基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李俊波，沈 鹍，王東妍，郝貴才

（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）

全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程“十三五”期間增加至14.63萬km，其中，高速鐵路達(dá)到3.79萬km，“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)加密成型[1]。伴隨鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)已被應(yīng)用于鐵路工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維過程管理當(dāng)中?；贐IM的鐵路工程管理平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)，優(yōu)化了傳統(tǒng)工程建設(shè)的工作流程、技術(shù)管理標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[2]。BIM是一個(gè)涵蓋項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到運(yùn)維生命期的管理工具[3]，可承載豐富的設(shè)計(jì)、施工、維修信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理[4]。基于BIM的運(yùn)維管理，能夠有效提升管理水平和工作效率[5]，是進(jìn)行跨專業(yè)信息共享、高效協(xié)同的重要技術(shù)支撐手段。

目前，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）正在積極推進(jìn)運(yùn)輸生產(chǎn)和勞動(dòng)組織改革，構(gòu)建高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化管理模式，創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修模式[6-7]。鐵路工程設(shè)計(jì)、建造數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)維階段價(jià)值顯著，在高速鐵路綜合維修一體化改革驅(qū)動(dòng)下，本文運(yùn)用全生命周期管理理念，設(shè)計(jì)基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、建設(shè)階段的信息向運(yùn)維傳遞，接入運(yùn)維期檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)信息共享與應(yīng)用，推動(dòng)工程建造與運(yùn)維階段的緊密銜接，進(jìn)行綜合維修模式下的生產(chǎn)流程再造[8]，進(jìn)一步提升高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理水平與工作效率。

1 系統(tǒng)需求

鐵路BIM聯(lián)盟已初步建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系框架[9]，基于BIM技術(shù)的可視化模型承載著大量的工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、建造數(shù)據(jù)信息，相關(guān)數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)及設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修中[10]。

（1）目前，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施由建造期向運(yùn)營(yíng)期的數(shù)據(jù)交接尚未做到平滑過渡，需進(jìn)行大量人工干預(yù)，對(duì)數(shù)據(jù)加以規(guī)范整理。

（2）在系統(tǒng)層面，建設(shè)期系統(tǒng)與運(yùn)維期系統(tǒng)相互獨(dú)立，且專業(yè)分割，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動(dòng)，亟須采用新的技術(shù)手段，將工程建造、運(yùn)維數(shù)據(jù)緊密銜接，減少人工干預(yù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)交付與共享。建設(shè)期數(shù)據(jù)可為運(yùn)維管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，運(yùn)維期結(jié)合工程設(shè)計(jì)、建設(shè)期數(shù)據(jù)及運(yùn)營(yíng)階段設(shè)備缺陷、維修等數(shù)據(jù)，正向反饋驅(qū)動(dòng)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。

（3）推動(dòng)構(gòu)建可視化的檢測(cè)監(jiān)測(cè)體系、生產(chǎn)維修過程管理，形成全專業(yè)信息的共享和深度運(yùn)用，開 展數(shù)據(jù)深度分析、挖掘和智能化應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文在堅(jiān)持國(guó)鐵集團(tuán)信息化建設(shè)“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺(tái)”原則的基礎(chǔ)上，推進(jìn)基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)研發(fā)與建設(shè)。

系統(tǒng)采用B/S模式和云化資源，在國(guó)鐵集團(tuán)主數(shù)據(jù)中心鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)集中部署，用戶通過內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)終端進(jìn)行訪問。支撐國(guó)鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司、專業(yè)站段、車間、班組用戶的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

系統(tǒng)在鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)中通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)與鐵路工程管理平臺(tái)、鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、一體化綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電6C數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，與鐵路地理信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地圖及功能服務(wù)調(diào)用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 技術(shù)架構(gòu)

基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)主要由訪問層、接口層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層組成，如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

訪問層：用戶可借助PC端、移動(dòng)終端或其他終端設(shè)備訪問系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶操作交互。

接口層：采用微服務(wù)網(wǎng)關(guān)中心模式，將系統(tǒng)涉及的工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)業(yè)務(wù)分解為多個(gè)獨(dú)立部署的服務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體業(yè)務(wù)接口訪問的解耦。

服務(wù)層：包括服務(wù)通信、業(yè)務(wù)服務(wù)模塊、服務(wù)管理及統(tǒng)一日志記錄和統(tǒng)一權(quán)限管理。通過服務(wù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用與存??；業(yè)務(wù)服務(wù)模塊支撐業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)，包括統(tǒng)一坐標(biāo)體系下的BIM、地理信息系統(tǒng) （GIS，Geographic Information System）服務(wù)融合；服務(wù)管理用于配置、發(fā)布管理服務(wù)接口；統(tǒng)一日志記錄提供安全日志審計(jì)；統(tǒng)一權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)用戶身份到應(yīng)用授權(quán)的映射。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：主要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用以滿足工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)維修及現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖片、語音等多樣化的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)需求。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 BIM+GIS可視化

BIM+GIS可視化功能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一場(chǎng)景融合全線的BIM、GIS和周邊地形地貌數(shù)據(jù)，以工務(wù)、電務(wù)、供電、房建基礎(chǔ)設(shè)施BIM為載體，承載工程設(shè)計(jì)、建設(shè)過程、設(shè)備履歷、檢測(cè)監(jiān)測(cè)、設(shè)備缺陷、養(yǎng)護(hù)維修等數(shù)據(jù)。同時(shí)，集成運(yùn)營(yíng)期各專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)，運(yùn)用BIM+GIS與設(shè)備單點(diǎn)缺陷、區(qū)段單元評(píng)價(jià)與軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI，Track Quality Index）數(shù)據(jù)相結(jié)合，直觀展現(xiàn)單點(diǎn)及區(qū)段設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)。將線上生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備缺陷報(bào)警與視頻進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，運(yùn)用視頻分析結(jié)果，輔助判定作業(yè)安全規(guī)范，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)信息共享與運(yùn)用。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控

利用生產(chǎn)作業(yè)終端App，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃獲取、人員及機(jī)具進(jìn)出場(chǎng)確認(rèn)、關(guān)鍵作業(yè)過程短視頻及圖像采集、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工單回復(fù)等功能，結(jié)合BIM+GIS可視化功能，全程監(jiān)控跟蹤作業(yè)過程及人員活動(dòng)軌跡。

3.3 生產(chǎn)調(diào)度管理

按照設(shè)備檢修周期、設(shè)備狀態(tài)分析結(jié)果建立月、周、日生產(chǎn)計(jì)劃編制功能。結(jié)合天窗計(jì)劃、車輛運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行多專業(yè)的周生產(chǎn)計(jì)劃平衡。日計(jì)劃主要編排作業(yè)、人員、機(jī)具、物料、風(fēng)險(xiǎn)防控等信息，以工單為驅(qū)動(dòng)，形成生產(chǎn)力要素配置、上道安全控制、設(shè)備缺陷整治、設(shè)備更新信息的聯(lián)動(dòng)管理。

3.4 數(shù)據(jù)分析管理

利用工務(wù)、電務(wù)、供電檢測(cè)檢查數(shù)據(jù)對(duì)線路區(qū)段、橋隧、道岔、信號(hào)、接觸網(wǎng)等設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開展工務(wù)、電務(wù)、供電設(shè)備單元量化分析，以道岔為主的工務(wù)與電務(wù)結(jié)合部分析等。結(jié)合專業(yè)缺陷數(shù)據(jù)建立專業(yè)問題庫，輔助專業(yè)分析人員判識(shí)設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)、設(shè)備缺陷，篩選優(yōu)先維修地段，為編制狀態(tài)修生產(chǎn)計(jì)劃提供依據(jù)。

3.5 設(shè)備履歷管理

實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施分專業(yè)設(shè)備履歷的統(tǒng)一管理，包含工務(wù)專業(yè)（坡度、曲線、車站、道岔、股道、鋼軌、軌枕、道床及橋隧設(shè)備等）、電務(wù)專業(yè)（通信基站、中繼站、信號(hào)機(jī)、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)、應(yīng)答器、軌旁設(shè)備等）、供電專業(yè)（接觸網(wǎng)支柱、接觸懸掛、補(bǔ)償裝置、分段絕緣器、斷路器、隔離開關(guān)、變配電所等）?；谠O(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)，建立設(shè)備專題圖管理功能。

3.6 移動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

建立工務(wù)專業(yè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)車檢測(cè)數(shù)據(jù)文件加載與入庫、車載式線路檢查儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入、便攜式添乘儀與人工添乘數(shù)據(jù)管理功能，對(duì)原始檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；實(shí)現(xiàn)電務(wù)檢測(cè)車檢測(cè)缺陷問題的采集功能；建立供電檢測(cè)問題缺陷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)供電1～4C檢測(cè)缺陷數(shù)據(jù)的分類管理。

3.7 固定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)接入北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)路基沉降、邊坡位移、隧道仰坡監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)、供電5～6C監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圖像，分析報(bào)警點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史變化趨勢(shì)，輔助研判報(bào)警發(fā)生原因，為專業(yè)養(yǎng)護(hù)維修和應(yīng)急搶修提供技術(shù)支撐。

3.8 現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)

規(guī)范專業(yè)設(shè)備檢查缺陷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工務(wù)道岔、曲線、橋梁、隧道、涵渠等日常檢查數(shù)據(jù)采集，電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)檢查維護(hù)記錄、檢修電氣測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集，供電設(shè)備日常、周期性檢查數(shù)據(jù)的采集。

3.9 BIM+GIS數(shù)據(jù)服務(wù)

利用地理信息空間數(shù)據(jù)引擎發(fā)布BIM服務(wù)，基于鐵路地理信息平臺(tái)，統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理鐵路GIS空間數(shù)據(jù)，發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、共享的空間數(shù)據(jù)服務(wù)，在應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)BIM、GIS服務(wù)的融合。

3.10 工程建設(shè)數(shù)據(jù)交付

分類組織工程建設(shè)階段數(shù)據(jù)，按專業(yè)管理模式形成項(xiàng)目及單位工程信息、設(shè)計(jì)及建設(shè)期數(shù)據(jù)目錄，歸集工程建造期數(shù)據(jù)；按照施工與竣工運(yùn)營(yíng)里程對(duì)照關(guān)系，轉(zhuǎn)換建設(shè)期數(shù)據(jù)，形成運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)，以運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)需求為導(dǎo)向，形成運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立以BIM為承載的建設(shè)期完整竣工交付數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)效果

基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)于2020年8月在北京—張家口高速鐵路（簡(jiǎn)稱：京張高鐵）開展試點(diǎn)，面向中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司、所屬段、車間、工區(qū)開展運(yùn)用。系統(tǒng)接入工程建造期數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌管理運(yùn)維期工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)生產(chǎn)流程，接入高速鐵路防災(zāi)、北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、綜合視頻、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)、供電6C缺陷數(shù)據(jù)等，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期管理。

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

系統(tǒng)基于BIM+GIS技術(shù)，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)管理所涉及到的各類數(shù)據(jù)信息納入運(yùn)維層面，建立完善的數(shù)據(jù)管理體系，實(shí)現(xiàn)了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，對(duì)三維空間場(chǎng)景進(jìn)行虛擬化展示和數(shù)字化管理，圖3為多專業(yè)數(shù)據(jù)資源共享及多場(chǎng)景數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)界面。

圖3 多專業(yè)數(shù)據(jù)資源共享及多場(chǎng)景數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)界面

4.2 設(shè)備履歷及質(zhì)量狀態(tài)可視化

集成展示京張高鐵工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)設(shè)備設(shè)施空間信息，與設(shè)備履歷、檢測(cè)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)維修、狀態(tài)分析數(shù)據(jù)相融合，通過二/三維空間動(dòng)態(tài)展現(xiàn)各專業(yè)設(shè)備技術(shù)參數(shù)、生產(chǎn)維修信息、設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)及變化趨勢(shì)。

4.3 一體化生產(chǎn)組織流程

通過業(yè)務(wù)流程改造，建立統(tǒng)一的綜合維修生產(chǎn)作業(yè)流程，圖4為統(tǒng)一生產(chǎn)作業(yè)流程界面。系統(tǒng)以高效組織生產(chǎn)過程為核心，建立檢測(cè)檢查、狀態(tài)分析、生產(chǎn)計(jì)劃、線上作業(yè)、安全管控、質(zhì)量評(píng)估閉環(huán)生產(chǎn)組織流程。

圖4 統(tǒng)一生產(chǎn)作?業(yè)流程界面

4.4 跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)運(yùn)用BIM+GIS空間數(shù)據(jù)服務(wù)，通過鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與高速鐵路防災(zāi)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)、綜合視頻、供電6C的數(shù)據(jù)集成。動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)京張高鐵沿線設(shè)備報(bào)警信息，同步調(diào)用視頻，進(jìn)行報(bào)警信息的快速?gòu)?fù)核與確認(rèn)，同時(shí)，將維修計(jì)劃與綜合視頻進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，輔助開展維修作業(yè)安全管控。圖5為日天窗計(jì)劃進(jìn)出通道門聯(lián)動(dòng)視頻分析界面。

圖5 天窗計(jì)劃進(jìn)出通道門聯(lián)動(dòng)視頻分析界面

5 結(jié)束語

基于BIM的綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)以工程建設(shè)期BIM+GIS為載體，圍繞工務(wù)、電務(wù)、供電基礎(chǔ)設(shè)施，綜合運(yùn)用動(dòng)態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、人工檢查數(shù)據(jù)，輔助開展?fàn)顟B(tài)修、預(yù)防性維修決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)備銷缺、維修生產(chǎn)流程閉環(huán)，推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)維修一體化及全壽命周期管理。在系統(tǒng)運(yùn)用過程中，還存在建設(shè)數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)化、BIM輕量化、專業(yè)設(shè)備缺陷字典規(guī)范化、綜合維修模式下的生產(chǎn)組織深度融合等問題，后續(xù)將進(jìn)一步深化與相關(guān)專業(yè)信息系統(tǒng)的資源共享，運(yùn)用大數(shù)據(jù)手段優(yōu)化設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與維修決策分析，為打造鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維體系提供參考。