面向城市軌道交通運維階段的BIM模型建設

韓德志，李 博，華福才，楊良印，鄭廣亮

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

隨著城市軌道交通運營規模的不斷擴大以及運營要求的不斷提升，建筑信息模型(buliding information modeling，BIM)技術作為建筑行業數字化轉型的重要載體和工具，在城市軌道交通領域各階段已得到逐步推廣和深入應用。基于BIM技術與物聯網、大數據、人工智能等信息化技術集成應用的三維可視化智慧運維逐漸成為行業發展的必然趨勢。

全國主要城市地鐵運營公司均不同程度開展了數字化轉型及智慧化提升的應用探索。北京地鐵在地鐵設備運維管理中部分實現了可視化監控、可視化維護及現場應急管理。上海地鐵選取部分車站開展了智慧車站的試點建設工作。廣州地鐵基于BIM技術開展了派工單的精細化管理[1]。

在此背景下，BIM技術與傳統運維體系的融合將成為行業研究熱點及實施的重難點。

從面向城市軌道交通智慧化運維的BIM模型建設角度研究，針對以下4項關鍵技術點給出具體實施建議。

1) 隨著運維管理精細度的不斷提升，模型的開發程度亦需隨之不斷提高，但當前匹配至運維階段最小可維護構件級別的BIM模型單元拆分原則尚未明確。

2) 模型單元拆分原則確定后，構件主體、所屬父向構件及所含子向構件需統籌搭建，建設出的模型才既能實現與資產管理系統、綜合監控(物聯網)系統等既有運維管控系統的順暢銜接，又可體現模型單元之間的幾何拓撲關系及邏輯控制關系。

3) 模型開發建設過程中，因模型關聯信息數據標識定義不規范以及未充分考慮信息的跨階段流轉、應用[2]，為運維階段的模型應用帶來大量的數據清洗工作量，如何整體統籌以統一數據標識，實現信息的跨階段傳遞，需要制定切實可行的實施方案[3]。

4) 模型建設完成后如何與資產管理系統、綜合監控(物聯網)系統等既有運維管控系統的數據實現銜接融合，實現靜態的BIM數據、動態的設備及環境數據、運維管理業務數據等多源異構數據基于智慧運維平臺的融合應用，需要給出具體的數據對接實施方案。

針對上述關鍵技術點，本文系統性給出了具體的解決方案，最終實現BIM模型從建設期到運營期的順暢傳遞，以及模型在運維期的深入應用。

2 技術路線

工程建設開始前，即針對運營需求進行調研，明確運營方的信息需求(IR)；結合運營需求統籌編制模型建設技術標準與編碼體系文件；模型建設過程中由業主方發布要求，BIM咨詢方審核，嚴格按照技術標準和管理要求管控、落實實施方案；模型建設完成后與既有運維管控系統進行數據對接與融合應用，具體詳見圖1。

圖1 模型建設技術路線 Figure 1 Model construction technology roadmap

3 需求調研

需求調研對模型建設的技術要求制定起著至關重要的作用，需求調研階段需針對所有的模型使用方(車站站務、維修、資產管理、物資管理等部門)，結合其具體業務場景展開需求調研。調研目標主要包括明確模型單元幾何精度、信息深度、數據結構、信息分類及編碼等。

3.1 幾何精度

模型單元根據模型精細度可劃分為項目級、功能級、構件級及零件級[4]，竣工模型交付的幾何表達精度不宜低于G4，項目所需劃分的最小模型單元等級還需根據項目運營管理細度分設備具體確定，通常依據各運營管理部門運營管理過程中所涉及的最小可維護構件確定該設備的最小模型單元。

3.2 信息深度及數據結構

模型單元所承載的信息包括幾何信息與非幾何信息，主要提供幾何形體、空間定位以及工程特性等3大類信息。運維階段模型單元信息深度等級不宜低于N4[4]的同時，還需根據前期需求調研確定的運維階段信息需求、標準化定義各設備、設施的信息深度以及所采用的具體數據結構，據此明確信息數據的錄入方式，形成設計、采購、施工、運維階段的信息采集字段表，在保證模型單元信息完備的基礎上，需重點考慮模型單元之間幾何拓撲及控制邏輯關系的代入，以滿足運維階段對模型的使用需求。

3.3 信息分類及編碼

模型單元所承載信息數據的標識需要在建設期開始階段予以明確，以免影響模型與既有管控平臺的銜接融合及跨階段、跨專業的信息流轉、共享及應用[5]。而模型標識的主要手段即是針對模型構件的分類及編碼[6]，結合工程全周期所需的編碼體系，定制出整套編碼系統，以編碼作為模型構件與信息采集表格和其他數據的鏈接橋梁，將各工程階段形成的數據掛接到模型構件，實現數據跨階段流轉與共享。編碼體系的確定需要同時考慮與國家標準體系及城市編碼體系的銜接與繼承，分類編碼推薦采用中國城市軌道交通協會發布的《城市軌道交通工程信息模型分類及編碼標準》(SJG102—2021)。

4 模型開發

4.1 模型結構

如前所述，模型單元的結構及最小模型單元的確定，應結合運維需求，從下述3個維度考慮確定：

1) 結合資產管理系統，根據資產、副資產進行拆分。

2) 結合物資管理系統，根據物資、備品備件進行拆分。

3) 結合物聯網系統(含綜合監控系統)，根據設備、環境監控顆粒度進行拆分。

綜合考慮上述3個維度，統籌確定不同模型單元的具體組織結構。

4.2 模型搭建

模型單元依原則確定組織結構后，模型單元之間需要體現資產、副資產、部件、備品備件等直接的從屬關系，同時能夠與模型信息分類編碼體系實現良好適應。上述要求可通過模型組和共享族方式實現。

模型組可將多個設備或資產進行組合，形成成套資產或設備，也可將設備部件進行組合，將設備拆解至最小可維護單元。模型組還可進行多級嵌套使用，建立成套設備、子設備、子設備部件直接的從屬關系。例：成套穩壓設備模型組(成套設備)，穩壓罐模型組、穩壓泵模型組(子設備)，電機構件、泵殼構件、葉輪構件等(子設備部件)。

共享族建模方式是采用共享族嵌套完成構件從屬關系建模的，同樣支持族文件多級嵌套使用。通過將產品的部件及備件都制作成單獨的族文件，并在產品整體族文件中進行載入和共享的方式，共享族可支持針對最小模型單元的統計、信息賦予等功能。相比模型組的建模方式而言，共享族在模型中使用和后期數據提取更為方便靈活。例：風機(通過共享族組成的族文件)由風筒、電機、軟接、葉輪等(共享族)等組成，如圖2所示。

圖2 風機共享族拆分示例 Figure 2 Example of fan split by shared family

零件級模型對軟硬件要求較高，采用模型拆分的方式進行建模，拆分后模型經模型輕量化引擎處理后在運維平臺組合。保證模型在建模過程中和后期運維使用過程中都有較高的流暢度。

4.3 分類編碼

為便于運維階段的資產管理及其他業務需求，通常需要對信息進行編碼標識，建立完善的標準化編碼體系，而其中資產管理編碼及位置編碼尤為重要[7]。編碼體系中的不同編碼需在模型中建立相應的編碼屬性，并按照編碼體系規則將編碼值賦予對應的模型單元編碼屬性中，下面擇其重要進行舉例說明。

1) 模型分類編碼。模型分類編碼作為構件的唯一標識符使用，即作為構件模型單元信息數據庫的主鍵，方便模型單元的信息數據跨軟件平臺、跨專業系統的傳遞與共享，建議采用國家標準。

2) 資產管理編碼。資產管理編碼立足于服務運維單位開展資產的登記與管理，資產管理編碼確定前應與運營公司確定資產的管理界限和原則，功能級模型單元下的構件級或零件級模型單元具體歸屬于副資產亦或是備品備件應有明確的分類原則。

3) 位置編碼。模型單元的空間拓撲關系、運維階段的空間管理以及設備、設施的空間屬性都依賴于功能空間以及設備、設施的位置信息屬性，而這些位置信息的數據標識就是依靠位置編碼實現的[8]。位置編碼通常包含線路代碼、區域代碼、建構筑物代碼、樓層代碼、房間代碼等多個字段，如圖3所示。位置編碼的具體層級數取決于運維階段針對物理空間的管理細度，具體代碼值的定義應在設計階段前期確定，并保證使用的統一性及延續性。

圖3 位置編碼示例 Figure 3 Example of location coding

4) 設計編號。設計編號為傳統設計過程中，機電等專業向綜合監控等專業設計提資時使用的編號，設計編號與綜合監控等專業控制點表存在對應關系，此編號可采用模型分類編碼代替，考慮到BIM技術應用對傳統設計習慣的包容性，仍保留設計編號，但需建立設計編號與模型分類編碼之間的映射關系。

4.4 數據采集

為支撐后續高質量的運維應用，模型搭建期間應采集大量的建設、產品及運維信息數據，數據采集貫穿設計階段、采購階段、施工階段和運營準備階段[9]。模型建設方應根據前期調研收集的信息需求表開展數據采集工作，將信息數據表內容根據不同的工程階段進行拆分，拆分后的信息表由各個工程階段的責任主體進行填報，經審核后統一導入并與模型單元建立關聯關系。

上述工作的關鍵在于數據采集的內容及格式要求，具體包括數據表格的設計、設備產品模型的收集要求等，通過設備唯一編碼標識將采集信息賦回到模型或數據庫中，實現設備產品模型與設計通用模型的替換以及信息的跨階段傳遞和基于模型的結構化存儲。信息數據與分類編碼映射示例如圖4所示。

圖4 信息數據與分類編碼映射示例 Figure 4 Example of information and classification code mapping

5 數據融合

運維階段的數據源主要包含3個部分，分別是建筑信息模型負載的工程信息數據、運維階段產生的內部管理業務數據、綜合監控及其他物聯網系統產生的實時生產運行數據。3種數據的匯聚組成了三維可視化智慧運維系統的數據基礎，而3種數據的融合及其與功能平臺的銜接是模型在運維階段深入應用的關鍵，就其所涉重點工作舉例如下。

5.1 模型數據與資產管理系統融合

與資產管理系統(EAM)融合之前，應首先從BIM模型中導出設備、設施對應模型單元的字段名稱，并通過字段映射表與資產管理系統內的字段建立好映射關系。此部分工作完成之后即可將模型數據對應導入到資產管理系統中，資產管理系統即可完全提取模型中的資產管理編碼、位置編碼以及所對應的相關信息[10]。模型數據導入資產管理系統示例如圖5所示。

圖5 模型數據導入資產管理系統示例 Figure 5 Example of importing model data into the asset management system

5.2 模型數據與綜合監控系統融合

模型數據與所涉設備、空間相對應的綜合監控系統數據融合主要通過設計編號的字段映射來實現[11-12]，從BIM模型中導出包含設計編號屬性的模型信息表，通過設計編號與綜合監控系統對應設備的專業點表進行對應[13]，如圖6所示。

圖6 設計編號與綜合監控系統編號映射融合示例 Figure 6 Example of integration of design number and integrated monitoring system number

5.3 模型數據接入智慧運維平臺

BIM模型數據與資產管理系統、綜合監控系統等既有運維管控系統數據完成技術對接后，經過數據治理、模型渲染及輕量化處理，導入到公司自主研發的智慧運維管理平臺中進行檢驗。經處理后的BIM模型導入平臺，經過平臺數模分離處理，模型數據與既有運維管控平臺接入數據在后臺實現融合形成統一的數據服務，包含靜態模型數據、動態物聯網采集數據、運維產生的業務數據，模型幾何數據經平臺高逼真渲染引擎得以高質量還原。在智慧運維平臺中實現高逼真三維環境下可視化的運維管理及智慧化場景運維，滿足平臺人員管理、設備管理、物資管理、工單管理、預案管理等多場景功能需求，同時滿足維修中心、運行控制中心、站務室等多使用群體的運維使用需求，如圖7、8所示。

圖7 模型與綜合監控數據融合示例 Figure 7 Example of integration of model and integrated monitoring

圖8 模型與資產管理數據融合示例 Figure 8 Example of integration of model and asset management

6 結論與展望

6.1 結論

通過全面的運維階段信息需求調研，形成BIM模型的組織架構方案及模型幾何精度、信息深度要求，利用設計編號、資產管理編碼、位置編碼等編碼體系將各類信息數據的標識預先定義。同時，對信息采集過程中的數據表單及產品模型等提出具體要求，保證模型幾何精度、信息深度以及信息表達能夠滿足運維階段對模型的使用要求。

通過編制BIM模型屬性信息與既有運維管控系統的數據字段映射表，模型屬性數據能夠與資產管理系統、綜合監控系統等既有運維管控系統實現充分的數據融合，避免模型導入過程中出現大量的數據缺失以及龐雜的數據清洗工作，大大提高了數據導入效率，實現與智慧化運維平臺的順暢銜接，增加了模型在運維階段的應用范圍及應用程度。

6.2 展望

隨著城市軌道交通運維需求的不斷提升，BIM技術在各階段應用的不斷深入，將城市軌道交通工程實體的物理及功能特性數字化并高逼真還原為工程的數字孿生體，借助大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、人工智能等信息化技術的集成應用，助力城市軌道交通運維技術及管理手段的智慧化提升，實現三維可視環境下的智慧運維已成為城市軌道交通行業發展的必然趨勢。

建設期搭建的模型如何順暢地傳遞到運維階段，模型承載的建設期相關信息數據與資產管理系統、綜合監控系統等既有運維管控系統如何銜接，共同形成智慧化運維的數字底座，是當前面臨的首要問題，需要一套完整的實施方案，并在行業內形成共識，從而實現跨階段、跨企業邊界、跨平臺的工作協同及數據共享，重構支撐城市軌道交通智慧化提升的產業生態圈。

面向BIM技術應用的信息分類及編碼體系在ISO19006-2、ISO19650等國際標準以及國家、行業等各層級標準體系的共同規定下已漸趨完善。但各地運營公司在資產管理過程中長期使用的企業級資產管理編碼，各設計單位在長期設計實踐中已習慣定義的項目設計編號，當前需考慮通過BIM模型信息與既有運維管控系統的數據建立字段映射關系，保證數據的融合應用。隨著設計方對編碼認識程度的加深，BIM元素編碼將逐漸取代資產管理編碼、設計編號，成為構件的唯一標識符，及構件對應數據表的主鍵，并定義為行業通用標準，降低BIM模型與運維管控系統的融合難度。