BIM+GIS技術(shù)在京張高鐵建維一體化管理中的應(yīng)用

孫慧，封博卿，魏小娟，王英杰，劉陽學(xué)

（中國鐵道科學(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）

0 引言

近年來，我國鐵路行業(yè)越來越重視數(shù)據(jù)資產(chǎn)和設(shè)備設(shè)施全生命周期管理的價(jià)值，推出了多項(xiàng)方案和舉措。中華人民共和國交通運(yùn)輸部印發(fā)了《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，指出要推動交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)行管理等全要素、全生命周期數(shù)字化，構(gòu)建覆蓋全國的高精度交通地理信息平臺，完善交通工程等要素信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的三維數(shù)字化呈現(xiàn)，針對重大交通基礎(chǔ)設(shè)施工程，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期健康性能監(jiān)測。同時(shí)，《中國智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略研究》指出2025年需實(shí)現(xiàn)建設(shè)與運(yùn)維一體化的全生命周期管理體系［1］。

京張高鐵是智能高鐵的精品示范工程，因此亟待研究利用新技術(shù)、新手段實(shí)現(xiàn)鐵路前期建設(shè)信息與后期運(yùn)維信息有機(jī)統(tǒng)一且可視化、交互性友好的方案，以便服務(wù)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)管理、安全管理及維修管理，為相關(guān)領(lǐng)域工作人員提供建維一體化、便捷高效的信息獲取方式。

1 基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理需求

京張高鐵是我國“八縱八橫”高鐵網(wǎng)京蘭通道的重要組成部分，直接服務(wù)于2022年冬季奧運(yùn)會，正線全長174 km，設(shè)10座車站，最高設(shè)計(jì)時(shí)速350 km［2］。京張高鐵鐵路本體及周邊環(huán)境建維一體化管理需求主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）京張高鐵是我國第1條智能高鐵，將全面展示我國智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果，因此廣泛采用GIS、BIM、北斗、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，是把京張高鐵建設(shè)成為精品與智能深度融合、硬件與軟件相得益彰的典范之作的必要手段［3］。

（2）京張高鐵的參建單位眾多，設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理的單位不同，容易出現(xiàn)設(shè)備實(shí)際運(yùn)營信息與建設(shè)階段信息不匹配的問題，造成運(yùn)維工作人員根據(jù)運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)追溯設(shè)備建設(shè)信息困難。

（3）京張高鐵懷來綜合維修工區(qū)是全國首例將工務(wù)、電務(wù)、機(jī)務(wù)及供電等專業(yè)進(jìn)行整合的維修工區(qū)，因此開展專業(yè)融合的綜合維修一體化管理是必然趨勢。

（4）京張高鐵首次采用智能供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)、應(yīng)急處置智能調(diào)度系統(tǒng)、牽引供電設(shè)備故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)等多種智能化設(shè)備故障預(yù)測與維修系統(tǒng)，這些集成度高、專業(yè)復(fù)雜的設(shè)備設(shè)施給運(yùn)營管理增大了難度［4］。

（5）清華園隧道穿越4處地鐵、7條重要城市道路、88條重要市政管線和眾多古建筑，因此其周邊的交通、管線情況也需統(tǒng)籌兼顧［5］。

（6）京張高鐵八達(dá)嶺長城站深102 m，是目前我國埋深最大的高速鐵路地下車站，車站層次多、洞室數(shù)量大、洞型復(fù)雜、交叉節(jié)點(diǎn)密集，也是目前我國最復(fù)雜的暗挖洞群車站，亟需采用信息化手段管理這種地下車站的詳細(xì)構(gòu)造［6］。

（7）線路經(jīng)過北京“上風(fēng)口”，周邊的硬漂物容易被大風(fēng)吹到線路上引發(fā)行車事故，因此周邊環(huán)境的檢測監(jiān)測水平也極大地影響了線路行駛安全。

綜上，需以實(shí)現(xiàn)“專業(yè)融合、統(tǒng)籌兼顧”為工作目標(biāo)，一體化綜合管理京張高鐵的鐵路本體、周邊環(huán)境、設(shè)備設(shè)施，BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上解決該類問題。BIM具備對鐵路本體從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的全生命周期結(jié)構(gòu)構(gòu)造和屬性信息的精細(xì)化表達(dá)能力［7］，GIS可以直觀的地理圖形方式獲取、儲存、管理、計(jì)算、分析和顯示周邊環(huán)境，同時(shí)統(tǒng)一管理與位置有關(guān)的各類信息和數(shù)據(jù)，具備集成鐵路從建設(shè)到運(yùn)維的空間位置信息和屬性信息的能力［8］。

2 BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用可行性分析

隨著鐵路基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施建設(shè)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM+GIS技術(shù)將在智能鐵路交通領(lǐng)域中不斷深化應(yīng)用［9］。我國作為鐵路建設(shè)大國，利用BIM技術(shù)提供基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)提供周邊環(huán)境及空間參考，將是未來智能鐵路發(fā)展的一大趨勢，京張高鐵在以下方面應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)具有可行性：

（1）技術(shù)可行性。近年來，GIS技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，傾斜攝影拍攝及數(shù)據(jù)處理在我國發(fā)展得如火如荼；BIM技術(shù)在鐵路工程管理平臺運(yùn)用成熟。圍繞BIM和GIS技術(shù)融合，國內(nèi)外許多學(xué)者或機(jī)構(gòu)展開了相關(guān)研究。值得關(guān)注的是，隨著網(wǎng)絡(luò)和移動技術(shù)的普及，通過網(wǎng)絡(luò)訪問BIM和GIS的需求呈爆發(fā)式增長，HTML_5標(biāo)準(zhǔn)、WebGL等技術(shù)的出現(xiàn)極大地解決了三維空間數(shù)據(jù)在前端的可視化渲染問題，使通過網(wǎng)絡(luò)在鐵路建維一體化管理中應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)具備技術(shù)可行性。

（2）政策可行性。中國國家鐵路集團(tuán)有限公司專門下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步深化高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化站段改革的指導(dǎo)意見》，進(jìn)一步深化高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化，各鐵路局集團(tuán)公司正部署或通過試點(diǎn)工作完善工作標(biāo)準(zhǔn)、健全推進(jìn)機(jī)制、深化專業(yè)融合，提升高鐵運(yùn)營管理水平和養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量。BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用能夠有效避免運(yùn)維人員查閱設(shè)備設(shè)施紙質(zhì)資料，可協(xié)助其快速掌握設(shè)備設(shè)施建設(shè)、運(yùn)維信息，甚至是設(shè)備實(shí)時(shí)檢測監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并支持系統(tǒng)中模擬線路巡檢、應(yīng)急救援等重要工作，降低其重復(fù)前往現(xiàn)場的頻率，大大提升了運(yùn)營維護(hù)的工作效率。因此基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺符合時(shí)下政策、符合鐵路降本增效的管理目標(biāo)，具有政策支持基礎(chǔ)。

3 基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺總體架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)基于BIM+GIS技術(shù)的全線宏觀空間大場景及設(shè)備設(shè)施微觀細(xì)度三維模型的建維一體化管理，具體設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)管理層、支撐層和應(yīng)用層共5層的管理平臺總體架構(gòu)（見圖1），該架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)工務(wù)、通信、信號、供電等專業(yè)設(shè)備設(shè)施統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的“數(shù)據(jù)融合、一體化可視、建維一體化管理、協(xié)同分析”提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)層為保障數(shù)據(jù)接入傳輸及存儲的硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等。數(shù)據(jù)接入設(shè)備主要為傳感設(shè)備，如風(fēng)/雨/雪傳感器、滑坡/危巖體/泥石流等災(zāi)害監(jiān)測傳感器等。數(shù)據(jù)傳輸主要通過通信網(wǎng)絡(luò)，如RFID、藍(lán)牙、NFC、4G/5G、寬帶、IPV6、光傳輸?shù)?。?shù)據(jù)存儲主要通過云服務(wù)器。

（2）數(shù)據(jù)層為鐵路全生命周期各階段的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。分為設(shè)計(jì)、施工、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、工程驗(yàn)收、運(yùn)用維修等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式有PDF、XLXS、CAD、OBJ、RVT、DGN、OSGB等。

（3）數(shù)據(jù)管理層是按統(tǒng)一空間坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)，制作GIS數(shù)據(jù)，導(dǎo)入BIM，實(shí)現(xiàn)以GIS提供的唯一空間信息特征為紐帶，融合BIM提供的數(shù)字化物理空間模型。

（4）支撐層是通過空間地理倉庫、三維模型數(shù)據(jù)倉庫、業(yè)務(wù)主題數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)同一空間場景下的BIM+GIS多元信息管理及關(guān)聯(lián)，并統(tǒng)一對外提供二維地圖、實(shí)景三維、BIM模型、查詢檢索、空間分析、模擬預(yù)測等服務(wù)。

（5）應(yīng)用層是在支撐層的支撐下，開展各項(xiàng)具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括進(jìn)度、質(zhì)量、人員、竣工交付、運(yùn)用維修等的管理輔助建設(shè)或運(yùn)營管理的具體應(yīng)用。

4 BIM+GIS技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

BIM和GIS結(jié)合可將BIM應(yīng)用由單個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目向宏觀領(lǐng)域拓展，把BIM模型整合到GIS平臺上可以很好地支撐BIM數(shù)據(jù)管理，同時(shí)承載其他數(shù)據(jù)，形成數(shù)字底盤。在此提到的BIM+GIS技術(shù)主要指從BIM到GIS的融合。BIM+GIS技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)見圖2。

圖2 BIM+GIS技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 技術(shù)路線

以當(dāng)前國內(nèi)常用的GIS平臺軟件SuperMap為例，SuperMap可以通過BIM轉(zhuǎn)換技術(shù)將RVT、DGN等格式的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為.udb，BIM轉(zhuǎn)換技術(shù)主要是對BIM模型進(jìn)行幾何、屬性、紋理等解析，將BIM模型加載到GIS平臺中。幾何解析即對BIM模型進(jìn)行三角化處理，并提取三角化后的點(diǎn)位坐標(biāo)，寫入udb文件中；屬性解析即在udb的對象中解析并附加圖層、元素等屬性信息；紋理解析即獲取BIM中的填充材質(zhì)，獲取填充圖片的路徑并重新計(jì)算UV值，寫入材質(zhì)信息和對應(yīng)的UV值到udb中［10］。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

由于鐵路BIM模型呈長條狀分布，數(shù)據(jù)體量往往較大，可應(yīng)用BIM輕量化和生成三維切片緩存技術(shù)，以滿足BIM模型的性能瀏覽需求。（1）BIM模型輕量化技術(shù)主要包括模型切分、子對象簡化（刪除）、三角網(wǎng)簡化等，可將長條狀鐵路按運(yùn)維需求分段切分，也可將運(yùn)維階段中不關(guān)注的設(shè)計(jì)、施工構(gòu)件進(jìn)行刪除或簡化。（2）三維切片緩存技術(shù)采用實(shí)例化的方式，將相同骨架的數(shù)據(jù)僅存儲1次，大幅減少數(shù)據(jù)的存儲量，同時(shí)設(shè)置“LOD層數(shù)”，不同LOD層級的數(shù)據(jù)幾何精細(xì)程度不同，并在視域范圍內(nèi)按LOD層級動態(tài)可視化，加快BIM渲染速度［11］。

實(shí)現(xiàn)BIM模型到GIS平臺的轉(zhuǎn)換后，可同時(shí)加載遙感、點(diǎn)云、傾斜攝影等GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)處理及融合。針對經(jīng)常出現(xiàn)傾斜攝影地形數(shù)據(jù)與BIM模型不匹配的情況，可對傾斜模型進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的修改，主要包括地形整平、地形開挖、地形修改等。

在數(shù)據(jù)處理及融合的基礎(chǔ)上，可通過Web服務(wù)發(fā)布開展數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用，Web服務(wù)主要應(yīng)用WebGL技術(shù)，無需在瀏覽器安裝插件，并可提供顯示設(shè)備的GPU加速，同時(shí)支持PC端、平板電腦端、移動手機(jī)端等不同設(shè)備的三維可視化服務(wù)，滿足了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的跨平臺應(yīng)用需求［12］。

5 基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)京張高鐵BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用，需開展以下工作：

（1）組織團(tuán)隊(duì)進(jìn)行調(diào)研。前往京張城際鐵路有限公司、設(shè)計(jì)院、施工單位、鐵路局集團(tuán)公司、站段等相關(guān)單位進(jìn)行深入調(diào)研。

（2）梳理需求及功能項(xiàng)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，將產(chǎn)品功能梳理清晰，明確產(chǎn)品定位。

（3）開展設(shè)計(jì)工作。圍繞技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行模擬測試，形成產(chǎn)品原型。

（4）開展數(shù)據(jù)收集、整理、制作工作。開展實(shí)時(shí)檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)接入工作，數(shù)據(jù)來源主要為二維數(shù)據(jù)、沿線傾斜三維實(shí)景數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)。二維數(shù)據(jù)主要是工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等專業(yè)相關(guān)設(shè)備設(shè)施設(shè)計(jì)、施工、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、運(yùn)用維修等數(shù)據(jù)信息；沿線傾斜三維實(shí)景主要是拍攝線路建成后的三維實(shí)景；BIM數(shù)據(jù)主要為BIM模型數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息分類層面，數(shù)據(jù)主要分為設(shè)備基礎(chǔ)、工程建設(shè)、設(shè)備缺陷、養(yǎng)護(hù)維修等信息。在信息按時(shí)間跨度劃分方面，主要為建設(shè)期、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、設(shè)備全生命周期履歷、綜合維修管理等數(shù)據(jù)。

（5）開展京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)、京張高鐵工程管理平臺對接，前者提供GIS數(shù)據(jù)，后者提供BIM數(shù)據(jù)。

（6）開展關(guān)鍵性技術(shù)研究突破及系統(tǒng)開發(fā)工作及將各類數(shù)據(jù)在SuperMap平臺中轉(zhuǎn)換、融合等處理工作，保障數(shù)據(jù)瀏覽查詢的效果和性能。

（7）進(jìn)行產(chǎn)品測試試驗(yàn)，產(chǎn)品優(yōu)化定型。基于BIM+GIS技術(shù)架構(gòu)，經(jīng)過上述實(shí)施工作，實(shí)現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的全線宏觀管理、基于BIM技術(shù)的標(biāo)段管理以及橋隧精細(xì)管理相結(jié)合的多層次施工管理，并通過可視化應(yīng)用、分析決策應(yīng)用支撐運(yùn)維階段的安全防護(hù)、維修作業(yè)、生產(chǎn)組織等應(yīng)用。京張高鐵基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺應(yīng)用見圖3。

圖3 京張高鐵基于BIM+GIS技術(shù)的建維一體化管理平臺應(yīng)用

6 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)的降本增效是智能鐵路建設(shè)的重要目標(biāo)，即要在鐵路建設(shè)全生命周期范圍內(nèi)提升建設(shè)效率、加強(qiáng)質(zhì)量管理的同時(shí)降低建設(shè)、運(yùn)營成本［13］。京張高鐵基于BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用，擴(kuò)展BIM的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)基于GIS的全線宏觀管理，可提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。與BIM技術(shù)和GIS技術(shù)各自單獨(dú)應(yīng)用相比，該技術(shù)在管理精度、質(zhì)量分析、決策效率、成本控制等方面都將切實(shí)推動運(yùn)營管理工作的信息化程度和高效敏捷能力［14］，同時(shí)為其他鐵路建設(shè)運(yùn)維管理工作提供可借鑒的示范技術(shù)路線。