王建偉，魏小娟

（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 電子計算機技術研究所，北京 100081）

鐵路運輸房建設備主要是指鐵路運輸生產使用的房屋、構筑物及其附屬設備，比如鐵路站房、旅客站臺、站臺雨棚、變電所、通信基站、辦公樓等和附屬的電氣照明設備、水暖設備、供熱空調設備等[1]。具體分類參照鐵路運輸房建設備大修維修規(guī)則[2]中針對房建設備的劃分。其中站臺、雨棚等的使用狀態(tài)直接影響鐵路的運輸安全，站房、附屬物的使用狀態(tài)也不同程度的影響鐵路運輸生產和服務質量。因此，對房建設備管理技術要求越來越高，涉及專業(yè)也很廣泛[3]。現(xiàn)有管理存在一些主要問題有：人工管理和檢修效率偏低；文件資料數(shù)據(jù)量大，難于保存和管理；缺乏對信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析；管理和監(jiān)督難度大[4]。鑒于此房建設備管理迫切需要信息化的手段來提供技術支撐，可以利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術-建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）為施工管理提供可視化、信息化的手段，提高各階段信息共享水平，節(jié)約成本，避免浪費[5]。為實現(xiàn)房建設備信息化管理，發(fā)揮信息系統(tǒng)在房建設備管理中的作用。本文依據(jù)鐵路大修相關規(guī)程規(guī)定，結合房建設備具有的空間位置特性，利用GIS與BIM融合技術和數(shù)據(jù)庫等技術，設計并實現(xiàn)了房建設備運維監(jiān)管信息系統(tǒng)。旨在為鐵路局、站段房建專業(yè)相關人員提供車站三維可視化展示、臺賬圖紙查詢以及運維數(shù)據(jù)的全過程管理，以進一步提升房建設備管理水平。

1 需求分析與設計

1.1 需求分析

房建設備運維監(jiān)管信息系統(tǒng)是以房建設備為管理對象，針對房建設備使用、檢查、維修等業(yè)務作業(yè)流程，研發(fā)適用于現(xiàn)場管理實際的應用功能，主要包括管理信息集成展示、網(wǎng)格可視化、設備檢查、設備維修、大修改造等功能。系統(tǒng)實現(xiàn)了臺賬圖紙等信息的統(tǒng)一集成，并對設備巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的問題做管理，根據(jù)問題是否危及旅客和行車安全、費用等因素來區(qū)分是否納入檢修、綜合維修或大修更改。針對綜合維修和大修更改，根據(jù)春秋檢的情況，房建段向鐵路局土房處提出申請，待上級批復同意后進行施工，在施工結束由車間自驗，房建段及鐵路局土房處進行驗收，通過后形成紀要和竣工文件存檔，從而實現(xiàn)閉環(huán)管理。

1.2 總體架構

根據(jù)業(yè)務需求分析，房建運維監(jiān)管信息系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體架構

1.2.1 數(shù)據(jù)組織

（1）數(shù)據(jù)范圍。系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)包括基礎數(shù)據(jù)（房建專業(yè)和其他專業(yè)數(shù)據(jù)）、非結構化數(shù)據(jù)（圖紙、圖片、視頻等）、接口數(shù)據(jù)（外部接入）。

（2）建模范圍。三維建模包括車站范圍內所有專業(yè)的相關設備設施，主要為房建和其他專業(yè)。具體房建專業(yè)設備設施數(shù)據(jù)包括：建筑物、構筑物、排水設備、電照設備、消防系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)等。

（3）準備工作。需要準備車站竣工圖紙、其他專業(yè)竣工圖紙、建模區(qū)域DEM地形圖、建模區(qū)域遙感圖等。

1.2.2 數(shù)據(jù)集成與共享

（1）數(shù)據(jù)集成。將收集的臺賬數(shù)據(jù)通過抽取、轉換、形成規(guī)范化的模板數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫，并且將圖紙、圖片數(shù)據(jù)進行編碼等規(guī)范化操作錄入數(shù)據(jù)庫，與臺賬數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。

（2）數(shù)據(jù)共享。通過Oracle數(shù)據(jù)庫與ArcSDE，利用空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫中相同的字段進行關聯(lián)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫集成[6]。同時其他系統(tǒng)也可以通過服務調用的形式使用該模型，并獲取車站及附屬設備的空間信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2.3 三維建模

（1）BIM建模。將竣工圖紙按照建筑竣工圖、結構竣工圖、給排水竣工圖、電氣竣工圖、暖通竣工圖、消防竣工圖和其他專業(yè)圖紙分類，以這些圖紙為基礎采用主流的BIM建模軟件，如Revit繪制標高和軸網(wǎng)，分別按照類別建立車站建筑模型、結構模型、構筑物、機電設備等模型，建模完成后檢查，有問題返回重新建模，待模型無誤后，貼紋理渲染最后導出模型。

（2）BIM與GIS轉換。工業(yè)基礎類（IFC，Industry Foundation Classes）是Building SMART為BIM應用提出的一種開放數(shù)據(jù)標準，以實現(xiàn)建筑內信息的表達，共享及應用，并已成為了國際標準（IS016739）[7]。IFC和CityGML（City Geography Markup Language）分別作為BIM和 3D GIS領域通用的數(shù)據(jù)模型標準[8-9]。BIM與GIS轉換是將BIM的rvt格式通過一系列操作生成ArcgisPro所要求的格式。

1.2.4 支撐技術

為實現(xiàn)車站設備直觀可視化展示、過程化管理以及業(yè)務信息集成共享，需要一些關鍵技術支持，包括設備三維建模技術、多源信息集成技術、網(wǎng)格化管理技術和可視化技術。其中，在三維建模技術中，主要研究解決三維場景搭建、GIS建模、BIM建模等關鍵問題；多源信息集成技術中，主要研究解決設備原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式轉換以及設備臺賬、資料參數(shù)、病害維修信息的統(tǒng)一、集成展示問題；網(wǎng)格化管理技術中，主要研究解決車站網(wǎng)格劃分規(guī)則、網(wǎng)格單元管理流程、運用方式問題；可視化信息系統(tǒng)中，主要研究解決三維場景融合、BIM融合、模型輕量化以及系統(tǒng)功能研制等問題。

1.2.5 業(yè)務應用

結合現(xiàn)場需求情況，開展具體的業(yè)務應用，包括集成展示、網(wǎng)格管理、設備巡檢、設備維修、更新改造、統(tǒng)計分析等功能。

1.3 功能設計

結合數(shù)據(jù)展示需求和高鐵車站房建管理業(yè)務現(xiàn)狀，系統(tǒng)業(yè)務功能模塊劃分如圖2所示。

（1）綜合展示。利用三維GIS和三維BIM技術，將房建設備臺賬、設備圖紙、設備圖片和設備巡檢記錄、設備維修記錄、設備大修記錄等數(shù)據(jù)進行關聯(lián)集成展示。并實現(xiàn)根據(jù)不同設備的基本信息以及其他參數(shù)實現(xiàn)不同的查詢功能。點擊列表具體的設備可在三維場景中實現(xiàn)定位功能。

（2）設備巡檢。實現(xiàn)對設備巡檢的全過程管理，檢查分為日常檢查、定期檢查、春（秋）季檢查、應急檢查、健康監(jiān)測統(tǒng)一管理，為車站房建巡檢人員提供日常檢查的線路規(guī)劃功能，各類設備的到期提醒功能，對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的病害提供病害登記功能，并建立統(tǒng)一的病害庫。

（3）設備維修。包括設備檢修和綜合維修。設備檢修管理是結合設備檢查和用戶報修，對房建設備進行的簡單修理產生的數(shù)據(jù)進行管理。綜合維修提供對維修計劃、施工管理、維修標準管理、驗收管理以及維修機具的管理等功能。

（4）更新改造。提供對房建設備大修周期、大修計劃、大修設計、施工過程、驗收的全過程管理以及維修器具的管理等功能。

圖 2 系統(tǒng)功能設計

2 系統(tǒng)應用

房建設備運維監(jiān)管信息系統(tǒng)通過三維建模，發(fā)布車站三維服務，如圖3為原型車站三維場景預覽展示。如圖4在列表中選擇閘機，點擊具體的設備可在三維場景中實現(xiàn)定位。并且展示相關信息，包括基本臺賬、設備圖紙、設備圖片、巡檢記錄、維修記錄、大修記錄。

圖3 三維車站預覽

房建設備巡檢是為了解和掌握房建設備使用功能、技術狀態(tài)、局部病害進行的現(xiàn)場查勘、檢驗等，通過巡檢人員進行日常檢查、定期檢查、春秋檢發(fā)現(xiàn)相關問題，做出記錄，為開展維修大修工作提供依據(jù)。設備巡檢依據(jù)巡檢周期制定巡檢計劃，同時根據(jù)巡檢周期可設置周期提醒功能。不同設備針對不同的檢查內容可設置不同周期，如圖5所示?？砂凑赵O備、部位、周期等進行查詢。

同時針對不同設備巡檢并且登記記錄，如針對雨棚巡檢形成的巡檢記錄，如圖6所示。

3 關鍵技術

3.1 BIM與三維GIS可視化融合技術

（1）三維GIS技術。采用輕量的WebGL技術實現(xiàn)三維場景和模型的繪制、渲染，客戶端無需任何瀏覽器插件。CityEngine通過CGA規(guī)則建立模型的方法，能夠構建模型庫，實現(xiàn)快速調用，而且可以通過制定規(guī)則與數(shù)字地形圖緊密結合，實現(xiàn)大范圍的批量、高效建模，建出的三維模型優(yōu)化后體量較小，在三維地圖環(huán)境中加載速度更快。GIS建模適合批量建模、其建模效率高，適合大場景三維模型。

（2）BIM建模技術。BIM建模軟件建造過程比較精細，可以實現(xiàn)施工前建筑物的可視化，可以模擬搭建檢驗模型沖突的地方，同時可以出工程圖，實現(xiàn)工程方案的檢驗和優(yōu)化。但是建模過程相對復雜，而且不能進行批量建模，一次建模周期較長、效率低，不適合建立大范圍的三維場景。

（3）BIM+GIS融合技術[6]。將BIM的rvt格式通過Revit軟件中的插件轉換為中間格式RVZ，使用ArcGIS中的工具將其轉換為主要提供屬性信息存儲的FeatureClass，導入三維模型導出路線中生成的OBJ文件與屬性文件導出路線生成的屬性文件進行關聯(lián)，最終生成含有屬性信息的多面體（Multipatch）文件并儲存在相應數(shù)據(jù)庫中。這個過程基本由軟件完成，顏色和透明度會保存比較完整，整體效果比較理想。

3.2 房建設備系統(tǒng)化模塊建模技術

針對高速鐵路客運站實際特點，為滿足車站建筑、空調系統(tǒng)、水暖系統(tǒng)等設備設施在復雜空間位置及其相互關聯(lián)關系的直觀展示要求，明確建模范圍，需要準備的資料有車站竣工圖紙、其他專業(yè)竣工圖紙、建模區(qū)域數(shù)字高程模型（DEM）地形圖、建模區(qū)域遙感圖等，采用模塊化系統(tǒng)建模，基于GIS+BIM技術，對外部可見設備以及設備間隱蔽工程進行建模。研究高鐵房建設備的關聯(lián)關系，隱蔽工程各系統(tǒng)設備通路的建模方法和一般規(guī)律。

3.3 海量數(shù)據(jù)量條件下三維地理信息展示與模型優(yōu)化技術

車站內設備類型多、數(shù)量龐大、系統(tǒng)復雜。針對大數(shù)據(jù)量模型實時可視化展示問題，本研究將采用與視點相關的適合大數(shù)據(jù)量三維模型實時繪制的簡單高效的算法，并根據(jù)模型的復雜度的不同對三維地理信息數(shù)據(jù)間隔提取然后渲染，采用抽殼技術和細節(jié)層析技術過濾冗余信息，通過逐次簡化景物的表面細節(jié)來減少場景的幾何復雜性，從而提高繪制算法的效率[10]，保留三維模型必要的結構和現(xiàn)實信息等，并對數(shù)據(jù)進行簡化和壓縮，減少模型瀏覽需要的工作量。保證模型在一定的精度條件下具有較高的壓縮比，從而顯著降低了車站三維地理信息模型的復雜度和計算量；同時有效地簡化三維模型的繪制，提高三維模型實時渲染效率。

3.4 基于空間信息的多維格網(wǎng)劃分技術

本研究以空間信息為基礎，按照區(qū)域進行格網(wǎng)劃分，同時以系統(tǒng)、設備類型、隱蔽工程等多維度建立立體格網(wǎng)，從而能夠對房建設備進行多視角的關聯(lián)分析。多維網(wǎng)格化管理是將車站房建設備按照建筑空間位置、系統(tǒng)影響范圍或者運營管理職責范圍等一定的外在標準劃分成若干網(wǎng)格單元，利用現(xiàn)代信息技術和協(xié)調機制，構建能夠精確監(jiān)控車站設備狀態(tài)、及時進行設備維修決策的虛擬車站，更徹底、更精細的進行設備管理，實現(xiàn)更全面的設備狀態(tài)信息互聯(lián)互通，為車站房建設備閉環(huán)管理提供基礎支撐，這是高速鐵路車站房建設備管理的核心要求。

4 結束語

系統(tǒng)基于房建設備管理相關技術要求與現(xiàn)場實際情況，能夠實現(xiàn)高速車站房建專業(yè)信息相關數(shù)據(jù)的集成可視化管理；在三維場景中實現(xiàn)可見設備與隱蔽工程的基礎展示，包括圖紙等在線預覽功能，可為提高檢修效率提供支持。同時可實現(xiàn)對房建設備檢查、維修以及大修技改的全過程管理，通過GIS和BIM技術深度融合，將進一步提升車站信息化和管理能力。此外，系統(tǒng)試驗已在丹陽北站、天津南站開展試點，研究不同鐵路局的管理方式，做到統(tǒng)籌兼顧，具備應用推廣價值。