王志華，盧文龍，郭鵬飛，楊玲玲

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展和信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，鐵路行業(yè)已從大規(guī)模設(shè)計建造階段逐步向以安全運營、科學(xué)管理、高效養(yǎng)護(hù)為目標(biāo)的運營管理階段進(jìn)行轉(zhuǎn)變。目前，信息化系統(tǒng)幾乎深入到鐵路所有專業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為鐵路生產(chǎn)和管理工作中的重要工具和戰(zhàn)略資源。然而，在中華人民共和國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理領(lǐng)域中，仍然普遍存在著數(shù)據(jù)來源多元化、業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)分散化、運營維護(hù)獨立化、信息存儲孤島化等問題，由于基礎(chǔ)核心數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使系統(tǒng)之間無法進(jìn)行互聯(lián)互通和交互共享，給基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的運營維護(hù)工作帶來極大的不便。探索鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理信息化、規(guī)范化、智能化，已成為鐵路行業(yè)現(xiàn)階段大力研究的熱點之一。

面對當(dāng)前復(fù)雜的信息化環(huán)境和不斷涌現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)，針對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理的業(yè)務(wù)范圍和特點，本文將建筑信息模型（BIM）技術(shù)基于模型管理的思想應(yīng)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理平臺建設(shè)中，對平臺的系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了研究和設(shè)計，并對平臺建設(shè)所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了剖析研究，以期改進(jìn)現(xiàn)有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理模式。

1 鐵路運維管理信息化系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求分析

1.1 信息化現(xiàn)狀

目前，我國鐵路運維管理信息化還處在發(fā)展階段，雖然信息化改革要求緊迫，但無法做到一步到位，只能按輕重緩急采取分步實施的策略。隨著鐵路行業(yè)的工作重心逐步轉(zhuǎn)向運維管理領(lǐng)域，相應(yīng)的鐵路運維信息化建設(shè)也取得了初步成效，基本建成了“鐵路總公司-鐵路局集團(tuán)公司（簡稱：鐵路局）”兩級、“鐵路總公司-鐵路局-站段”三級信息系統(tǒng)運維體系，各級運維管理部門也相繼建設(shè)了一些運維管理信息化系統(tǒng)及工具。但限于局部應(yīng)用受到經(jīng)費投入、技術(shù)支撐、組織方式等方面的約束，傳統(tǒng)的分割化運維管理模式已經(jīng)不能滿足鐵路信息化快速發(fā)展的需求，亟待解決的問題主要有以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)源頭不統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在設(shè)計和建設(shè)期積累的歷史數(shù)據(jù)資料，是開展鐵路運維工作的基礎(chǔ)，其來源于各參建單位的信息化系統(tǒng)。但由于各系統(tǒng)各自為政、獨立建設(shè)，因此普遍存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、分散存儲以及多頭維護(hù)的情況，很難將其共享給鐵路各專業(yè)運維業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行使用。

（2）信息集成度不高，展示方法有限，難以直觀掌握設(shè)備狀態(tài)。目前現(xiàn)有各專業(yè)運維系統(tǒng)接收的設(shè)計建設(shè)期資料多為二維圖紙及紙質(zhì)資料，這些二維圖紙難以直觀地表達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施的圖形信息，并且圖紙的使用需要一定的技術(shù)能力，這給運維管理人員帶來了極大地不便。同時，紙質(zhì)資料的收集和管理需要較大的工作量，不利于運維管理工作的順利展開。

（3）先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用不足，使用經(jīng)驗匱乏，難以滿足鐵路信息化發(fā)展的需要。目前，鐵路運維管理信息化建設(shè)尚處于快速發(fā)展階段，鐵路行業(yè)對BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息化技術(shù)的運用尚未成熟，仍處在積極探索和嘗試階段。

1.2 需求分析

（1）整合信息資源，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。立足整個鐵路行業(yè)，全面梳理各個專業(yè)既有信息資源現(xiàn)狀，明確數(shù)據(jù)資源的分類、分級及數(shù)據(jù)模型，借助已建成的鐵路工程建設(shè)管理平臺上的數(shù)據(jù)資源，將各運維業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要共享的數(shù)據(jù)抽取出來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和信息擴(kuò)展，包括元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)元及數(shù)據(jù)庫等標(biāo)準(zhǔn)，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式，打破鐵路各級各專業(yè)數(shù)據(jù)壁壘，提升設(shè)計建設(shè)期數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用價值。

（2）引入先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)綜合應(yīng)用。利用BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息化技術(shù)的獨特優(yōu)勢，優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)計建設(shè)期數(shù)據(jù)資料的管理方式，建立跨業(yè)務(wù)領(lǐng)域的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，并提供多樣化的功能性服務(wù)，實現(xiàn)鐵路各專業(yè)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一管理與集中展現(xiàn)，達(dá)到信息可視化、管理智能化的目的，促進(jìn)設(shè)計建設(shè)期數(shù)據(jù)資源在運維管理領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。

（3）設(shè)計開放接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。針對鐵路各專業(yè)運維系統(tǒng)和各類監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，設(shè)計統(tǒng)一的接口規(guī)范，開發(fā)安全開放的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的自動化獲取，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供唯一、高效、實時的數(shù)據(jù)服務(wù)，為各級運維管理部門之間的互聯(lián)互通、信息共享提供技術(shù)支持。

2 基于BIM的鐵路運維管理平臺設(shè)計

2.1 建設(shè)目標(biāo)

在鐵路信息化總體規(guī)劃的指導(dǎo)下，以構(gòu)建智能鐵路運維管理平臺為宗旨，以數(shù)據(jù)集中化、標(biāo)準(zhǔn)化管理為目標(biāo)，建立基于BIM的一體化鐵路運維管理平臺，實現(xiàn)設(shè)計建設(shè)期數(shù)據(jù)資料的充分共享及綜合應(yīng)用；通過設(shè)計、施工、建設(shè)階段的數(shù)字化移交，將BIM模型承載的建設(shè)管理過程信息和動態(tài)監(jiān)測信息無縫轉(zhuǎn)移到鐵路運維管理平臺上，并為各級各專業(yè)運維系統(tǒng)設(shè)計專用數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)設(shè)計建設(shè)數(shù)據(jù)向運維階段的共享深化；充分發(fā)揮BIM技術(shù)在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備三維模型構(gòu)建和信息集成等方面的重要作用，并結(jié)合GIS、物聯(lián)網(wǎng)以及云計算等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)信息采集自動化、三維模型可視化、信息共享系統(tǒng)化，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理數(shù)字化、信息化及智能化夯實基礎(chǔ)。

2.2 總體架構(gòu)

根據(jù)鐵路各專業(yè)運維管理信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，通過分析既有鐵路工程建設(shè)管理平臺、鐵路運維管理平臺和各專業(yè)運維系統(tǒng)之間的關(guān)系，提出基于BIM的平臺運作機(jī)理，采用基于B/S框架設(shè)計，總體架構(gòu)如圖1所示。

（1）感知層。感知層的主要作用是獲取基礎(chǔ)設(shè)施在設(shè)計建設(shè)期的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。鐵路運維管理平臺通過應(yīng)力應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等各類傳感設(shè)備，感知自預(yù)埋/安裝后記錄的基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用自動化的方式，為平臺提供實時、準(zhǔn)確的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是將采集到的數(shù)據(jù)信息安全、快速地傳輸?shù)借F路運維管理平臺的通道。網(wǎng)絡(luò)層主要包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和W iFi，為數(shù)據(jù)信息提供高效、實時的傳輸通道，實現(xiàn)各級運維管理部門、各專業(yè)運維管理信息系統(tǒng)通過客戶終端隨時隨地獲取數(shù)據(jù)、聲音和視頻信息。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施層。基礎(chǔ)設(shè)施層主要為鐵路運維管理平臺的建設(shè)提供所需的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備、安全設(shè)備及其他設(shè)備資源，以實現(xiàn)與不同級別不同專業(yè)的運維管理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證鐵路運維管理平臺高性能、高可靠穩(wěn)定運行，并且具有靈活的擴(kuò)展性，能夠輕松應(yīng)對業(yè)務(wù)發(fā)展。

（4）數(shù)據(jù)層。鐵路運維管理平臺數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)集中、存儲、維護(hù)和管理從鐵路工程建設(shè)管理平臺移交的靜態(tài)數(shù)據(jù)資料和從傳感設(shè)備上傳的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，靜態(tài)數(shù)據(jù)資料包括設(shè)計期數(shù)據(jù)、施工期數(shù)據(jù)、竣工驗收數(shù)據(jù)、三維BIM數(shù)據(jù)、文檔資料、地理信息、多媒體資料和其他資料等；動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括涉及各專業(yè)管轄基礎(chǔ)設(shè)施在建造過程中預(yù)埋的各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（5）服務(wù)層。鐵路運維管理平臺服務(wù)層是實現(xiàn)BIM數(shù)字資產(chǎn)功能服務(wù)的關(guān)鍵部分，其提供對存儲數(shù)據(jù)信息的查詢、管理及發(fā)布服務(wù)。服務(wù)模塊包括接口服務(wù)、認(rèn)證授權(quán)服務(wù)、搜索引擎服務(wù)以及圖形引擎服務(wù)。服務(wù)層將集成在BIM上數(shù)據(jù)資產(chǎn)信息，以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式通過對外接口進(jìn)行發(fā)布，從而滿足各專業(yè)運維系統(tǒng)對設(shè)計建設(shè)期數(shù)據(jù)資料和BIM功能服務(wù)的需要。

（6）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要針對既有鐵路各專業(yè)運維管理系統(tǒng)，例如工務(wù)運維管理系統(tǒng)、電務(wù)運維管理系統(tǒng)、供電運維管理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)可以通過調(diào)用鐵路運維管理平臺管理的基礎(chǔ)設(shè)施在設(shè)計建設(shè)階段的數(shù)據(jù)資料和B IM數(shù)據(jù)，開發(fā)符合自己專業(yè)需求的個性化應(yīng)用。

圖1 總體架構(gòu)圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

借鑒鐵路工程建設(shè)管理平臺部署在互聯(lián)網(wǎng)的成功經(jīng)驗，并遵循信息公共資源共享的鐵路信息化建設(shè)原則，本文提出如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。鐵路運維管理平臺主要部署在外部互聯(lián)網(wǎng)上，并通過鐵路計算機(jī)安全網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)外部互聯(lián)網(wǎng)與鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的跨網(wǎng)信息交換，為部署在鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的各級各專業(yè)系統(tǒng)終端提供數(shù)據(jù)和服務(wù)。

鐵路運維管理平臺可統(tǒng)一部署在鐵路總公司或鐵路局的機(jī)房，共設(shè)置3種服務(wù)器：（1）應(yīng)用服務(wù)器用于應(yīng)用程序和接口程序；（2）數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲鐵路工程管理平臺移交的數(shù)據(jù)資料；（3）BIM服務(wù)器用于緩存、管理BIM數(shù)據(jù)。

物聯(lián)感知設(shè)備通過采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù)實現(xiàn)在廣域網(wǎng)的蜂窩式數(shù)據(jù)連接，并直接部署在GSM無線網(wǎng)絡(luò)上，動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)借F路運維管理平臺上。

鐵路總公司用戶、鐵路局用戶及各專業(yè)運維管理系統(tǒng)通過鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問平臺，實時調(diào)用平臺上的數(shù)據(jù)信息、獲取相關(guān)服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于NB-IOT的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

針對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理這一龐大而復(fù)雜的工程，需要對線路、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)等沿線各種設(shè)施資產(chǎn)進(jìn)行全面的監(jiān)測、分析和預(yù)警，各類監(jiān)測傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大。為了將感知數(shù)據(jù)無障礙、高可靠、高安全、低成本的傳輸?shù)借F路運維管理平臺上，采用NB-IOT技術(shù)建立動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)是可行和先進(jìn)的方法。

NB-IOT技術(shù)是一種基于移動蜂窩通信的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在鐵路運維管理平臺建設(shè)體系中引入NB-IOT技術(shù)，可以動態(tài)實時地感知、采集、監(jiān)控、管理鐵路基礎(chǔ)設(shè)施自建設(shè)期起的現(xiàn)場狀況信息，并與BIM進(jìn)行掛接，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化展示，從而提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備維修管理水平、確?；A(chǔ)設(shè)施設(shè)備安全，保障基礎(chǔ)設(shè)施在業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)中各種數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、真實性和網(wǎng)絡(luò)的容錯性。

圖2 鐵路運維管理平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 BIM技術(shù)的應(yīng)用方法

BIM可按照鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的實際情況精確到構(gòu)件級別,且相關(guān)的工程信息（名稱、幾何、材料等信息）皆集成在相應(yīng)的構(gòu)件中,相較傳統(tǒng)的運維管理系統(tǒng)來說，基于BIM技術(shù)的管理平臺能夠提高整個運維管理過程的精確性、可視性和交互性，可滿足鐵路各專業(yè)運維管理部門對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行的空間管理、資本管理、設(shè)備設(shè)施監(jiān)控、公共安全管理、能耗管理等多種應(yīng)用要求。

BIM技術(shù)在運維管理階段，需要更高的建模精度和更細(xì)的信息粒度，以滿足不同專業(yè)精細(xì)化運維需求，而鐵路運維管理平臺上集中管理著不同專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的BIM竣工模型數(shù)據(jù)，這為BIM運維模型的信息深化和綜合應(yīng)用提供了便利條件。因此，采用BIM技術(shù)建立統(tǒng)一的鐵路運維管理平臺是一項具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性的工作，平臺不僅要提供BIM三維可視化和信息集成化功能,還要提供相應(yīng)的接口服務(wù)，以保證各級運維管理用戶能夠直接調(diào)用BIM功能性服務(wù)，開發(fā)自己專業(yè)的深層應(yīng)用，實現(xiàn)鐵路信息集成效應(yīng)與協(xié)同應(yīng)用。

3.3 圖形引擎技術(shù)的選擇

三維圖形引擎是BIM工程管理平臺中重要的組成部分，圖形引擎可以直觀地把三維模型信息展示給用戶，用戶亦可以通過圖形引擎同施工場景直接交互。要建立基于BIM的鐵路運維管理平臺離不開對圖形引擎技術(shù)的研究。參考近幾年鐵路行業(yè)對BIM技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，目前，支撐BIM可視化的圖形引擎主要分為基于BIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖形引擎和基于GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖形引擎。兩種圖形引擎各有優(yōu)缺點,本平臺圖形引擎的選擇主要需考慮5個方面：

（1）符合B/S系統(tǒng)框架的要求，對瀏覽器具有很好的支持能力；（2）滿足鐵路各專業(yè)對基礎(chǔ)設(shè)施管理的需求，能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)量模型提供承載能力；（3）具有較強(qiáng)的兼容能力，支持對主流BIM建模軟件數(shù)據(jù)格式的識別能力；（4）具有一定的信息深化能力，提供對大場景、大范圍數(shù)字化模型的擴(kuò)展能力；（5）能夠提供豐富的二次開發(fā)接口功能。

結(jié)合鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理領(lǐng)域的特點，本平臺選擇GIS圖形引擎，經(jīng)過大量二次開發(fā)和功能改造，將其無縫嵌入到基于BIM的鐵路運維管理平臺中，從而保證瀏覽器主流BIM建模軟件模型數(shù)據(jù)無損傳遞和流暢運行，與業(yè)務(wù)功能形成雙向聯(lián)動，在滿足BIM信息完整度和精度的條件下，更能適應(yīng)大區(qū)域適用場景。

3.4 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)為構(gòu)建鐵路信息共享平臺提供了新的思路和方向。云計算提供了共享數(shù)據(jù)資源的全新架構(gòu)和方法，它將資源相互鏈接并整合，滿足用戶的隨時訪問和共享信息技術(shù)服務(wù)，具有安全性、可擴(kuò)展性、動態(tài)調(diào)配性、快捷便利性等優(yōu)勢。鑒于此，基于BIM的鐵路運維管理平臺采用云計算技術(shù),將平臺建設(shè)所需的所有軟硬件資源布置在云端,實現(xiàn)更新維護(hù)工作統(tǒng)一在云端部署。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理用戶通過門戶網(wǎng)站即可使用各種功能服務(wù),極大地降低了鐵路企業(yè)對軟硬件設(shè)施的投入成本,同時又保證了不同用戶使用平臺資源不受時間和地域的限制。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理中的應(yīng)用越來越廣泛，基于BIM的鐵路運維管理平臺的建設(shè)必須堅持以BIM技術(shù)為核心，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管理的原則，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢，建立起一個鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運維管理一體化平臺，完善基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期數(shù)據(jù)資料，以提升鐵路各級專業(yè)運維管理部門的信息化水平和工作效率，實現(xiàn)鐵路企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。