高鐵車站設(shè)備智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

王建偉，秦 健，孫國(guó)慶

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

隨著我國(guó)高鐵的快速發(fā)展，高鐵車站內(nèi)裝備了大量客運(yùn)及機(jī)電設(shè)備，由于設(shè)備種類繁多，數(shù)據(jù)分散，信息難以共享，對(duì)高鐵車站設(shè)備運(yùn)維管理工作提出了挑戰(zhàn)[1]。

目前，有研究人員利用三維建模技術(shù)，構(gòu)建高鐵車站三維模型，可將數(shù)據(jù)感知層實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控信息、設(shè)備基礎(chǔ)信息及實(shí)時(shí)狀態(tài)等在三維模型上分類展現(xiàn)，并能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行報(bào)警[2-3]。在此基礎(chǔ)上，還可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)備與三維模型進(jìn)行有效連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[4]。

本文綜合考慮現(xiàn)有高鐵車站管理模式特點(diǎn)，基于三維可視化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)展高鐵車站智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，利用GIS+BIM 三維建模技術(shù)融合的方法，設(shè)計(jì)了高鐵車站智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)；研究空間數(shù)據(jù)庫(kù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的信息集成方法，并將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的數(shù)據(jù)集成至模型中，借助GIS 二維和三維信息集成的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中加載高鐵車站周邊地形影像，實(shí)現(xiàn)高鐵車站設(shè)備可視化管理，有助于提升高鐵車站智能化運(yùn)維管理水平，為智慧高鐵車站建設(shè)提供研究基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S 應(yīng)用模式，運(yùn)用GIS 與BIM 融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將高鐵車站各監(jiān)控點(diǎn)上傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)管理后臺(tái)，并可以通過(guò)控制器對(duì)終端設(shè)備發(fā)送指令，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；一旦設(shè)備出現(xiàn)異常，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)，提供高鐵車站設(shè)備三維可視化管理和運(yùn)維過(guò)程管理。

系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上可劃分為5 個(gè)層次，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1.1 感知層

感知層為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)能力層，該層包括各類傳感器等感知設(shè)備。感知層就像人類的“眼、耳、鼻”，是連接物理世界與信息世界的重要紐帶；主要有各種溫度傳感器、智能煙感傳感器、智能電表、智能水表、智能攝像頭等。

感知層收集的信息通過(guò)傳輸層匯聚至數(shù)據(jù)層。

1.1.2 傳輸層

傳輸層主要負(fù)責(zé)接收和傳遞感知層所獲取的信息，分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩大類；其中，無(wú)線傳輸主要服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)。

1.1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括車站三維模型、資產(chǎn)臺(tái)賬、運(yùn)維數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。以GIS+BIM 技術(shù)構(gòu)建的車站三維模型為數(shù)據(jù)載體，可為應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)信息的統(tǒng)一展示提供基礎(chǔ)；資產(chǎn)臺(tái)賬信息由后臺(tái)人工錄入；對(duì)智能巡檢終端采集的運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)維數(shù)據(jù)與設(shè)備基礎(chǔ)信息的關(guān)聯(lián)；此外，由傳輸層上傳的設(shè)備監(jiān)控信息也匯集在這一層，供中間層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和管理。

1.1.4 中間層

中間層包括三維服務(wù)、控制服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)分析服務(wù)。

其中，三維服務(wù)為車站模型訪問(wèn)所依賴的服務(wù)，其它系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)用三維服務(wù)，實(shí)現(xiàn)車站三維模型數(shù)據(jù)的加載及二次開(kāi)發(fā)。

物聯(lián)網(wǎng)分析服務(wù)利用傳感器收集的信息，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析，結(jié)合車站三維模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，并對(duì)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析。

控制服務(wù)可控制高鐵車站內(nèi)各監(jiān)控采集點(diǎn)的傳感器，將采集的數(shù)據(jù)上傳至控制器和后臺(tái)管理設(shè)備；同時(shí)，可以通過(guò)控制器對(duì)終端設(shè)備發(fā)送指令，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)；若設(shè)備出現(xiàn)異常，還可進(jìn)行報(bào)警。

1.1.5 應(yīng)用層

由傳輸層傳輸和匯聚的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)層的整理和中間層的分析關(guān)聯(lián)，提供給應(yīng)用層使用。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的主要業(yè)務(wù)功能包括集成展示、檢修管理、能耗管理、監(jiān)控預(yù)警、綜合統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備運(yùn)維管理、故障監(jiān)測(cè)、節(jié)能控制等目標(biāo)，為設(shè)備運(yùn)維的成本計(jì)算、故障分析和能源管理提供數(shù)據(jù)支持[7]。

1.2 用戶構(gòu)成

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)面向客運(yùn)專線有限公司（簡(jiǎn)稱：客專公司）級(jí)、鐵路局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：鐵路局）級(jí)、站段級(jí)不同用戶的應(yīng)用需求?？蛯９炯?jí)用戶可查看全公司各條專線上所有高鐵車站的情況；鐵路局級(jí)用戶只能查看本鐵路局管轄內(nèi)的高鐵車站的情況；而站段級(jí)用戶只能查看所管轄高鐵車站的情況。

系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性和靈活度較高。既可覆蓋從站段上報(bào)設(shè)備維修計(jì)劃到路局審核的完整流程，符合現(xiàn)有的監(jiān)管模式，也適用于客專公司某條線路途徑多個(gè)鐵路局的情況。

2 業(yè)務(wù)功能

根據(jù)車站智能化管理的需求，系統(tǒng)功能劃分為信息集成、檢修管理、能耗管理、監(jiān)控預(yù)警、綜合統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理6 個(gè)模塊。具體功能模塊劃分見(jiàn)圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 信息集成

通過(guò)三維GIS+BIM 建模可視化技術(shù)可以真實(shí)地展示車站模型，方便客專公司用戶、鐵路局級(jí)用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理；同時(shí)，針對(duì)具體的站段，可以實(shí)現(xiàn)高鐵車站土建、暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施在復(fù)雜空間的直觀展示，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬、圖紙、圖片和運(yùn)維數(shù)據(jù)的信息集成展示；信息集成展示示例見(jiàn)圖3。

在三維場(chǎng)景中，還能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)設(shè)備與隱蔽工程的集成展示；例如，在三維空間中展示消防管路，如圖4 所示。

在每臺(tái)設(shè)備上粘貼專用標(biāo)簽，通過(guò)掃描標(biāo)簽二維碼可快速獲取該設(shè)備的標(biāo)識(shí)信息，并提供訪問(wèn)設(shè)備各類信息的統(tǒng)一入口，包括臺(tái)賬、圖紙、檢修資料等信息的在線瀏覽和模糊檢索功能，為提高維修工作效率提供支持。

圖3 信息集成展示

圖4 在三維空間中展示消防管路

2.2 檢修管理

日常檢修管理工作包括巡檢、維修、大修3 類。

（1）巡檢管理：根據(jù)設(shè)備巡檢要求，可設(shè)置巡檢提醒功能，提示待檢設(shè)備清單，記錄巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

（2）維修管理：根據(jù)設(shè)備維修要求，可設(shè)置維修提醒功能；站段制定維修計(jì)劃，并提交路局審核；審核通過(guò)后開(kāi)展施工，施工完成后進(jìn)行驗(yàn)收；按照高鐵車站設(shè)備維修業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)自動(dòng)流轉(zhuǎn)維修信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修閉環(huán)管理。

（3）大修管理：按照大修更改業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)大修計(jì)劃、預(yù)算、施工、驗(yàn)收全流程管理，形成閉環(huán)管理。

2.3 能耗管理

高鐵車站日常的用電量、用水量較大。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)主要設(shè)備間各個(gè)能源消耗指標(biāo)，提供監(jiān)控和報(bào)警功能；結(jié)合三維模型，在三維場(chǎng)景中標(biāo)注耗電較高的設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能耗情況，支持管理人員制定節(jié)能措施。

2.4 監(jiān)控預(yù)警

針對(duì)照明、空調(diào)、電梯等設(shè)備，安裝傳感器及控制柜，將這些設(shè)備的監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳輸至中間層，結(jié)合三維場(chǎng)景，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如圖5所示。通過(guò)可視化用戶界面，方便用戶掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；一旦設(shè)備發(fā)生故障或者發(fā)生火災(zāi)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，并將報(bào)警信息推送至相關(guān)系統(tǒng)和終端。

圖5 設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

2.5 綜合統(tǒng)計(jì)

針對(duì)設(shè)備、病害、能耗、報(bào)警等進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)；提供多維度數(shù)據(jù)分析功能，為運(yùn)維管理人員提供決策依據(jù)。

2.6 系統(tǒng)管理

為系統(tǒng)管理員提供菜單、用戶、角色、日志等系統(tǒng)配置功能，進(jìn)行用戶創(chuàng)建、授權(quán)等操作，方便系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)三維可視化與智能化設(shè)備運(yùn)維的目標(biāo)，開(kāi)展了GIS+BIM 融合三維建?？梢暬夹g(shù)、多源信息集成技術(shù)、網(wǎng)格化管理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。

其中，三維建模技術(shù)主要研究解決GIS+BIM 建模、融合及模型輕量化等關(guān)鍵問(wèn)題；多源信息集成技術(shù)主要研究解決如何融合和集成多種數(shù)據(jù)來(lái)源的數(shù)據(jù)（如設(shè)備臺(tái)賬、圖紙、運(yùn)維、監(jiān)控信息等）以及如何實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理；網(wǎng)格化管理技術(shù)主要探索高鐵車站網(wǎng)格單元管理問(wèn)題；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要研究傳感器與DDC 控制器以及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

3.1 三維可視化技術(shù)

3.1.1 BIM與GIS融合

設(shè)備和管路分別采用不同建模方法。BIM 建模能很好地保存設(shè)備屬性信息，一些管路和設(shè)備采用BIM 方式建模；土建結(jié)構(gòu)可以采用輕量化GIS 建模。通過(guò)建模實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用BIM 軟件建模與GIS 軟件建模相結(jié)合的模式，可以使得模型規(guī)模適度，轉(zhuǎn)換效率較高，在web 場(chǎng)景中渲染速度更快。

IFC 是Building SMART 為BIM 應(yīng)用提出的一種開(kāi)放數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IS016739)[8]。BIM 與GIS 轉(zhuǎn)換是將BIM 模型rvt 格式通過(guò)一系列操作生成符合GIS 要求的格式，并與GIS 建模部分整合，按照特定坐標(biāo)系進(jìn)行合并、配準(zhǔn)等操作。

3.1.2 WebGIS可視化技術(shù)

制作好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS Pro，按照一定的圖層分類，制作發(fā)布為對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)三維服務(wù)；系統(tǒng)通過(guò)Arcgis 提供的二次開(kāi)發(fā)JS 組件，利用其API開(kāi)發(fā)具體的三維應(yīng)用，使最終用戶能夠在Web 瀏覽器中瀏覽車站模型，實(shí)現(xiàn)模型定位高亮、模型查找、空間單體模型的顯示/隱藏、設(shè)置單個(gè)模型透明度、三維查找、對(duì)模型進(jìn)行三維剖切等功能。

3.2 多源信息集成技術(shù)

多種來(lái)源的數(shù)據(jù)（如設(shè)備臺(tái)賬、圖片、圖紙數(shù)據(jù)）按照規(guī)范化處理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與設(shè)備臺(tái)賬之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成。

同時(shí)，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)定義好的編碼字段進(jìn)行對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)非空間屬性字段靈活修改，可大幅減少模型空間數(shù)據(jù)庫(kù)字段數(shù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輕量化。

3.3 網(wǎng)格化管理技術(shù)

根據(jù)不同管理模式，將網(wǎng)格分為建筑格網(wǎng)和系統(tǒng)格網(wǎng)。

3.3.1 建筑格網(wǎng)

按照建筑結(jié)構(gòu)劃分可以分為樓層和區(qū)域格網(wǎng)，具體根據(jù)管理要求進(jìn)行分割。

（1）按照建筑結(jié)構(gòu)分為具體單個(gè)的物理樓層。如對(duì)于消防設(shè)備可以針對(duì)某一樓層的消防設(shè)備進(jìn)行管理。

（2）在單個(gè)樓層基礎(chǔ)上，還可細(xì)分為具體設(shè)備的單個(gè)區(qū)域（例如，只對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)備進(jìn)行管理），以有效彌補(bǔ)樓層面積過(guò)大、難以精細(xì)化管理的缺陷，或?qū)θ粘Ｑ矙z維護(hù)重點(diǎn)設(shè)備間進(jìn)行快速定位。

3.3.2 系統(tǒng)格網(wǎng)

按照不同的系統(tǒng)劃分系統(tǒng)格網(wǎng)，如大類可劃分為暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。各個(gè)大類可進(jìn)一步細(xì)分，如消防系統(tǒng)可細(xì)化為消防水炮系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的延伸及拓展應(yīng)用[9]，利用傳感器與控制器等設(shè)備進(jìn)行感知和控制。

在高鐵車站設(shè)備運(yùn)維管理中，電梯數(shù)據(jù)采集、消防控制、空調(diào)節(jié)能控制、照明節(jié)能控制、大屏顯示節(jié)能、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、閘機(jī)、能耗管理、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等諸多方面均可運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

3.4.1 傳感器與DDC控制器

傳感器，可將感知到的信息以不同信號(hào)方式輸出，滿足信息的存儲(chǔ)、傳輸、處理、控制等要求。在高鐵車站內(nèi)安裝感知不同設(shè)備參數(shù)的傳感器，如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器，二氧化碳傳感器等，由這些傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并上傳給系統(tǒng)。

數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）控制器主要利用計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如調(diào)節(jié)閥門等[10]。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送至控制器，經(jīng)過(guò)控制器分析后，輸出控制命令傳送至設(shè)備，通過(guò)控制閥門閉合或執(zhí)行一系列操作來(lái)完成控制。

3.4.2 NB-Iot和LoRa

目前，主流的低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Low Power Wide Area Network）有NB-Iot 和LoRa 兩種[11]。

NB-Iot 采用授權(quán)頻段，對(duì)于支持NB-Iot 協(xié)議的傳感器，可利用運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。例如，若車站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，起火點(diǎn)附近的煙感傳感器會(huì)立即探測(cè)到煙霧，通過(guò)NB-Iot 無(wú)線通訊方式，通知遠(yuǎn)端的消防報(bào)警監(jiān)控主機(jī)，由消防報(bào)警主機(jī)將報(bào)警點(diǎn)相關(guān)信息傳遞至服務(wù)器端，并在三維場(chǎng)景中標(biāo)注起火點(diǎn)位置，快速定位附近的消防設(shè)備，為應(yīng)急工作人員提供信息支持。

LoRa（Long Range）采用非授權(quán)頻段，是一種低功耗、遠(yuǎn)距離的局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，需自行組網(wǎng)，但組網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單。終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)網(wǎng)關(guān)基站將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端。LoRa 是自行搭建的私有網(wǎng)絡(luò)，不依賴運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，能夠保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。此外，在一些運(yùn)營(yíng)商無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的位置，采用LoRa 通信技術(shù)更為可靠。

3.4.3 NFC

NFC（Near Field Communication）只允許讀取和采集較近距離（通常在10 cm 內(nèi)）的信號(hào)。結(jié)合巡檢工作，在需要巡檢的設(shè)備上粘貼NFC 標(biāo)簽，標(biāo)簽含有該設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)ID。巡檢作業(yè)人員將巡檢手持終端靠近NFC 標(biāo)簽，待巡檢手持終端讀取到NFC 標(biāo)簽信息后，可以從服務(wù)端查找到該設(shè)備的臺(tái)賬信息，還可完成巡檢記錄填寫(xiě)、故障報(bào)修等操作，填報(bào)信息上傳至服務(wù)端，即完成該設(shè)備的巡檢工作。根據(jù)每日待檢設(shè)備清單，可以在三維場(chǎng)景中，以紫色高亮閃爍提示當(dāng)日未完成巡檢的設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三維可視化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方法，構(gòu)建高鐵車站智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體架構(gòu)，描述了系統(tǒng)用戶構(gòu)成和功能，提出GIS+BIM融合建模方法，實(shí)現(xiàn)高鐵車站多源數(shù)據(jù)集成、設(shè)備可視化管理、維修作業(yè)閉環(huán)管理、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備能耗管理等功能，研究成果有助于提升高鐵車站信息化水平和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維智能化管理能力。