BIM可视化技术在城市轨道交通运维监测领域的研究运用

朱昊天，种传强

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

近几年，中国城市交通快速发展，截至2021年6月，全国40个城市开通总长6 641.73 km的城市轨道交通线路。随着城市轨道交通网络的扩展，对轨道车辆基地的运营提出了更高的要求。建设信息模型等现代信息技术的发展及其在城市轨道交通部门的推广和应用，使基本运营服务模式逐步向立体、智能化方向发展。目前国内已有初步研究和试验，但还没有形成完整的研究成果和应用实例。基于BIM技术构建了基于BIM技术的光学智能系统，以提高运行效率、可靠性和安全性为目标，提出了一种基于BIM的光学智能运维监测系统。

1 BIM技术在我国轨道交通工程的应用现状

近几年来，BIM技术在我国轨道交通行业，例如大型城市的地铁中得到了广泛应用[1]。另外，根据BIM应用技术中心提供的统计资料，目前BIM技术主要用于轨道运动模拟、方案选择、碰撞试验等方面。虽然改进了设计，但运行维护主要是在工厂中进行，城市道路工程的建设与管理在一定程度上并不能反映BIM技术的真实价值。从本质上讲，模型的简单运用是难以改变的。实施BIM的最大代价贯穿整个设计周期，包括参与、提供和接受所有参与者需要的信息、累积信息——多层次数据使用与管理的有效协调导致轨道交通项目的真正全球性变化。

2 以运营为导向的BIM技术应用方案

2.1 基于“运营部门牵头、BIM总体单位主导”的组织方式

当前，我国轨道交通BIM应用主要是以行业组织模式为主，集成度不高[2]。当前，业务部门难以将信息模型有效地传递到业务部门，而服务收益则主要集中在规划和建设阶段，这主要是由于传统项目本身的需要、应用和经验，以及缺乏统一的应用标准。这使得BIM应用很难集成到单一的项目中，BIM的实施薄弱，无法实现BIM的目标以及整个项目实施过程的技术价值。

BIM技术应用在运维监测指导下实施，组织结构是“运营管理，BIM模块管理”。根据BIM模型，整个BIM模块处于项目的总体高度，对BIM应用进行总体规划和管理，根据BIM运营部门的要求，制定BIM操作标准和BIM项目实施时间表，与传统的组织模式不同，在施工期间，管理层开始参与BIM的选举和投标[3]。

2.2 基于运营导向的BIM系统架构

BIM通用平台负责轨道交通项目管理，主要协调客户工作、设计、勘察、施工和监测等，各参与单位在BIM联合管理平台的基础上，及时发现并解决技术规划与设计问题，确保项目参与者收集的信息及时、准确，避免不对称或过早接触造成的设计错误。BIM常规轨道交通项目联合管理平台的主要目的是优化设计质量，组织大量设备的使用。

BIM系统是一种多平台、多系统、混合结构的复杂系统，它可以访问大量的设备数据和混合结构，以满足新一代智能化的要求，在智能化技术变革的背景下，提高在轨运营交通项目的能力。

以运维监测为导向的BIM体系结构包含了完整的供应管理平台和BIM业务管理平台，BIM应用了全自动化操作系统等智能信息与管理技术，城市轨道云和PHM（故障预测和健康管理）高级供应管理平台，为整个供应链提供服务[4]。该系统是一种BIM模型管理平台，用于模拟和模拟过程的控制，以及作为规划建设阶段BIM的联合管理平台，它提供了设计、施工、设计和施工的一致服务；BIM运维管理系统利用BIM平台收集完整的模型、数据和文件，将公众监督、健康监督和其他与运维管理系统BIM模型运维有关的系统数据连接起来，并在运维阶段为各种应用提供数据和模型支持，在运维阶段为各种应用提供虚拟监控、维护、维护、培训和响应等功能。

2.3 依托IROOM的协同工作方式

相对于传统建设项目，轨道交通项目所需时间较长，参与BIM应用项目的参与者、产品组成、运作方式以及参与者之间的互动难度较大。结合显示、集成、建模等方面的特点，结合国外对EMPRETEC协作方法的研究，采用了Iroom协作方法。Iroom通常认为它是一个交互的、综合的办公空间，也就是说，它是一个多功能的办公空间。

轨道交通项目相对于传统建设项目而言，工期长、项目参与者多、产品结构复杂，参与BIM方案的难度较大。BIM模型的特点和国外在基于工作空间的业务技术方案中采用了合作协作的模式。Iroom的公共地点是一座交互式办公空间综合体，是一种基于BIM等联合讨论的交互式办公空间综合体。

BIM运营应用强调的是运营，有别于传统的城市轨道交通BIM应用。模拟结果对BIM的实施起到了一定的促进作用，但是，以主项目单元为单元的生产运行维护模式的整个过程需要有足够的时间来完成。建设单位（建筑工程分包）、监理、施工管理、施工管理、管理等。本文的目标是建立一个开放的BIM工作室，提供模拟软硬件、模型和标准的联合检查与讨论，提供模拟训练设施和个案研究。Iroom为参与BIM轨道交通项目的参加者提供了一个更好的工作环境，以及一个基于BIM的交互式运营模式。

3 基于BIM技术的城市轨道交通车辆基地可视化智能运维系统实现

3.1 系统技术路线

本系统的研究路线在于，在明确昆明、武汉、温州等地城市轨道交通运维监测需求的基础上，以BIM技术为主要手段，建立基于车辆基地的可视化运维监测系统，以此对城市轨道交通的运维情况、检修工艺、既有信息化系统等进行有效管理。本文所采用的的运维监测系统，通过相关数据接口，对车辆的运行数据进行调取，然后构建BIM模型，还原实际场景，并将车辆和检修设备的运行数据用3D形式展现出来，以此实现智能化的城市轨道运维管理。

3.2 系统构架

对于系统构架的研究，本文按照从表到里的形式对其进行了分析，即首先是显示层、应用层，然后是支撑层、数据处理层和接入层，最后是源代码层。

3.2.1 源数据层

在这一层级中，因为其是建立系统的主体，因此包括了最基本的设计资料、建设资料、管理资料和基础资料。其中，最根本的数据包资料包括了设备信息、建筑信息（BIM数据）、车辆信息（GIS、BIM、历史信息、零部件构成等）；在管理数据包中主要包含的是历史数据，主要有故障、检修、配件和配属更换等，另外，还包括设备使用情况和股道占用信息；在该系统中，预留接口同样也是监测数据，该接口通过连接摄像头、传感器等对各类数据信息进行收集，主要收集的内容有车辆运维状态、监控设备状态、实时动态信息等。

3.2.2 数据接入层

系统的主要数据来源由数据接入层全权负责，通过相关接口，可以对既有系统进行连接，如人员调度、资产管理、温度传感、视频监控等。同时，还可以预留出可扩展的其他IOT接口。对于已有系统来说，在数据接入中，主要是依靠协议交换相关信息，然后利用数据采集器、单类多功能采集器、集成采集器等实现数据采集。针对可扩展的IOT接口，为了保证其通用性，需要事先制定标准化协议和接口，以此来降低工作量。

3.2.3 数据处理层

在这一层面当中，主要功能是完成基础数据的存储和管理，它所能管理和保存的数据主要包括实时数据、历史数据和增量数据。在这一层面，会根据用户需求和分层标准对从数据接入层获取到的数据进行优化管理，以此来提高数据的有效性，实现相关数据的快速修改和查询。另外，为了保证数据查询的实时性和有效性，在优化相关数据后，数据处理层会将数据上传到云端，完成对接。

3.3 系统功能模块

根据城市化轨道交通运营的基本需求，在轨道交通运维监测的过程中，需要具备以下功能：即能够将设备检修状态、车辆检修过程、车辆具体状态智能显示出来。为了实现这一功能需要建立多个功能模块，如BIM、车辆信息、设备信息、监控设备、图文档管理等。需要注意的是，前4项功能模块要以可视化为标准，最后1项要以BIM模型为基础。

3.3.1 BIM可视化管理

BIM可视化控制模块具有以下功能：在可视化系统中显示和管理BIM模型，实现BIM模型与实时模型的集成，确保操作员在系统中获取的数据与实际数据一致；实现了物理模型BIM模型的轻量级量化和系统中的轻量级显示，保证了无需纸板即可快速浏览和操作；模型将根据不同的专业类别进行分类，以避免因图形元素过多而造成混淆。为了保证系统的平稳运行，减少处理器占用，该模块通过优化模型的曲面数量来提高系统的运行效率，结合仿真模型，提高系统性能，确保BIM模型中没有卡顿问题。

3.3.2 车辆信息可视化管理

车辆信息管理模块的功能包括模拟和报告车库内关键车辆的使用状况、路线组成、实际停车时间、车号、维修时间、运营时间及相关人员等信息；实时可视化数据显示反映轨道使用动态（如车辆路线、路径和位置的描述）、车辆维护计划和车辆维护细节等信息；车辆进出口和进出口的全面实时显示和跟踪；为了支持车辆的运行和维护，以三维视觉服务、细节和其他信息的形式实时演示车辆的静态和动态寿命。

为了实现该模块的功能，必须安装不同的数据接口，将操作员连接到不同的维护系统，建立统一的数据接口标准；访问现有信息系统，获取用于BIM模型管理的车辆级指标，动态反馈信息与车辆级模型相结合，提供组件结构和动态信息的双向索引。

3.3.3 监控设备集成管理

数据存储在监控设备综合管理模块和现有车载视频监控系统中。监控摄像机总数不少于10台，在线摄像机数量不少于30台，主要功能包括：通过现有监控设备的二次开发查看监控功能，点击BIM模型中的监控模型；可以用于监测其状态的设备的健康状况，用不同颜色识别设备，并针对设备故障或维护需求发出警告；可以搜索设备类型和编号，也可以将模型拖放到控制界面，查看台账设置信息；设备模型可旋转，便于显示具体的错误位置；统一安全权限认证技术实现了管理层和权限层的动态配置管理；在层次结构的分层查询中，可以看到整个硬件层次结构，用户可以快速找到相关信息。

4 结束语

目前，BIM技术在工程项目中的应用在很大程度上取决于其在不同国家的应用，BIM技术主要应用于城市轨道交通工程的设计和施工阶段，没有体现出BIM技术的真正价值。提出以公司为中心的项目理念，充分考虑地铁项目全生命周期的管理需求，以运营维护为导向，规范设计和施工阶段，促进BIM在轨道交通中的生命周期应用和以企业为中心的EMPRETEC计划已经取代了联合行动模式，为基于BIM的联合讨论和其他应用提供了一个互动和集成的工作空间，从而实现了相关单位之间的互动。