施工階段，促進BIM在軌道交通中的生命周期應用和以企業為中心的EMPRETEC計劃已經取代了聯合行動模式，為基于BIM的聯合討論和其他應用提供了一個互動和集成的工作空間，從而實現了相關單位之間的互動。