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(shè)，付 濤，劉忠海

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

2.中國鐵路北京局集團(tuán)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(shè)的快速發(fā)展，新建鐵路房屋建筑在設(shè)計(jì)和施工過程中采用了大量新技術(shù)、新設(shè)備和新工藝[1]，這給鐵路房建設(shè)備的運(yùn)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(yīng)用較為粗淺，并且各房建設(shè)備管理單位信息化建設(shè)差異較大，無法實(shí)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(shè)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(yùn)輸房建設(shè)備大修維修規(guī)則》施行，新版規(guī)則提出房建設(shè)備管理要實(shí)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(shè)備在各階段的信息進(jìn)行集成，通過協(xié)同和交互工作來實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理[6-7]，它與房建設(shè)備管理的集成應(yīng)用為促進(jìn)各管理單位信息共享，提高管理工作效率，推動(dòng)鐵路房建專業(yè)信息化發(fā)展提供了重要?jiǎng)恿Α?/p>

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

1 平臺總體方案

1.1 建設(shè)目標(biāo)

在鐵路信息化總體規(guī)劃的指導(dǎo)下，以科學(xué)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(shè)備技術(shù)狀態(tài)臺賬動(dòng)態(tài)化管理為重點(diǎn)，構(gòu)建統(tǒng)一的鐵路房建信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司集中部署，集團(tuán)公司、房管所、建筑段、車間、工區(qū)5級應(yīng)用；充分利用BIM技術(shù)三維可視化、信息集成化的特點(diǎn)，全面深化BIM技術(shù)在鐵路房建領(lǐng)域中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于BIM的房建設(shè)備可視化管理，基于BIM的數(shù)據(jù)信息集成和基于BIM的設(shè)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(shí)現(xiàn)人員作業(yè)實(shí)時(shí)定位與跟蹤管理；為房建設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和既有健康監(jiān)測設(shè)備提供開放統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jìn)行集中統(tǒng)一，在安全、環(huán)保、節(jié)能和降低成本等方面實(shí)現(xiàn)房建專業(yè)各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)全方位、全過程的精細(xì)化管理，全面推動(dòng)房建部門生產(chǎn)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化建設(shè)。

1.2 總體架構(gòu)

基于BIM的房建管理信息平臺實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司房建設(shè)備的集中統(tǒng)一管理，在集團(tuán)公司信息化建設(shè)實(shí)施方案中屬于業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中的運(yùn)輸生產(chǎn)類。

依托集團(tuán)公司統(tǒng)一建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理應(yīng)用，為集團(tuán)業(yè)務(wù)處室和基層房建管理站段提供設(shè)備運(yùn)維管理的信息化輔助手段。通過實(shí)施房建管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施房建設(shè)備安全可靠、功能完備、運(yùn)營狀態(tài)良好，保值增效的目標(biāo)。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(jìn)的BIM理念[8]，鐵路房建信息管理平臺運(yùn)用三維可視化、地理位置定位、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對鐵路房建設(shè)施設(shè)備進(jìn)行全生命周期的管理。同時(shí)，考慮到鐵路房建設(shè)備管理工作涉及的部門/單位眾多、業(yè)務(wù)范圍廣泛，為提高平臺的易用性和穩(wěn)定性，整個(gè)平臺體系采用基于B/S的框架設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用與服務(wù)層、表示層進(jìn)行開發(fā)，其中，應(yīng)用與服務(wù)層又分為支撐層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層?；贐IM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(shè)備的技術(shù)臺賬數(shù)據(jù)、資產(chǎn)設(shè)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(shí)現(xiàn)各級部門數(shù)據(jù)共享的軟件基礎(chǔ)，包括用戶管理和授權(quán)、BIM+GIS可視化服務(wù)、自定義報(bào)表引擎、外部接口以及公共服務(wù)（如電子郵件、文件傳輸、Web發(fā)布）等。

1.3.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層用來處理日常業(yè)務(wù)邏輯，將各類數(shù)據(jù)按照房建設(shè)備管理業(yè)務(wù)的邏輯規(guī)范管理、組織起來，主要包括基礎(chǔ)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(wù)內(nèi)容。

1.3.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)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(wù)，服務(wù)內(nèi)容包括BIM和GIS功能服務(wù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)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(jì)查詢服務(wù)，以及信息管理、統(tǒng)計(jì)管理、權(quán)限管理、技術(shù)參數(shù)等后臺管理應(yīng)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(shè)備，包括PC端瀏覽器、移動(dòng)手機(jī)終端、RFID掃描器和平板電腦。用戶通過這些設(shè)備可以獲得與其身份權(quán)限相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息與功能服務(wù)。

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(tuán)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(shè)備管理的業(yè)務(wù)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(jìn)行應(yīng)用的示意圖如圖3所示。

2.1 鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺數(shù)據(jù)

鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺[9]（簡稱：數(shù)據(jù)服務(wù)平臺）集中統(tǒng)一管理著鐵路多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的核心數(shù)據(jù)資源。通過先進(jìn)的技術(shù)和流程，數(shù)據(jù)服務(wù)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(shè)備的基礎(chǔ)主數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)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(wù)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(wù)平臺進(jìn)行對接，將上述歷史數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)移至平臺中進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，以便與BIM+GIS相融合，為房建專業(yè)各級管理用戶提供先進(jìn)的BIM+GIS可視化服務(wù)。

圖3 3類數(shù)據(jù)源平臺接入示意圖

2.2 下級業(yè)務(wù)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(wù)終端進(jìn)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(shè)備日常生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)、BIM應(yīng)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(dòng)終端提供數(shù)據(jù)采集和上傳服務(wù)。通過市場調(diào)研，當(dāng)前應(yīng)用于鐵路巡檢作業(yè)的手持終端設(shè)備主要有以下3類：

（1）基于安卓系統(tǒng)的智能終端?？梢约缮漕l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(yīng)用，實(shí)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(jī)。根據(jù)用戶實(shí)際需要，集成相關(guān)功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、RFID、GPS定位、GPRS傳輸?shù)?，一般不支持?jǐn)?shù)據(jù)的錄入和查看等。

（3）基于個(gè)人手機(jī)的APP。利用手機(jī)自身的硬件設(shè)備如GPS、RFID、攝像等，開發(fā)專用的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、查看、使用等的一體化應(yīng)用。

鑒于個(gè)人手機(jī)的便利性，本方案采用基于手機(jī)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(yùn)維管理人員制定有效的維修計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化作業(yè)、智能化監(jiān)控的目標(biāo)。

2.3 監(jiān)測與監(jiān)控設(shè)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(guān)設(shè)備的建設(shè)階段，安裝或預(yù)埋的視頻監(jiān)控設(shè)備和傳感感知設(shè)備采集到的動(dòng)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(shè)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(luò)，并為不同類型的設(shè)備提供專用的數(shù)據(jù)接口，以保證采集到的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)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(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

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(shè)備開展數(shù)字化、智能化運(yùn)維管理應(yīng)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(yīng)用

該模塊包含房建設(shè)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(gè)子模塊。通過該功能模塊，運(yùn)維管理人員可以便捷地使用BIM+GIS技術(shù)，直觀掌握房建設(shè)備的空間布局信息和數(shù)據(jù)臺賬信息，從而為設(shè)備維修計(jì)劃的制定提供決策依據(jù)。

設(shè)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(shè)備安裝復(fù)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(dòng)手持終端對房建設(shè)備的巡檢、報(bào)修、維修、大修工作提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)巡檢計(jì)劃與BIM進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)跟蹤定位人員作業(yè)信息，自動(dòng)在BIM中記錄和更新設(shè)備的維修狀態(tài)信息，形成一套設(shè)備病害從發(fā)現(xiàn)、上報(bào)到處理的信息化處理流程。生產(chǎn)作業(yè)管理子模塊為領(lǐng)導(dǎo)決策、部門工作部署提供快速獲取設(shè)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(dòng)手持終端技術(shù)的設(shè)備信息識別流程如圖5所示。

圖5 設(shè)備信息識別流程圖

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

公共安全管理子模塊提供自然災(zāi)害下對重點(diǎn)房建設(shè)備的檢查預(yù)警、應(yīng)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(shè)備的空間位置信息，通過BIM可以快速查找設(shè)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(jì)劃實(shí)施管理

計(jì)劃實(shí)施是鐵路房建設(shè)備運(yùn)維管理工作的重要內(nèi)容，該模塊主要涉及年度生產(chǎn)計(jì)劃、工程管理、以及統(tǒng)計(jì)分析共3個(gè)子模塊。

根據(jù)房建設(shè)備運(yùn)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(jì)劃子模塊可自動(dòng)生成不同類型房建設(shè)備的綜合維修計(jì)劃、重點(diǎn)維修計(jì)劃、大修計(jì)劃、住宅專項(xiàng)維修計(jì)劃以及更新改造計(jì)劃，提供完善的計(jì)劃審批下達(dá)服務(wù)。生產(chǎn)計(jì)劃各業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃各業(yè)務(wù)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(jìn)行的整體大修、單項(xiàng)大修、更新改造和重點(diǎn)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(shè)置了房屋/構(gòu)筑物大修工程、屋面專項(xiàng)修工程、住宅專項(xiàng)修工程、重點(diǎn)修工程、以及設(shè)備更新改造工程共5個(gè)子模塊。利用BIM在施工工程組織、安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本和工程技術(shù)資料管理方面的技術(shù)優(yōu)勢，加強(qiáng)房建單位工程管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化、信息化建設(shè)。

統(tǒng)計(jì)分析子模塊可實(shí)現(xiàn)月度、季度、年度自動(dòng)生成各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并為各運(yùn)維管理人員提供生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度表、設(shè)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(shè)備的BIM數(shù)據(jù)、GIS地圖信息、技術(shù)檔案資料和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)臺賬數(shù)據(jù)，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)管理模塊可以對房建設(shè)備的各類數(shù)據(jù)資料進(jìn)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(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)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(guān)的服務(wù)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(jī)構(gòu)、人員、崗位等基礎(chǔ)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(bào)修管理、消防應(yīng)急演習(xí)記錄、培訓(xùn)記錄、安全檢查記錄、交班記錄、住宿相關(guān)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(xì)臺賬等信息內(nèi)容。

3.5 專項(xiàng)管理

專項(xiàng)管理是指對房建設(shè)備運(yùn)維生產(chǎn)管理過程中有關(guān)設(shè)備安全、人身安全、財(cái)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(dòng)的管理，是房建設(shè)備管理內(nèi)容的重點(diǎn)之一。平臺設(shè)置了專項(xiàng)管理模塊對建筑接近限界、危險(xiǎn)建筑物、能源、以及季節(jié)性工作進(jìn)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(xiǎn)建筑管理子模塊主要負(fù)責(zé)對危險(xiǎn)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(xiǎn)情影響及其他匯總資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jì)分析表；季節(jié)性工作子模塊主要對防洪方面的設(shè)備臺賬、防洪準(zhǔn)備督察工作情況、防洪物資計(jì)劃、防洪搶險(xiǎn)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(jì)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(jìn)行管理。

3.6 監(jiān)測應(yīng)用

監(jiān)測應(yīng)用模塊主要為既有監(jiān)控系統(tǒng)、重要視頻設(shè)備、健康檢測設(shè)備提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場拍攝的影像資料遠(yuǎn)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(shè)備狀態(tài)分析等應(yīng)用功能。通過將實(shí)際監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備設(shè)施與BIM進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對特種設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)及視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及無人值守的功能[10]，幫助管理人員通過直接點(diǎn)擊BIM來查看實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

隨著鐵路信息化建設(shè)的快速推進(jìn)，BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)、建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，實(shí)踐證明，BIM技術(shù)能夠貫通設(shè)施設(shè)備從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維管理階段，實(shí)現(xiàn)全生命周期的管理。因此，針對鐵路房建設(shè)備管理特點(diǎn)，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(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，推動(dòng)鐵路房建設(shè)備管理走向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、可視化、智能化的創(chuàng)新發(fā)展道路。