面向铁路BIM的数据存储与交互式关键技术

陈慧颖 刘恒 杨柳

【摘 要】 随着BIM技术的发展，其在铁路行业的应用也逐渐普及。铁路BIM技术的实施和发展离不开BIM数据存储技术和BIM模型跨平台、跨专业交互等技术。随着铁路工程中BIM相关应用产生的数据体量越来越大以及用户对交互体验感受要求越来越高，如何高效可靠地存储BIM数据以及便捷快速的完成模型可视化交互成为BIM技术在实施过程中的一大挑战。基于此，文章研究面向铁路应用的BIM存储技术，重点讨论基于分布式大数据平台Hadoop的HBase数据库、图数据库Neo4j以及GIS数据库等技术在铁路BIM中的应用，此外，文章还对基于B/S与C/S架构的BIM模型跨平台交互技术以及其在铁路行业的相关应用进行了分析。

【关键词】铁路BIM; 数据存储; 交互技术

BIM是建筑信息模型技术，由Autodesk公司于2002年率先提出的，最早应用在建筑领域。近年来，随着BIM技术本身的日益成熟与其他行业的信息化程度逐渐提高，以铁路行业为代表的交通工程领域也开始引入BIM技术。2013年，中国铁路BIM联盟成立， 中国铁路总公司决定将BIM技术作为铁路建设信息化的主要技术发展方向，致力于建设数字铁路[1]。

近年来，随着“交通强国、铁路先行”、“智能铁路、精品工程”等战略目标的提出，BIM技术已经在铁路行业有着越来越广泛的应用[1]。铁路BIM项目会涉及到许多技术，其中核心的技术就是BIM数据存储技术，一种合适的BIM数据存储技术可以实现有效的内存资源利用、高效的信息检索以及可靠的数据传输等，其对BIM系统的健壮稳定有着重大意义。由于铁路BIM数据种类繁多、结构复杂、体量巨大且物理位置分散，因此，探寻一种更高效更稳定的BIM数据存储技术以及更轻量更便捷的BIM模型交互服务化技术将越来越急切。

本文将从BIM数据存储技术和BIM模型跨平台交互服务两个方面入手，探讨各大技术在项目应用中的优劣以及在各领域中的使用情况，研究面向铁路设计时，各技术该如何高效服务于项目，为实现面向铁路設计的跨平台、跨专业的BIM模型交互奠定基础。

1 铁路BIM模型数据高效存储与组织

1.1 基于传统数据库的铁路BIM数据存储技术

传统的BIM数据存储技术大致有基于文件的数据库存储技术、基于关系数据库存储技术和基于面向对象的数据库存储技术三类[2]。

在BIM项目发展初期，建筑项目的整个生命周期中每个阶段所产生的数据，都是由设计人员和工程师使用不同BIM软件产生的。所以为了解决各个厂商BIM数据的交互问题，行业内诞生了BIM数据的交换标准，其中IFC标准应用最广，其能够很好的描述项目中的各种信息，完成BIM数据的共享和交互。

然而，使用基于文件的数据库存储基于IFC标准的数据时，会出现不少问题，例如难以构建完整的BIM项目模型，难以更改和传输数据，难以对对象级数据进行控制等。由于使用基于文件的数据库来存储IFC数据带来了以上问题，许多学者开始研究如何利用其他存储技术来存储IFC数据[3]。事实证明，利用关系数据库以及面向对象数据库技术可以有效解决基于文件的数据存储技术存在的问题。

易思蓉和聂良涛[4]提出了采用大型关系型数据库Oracle在铁路数字化选线设计系统中进行数据管理。而张为和[5]提出在夜郎河双线特大桥施工中使用Microsoft SQL Server进行数据存储。

1.2 传统BIM数据存储技术存在的问题

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（1）随着项目不断进行和行业不断发展，各种BIM数据量势必会不断增多，呈现大数据的特性，然而数据是企业宝贵的财富，需要保留很长时间，这就需要足够大的存储空间，而存储系统能够容易扩展将非常重要，然而传统的基于面向对象的数据库刚好扩展能力较差，所以不太适用于如今BIM数据存储。

（2）传统数据库更适合存储结构化数据，然而BIM项目还会产生很多呈现非结构化特征的数据，如图片、工程文档等。这类数据对于传统的关系数据库来说有一些局限，而文件存储系统能展现出一些优势。

（3）随着BIM数据存储技术的发展，对于存储系统有了许多其他的需求，比如高可用性、负载均衡等。关系数据库系统对高可用性的实现，利用了主从复制来构成分布式集群，将读写分散到不同的节点，造成数据的冗余来提高系统的高可用性。负载均衡的实现则是在此基础上，利用一个控制端来接收访问请求，然后根据当前各节点的负载情况来采取相应的均衡策略，进而访问数据库，这样各节点可以均衡压力、相互协作。然而关系型数据库构成的主从复制集群采取的是最终一致性方案，数据复制具有延迟，系统并不完全实时同步，所以使用关系型数据库来实现存储系统的高可用性和负载均衡并不适用。

铁路BIM项目普遍有着规模极大、跨度极广的特点，从站前的路面、隧道、桥梁设计到站后的排水、供暖设计，再到施工建设的管理阶段，因此，相比于民用建筑行业的BIM项目，铁路BIM项目对于传统数据库存储技术改进需求更加急迫。传统的数据库早已经不足以存储铁路BIM项目中海量信息，如何系统而高效的组织与存储这些繁杂的空间信息和属性数据，将是铁路BIM数据存储一个重要研究方向。

1.3 应用在铁路BIM中的存储技术

1.3.1 分布式存储技术

面对传统的数据库存储系统存储铁路BIM数据存在的上述问题，许多学者开始探寻其他数据存储技术，分布式大数据技术平台Hadoop和HBase（Hadoop Database）数据库便是其中研究最多的一个方向。

Hadoop是可以为海量数据分析存储的分布式软件架构，具有强大的运算能力以及海量的存储能力，可以从单个服务器扩展到很多个，并且允许离线计算存储。在Hadoop框架中有两个最不可或缺的组件： HDFS（Hadoop Distributed File System）和MapReduce。HDFS与MapReduce分别是分布式文件系统与计算框架，对数据进行存储与计算分析。HBase是基于HDFS的一个面向列的适合存储非结构化数据的分布式数据库，这一点与传统的关系数据库适合存储结构化数据不同。

陈远[2]等人提出了基于HBase数据库建立建筑信息模型存储系统，并且通过HBase Java API将基于IFC标准的BIM数据存入数据库中。由于HBase是用Java语言开发，所以使用Java API是可以有效访问数据库，而API的合理设计有利于数据库扩展。

海量的BIM数据还包含了很多格式，对于不同格式的文件应该使用针对性的存储处理方法，以此提高处理BIM数据的效率。王宝会和高远[6]了提出联合式BIM存储方案，即使用HDFS存储体量较大的文件，如.rvt文件，而使用FastDFS存储体量较小的文件，如.rfa文件。同时为了满足存储系统的高可用性，两者均采用了冗余备份的方式。

1.3.2 混合存储技术

由于BIM数据比较复杂，数据类型较多，不同类型的数据适合采用不同的存儲方式，考虑传统数据库存储技术段和分布式存储各自的存储优势，将两者结合起来，可以满足不同类型BIM数据的存储要求。

用混合存储技术来处理结构化数据和非结构化数据的方法在铁路BIM项目中受到了广泛关注。段熙宾[7]等人在轨道交通BIM协同设计平台的设计与实现中，就提出了采用MySQL数据库来存储系统用户信息、项目信息、自定义流程模型、任务分配等结构化数据，采用文件系统来存储BIM设计模型、项目相关文档等非结构化信息的思路。

1.3.3 图数据库

随着BIM工程产生数据的体量不断增长，其中的空间关系也变得更加复杂化和多样化，现有用于存储和检索BIM数据的研究项目大多只考虑了IFC实体属性的信息，很少考虑BIM模型的空间关系。若仍然使用传统的关系型数据库，数据存储和查询将会非常困难，需要各种联表操作才能做到，由此带来系统性能降低与难以维护等问题。于是，图数据库Neo4j存储技术开始在BIM技术中应用起来。

图数据库是一种基于图论的NoSql数据库，与将数据存储在若干表格中的关系数据库不同，图数据库以节点和边来存储数据及其之间的关系。但是图数据库依然支持传统数据库的某些功能，例如CRUD和处理事务等。对于具有复杂空间结构关系的数据，关系型数据库每次存储查询都需要涉及多个表格，但是图数据库只需要一句简单的cypher语句便可实现查询功能，因此图数据库比较适合用来检索查询具有复杂空间关系的BIM数据。

姜韶华与吴峥[8]提出了一种BIM分布式负载均衡集群方案，为了实现对大规模的IFC数据进行高效快速的检索查询，将弹性搜索框架（Elastic Search）和图数据库Neo4j结合了起来。

1.3.4 GIS数据库

GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是一种特定的空间信息系统，它是借助了计算机的支持，对地球表层（包括大气层）的全部或者部分空间中的有关地理分布的数据进行收集、存储、管理、计算、分析等操作的技术系统[9]。

由于铁路建设项目分布极广、跨度极大、工点复杂多样，需要将整个施工组织的工点位置、施工要素、各数据间的关系以及其他的地理信息都囊括在内，而仅仅依赖BIM技术则具有局限性。铁路工程表现出的线性特点就需要以空间分析、空间数据库和三维可视化为核心技术的GIS提供相关的技术支持，包括如何系统而高效的组织存储这些繁杂的空间信息和属性数据[10]。

然而BIM技术与GIS技术在数据结构组织方式和信息表达传递上的理解不相同，这给模型跨平台交互带来了不小困难，如何使得BIM与GIS融合技术得到有效运用，是众多学者们的一个研究重点。

对此，张文胜[11]等人提出BIM与3DGIS的集成技术，实现了将BIM模型批量集成到3DGIS中，解决了项目工程各阶段之间的数据交互与挖掘的难题。

而范登科[12]也提出了两种数据格式转换方案，分别利用3DMax和FME导出Direct X文件，再通过TerraExplore进行处理所有文件，使BIM模型可以跨GIS平台进行交互。

2 铁路BIM模型跨平台交互服务

2.1 BIM模型交互服务技术概述

BIM模型跨平台交互一直以来是所有各级项目管理人员以及各专业的施工人员都存在的需求。最开始时，当BIM模型已经完成并需要交付给其他专业的工作人员时，往往不具备建模等专业知识的工作人员也需要安装专业的建模软件并且具有一定的软件基本操作能力。即使只是需要查看模型，也需要下载完整的BIM模型再用专业软件打开，这让用户的使用感受很不好，并且降低了工作效率。

但随着BIM模型交互技术的发展，已经有了很多方法可以简化上面的操作流程。目前进行BIM模型交互使用最多的方式是BIM服务端来存储所有信息，而客户端来进行用户交互。根据客户端的不同形式，系统中网络架构可分为C/S（Client/Server 客户机/服务器）架构以及B/S（Browser/Server 浏览器/服务器）架构。

2.2 基于C/S架构系统在模型交互上的应用

与B/S架构相比，C/S架构的使用和维护十分复杂繁琐，各级项目人员要参与其中必须下载对应的应用程序软件，否则将难以随时共享和交互项目信息。

但是这种基于服务器的重量级应用也有它的应用领域，在用户交互多、数据流量大、执行速度要求高的的工程项目中就可采用C/S模式。在铁路工程中，王永义[13]提出过由于铁路BIM项目中产生数据量很大，因此可以采用C/S架构，在C/S架构下用户可以通过客户端实时访问BIM协同平台数据库，以确保平台的平稳运行。

2.3 基于B/S架构系统在模型交互上的应用

而随着移动互联网的普及，B/S架构已经成为了一个热点。B/S架构实现了前后端分离，后端服务器中完成了绝大多数的数据运算，所以客户端的任务少负载低，维护便利使用方便，用户只需要打开浏览器访问特定的网址，就能快速便捷的完成BIM模型的共享和交互，以一种在线可视的轻量化方式展现BIM模型。目前基于B/S架构的系统在BIM模型交互服务上应用非常广泛，很多企业在BIM模型轻量化方面做了大量研究的开发，比如BIMFACE、BIMe等已经实现了网页端模型轻量化显示。

在B/S架构下，BIM模型如何高效的在网页上进行三维浏览一直是个问题，所以徐照[14]等人提出将WebGL和IFC标准结合，实现一种可解决Web渲染中BIM模型矢量数据缺失问题的模型可视化方法。

在铁路工程中，由于B/S架构与C/S各有其应用优势和使用场景，常采用B/S和C/S混合架构作为平台框架。比如刘延宏[15]提出了采用两者结合的架构实现对基于“BIM+GIS”平台的服务端工程项目的管理和控制。

3 结束语

本文研究面向铁路应用的BIM存储技术，对常见存储技术的特点及适用场景进行了分析。此外，本文还探讨了铁路BIM模型的交互服务技术，对比了主流BIM模型交互服务在铁路应用中的优缺点。

参考文献

[1] 刘为群. BIM技术应用于数字铁路建设的实践与思考[J]. 铁道学报，2019，41（3）：97-101.

[2] 陈远，岳石花. 基于HBase的BIM模型存储技术研究[J]. 土木建筑工程信息技术，2017，9（4）：74-81.

[3] 陈远，胡航，岳石花. 基于IFC标准的建筑信息模型分布式大数据平台存储技术研究[J]. 计算机应用与软件，2019，36（2）：125-130+173.

[4] 易思蓉，聂良涛. 基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统[J]. 西南交通大学学报，2016，51（2）：373-380.

[5] 张为和. 基于BIM的夜郎河双线特大桥施工应用方案研究[J]. 铁道标准设计，2015，59（3）：82-86.

[6] 王宝会，高远. 面向BIM数据的分布式文件存储系统设计与实施[J]. 土木建筑工程信息技术，2016，8（5）：40-44.

[7] 段熙宾，王冰峰，杜小智，等. 轨道交通BIM协同设计平台的设计与实现[J]. 铁道标准设计，2020，64（3）：60-64.

[8] 姜韶华，吴峥. BIM空间关系数据的云存储与检索方法研究[J]. 图学学报，2018，39（5）：835-842.

[9] 杨谦，吴金华. 地理信息系统在建筑领域中的应用[J]. 陕西建筑，2007（3）：4-6.

[10] 郝蕊，王辉麟，卢文龙，等. GIS-BIM在铁路工程建设管理中的应用研究[J]. 铁路计算机应用，2018，27（4）：46-50.

[11] 张文胜，吴强，祁平利，等. BIM与3DGIS的集成技术及在铁路桥梁施工中的应用[J]. 中国铁道科学，2019，40（6）：45-51.

[12] 范登科. BIM与GIS融合技术在铁路信息化建设中的研究[J]. 铁道工程学报，2016，33（10）：106-110+128.

[13] 王永义，李延，刘伟. BIM协同平台在铁路工程建造阶段的应用研究[J]. 铁路技术创新，2014（5）：23-26.

[14] 徐照，徐夏炎，李启明，等. 基于WebGL与IFC的建筑信息模型可视化分析方法[J]. 东南大学学报：自然科学版，2016，46（2）：444-449.

[15] 劉延宏. 基于BIM+GIS技术的铁路桥梁工程管理应用研究[J]. 交通世界：运输.车辆，2015，（9）：30-33.

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