基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李陽

摘要：針對目前國內(nèi)將BIM技術(shù)與鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的研究較少的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺，該平臺以滬蓉高鐵部分路段為試點(diǎn)，充分驗(yàn)證了BIM技術(shù)與鐵路周界防護(hù)需求相結(jié)合的可行性，為進(jìn)一步推動BIM技術(shù)與鐵路全周期管理相結(jié)合，進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵字： BIM；鐵路；周界防護(hù)

中圖分類號：TP3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0108-03

1 研究背景

鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)是我國鐵路越來越普遍使用的一種預(yù)警方式。該系統(tǒng)通過在鐵路沿線部署具有入侵探測功能的各種探測終端（目前使用較為廣泛的包括泄露電纜、振動電纜、微波探測器、紅外/激光對射、脈沖電子圍欄、高清視頻、雷達(dá)+視頻的雷視一體機(jī)等），通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)等傳輸通道，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖?，并在后端平臺上實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的展示和保存[1-3]。目前鐵路上使用的各類周界防護(hù)系統(tǒng)平臺，在效果展示上都是通過二維平面地圖，不具備三維可視化效果?；贐IM的三維可視化技術(shù)，在鐵路上目前更多地研究方向也局限于鐵路設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維、管理全過程方面[4-5]。將基于BIM的三維可視化技術(shù)與鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺相結(jié)合的研究，目前在國內(nèi)的研究和使用上還很少。因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺，利用BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性的特點(diǎn)，來進(jìn)一步提升鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺的適用性和易用性。

2 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling） 源于美國喬治亞技術(shù)學(xué)院建筑與計(jì)算機(jī)專業(yè)的查克伊士曼博士提出的一個(gè)概念。通過在計(jì)算機(jī)中組建可視化的精準(zhǔn)三維模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特點(diǎn)。

由于BIM技術(shù)的可視化能力，容易獲取系統(tǒng)、設(shè)備、監(jiān)控區(qū)域等之間的空間位置信息關(guān)系，便于管理者進(jìn)行更好的查看、溝通、討論與決策。在本文中，為了實(shí)現(xiàn)鐵路周界的可視化、運(yùn)營管理的可視化及對告警數(shù)據(jù)的直觀查看，對鐵路及其泛周邊環(huán)境進(jìn)行BIM建模，充分描述各個(gè)構(gòu)件之間的空間關(guān)系，通過與前端感知設(shè)備關(guān)聯(lián)并與智能分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動展示，便于平臺接收到前端告警信息后快速定位及三維可視化展示。

3 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[6]，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)營及設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修中[7]，從資源的重復(fù)利用角度出發(fā)，這些數(shù)據(jù)也可以直接應(yīng)用于周界防護(hù)中，同時(shí)，作為鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)的平臺，必須具備能夠?qū)痈鞣N前端設(shè)備、對接鐵路系統(tǒng)既有平臺的功能，因此，基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)上，必須要綜合考慮以上要素。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)接入的系統(tǒng)多、設(shè)備多、數(shù)據(jù)多，本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺架構(gòu)的時(shí)候，遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺”的原則，推進(jìn)基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺研發(fā)與建設(shè)。如圖1所示，系統(tǒng)平臺在整個(gè)鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)中屬于核心模塊，系統(tǒng)平臺對接前端監(jiān)測設(shè)備，負(fù)責(zé)接收前端監(jiān)測設(shè)備回傳數(shù)據(jù)，并對回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲；同時(shí)系統(tǒng)平臺采用B/S模式，用戶通過內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)終端或者移動終端進(jìn)行訪問，通過權(quán)限控制，可支持集團(tuán)級、局級、站段級、車間級、班組級不同等級用戶聯(lián)網(wǎng)訪問。系統(tǒng)平臺在鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)中通過通用接口單元與鐵路沿線安全光纖綜合監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

4.2 技術(shù)架構(gòu)

基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺在技術(shù)架構(gòu)上設(shè)計(jì)了四層體系的架構(gòu)，四層即數(shù)據(jù)存儲層、邏輯服務(wù)層、訪問層、接口服務(wù)層；兩體系為“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系”和“安全保障體系”，如圖2所示。

其中數(shù)據(jù)存儲層主要負(fù)責(zé)平臺各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲。針對時(shí)間、操作人、數(shù)據(jù)權(quán)限等數(shù)據(jù)采用結(jié)構(gòu)化的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲；針對圖片、文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用Key/Value形式的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具有更高的讀寫效率，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦，也有利于數(shù)據(jù)格式的動態(tài)擴(kuò)展。此外，整個(gè)數(shù)據(jù)采用分布式存儲，可動態(tài)增加存儲節(jié)點(diǎn)或集群，既提高了數(shù)據(jù)存儲效率及容量，又可避免單點(diǎn)故障，滿足用戶多樣化的數(shù)據(jù)存儲需求。

邏輯服務(wù)層是系統(tǒng)平臺的核心層，提供包括BIM服務(wù)、視頻服務(wù)、存儲服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)等多種微服務(wù)，用以支撐整體業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，對于日志管理等系統(tǒng)輔助功能，也由邏輯服務(wù)層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)和提供。該層采用微服務(wù)設(shè)計(jì)理念，徹底解決系統(tǒng)解耦、性能低下等問題，滿足高并發(fā)、高可用、高穩(wěn)定和高安全等性能要求。由于采用微服務(wù)架構(gòu)，各個(gè)服務(wù)模塊化編寫，具有高內(nèi)聚低耦合的優(yōu)勢，便于靈活更新升級，而不會影響其他業(yè)務(wù)。同時(shí)支持移動應(yīng)用和PC應(yīng)用，提高效率，節(jié)約成本。

訪問層針對用戶訪問設(shè)備類型的不同，分別提供移動端服務(wù)和PC端服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶操作交互功能。用戶可通過系統(tǒng)界面，通過多種方式操作BIM模型，查看系統(tǒng)狀態(tài)、告警位置及對應(yīng)的告警信息，獲得三維沉浸式體驗(yàn)，提高人機(jī)交互效果。

接口服務(wù)層將系統(tǒng)涉及的各類對接功能，分別作為獨(dú)立的接口對外提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的相互解耦；通過定義通用的接口規(guī)范，屏蔽不同系統(tǒng)之間的差異。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括數(shù)據(jù)交互涉及規(guī)范和元數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范兩部分，主要是用來保證數(shù)據(jù)接口的一致性和通用性；安全保障體系是指系統(tǒng)的身份認(rèn)證和鑒權(quán)，主要是用來保證系統(tǒng)平臺對外開放接口的安全性。

5 系統(tǒng)功能與應(yīng)用

鐵路隧道口作為周界安防重要監(jiān)控區(qū)域，本文以滬蓉高鐵某隧道口及其隧道監(jiān)控區(qū)域?yàn)樵圏c(diǎn)，展示基于BIM的防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用，如圖3、圖4所示。

5.1 平臺與BIM展示

對隧道口泛周邊環(huán)境、近隧道口處隧道進(jìn)行精細(xì)BIM三維建模，并將模型嵌入到B/S架構(gòu)的平臺，進(jìn)一步對監(jiān)控探測終端進(jìn)行建模并進(jìn)行聯(lián)動。當(dāng)探測終端本身存在異常時(shí)，三維模型上顏色自動顯示紅色；當(dāng)發(fā)生告警時(shí)，設(shè)備上出現(xiàn)彈窗提示，同時(shí)對應(yīng)的監(jiān)測區(qū)域變紅。三維模型可通過旋轉(zhuǎn)、縮放進(jìn)行展示與查看，通過關(guān)聯(lián)現(xiàn)場實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)景的快速感知。

5.2 系統(tǒng)管理功能

平臺接入的各類設(shè)備或系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的臺賬進(jìn)行管理。將設(shè)備臺賬與設(shè)備所在的線路信息、路局信息以及相關(guān)責(zé)任部門建立對應(yīng)關(guān)系，確保設(shè)備信息的一致性和準(zhǔn)確性。

平臺接入監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備上傳的告警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。可按報(bào)警日期、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警類型、報(bào)警等級、處理狀態(tài)等進(jìn)行查詢。告警分類統(tǒng)計(jì)以告警類型統(tǒng)計(jì)報(bào)警次數(shù)，報(bào)警等級統(tǒng)計(jì)以不同的等級顯示報(bào)警等級對應(yīng)數(shù)量及占比，列表對應(yīng)展示查詢結(jié)果集，用戶也可以通過查詢結(jié)果集，查看某條報(bào)警信息的詳情。

此外，為了完善系統(tǒng)的整體功能，同時(shí)，為以后對接鐵路內(nèi)部在用的人員管理等已有系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)管理、人員管理等模塊，并預(yù)留了對接接口，保留了擴(kuò)展性。

6 結(jié)束語

為了檢驗(yàn)基于BIM的鐵路周界防護(hù)系統(tǒng)平臺的功能和效果，在滬蓉高鐵線路段開展試點(diǎn)，平臺主要面向相關(guān)線路工務(wù)段提供服務(wù)。在系統(tǒng)平臺試點(diǎn)過程中，通過三維模型與感知數(shù)據(jù)的深度聯(lián)動，極大提高了整個(gè)平臺的互動性和數(shù)據(jù)一致性，便于巡檢人員快速查看、定位問題，系統(tǒng)直觀，具備極強(qiáng)的拓展性。后續(xù)將進(jìn)一步探討與鐵路相關(guān)專業(yè)資源共享的方式方法，同時(shí)，考慮引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，更好地推動BIM技術(shù)與鐵路行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的研究工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐夢姝.高速鐵路周界入侵報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)用分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28（S1）：29-33.

[2] 陳樹駿.振動光纖周界入侵報(bào)警系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用[J].中國鐵路，2016（6）：82-84.

[3] 堯豐，王軍鋒，劉宏江，等.基于雷達(dá)視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng)[J].中國鐵路，2022（4）：114-119.

[4] 劉為群.BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字鐵路建設(shè)的實(shí)踐與思考[J].鐵道學(xué)報(bào)，2019，41（3）：97-101.

[5] 王言.基于BIM技術(shù)的鐵路運(yùn)維管理信息平臺設(shè)計(jì)研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2020（3）：40-44.

[6] 王志華，盧文龍，郭鵬飛，等.基于BIM的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理平臺總體方案及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2019，28（4）：45-48，52.

[7] 錢錦.基于3DGIS與BIM的交通基礎(chǔ)設(shè)施信息化運(yùn)維管理研究[J].城市建筑，2019，16（8）：32-34，55.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】