基于BIM＋GIS＋UE 實現鐵路工務段三維可視化管理平臺的研究

張 杉，張蓬勃，楊翰斐

（1 大連交通大學土木工程學院 遼寧 大連 116028）

（2 中國鐵路北京局集團有限公司邯鄲工務段微子鎮線路車間 河北 邯鄲 056001）

0 引言

自2011 年，我國住房城鄉建設部首次將建筑信息模型（building information modeling，BIM）納入了信息化標準建設內容后，BIM 技術發展迅速。 未來鐵路的發展離不開信息化、智能化的深度融合，隨著物聯網、大數據以及人工智能技術的蓬勃發展，“智能鐵路”的概念隨之誕生，其內容包含了智能建造、智能裝備、智能運營3 個部分［1］。 軌道交通作為城市間的重要交通工具，承擔著各個城市間經濟流動的紐帶作用。 為確保軌道交通高效、穩定、長久地運行，除了在設計之初設計要合理之外，更多的是在日后對鐵路等相關設備的檢修維護。 綜上所述，BIM 技術的最大價值應體現在后期的運維階段［2］，但目前BIM 技術在運維方面的發展比較欠缺［3］。

“智能鐵路”中的智能運營是通過了解各基礎設備的演變規律與劣化機理，實現預測性維護，同時提高維護效率，提升維護質量，降低維護成本［4］。 基于信息化、自動化、人工智能技術的智能運維模式必定會替代目前所采用的以人工為主的運維模式。 BIM 技術具有可視性、模擬性、協同性、連續性、集成性等特性［5］，可為鐵路基礎設施的智能運維提供重要保障。

國內鐵路研究在結合 BIM 與地理信息技術（geographic information system，GIS）方面已經有了不少的研究。 錢意［6］從建筑信息模型與地理信息模型的特點出發，論述了建筑信息模型和地理信息模型在軌道交通的全生命周期中所發揮的作用，為軌道交通全生命周期的信息共享提供了參考。 張麗媛等［7］運用無人機傾斜攝影測量技術將BIM 模型與GIS 數據相融合，設計了鐵路信息管理系統，為鐵路工程提供全生命周期的集成服務。

現有的工務段運維管理系統主要以數字指標、文字描述的形式對病害的所處位置、產生部位、類型3 個具體內容進行收集，收集完成后通過表格、曲線圖等形式對數據進行展示。 這種數據的展示方式，導致一線的工作人員無法直觀通過系統來立刻鎖定病害問題位置，影響工作人員對病害進行快速響應。 同時表格、曲線圖等不直觀的表現形式，會使得傳遞的信息雜亂，從而影響工作人員對具體情況的判斷，最終導致出現決策失誤。

而采用BIM 與GIS 結合的技術，在實現對鐵路細節與地圖紋理展示的同時，還可以借助BIM 模型，在模型上對病害問題進行標注、展示，可使工作人員對病害進行更迅速、精準的響應，提升維護的效率與質量。 所以建立相關鐵路設備的BIM 維管平臺是非常必要的。

1 設計目標以及技術路線

1.1 設計目標

（1）實現在可視化工務段運維管理平臺中展示相應的鐵路BIM 模型與GIS 數據。 在實現管理平臺的模型精度貼合工務段工作人員日常工作內容與工作規范的同時，盡可能減少服務器壓力，使平臺穩定運行。

（2）實現通過平臺可以直觀判斷病害位置，以便工作人員快速了解整條工作線路中出現的病害數量與地點，達到快速響應的目的。

（3）實現平臺在展示病害位置的同時，展示具體的病害信息，并可以直觀地在平臺中展示病害的危害程度，從而達到精準響應的目的。

1.2 技術路線

本文使用BIM 技術、GIS 技術與虛幻引擎（unreal engine，UE）相結合的技術手段，UE 作為一款開源的游戲開發引擎，主要用于開發3D 游戲、影視制作等。 本文在利用UE 的可視化展示功能的基礎上，對BIM 模型進行邏輯編輯，實現與展示的BIM 模型對象相交互，達到可視化管理的目的。

（1）BIM 模型與GIS 數據準備：為滿足鐵路工務段維護時的三維實景仿真要求，對GIS 實景數據優化處理，處理后導出為fbx 格式的3D 模型文件，并對BIM 模型進行輕量化處理，放置在同一數據標準的管理框架中，用于后續兩者在UE 中的數據融合。

（2）優化BIM 模型：工務段工作人員在日常維護時需要了解病害位置與類型，在日常維護記錄時，病害位置信息在日常工作中用里程表示。 因此本文的BIM 模型以里程屬性為設計基礎并進行優化。 再將BIM 模型以是否為維護對象為標準，對鐵路的BIM 模型進行拆分和整合。將拆分、整合后的輕量化BIM 模型以fbx 的文件格式導入至UE 中與GIS 數據融合。

（3）開發系統邏輯：結合如軌道檢查儀、動檢車等常用檢測設備手段，設計平臺中病害的自動展示方式，將病害的位置與病害的類型信息直觀地表現出來。 并通過展示內容建立交互性，實現通過與BIM 模型的交互，完成工務段對日常工作中出現的病害內容的處理。

（4）連通外部數據庫：根據人員用戶信息與日常工作內容建立獨立數據庫，通過二次開發實現UE 與數據庫連通，從而實現平臺與數據庫連接時的實時的數據傳遞。

2 平臺設計

2.1 空間數據預處理

基于工務段日常工作流程，以及滿足可視化交互的需求，選取對應的BIM 數據以及GIS 數據，并分別對其預處理。

2.1.1 GIS 實景數據預處理

為保證兼容性的需求，需對GIS 數據進行優化，轉換為fbx 格式文件。 GIS 數據優化處理的本質是對模型的多邊形面片進行操作，主要包括面片的縮減、填補、紋理優化3 個部分。

（1）面片縮減：將fbx 文件利用3D 圖形處理軟件（如Maya、blender、Maxon Cinema 4D 等）的自動拓撲功能，對GIS 實景數據模型的三角面片進行縮減，且確保縮減過后的模型依舊可以達到所需要的可視化效果。

（2）面片填補：核查所調用的區域是否存在面片的缺漏，若存在缺漏問題，應根據具體情況，對結構面采用延伸方式對缺漏進行填補。

（3）紋理優化：獲得GIS 數據后，若紋理圖片出現拉花或圖片缺失等現象，要對紋理進行優化處理，使得優化過的圖片盡量突出更多細節。

2.1.2 BIM 數據預處理

本文的管理對象并不涉及BIM 模型中有關材質、型號等的信息，同時考慮到兼容性的需求，將Revit 所建立的BIM 模型以fbx 文件導出備用。

2.2 BIM 模型拆分重組

根據線路維修規則中工務段日常維護的對象，將BIM模型分為維護對象與非維護對象。

（1）維護對象在平臺中起到對病害信息交互管理與展示的作用，可通過與維護對象的交互來表現病害位置與具體病害內容、程度。 同時根據1.2 節中（2）點所述，其中病害的具體信息可展示在整個對象模組上，按照里程屬性進行整合。 本文將鐵軌、路基以5 米長度切分，同時與對應位置的扣件、枕木等相關構件重組為一個BIM 構件，并對該構件進行后續邏輯設定，其中圖1 為二次重組后的部分BIM 構件效果展示。 通過可視化直觀展示該構件，達到優化工務段對病害響應決策的目的。

圖1 二次重組的部分BIM 構件效果展示

（2）非維護對象在平臺中起到展示的作用，不需要設定系統邏輯，可突出體現病害問題的位置。 在整合BIM模型時可將這類模型整合在一起，可減少模型面片數量，減少圖像處理的壓力。

2.3 空間數據融合

將重新輕量化后的BIM 模型組件與GIS 數據導入UE的開發環境中，使用UE 的材質編輯器對模型顏色進行修改，使得各組件顏色區分開，其中圖2 為軌道板材質修改過程。 將各組件材質處理完成后，結合GIS 數據完成BIM數據在三維實景地圖上的重組搭建，并進一步對整體效果進行渲染，完成后效果如圖3 所示。

圖2 軌道板材質修改

圖3 空間數據融合效果展示

2.4 連接數據庫

本文選用MySQL 進行數據庫的搭建并與可視化管理平臺連接，其中MySQL 有穩定可靠、性能高效等優點［8］，在數據庫應用軟件中被廣泛使用。 本文構建了用戶信息與維護工作兩個數據庫，分別用于用戶的登錄，人員管理與維護時的病害部位、病害類型、處理時間、病害解決人員等工作內容信息的管理。 數據庫建立完成后通過Java 編程實現連接MySQL 數據庫與UE 發出的POST 請求，實現對數據庫數據進行增刪改查。

2.5 操作邏輯及界面設計

本文利用UE 中的藍圖功能，對登錄與BIM 組件交互進行模塊化編程設計，同時也方便后續迭代更新。 所設計的藍圖編程模組可實現展示軌道檢查儀［9］等設備靜態檢測與動態檢測中的幾何尺寸數據，并根據這些初始數據實現改變相應軌道BIM 模型部件顏色，從而達到與BIM 模型交互的目的。 在藍圖設計編程時，需在藍圖中通過Va Rest Subsystem 插件實現發送POST 請求，與上述2.4 節中數據庫進行對接，將藍圖中設計的參數范圍與數據庫中的參數進行比較。 比較完成后，根據比較的范圍結果，修改相應組件的材質效果，進而改變顏色屬性。

與參數比較的范圍結果，可劃分為“作業驗收”“經常保養”“臨時修補”“限速”4 個管理標準。 其中，對應“作業驗收”等級的模型顏色不發生更改，其他3 個等級借用災害預警顏色中的藍、黃、紅3 色來進行區分展示，具體設計參數范圍與顏色對應規則如表1 所示。 當該段模型組件出現多個需改變材質效果的條件時，顏色的展示邏輯為優先展示紅色，其次為黃色，最后為藍色，具體展示效果如圖4 所示。

表1 設計參數范圍與顏色對應規則

圖4 病害展示界面

3 結語

本文充分利用了鐵路項目中既有的BIM 模型與GIS數據，結合UE 的運行環境，將BIM 模型拆分重組，并以里程屬性為基礎進行設計，初步完成了工務段可視化管理平臺的搭建。 實現了在BIM 模型上將工務段靜態檢測與動態檢測中的病害數據進行展示的目的，解決了工務段可視化管理平臺中至關重要的一環。

對于工務段可視化管理平臺設計后續的開發工作，還需要繼續結合工務段日常工作形式與工作內容設定方便快捷的移動端操作界面，并對交互數據進行分析，實現病害成因分析與病害預測。 從而減少因工務段設備病害問題而產生的限速，提升鐵路運行效率的同時延長鐵路壽命，促進鐵道運維技術的發展與優化。