基于BIM+GIS的京張高速鐵路空地一體“數(shù)字孿生”智能化運(yùn)維技術(shù)研究

臧 釗

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 科技和信息化部，北京 100860)

0 引言

人工智能、5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)不斷推陳出新，在鐵路工程領(lǐng)域正逐步向智能化、一體化運(yùn)用發(fā)展，未來將形成以工程建設(shè)和管理運(yùn)營為核心的“建管并用”體系。京張高速鐵路(北京北—張家口)是我國第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的智能高速鐵路示范線，同時(shí)也是2022年北京冬奧會的重要交通保障線，其開通運(yùn)營標(biāo)志著冬奧會配套建設(shè)取得了新進(jìn)展，有利于京津冀一體化協(xié)同發(fā)展[1]。

現(xiàn)階段，京張智慧高速鐵路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了BIM的協(xié)同化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造和智能化施工等技術(shù)，建成了基于BIM+GIS技術(shù)的工程管理平臺，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)和信息互聯(lián)的建設(shè)，支撐各方協(xié)同管理和決策優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮“建管并用”思想引入運(yùn)行維護(hù)管理理念。因此，研究采用的數(shù)字孿生技術(shù)生態(tài)體系，是以云、網(wǎng)、端為主要構(gòu)成，將BIM融合GIS技術(shù)，開展空地一體的京張高速鐵路智能化運(yùn)維平臺構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化展示和數(shù)字信息化管理與共享，實(shí)時(shí)映射設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行態(tài)勢，疊加運(yùn)維階段分析能力，有效提升運(yùn)維階段設(shè)施設(shè)備的管理水平；通過整合鐵路各管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，逐步接入京張高速鐵路一體化運(yùn)維平臺，建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)目錄，提供完善的數(shù)據(jù)共享方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的綜合管理和共享共用[2]。

1 鐵路工程領(lǐng)域BIM與GIS技術(shù)現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家十分重視鐵路工程技術(shù)的智能化發(fā)展，BIM+GIS技術(shù)研究起步較早。法國國家鐵路公司基于“歐盟Shift2Rail”計(jì)劃，研究創(chuàng)新智能鐵路(In2Rail)項(xiàng)目，在2015年提出數(shù)字化法鐵(DIGITAL SNCF)戰(zhàn)略[3]，促進(jìn)鐵路工程建設(shè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展，并為此提供政策支撐。2016年德國提出“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”(鐵路4.0)，旨在實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營系統(tǒng)，形成以客戶為中心的服務(wù)體系等目標(biāo)[4]；2017年11月，BIM和GIS融合迎來新時(shí)代，在拉斯維加斯聯(lián)盟發(fā)布會上，BIM行業(yè)和GIS行業(yè)的Autodesk和Esri公司宣布合作，雙方計(jì)劃在BIM與GIS技術(shù)間建立橋梁，為各行各業(yè)提供更優(yōu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]。

我國鐵路工程領(lǐng)域依托京張高速鐵路等重大重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)全生命周期管理。楊國華等[6]重點(diǎn)分析在城市地鐵建設(shè)及運(yùn)維中BIM與GIS技術(shù)的各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)，并探討對城市地鐵運(yùn)維的應(yīng)用價(jià)值與云應(yīng)用。李寬麗[7]研究了 BIM 技術(shù)與地鐵運(yùn)營階段安全管理的結(jié)合，以提高地鐵運(yùn)營階段安全管理信息化水平。韓亮亮[8]提出了動(dòng)車運(yùn)用所數(shù)字孿生總體技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的映射交互。

2 BIM融合GIS的數(shù)字孿生技術(shù)研究

數(shù)字孿生實(shí)質(zhì)是由物理實(shí)體與之對應(yīng)的數(shù)字模型和保證數(shù)字模型之間通信的線程構(gòu)成，由軟件和系統(tǒng)數(shù)字孿生體等數(shù)字實(shí)體與管理部門形成的工作域，通過傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型和物理實(shí)體之間狀態(tài)同步，共同構(gòu)成物理實(shí)體和數(shù)字模型的映射體[9]。

數(shù)字孿生京張智慧高速鐵路運(yùn)維平臺是將BIM與GIS技術(shù)映射一套虛擬的京張高速鐵路空間模型數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)[10]用來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施的內(nèi)部物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)；三維GIS技術(shù)用來表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間分析和顯示宏觀地理空間信息[11]。因此，BIM融合GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路車站場景和動(dòng)車等設(shè)備精細(xì)構(gòu)件的集成共享與三維可視化運(yùn)維管理，有效提高管理標(biāo)準(zhǔn)和全生命周期應(yīng)用管理，為京張高速鐵路智能運(yùn)維研究提供重要技術(shù)支撐。

BIM與GIS融合實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，BIM采用工業(yè)基礎(chǔ)類 (Industry Foundation Classes，IFC)標(biāo)準(zhǔn)，GIS采用城市地理標(biāo)記語言 (City Geography Markup Language，City GML)標(biāo) 準(zhǔn)[12]。首先根據(jù)語義重構(gòu)分割(LOD)模型，以Reivt軟件為輔助建模軟件，建立京張高速鐵路三維BIM模型；其次以City GML結(jié)構(gòu)為框架，將IFC數(shù)據(jù)格式處理后作為細(xì)節(jié)填充，在應(yīng)用過程中進(jìn)行幾何模型變化以及多層級語義信息分類映射，將BIM與三維GIS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，融合后的模型及數(shù)據(jù)通過三維GIS平臺進(jìn)行展示。BIM模型與GIS融合技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 BIM模型與GIS融合技術(shù)路線Fig.1 Technical roadmap for integration of BIM model and GIS

3 基于數(shù)字孿生的京張高速鐵路智能化運(yùn)維總體技術(shù)框架

京張高速鐵路“數(shù)字孿生”智能化運(yùn)維總體技術(shù)框架，采用系統(tǒng)論方法，將空中和地上空間場景中所有組成部分作為一個(gè)生命共同體，形成一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)；通過數(shù)據(jù)－模型－知識有機(jī)集成，具備對歷史問題診斷、當(dāng)前狀態(tài)評估以及未來趨勢預(yù)測的能力，實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路數(shù)字孿生智能化與信息化建設(shè)運(yùn)維共管共用。

通過建立三站(清河、張家口、八達(dá)嶺)三隧(清華園、八達(dá)嶺、正盤臺)一區(qū)段(八達(dá)嶺隧道出口至康莊特大橋)全專業(yè)精細(xì)化模型，在工程建設(shè)期依托BIM+GIS工程管理平臺開展了建設(shè)管理和“三站三隧”等精益化的施工應(yīng)用。由BIM模型承載設(shè)計(jì)、施工過程、設(shè)備資產(chǎn)等數(shù)據(jù)，交付于運(yùn)行維護(hù)管理，為基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期管理奠定基礎(chǔ)，形成基于數(shù)字孿生的建設(shè)方案，為京張高速鐵路運(yùn)維平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織有序、動(dòng)態(tài)感知、易于維護(hù)的數(shù)字孿生工程，運(yùn)維平臺整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 運(yùn)維平臺整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of operation and maintenance platform

（1）感知層。通過北斗應(yīng)用、地震預(yù)警、災(zāi)害監(jiān)測、視頻分析等平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、鐵路專網(wǎng)進(jìn)行信息采集匯總，實(shí)現(xiàn)對京張高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、地理位置、空間全景等全信息的采集、接入與集成。

（2）數(shù)據(jù)層。主要由京張高速鐵路的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)和動(dòng)車組業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)構(gòu)成，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和訪問處理。其中，基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)包含元數(shù)據(jù)資源庫、用戶資源庫、角色資源庫和組織結(jié)構(gòu)資源庫，作為業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。動(dòng)車組業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)包含運(yùn)行監(jiān)控、動(dòng)車信息、報(bào)警、維修維護(hù)、資產(chǎn)調(diào)度、數(shù)字孿生業(yè)務(wù)資源庫。

（3）應(yīng)用層。智能化運(yùn)維平臺基于BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場景搭建及數(shù)據(jù)融合，包含京張高速鐵路設(shè)備設(shè)施基本信息管理、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控、動(dòng)車故障預(yù)警、維修管理、災(zāi)害預(yù)警與生產(chǎn)管控、智能調(diào)度分析等數(shù)字孿生智能化功能。

（4）展示層。支持PC、移動(dòng)端訪問，實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路空地一體智能運(yùn)維平臺的可視化、可管理化。

4 基于數(shù)字孿生的智能化運(yùn)維平臺主要功能

基于BIM與GIS技術(shù)的運(yùn)維平臺融合鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺、高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預(yù)警系統(tǒng)，將空地一體化系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)注入“數(shù)字孿生”體中，主要功能包含設(shè)備設(shè)施基本信息管理、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控、動(dòng)車故障預(yù)警、維修管理、災(zāi)害預(yù)警與生產(chǎn)管控及智能調(diào)度分析。

4.1 設(shè)備設(shè)施基本信息管理

基本信息管理功能運(yùn)用BIM技術(shù)規(guī)范化組織和整理京張高速鐵路的設(shè)備設(shè)施基本信息，運(yùn)維人員可快速掌握設(shè)備型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、所在位置、運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄等信息，實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路基本信息的有效查詢和管理并提供完整、準(zhǔn)確的生命周期信息。

4.2 設(shè)備設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控功能采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)時(shí)獲取設(shè)備設(shè)施信息及狀態(tài)，對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)京張高速鐵路設(shè)備設(shè)施的多元化應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)警、災(zāi)害監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)、綜合視頻系統(tǒng)的互聯(lián)互通。利用北斗精準(zhǔn)定位和GIS高精度鐵路地圖精確匹配，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控和記錄運(yùn)維人員位置及動(dòng)車組列車運(yùn)行態(tài)勢，有效提升人員安全和故障處置效率。該功能有助于優(yōu)化生產(chǎn)組織流程，平衡維修資源，提高應(yīng)急處置能力，促進(jìn)專業(yè)融合。同時(shí)，便于開展設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修及作業(yè)過程安全控制，提高天窗綜合利用率。京張高速鐵路運(yùn)行監(jiān)控示意圖如圖3所示。

圖3 京張高速鐵路運(yùn)行監(jiān)控示意圖Fig.3 Operation monitoring of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.3 動(dòng)車故障預(yù)警

京張高速鐵路動(dòng)車故障預(yù)警運(yùn)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、特征提取融合等技術(shù)，為動(dòng)車組故障預(yù)測與健康管理(PHM)業(yè)務(wù)應(yīng)用及模型構(gòu)建提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)服務(wù)；通過動(dòng)車組新造、運(yùn)用檢修、監(jiān)測檢測等全生命周期多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯集，基于動(dòng)車組PHM系統(tǒng)建設(shè)與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組故障智能分析和超前預(yù)警，保障動(dòng)車組在途運(yùn)行安全。京張高速鐵路動(dòng)車故障預(yù)警示意圖如圖4所示。

圖4 京張高速鐵路動(dòng)車故障預(yù)警示意圖Fig.4 Fault warning for EMUs on Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.4 維修管理

京張高速鐵路首次建立了全線三維BIM模型，在工程建設(shè)期依托BIM+GIS工程管理平臺開展了建設(shè)管理和“三站三隧”等精益化的施工應(yīng)用。由BIM模型承載設(shè)計(jì)、施工過程、設(shè)備資產(chǎn)等數(shù)據(jù)，交付于運(yùn)行維護(hù)管理，為基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期管理奠定了基礎(chǔ)。京張高速鐵路維修技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 京張高速鐵路維修技術(shù)路線Fig.5 Technical roadmap for maintenance of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

京張高速鐵路維修管理功能在統(tǒng)一的三維場景中管理信息、工務(wù)、電務(wù)、供電設(shè)備資產(chǎn)，展現(xiàn)設(shè)備位置、周邊設(shè)施及地形地貌；BIM模型承載設(shè)備參數(shù)、維修、缺陷、建設(shè)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維與建設(shè)過程的有機(jī)結(jié)合；集成高速鐵路防災(zāi)、檢測車、車載報(bào)警等信息，可聯(lián)動(dòng)調(diào)取綜合視頻，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)運(yùn)用；建立了統(tǒng)一的生產(chǎn)計(jì)劃流程，實(shí)現(xiàn)高速鐵路設(shè)備維護(hù)的閉環(huán)管理。京張高速鐵路BIM模型及維修管理如圖6所示。

圖6 京張高速鐵路BIM模型及維修管理Fig.6 BIM model and maintenance management of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.5 災(zāi)害預(yù)警與生產(chǎn)管控

京張高速鐵路針對沿線風(fēng)、雨、雪、地震等災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備多、預(yù)警分析時(shí)效性強(qiáng)、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)分布廣等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)全時(shí)匯聚、風(fēng)險(xiǎn)事前預(yù)測、危情實(shí)時(shí)預(yù)警等功能，構(gòu)建災(zāi)害預(yù)警與生產(chǎn)管控平臺。平臺利用高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知災(zāi)害、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，結(jié)合生產(chǎn)管控平臺保障京張高速鐵路車站所有客運(yùn)設(shè)備設(shè)施、系統(tǒng)、人員、作業(yè)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.6 智能調(diào)度分析

京張高速鐵路智能調(diào)度分析具備列車正晚點(diǎn)狀態(tài)預(yù)警等智能分析，列車開行調(diào)整、日常調(diào)度計(jì)劃編制調(diào)整、車底運(yùn)用安排、應(yīng)急輔助等智能決策的特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)計(jì)劃命令關(guān)聯(lián)管理、聯(lián)動(dòng)推送、調(diào)度命令自動(dòng)解析，聯(lián)動(dòng)執(zhí)行，開行計(jì)劃實(shí)際對比、加開停運(yùn)分析對比等分析評價(jià)的功能。

依照京張高速鐵路智能化體系，基于新技術(shù)和新架構(gòu)，以運(yùn)輸綜合計(jì)劃為核心牽引構(gòu)建智能綜合調(diào)度管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有利于調(diào)度組織過程的數(shù)字化貫通、專業(yè)化協(xié)同以及流程化互控，實(shí)現(xiàn)面向客運(yùn)生產(chǎn)全過程的安全高效可靠的京張高速鐵路運(yùn)輸調(diào)度管理。結(jié)合北京冬奧會旅客出行，實(shí)現(xiàn)鐵路智能運(yùn)輸、旅客智能出行，提升安全生產(chǎn)和運(yùn)營管理水平。京張高速鐵路智能調(diào)度分析功能如圖7所示。

圖7 京張高速鐵路智能調(diào)度分析功能Fig.7 Intelligent scheduling analysis function of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

調(diào)度8大核心功能面向客運(yùn)生產(chǎn)全過程管理構(gòu)建運(yùn)輸綜合計(jì)劃協(xié)同管理平臺，為橫向各專業(yè)信息融合和縱向各單位業(yè)務(wù)貫通提供依托，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸計(jì)劃綜合編制和一體化閉環(huán)管理，支撐京張高速鐵路日常調(diào)度指揮和應(yīng)急決策。

5 結(jié)束語

京張高速鐵路智能化運(yùn)維技術(shù)是京張高速鐵路高效運(yùn)行、運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)保障，并支撐北京冬奧會順利舉辦。研究重點(diǎn)基于BIM+GIS的工程管理平臺，融合鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺、高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和信息互聯(lián)等技術(shù)，充分發(fā)揮“建管并用”思想，研究一種基于BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建空地一體的“數(shù)字孿生”京張智慧高速鐵路運(yùn)維管理平臺。研究分析BIM+GIS融合關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對三維空間、坐標(biāo)系統(tǒng)、物理屬性等信息融合，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路設(shè)備設(shè)施基本信息管理、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行監(jiān)控、動(dòng)車故障預(yù)警、維修管理、災(zāi)害預(yù)警與生產(chǎn)管控、智能調(diào)度分析等功能，為京張高速鐵路智能化運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)提供一種技術(shù)保障手段，可以有效提高京張高速鐵路生產(chǎn)運(yùn)輸安全并在運(yùn)行維護(hù)上降本增效，突破由傳統(tǒng)的事后運(yùn)維向事前預(yù)警的運(yùn)維技術(shù)提升。