林云志，祁小兵，陳浪先，宋志剛

（1.中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100071；2.福州地鐵集團有限公司，福建福州 350000；3.深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

近年來，隨著我國智慧城市建設(shè)的發(fā)展，3D可視化系統(tǒng)集成概念逐漸走進人們身邊。作為城市新脈絡(luò)的地鐵工程，承載著城市公共交通運輸?shù)木薮筮\力；同時，地鐵作為城市重大基礎(chǔ)設(shè)施，對運營調(diào)度管理、設(shè)備維護、運營安全保障的提升有著迫切的需求；地鐵建設(shè)和運營維護過程中對BIM技術(shù)與ISCS系統(tǒng)相結(jié)合的3D運維平臺進行應(yīng)用研究，有著重要的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)外有關(guān)運維階段的BIM應(yīng)用，盡管在理論研究和項目應(yīng)用層面均有一定數(shù)量的研究，但總體還處于探索研究階段[1]。

BIM技術(shù)在地鐵項目實際的應(yīng)用過程中，主要還集中在前期的設(shè)計、施工階段；通過可視化、信息共享和各專業(yè)協(xié)同工作的方式，主要用于處理設(shè)計及施工過程中的設(shè)備場地布置、管線錯漏碰撞等問題，但BIM的相關(guān)數(shù)據(jù)、模型在建設(shè)完工交付后卻被閑置。將BIM技術(shù)引入運維管理系統(tǒng)，不僅可以滿足用戶的基本活動需求，增加投資收益[2]，還能實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維的信息共享，提高信息的準確性，并為各方人員提供一個便捷的管理平臺以提高對地鐵工程運維管理的效率。3D運維是未來的趨勢，也是現(xiàn)在必須解決的問題。隨著科技的進步，我國的信息化、智能化也發(fā)展起來，這為3D運維提供了良好的信息化基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)概況

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一種自動化綜合管理系統(tǒng)[3]，它集自動化、智能化、信息化為一體，實現(xiàn)了地鐵各主要系統(tǒng)的集成和機電設(shè)備的監(jiān)控，ISCS在地鐵工程中對各專業(yè)數(shù)據(jù)整合有著得天獨厚的優(yōu)勢；城市地鐵3D運維平臺通過運用BIM技術(shù)與ISCS相結(jié)合，對地鐵建筑的空間、地理布局、設(shè)備資產(chǎn)、系統(tǒng)狀態(tài)進行科學(xué)管理和實時監(jiān)控，從而對包括應(yīng)急指揮、城市管理、公共安全、環(huán)境保護、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域提供管理決策支持，進而提升城市地鐵綜合管理水平。

1.1 地鐵3D運維平臺數(shù)據(jù)源選擇

地鐵工程作為龐大的系統(tǒng)工程，各個不同專業(yè)如電力監(jiān)控、車站設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等分別采用獨立的架構(gòu)及應(yīng)用平臺，各系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)比較困難，若3D運維平臺直接與各專業(yè)單獨接入，其接入成本較高、技術(shù)難度較大、專業(yè)性較強，無法滿足智慧城市綠色環(huán)保的宏觀發(fā)展需求。ISCS作為整條地鐵線路的重要系統(tǒng)，其專業(yè)集成∕互聯(lián)程高、系統(tǒng)平臺兼容性強，在滿足子系統(tǒng)差異化接入要求的同時，有效地為上游系統(tǒng)專業(yè)（如：TCC、NOCC、3D運維平臺等）提供數(shù)據(jù)和系統(tǒng)接入需求。以福州地鐵1號線為例，ISCS集成子系統(tǒng)包括：電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）、感溫光纖探測系統(tǒng)（DTS）、屏蔽門（PSD）、防淹門（FG），互聯(lián)子系統(tǒng)包括：自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、門禁系統(tǒng)（ACS）、廣播系統(tǒng)（PA）、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、通信集中告警系統(tǒng)（TEL∕ALARM）、時鐘系統(tǒng)（CLK）、信號系統(tǒng)（SIG）。

1.2 地鐵3D運維平臺系統(tǒng)功能

城市地鐵3D運維平臺是個高集成、深度耦合的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，其基于BIM技術(shù)組成的三維建筑結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)備猶如平臺的“軀體”，一個鮮活的軀體需要活動起來離不開系統(tǒng)數(shù)據(jù)這個“血液”，如何高效、低成本獲取數(shù)據(jù)是3D運維平臺亟需解決的問題。

福州地鐵1號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過WebService技術(shù)，為3D運維平臺提供定制開發(fā)、標準應(yīng)用、深度集成的數(shù)據(jù)接口，解決了不同平臺下的應(yīng)用協(xié)同，為地鐵運營管理、維護檢修提供了一個可實現(xiàn)信息互通和資源共享的平臺。

福州地鐵1號線3D運維平臺應(yīng)用研究通過構(gòu)建一個基于數(shù)據(jù)庫分布式B∕S架構(gòu)部署的虛擬3D可視化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)3個功能模塊：基于數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)輔助決策、資產(chǎn)可視化管理、應(yīng)急指揮決策及運維流程管理；未來隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，將可以拓展實現(xiàn)更多應(yīng)用。3D運維平臺Web客戶端如圖1所示。

（1）基于數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)輔助決策

3D運維平臺基于城市公共設(shè)施設(shè)備維護為基礎(chǔ)，圍繞著市民出行安全、舒適、綠色環(huán)保，通過采集綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成相關(guān)設(shè)備的維護數(shù)據(jù)（如：故障、報警等）、運行狀態(tài)信息、災(zāi)害信息、環(huán)境參數(shù)、能耗和客流數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)挖掘，為系統(tǒng)維護管理提供輔助決策。

圖1 3D運維平臺Web客戶端

（2）資產(chǎn)可視化管理

地鐵建筑內(nèi)設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量龐大，種類眾多，在傳統(tǒng)的表格式管理方式中管理效率低下，實用性差，資產(chǎn)管理可視化采用創(chuàng)新的3D互動技術(shù)手段，將重要的資產(chǎn)信息納入可視化平臺，同時采用Google earth的地球體全景的方式（或GIS），可對站點分級瀏覽展示，以直觀可互動的3D場景瀏覽技術(shù)，層次化遞進的實現(xiàn)跨空間、區(qū)域，逐層以圖標模式展現(xiàn)各層級范圍內(nèi)的設(shè)備和場景信息，方便設(shè)備的狀態(tài)查看、搜索定位、設(shè)備導(dǎo)航，提高資產(chǎn)信息的掌控力和運維效率。同時，在后續(xù)的研究中，可將地鐵站內(nèi)視頻流信息、設(shè)備維修教學(xué)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)遠程指導(dǎo)∕培訓(xùn)新員工進行設(shè)備維修，為運營高效運維管理提供基礎(chǔ)。

（3）應(yīng)急指揮決策及運維流程管理

通過3D可視化和三維巡視功能，可以使維護人員對地鐵內(nèi)各個建筑、設(shè)備等進行管理與查詢，為管理人員提供可視化管理手段，提高地鐵運營的整體把控力和管理效率。

通過地鐵各專業(yè)系統(tǒng)或設(shè)備災(zāi)害信息，制定標準化、流程化的處理預(yù)案，如：火災(zāi)應(yīng)急處理、列車故障處理、屏蔽門故障處理、大客流處理等，為地鐵運維提供應(yīng)急指揮決策；通過實時掌握現(xiàn)場場景信息（環(huán)境參數(shù)、實時視頻、空間信息），對可能發(fā)生的災(zāi)害進行預(yù)防。同時，在后續(xù)的研究中，在災(zāi)害模式下，可將地鐵站內(nèi)視頻流信息、客流信息接入，使得應(yīng)急指揮能實時掌握現(xiàn)場實際情況，由系統(tǒng)規(guī)劃出最佳救災(zāi)路徑，并將路徑通過PIS信息展示給現(xiàn)場工作人員∕乘客，使地鐵的運維工作提升到智慧交通的全新高度。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)化架構(gòu)設(shè)計圖

圖3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

通過局域網(wǎng)與現(xiàn)有的綜合監(jiān)控系統(tǒng)連通，并通過Web Service接口與3D運維系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；3D運維平臺支持B∕S架構(gòu)，遠端的桌面用戶或大屏顯示終端只需要通過IE瀏覽器登錄到可視化系統(tǒng)服務(wù)器，即可訪問和瀏覽可視化系統(tǒng)，無需安裝獨立客戶端。3D運維平臺考慮后期地鐵線路的擴展和大量數(shù)據(jù)接入的需求，支持數(shù)據(jù)庫分布式B∕S架構(gòu)，通過部署多臺服務(wù)器以實現(xiàn)可靠性和穩(wěn)定性的要求。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

地鐵工程各主要設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各系統(tǒng)功能特性，采用不同的通信協(xié)議方式和控制工藝，各通信方式和協(xié)議規(guī)約琳瑯滿目，如電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)：主要采用IEC60870-5的相關(guān)協(xié)議（102、103、104等規(guī)約）；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）：根據(jù)不同PLC廠家采用不同的協(xié)議（AB公司采用CIP協(xié)議，施耐德公司采用ModBus TCP∕IP，西門子公司采用Profit Net等等）；自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）很多廠家采用私有的TCP∕IP協(xié)議。3D運維平臺若直接與相關(guān)系統(tǒng)專業(yè)采集數(shù)據(jù)的話，其難度較大，成本也無法控制。為解決相關(guān)難題，針對本次應(yīng)用研究，進行了以下幾個方面的研發(fā)設(shè)計。

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)化架構(gòu)研發(fā)設(shè)計

現(xiàn)有地鐵工程的主流集成方案里面，大部分城市均設(shè)置有綜合監(jiān)控系統(tǒng)，3D運維平臺通過與綜合監(jiān)控這個單一接口的互聯(lián)便可快速、高效地完成對地鐵各系統(tǒng)底層設(shè)備的監(jiān)控功能。通過定制開發(fā)OPCClient轉(zhuǎn)化成Web Ser?vice服務(wù)端的接口程序，方便地實現(xiàn)了相關(guān)功能需求。協(xié)議轉(zhuǎn)化架構(gòu)設(shè)計圖如圖2。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)設(shè)計

地鐵3D運維管理平臺通過與綜合監(jiān)控Web Service接口，實現(xiàn)了地鐵主要監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，并為運營管理提供決策依據(jù)。詳見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）WebService接口協(xié)議格式

請求協(xié)議：HTTP；

請求方式：POST∕GET。

（2）WebService接口數(shù)據(jù)格式：JSON設(shè)備對象格式（deviceObject），見表1。

表1 設(shè)備對象格式

返回數(shù)據(jù)函數(shù)格式:

{

“msg”:“”

“errorcode”:“”

“data”:[

{“station_id.device_id.property”:“”}，

…..

]

}

（3）獲取數(shù)據(jù)

請求地址:xxx(接口IP及端口號)

請求格式:POST

限制:請求條數(shù)（根據(jù)實測系統(tǒng)能力確定）

請求參數(shù)（見表2）。

表2 請求參數(shù)數(shù)據(jù)格式

返回數(shù)據(jù)（見表3）。

表3 返回參數(shù)數(shù)據(jù)格式

（4）WebService接口數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢

WebService作為一項新的技術(shù)，它致力于解決在不同平臺下應(yīng)用的協(xié)同[4]：任何支持HTTP和XML技術(shù)的設(shè)備都可以擁有和訪問WebService，不同平臺不同開發(fā)語言照樣可以調(diào)用發(fā)布的WebService。本應(yīng)用研究通過WebSer?vice技術(shù)為后續(xù)不同軟件和系統(tǒng)平臺的接入提供了良好的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。

WebService采用可操作的分布式應(yīng)用程序，可以滿足多平臺和應(yīng)用的調(diào)用：可以實現(xiàn)不同應(yīng)用程序和在不同系統(tǒng)平臺上開發(fā)出來的應(yīng)用程序之間通信。WebService以SOAP作為基本通信協(xié)議從而避免了復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

WebService可以穿越防火墻，真正的自由通信：一般要訪問Web服務(wù)器以及要訪問的Web Service的客戶端很可能位于防火墻后面，都默認需要關(guān)閉其它端口而開發(fā)HTTP端口，而Webservice正是基于HTTP的，所以它可以穿越防火墻。

WebService接口可以實現(xiàn)開放性和標準化：按照綜合監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)類型格式，可以實現(xiàn)同類數(shù)據(jù)批量采集的功能，在定時批量獲取數(shù)據(jù)的同時，還可以按3D運維個性化需求實時獲取各設(shè)備數(shù)據(jù)的功能，大大提高通信效率和節(jié)約數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)開銷，并滿足3D運維平臺對實時大數(shù)據(jù)的整合需求。

3 討論及展望

BIM技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，在設(shè)計和施工階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而在設(shè)備設(shè)施維護中的應(yīng)用案例并不是很多，尚未得到有效挖掘[5]。相較于設(shè)計和施工階段，BIM技術(shù)在運維階段的應(yīng)用總體還處于初級階段，既表現(xiàn)在成熟的商品軟件或工具較少且應(yīng)用普及度較低，也表現(xiàn)在國內(nèi)外科研院校對其研究的深入程度不足和缺乏成熟規(guī)模的應(yīng)用案例[6]。結(jié)合本次應(yīng)用研究，未來3D運維平臺的實施可能存在如下挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不足及相應(yīng)標準不夠完善。對于既有建筑，缺乏模型；對于有BIM應(yīng)用要求的新建建筑，數(shù)量很少且缺乏完善的竣工BIM交付標準。本次應(yīng)用研究過程中，獨立新建的建筑模型達十幾萬個，工作量巨大。

（2）3D運維平臺雖然實現(xiàn)分布式B∕S數(shù)據(jù)架構(gòu)模型，滿足上千萬數(shù)據(jù)點的監(jiān)控采集功能，但基于Web發(fā)布的客戶端模式在數(shù)據(jù)實時性較為不足，同時在集成BIM建筑模型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)響應(yīng)性較差。

（3）地鐵3D運維系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)點較多，數(shù)據(jù)與建筑、設(shè)備模型的關(guān)聯(lián)顯示是個巨大的工作量，解決這個問題除在建模前期對模型進行與現(xiàn)場實際設(shè)備統(tǒng)一的編碼原則外，還需有便捷的關(guān)聯(lián)程序或模塊。

（4）目前該3D運維平臺主要應(yīng)用基于Web應(yīng)用，無獨立的系統(tǒng)應(yīng)用程序；無法有效地解決系統(tǒng)響應(yīng)能力和數(shù)據(jù)的實時性，也無法拓展更高級的應(yīng)用。而單獨開發(fā)應(yīng)用程序的成本太高，這也是當前3D運維平臺發(fā)展的不足之處。

（5）3D運維管理平臺的發(fā)展需與地鐵運營管理制度和管理經(jīng)驗相結(jié)合，目前還缺乏相關(guān)的經(jīng)驗。對數(shù)據(jù)的提煉和應(yīng)用需要提前介入到地鐵建設(shè)的前期，項目投入周期較長。

針對上述問題，展望BIM運維的發(fā)展，將包括但不限于以下幾點。

（1）資產(chǎn)可視化管理提供標準化接口，能夠與第三方資產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，也可與資產(chǎn)自動化監(jiān)控管理設(shè)備對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)的自動化管理，通過部署RFID標簽和讀卡器，實現(xiàn)資產(chǎn)的自動化管理，資產(chǎn)信息增、刪、改，實現(xiàn)資產(chǎn)統(tǒng)計查詢等。

（2）隨著建筑前期BIM技術(shù)的大量使用，以及數(shù)據(jù)模型標準化的制定，具有基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)的3D運維管理平臺將更便于實施和應(yīng)用。

（3）地鐵3D運維管理平臺隨著城市地鐵的不斷建設(shè)拓展，與城市安全管理、城市交通運營調(diào)度的結(jié)合將迎來新的發(fā)展空間。

4 結(jié)束語

基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的城市地鐵3D運維管理平臺，充分發(fā)揮了綜合監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集成上的優(yōu)勢，有效地降低了3D運維平臺的數(shù)據(jù)接口開發(fā)難度和深度，同時大大提高了項目實施的效率；地鐵3D運維平臺的運用，不僅拓展了BIM技術(shù)在地鐵建筑工程使用中的縱深和維度，同時為地鐵運營管理及安全保障、設(shè)備維護提供了更加直觀、便捷的管理決策依據(jù)。盡管實施過程中會面對很多需要克服的難題，但隨著BIM技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，結(jié)合綜合監(jiān)控系統(tǒng)未來基于行車綜合自動化系統(tǒng)的深度集成方案的實施[7]，在綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行3D運維管理平臺的應(yīng)用研究將有更大的發(fā)展空間和前景。