王建偉，秦 健，孫國慶

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

隨著我國高鐵的快速發(fā)展，高鐵車站內裝備了大量客運及機電設備，由于設備種類繁多，數據分散，信息難以共享，對高鐵車站設備運維管理工作提出了挑戰(zhàn)[1]。

目前，有研究人員利用三維建模技術，構建高鐵車站三維模型，可將數據感知層實時采集到的環(huán)境監(jiān)測數據、視頻監(jiān)控信息、設備基礎信息及實時狀態(tài)等在三維模型上分類展現，并能夠對異常情況進行報警[2-3]。在此基礎上，還可利用物聯網技術，將設備與三維模型進行有效連接，實現數據交互[4]。

本文綜合考慮現有高鐵車站管理模式特點，基于三維可視化與物聯網技術，開展高鐵車站智能化運維管理系統(tǒng)的研究和設計。結合業(yè)務應用需求，利用GIS+BIM 三維建模技術融合的方法，設計了高鐵車站智能化運維管理系統(tǒng)；研究空間數據庫與屬性數據庫的信息集成方法，并將利用物聯網技術采集的數據集成至模型中，借助GIS 二維和三維信息集成的優(yōu)勢，實現在三維場景中加載高鐵車站周邊地形影像，實現高鐵車站設備可視化管理，有助于提升高鐵車站智能化運維管理水平，為智慧高鐵車站建設提供研究基礎。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體架構

系統(tǒng)采用B/S 應用模式，運用GIS 與BIM 融合技術、物聯網等技術，將高鐵車站各監(jiān)控點上傳感器采集的數據上傳到系統(tǒng)管理后臺，并可以通過控制器對終端設備發(fā)送指令，根據現場情況對設備進行調節(jié)控制；一旦設備出現異常，及時進行報警；同時，提供高鐵車站設備三維可視化管理和運維過程管理。

系統(tǒng)在邏輯結構上可劃分為5 個層次，系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

1.1.1 感知層

感知層為物聯網的基礎能力層，該層包括各類傳感器等感知設備。感知層就像人類的“眼、耳、鼻”，是連接物理世界與信息世界的重要紐帶；主要有各種溫度傳感器、智能煙感傳感器、智能電表、智能水表、智能攝像頭等。

感知層收集的信息通過傳輸層匯聚至數據層。

1.1.2 傳輸層

傳輸層主要負責接收和傳遞感知層所獲取的信息，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類；其中，無線傳輸主要服務于物聯網。

1.1.3 數據層

數據層包括車站三維模型、資產臺賬、運維數據、監(jiān)控數據。以GIS+BIM 技術構建的車站三維模型為數據載體，可為應用層實現信息的統(tǒng)一展示提供基礎；資產臺賬信息由后臺人工錄入；對智能巡檢終端采集的運維數據進行匯總，并實現運維數據與設備基礎信息的關聯；此外，由傳輸層上傳的設備監(jiān)控信息也匯集在這一層，供中間層實現數據分析和管理。

1.1.4 中間層

中間層包括三維服務、控制服務、物聯網分析服務。

其中，三維服務為車站模型訪問所依賴的服務，其它系統(tǒng)可以通過調用三維服務，實現車站三維模型數據的加載及二次開發(fā)。

物聯網分析服務利用傳感器收集的信息，對系統(tǒng)設備進行狀態(tài)分析，結合車站三維模型，實現監(jiān)控數據與設備三維模型數據的關聯，并對監(jiān)控結果進行分析。

控制服務可控制高鐵車站內各監(jiān)控采集點的傳感器，將采集的數據上傳至控制器和后臺管理設備；同時，可以通過控制器對終端設備發(fā)送指令，根據現場情況對設備進行適應性調節(jié)；若設備出現異常，還可進行報警。

1.1.5 應用層

由傳輸層傳輸和匯聚的數據，經過數據層的整理和中間層的分析關聯，提供給應用層使用。

應用層實現的主要業(yè)務功能包括集成展示、檢修管理、能耗管理、監(jiān)控預警、綜合統(tǒng)計，實現車站設備運維管理、故障監(jiān)測、節(jié)能控制等目標，為設備運維的成本計算、故障分析和能源管理提供數據支持[7]。

1.2 用戶構成

系統(tǒng)功能設計應面向客運專線有限公司（簡稱：客專公司）級、鐵路局集團有限公司（簡稱：鐵路局）級、站段級不同用戶的應用需求。客專公司級用戶可查看全公司各條專線上所有高鐵車站的情況；鐵路局級用戶只能查看本鐵路局管轄內的高鐵車站的情況；而站段級用戶只能查看所管轄高鐵車站的情況。

系統(tǒng)采用三級結構，擴展性和靈活度較高。既可覆蓋從站段上報設備維修計劃到路局審核的完整流程，符合現有的監(jiān)管模式，也適用于客專公司某條線路途徑多個鐵路局的情況。

2 業(yè)務功能

根據車站智能化管理的需求，系統(tǒng)功能劃分為信息集成、檢修管理、能耗管理、監(jiān)控預警、綜合統(tǒng)計、系統(tǒng)管理6 個模塊。具體功能模塊劃分見圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 信息集成

通過三維GIS+BIM 建?？梢暬夹g可以真實地展示車站模型，方便客專公司用戶、鐵路局級用戶實現遠程管理；同時，針對具體的站段，可以實現高鐵車站土建、暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等設備設施在復雜空間的直觀展示，并實現設備臺賬、圖紙、圖片和運維數據的信息集成展示；信息集成展示示例見圖3。

在三維場景中，還能實現可見設備與隱蔽工程的集成展示；例如，在三維空間中展示消防管路，如圖4 所示。

在每臺設備上粘貼專用標簽，通過掃描標簽二維碼可快速獲取該設備的標識信息，并提供訪問設備各類信息的統(tǒng)一入口，包括臺賬、圖紙、檢修資料等信息的在線瀏覽和模糊檢索功能，為提高維修工作效率提供支持。

圖3 信息集成展示

圖4 在三維空間中展示消防管路

2.2 檢修管理

日常檢修管理工作包括巡檢、維修、大修3 類。

（1）巡檢管理：根據設備巡檢要求，可設置巡檢提醒功能，提示待檢設備清單，記錄巡檢過程中發(fā)現的問題。

（2）維修管理：根據設備維修要求，可設置維修提醒功能；站段制定維修計劃，并提交路局審核；審核通過后開展施工，施工完成后進行驗收；按照高鐵車站設備維修業(yè)務流程，系統(tǒng)自動流轉維修信息，實現設備維修閉環(huán)管理。

（3）大修管理：按照大修更改業(yè)務流程，實現大修計劃、預算、施工、驗收全流程管理，形成閉環(huán)管理。

2.3 能耗管理

高鐵車站日常的用電量、用水量較大。采用物聯網技術自動檢測主要設備間各個能源消耗指標，提供監(jiān)控和報警功能；結合三維模型，在三維場景中標注耗電較高的設備，實時監(jiān)測現場設備能耗情況，支持管理人員制定節(jié)能措施。

2.4 監(jiān)控預警

針對照明、空調、電梯等設備，安裝傳感器及控制柜，將這些設備的監(jiān)控信息實時傳輸至中間層，結合三維場景，實時顯示設備的監(jiān)控數據，如圖5所示。通過可視化用戶界面，方便用戶掌握設備的運行狀態(tài)；一旦設備發(fā)生故障或者發(fā)生火災，自動觸發(fā)報警，并將報警信息推送至相關系統(tǒng)和終端。

圖5 設備實時監(jiān)控界面

2.5 綜合統(tǒng)計

針對設備、病害、能耗、報警等進行分類統(tǒng)計；提供多維度數據分析功能，為運維管理人員提供決策依據。

2.6 系統(tǒng)管理

為系統(tǒng)管理員提供菜單、用戶、角色、日志等系統(tǒng)配置功能，進行用戶創(chuàng)建、授權等操作，方便系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)進行維護。

3 關鍵技術

為了實現三維可視化與智能化設備運維的目標，開展了GIS+BIM 融合三維建模可視化技術、多源信息集成技術、網格化管理技術、物聯網相關技術的研究。

其中，三維建模技術主要研究解決GIS+BIM 建模、融合及模型輕量化等關鍵問題；多源信息集成技術主要研究解決如何融合和集成多種數據來源的數據（如設備臺賬、圖紙、運維、監(jiān)控信息等）以及如何實現統(tǒng)一管理；網格化管理技術主要探索高鐵車站網格單元管理問題；物聯網技術主要研究傳感器與DDC 控制器以及系統(tǒng)之間的數據通信。

3.1 三維可視化技術

3.1.1 BIM與GIS融合

設備和管路分別采用不同建模方法。BIM 建模能很好地保存設備屬性信息，一些管路和設備采用BIM 方式建模；土建結構可以采用輕量化GIS 建模。通過建模實踐經驗，采用BIM 軟件建模與GIS 軟件建模相結合的模式，可以使得模型規(guī)模適度，轉換效率較高，在web 場景中渲染速度更快。

IFC 是Building SMART 為BIM 應用提出的一種開放數據標準，已成為國際標準(IS016739)[8]。BIM 與GIS 轉換是將BIM 模型rvt 格式通過一系列操作生成符合GIS 要求的格式，并與GIS 建模部分整合，按照特定坐標系進行合并、配準等操作。

3.1.2 WebGIS可視化技術

制作好的模型數據導入ArcGIS Pro，按照一定的圖層分類，制作發(fā)布為對應的標準三維服務；系統(tǒng)通過Arcgis 提供的二次開發(fā)JS 組件，利用其API開發(fā)具體的三維應用，使最終用戶能夠在Web 瀏覽器中瀏覽車站模型，實現模型定位高亮、模型查找、空間單體模型的顯示/隱藏、設置單個模型透明度、三維查找、對模型進行三維剖切等功能。

3.2 多源信息集成技術

多種來源的數據（如設備臺賬、圖片、圖紙數據）按照規(guī)范化處理后導入數據庫，并實現設備運維數據、設備監(jiān)控數據與設備臺賬之間的關聯，實現多源數據集成。

同時，屬性數據庫與空間數據庫通過定義好的編碼字段進行對應，實現非空間屬性字段靈活修改，可大幅減少模型空間數據庫字段數量，實現數據輕量化。

3.3 網格化管理技術

根據不同管理模式，將網格分為建筑格網和系統(tǒng)格網。

3.3.1 建筑格網

按照建筑結構劃分可以分為樓層和區(qū)域格網，具體根據管理要求進行分割。

（1）按照建筑結構分為具體單個的物理樓層。如對于消防設備可以針對某一樓層的消防設備進行管理。

（2）在單個樓層基礎上，還可細分為具體設備的單個區(qū)域（例如，只對某一區(qū)域內的消防設備進行管理），以有效彌補樓層面積過大、難以精細化管理的缺陷，或對日常巡檢維護重點設備間進行快速定位。

3.3.2 系統(tǒng)格網

按照不同的系統(tǒng)劃分系統(tǒng)格網，如大類可劃分為暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。各個大類可進一步細分，如消防系統(tǒng)可細化為消防水炮系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等。

3.4 物聯網技術

物聯網是互聯網和通信網的延伸及拓展應用[9]，利用傳感器與控制器等設備進行感知和控制。

在高鐵車站設備運維管理中，電梯數據采集、消防控制、空調節(jié)能控制、照明節(jié)能控制、大屏顯示節(jié)能、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、閘機、能耗管理、自動售檢票系統(tǒng)等諸多方面均可運用物聯網技術。

3.4.1 傳感器與DDC控制器

傳感器，可將感知到的信息以不同信號方式輸出，滿足信息的存儲、傳輸、處理、控制等要求。在高鐵車站內安裝感知不同設備參數的傳感器，如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器，二氧化碳傳感器等，由這些傳感器負責采集數據并上傳給系統(tǒng)。

數字控制系統(tǒng)（DDC）控制器主要利用計算機的輸出信號來控制執(zhí)行機構，如調節(jié)閥門等[10]。傳感器將采集到的數據傳送至控制器，經過控制器分析后，輸出控制命令傳送至設備，通過控制閥門閉合或執(zhí)行一系列操作來完成控制。

3.4.2 NB-Iot和LoRa

目前，主流的低功耗物聯網技術（Low Power Wide Area Network）有NB-Iot 和LoRa 兩種[11]。

NB-Iot 采用授權頻段，對于支持NB-Iot 協(xié)議的傳感器，可利用運營商現有無線網絡來傳輸數據。例如，若車站內發(fā)生火災，起火點附近的煙感傳感器會立即探測到煙霧，通過NB-Iot 無線通訊方式，通知遠端的消防報警監(jiān)控主機，由消防報警主機將報警點相關信息傳遞至服務器端，并在三維場景中標注起火點位置，快速定位附近的消防設備，為應急工作人員提供信息支持。

LoRa（Long Range）采用非授權頻段，是一種低功耗、遠距離的局域網無線標準，需自行組網，但組網相對簡單。終端節(jié)點采集數據后，通過網關基站將采集的數據上傳至服務器端。LoRa 是自行搭建的私有網絡，不依賴運營商網絡，能夠保護數據隱私。此外，在一些運營商無線網絡信號不好的位置，采用LoRa 通信技術更為可靠。

3.4.3 NFC

NFC（Near Field Communication）只允許讀取和采集較近距離（通常在10 cm 內）的信號。結合巡檢工作，在需要巡檢的設備上粘貼NFC 標簽，標簽含有該設備的唯一標識ID。巡檢作業(yè)人員將巡檢手持終端靠近NFC 標簽，待巡檢手持終端讀取到NFC 標簽信息后，可以從服務端查找到該設備的臺賬信息，還可完成巡檢記錄填寫、故障報修等操作，填報信息上傳至服務端，即完成該設備的巡檢工作。根據每日待檢設備清單，可以在三維場景中，以紫色高亮閃爍提示當日未完成巡檢的設備。

4 結束語

采用三維可視化與物聯網技術結合的方法，構建高鐵車站智能化運維管理系統(tǒng)，設計了系統(tǒng)總體架構，描述了系統(tǒng)用戶構成和功能，提出GIS+BIM融合建模方法，實現高鐵車站多源數據集成、設備可視化管理、維修作業(yè)閉環(huán)管理、設備狀態(tài)實時監(jiān)控、設備能耗管理等功能，研究成果有助于提升高鐵車站信息化水平和現場運維智能化管理能力。