王言，劉啟鋼，周凌云

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

1 概述

隨著鐵路信息化發(fā)展越來越成熟，鐵路運維管理系統(tǒng)朝著高度整合、自動化的方向發(fā)展，其種類與功能越來越全面，日常運維管理的各項要求也越來越高，運營與維修難度逐步增加。目前分專業(yè)的鐵路運維管理系統(tǒng)均形成“鐵路局集團公司—站段—工區(qū)”的三級信息化管理體制[1]，除個別綜合計劃下不同專業(yè)聯(lián)合開展設施設備維修保養(yǎng)等工作以外，現(xiàn)行仍以單專業(yè)自行運維為主，管理方法較傳統(tǒng)，無法有效滿足我國高速鐵路快速發(fā)展下精細化、高效化、標準化運維管理要求，迫切需要提高運維信息化水平[2-3]。

鐵路運維管理階段作為建設期的延伸，在鐵路基礎設施全生命周期中的持續(xù)時間最長，是鐵路基礎設施全生命周期管理的重要組成部分，鐵路運維管理階段信息化水平的提高能有效提升鐵路運營維護管理效率。基于BIM技術的鐵路綜合運維管理體系使用可視化、智能化的手段將分專業(yè)運維管理系統(tǒng)集成于同一平臺，打破了傳統(tǒng)單專業(yè)分散運維管理模式，為鐵路各級管理部門日常運輸生產(chǎn)和運營維護工作提供更加智能化、標準化、集成化的決策信息，因此有必要開展基于BIM技術的鐵路運維管理系統(tǒng)研究，以提高運維管理水平與效率。

2 鐵路運維管理體系現(xiàn)狀

我國鐵路信息化技術較為成熟、穩(wěn)定性高，設備設施的應用較為全面。但目前鐵路運維管理體系以單專業(yè)為主，采用傳統(tǒng)的口頭通知、紙質(zhì)文件、參會決策等形式，管理過程環(huán)節(jié)較多、程序繁瑣、效率較低，直接面對生產(chǎn)一線的運維人員工作較為粗放，主要依靠經(jīng)驗進行設備維護與維修。其原因可總結為以下幾方面。

2.1 各階段數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，較難集成化應用

由于鐵路運維階段的圖紙和各種紙質(zhì)資料大多由規(guī)劃方、設計方、施工建設方、咨詢方等眾多參與方提供，各階段對資料數(shù)據(jù)的使用程度不同，且編碼原則和規(guī)范不統(tǒng)一，導致各階段保存的資料與數(shù)據(jù)精細化程度不同，信息溝通和傳遞易出現(xiàn)問題，在運維階段較難進行規(guī)范化管理，數(shù)據(jù)集成性亟待加強。

2.2 各專業(yè)運維系統(tǒng)信息不互通，亟需關聯(lián)和更新

鐵路系統(tǒng)由工務、電務、供電等多專業(yè)組成，當前鐵路運維管理以單專業(yè)應用為主[4-5]，運維管理過程中各專業(yè)之間人員分散、維修設備與系統(tǒng)多樣，維修計劃信息較難集中化管理，且于定期綜合會議階段各專業(yè)工區(qū)工長進行有效溝通的時機有限，需在后續(xù)工作過程中重復溝通以確認施工計劃，導致綜合維修時工作效率受到影響，制約運維管理工作的進一步高效進行。

2.3 二維數(shù)據(jù)資料缺乏直觀性，較難充分利用

傳統(tǒng)鐵路運維信息系統(tǒng)中設計、施工等階段留存的設計圖紙、竣工圖紙、施工記錄、裝配圖等常以多個二維信息展示，首先因不注重細節(jié)而在保存過程中容易產(chǎn)生較多圖紙錯誤，同時多個二維信息的獲取也不便捷且耗時較多，解讀各設備或構件的數(shù)據(jù)常需要較高的專業(yè)知識，運維人員難以全面理解數(shù)據(jù)反映的設備狀態(tài)，導致收集到的數(shù)據(jù)資料無法被充分利用[6]。

2.4 信息化手段有限，無法對故障進行預警

目前鐵路各專業(yè)信息系統(tǒng)應用較為普遍，系統(tǒng)開發(fā)技術也較為成熟，如PWMIS工務管理信息系統(tǒng)、SCADA電力系統(tǒng)、OPMS計劃調(diào)度管理系統(tǒng)等，但現(xiàn)有系統(tǒng)一般以設備監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)督、數(shù)據(jù)采集與存儲、信息展示等功能為主，除較明顯的設施設備故障可被自診斷系統(tǒng)識別，由系統(tǒng)提示報修外，尚無法依據(jù)設備使用過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)對故障進行預警[7]，仍需要通過大量人工維修經(jīng)驗對信息進行檢索、分析來判斷故障程度，導致人工成本較高、工作效率較低。同時由于功能需求的不明確有時甚至存在對同一問題不同監(jiān)測系統(tǒng)給出相互矛盾的分析意見，給現(xiàn)場運維帶來一定困擾。

3 基于BIM的鐵路運維管理體系建設思路

BIM技術是近年在計算機輔助建筑設計領域出現(xiàn)的新技術，以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)為基礎建立完整的、高度集成的建筑工程項目信息化模型，從而在建筑工程設計、施工及運維管理等全生命周期內(nèi)，提高建筑工程的信息化、集成化程度[8-9]。目前國內(nèi)外BIM技術應用主要集中在建筑領域的設計、建造階段，鐵路運維階段的應用暫未涉及[10]。針對目前鐵路運維管理存在的問題，為更好利用BIM技術改善現(xiàn)有鐵路運維管理中的不足，應從以下幾方面開展鐵路運維管理體系的研究與建設。

3.1 構建標準體系

為避免基礎代碼編碼方案不一致帶來的問題，需要制定運維管理階段集中存儲圖紙、資料、文檔的標準化動態(tài)數(shù)據(jù)庫。研究設計、施工等階段模型向運維階段模型的數(shù)據(jù)標準化交付內(nèi)容與管理辦法，設立統(tǒng)一的編碼標準，建立分專業(yè)BIM運維管理編碼體系，使模型的建模精度、信息粒度等滿足運維精細化需求，實現(xiàn)運維信息的集成管理和應用。

3.2 數(shù)據(jù)關聯(lián)機制

在鐵路建設過程中，由于各階段各專業(yè)之間使用的軟件不同，為解決運營維護信息不互通的問題，通常使用數(shù)據(jù)接口層對不同來源、格式的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，在建立基于工業(yè)基礎類（Industry Foundation Classes，IFC）標準的數(shù)據(jù)庫基礎上，使支持兼容的應用軟件進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)信息的導入和導出；對于不支持IFC標準的應用軟件，通過數(shù)據(jù)轉換接口，實現(xiàn)跨平臺無縫對接，最終達到信息的關聯(lián)與更新。

3.3 可視化展示手段

以BIM、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）等技術作為支持，利用系統(tǒng)的BIM三維可視化引擎，等比例制作實際車輛、橋隧、軌道、站房等建筑設施設備的仿真模型，在模型基礎上制作帶陰影的三維視圖、照片級真實感的渲染圖、動畫漫游等虛擬仿真，形象展示設施設備的位置、規(guī)格、尺寸等信息，直觀體現(xiàn)鐵路各專業(yè)設施設備維修進度與效果，更有效地反映構件間的反饋性和互動性，為決策者、施工人員提供更直觀的理解與感受，從而更好地幫助運維人員開展運營維護工作。

3.4 故障預警機制

基于BIM技術的鐵路運維系統(tǒng)故障預警機制以故障等級進行劃分，依據(jù)故障部件和影響程度建立同一設備在不同故障等級下的分級管理機制，并按不同故障等級啟動相應的處置預案，旨在將維修方式從事后維修、定期維修轉變?yōu)橐暻榫S修、預防性維修。故障預警系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)處理方法（數(shù)據(jù)預處理、特征處理等）、狀態(tài)檢測方法（設備動態(tài)參數(shù)如溫度、振動、應力等）、健康評估方法（綜合狀態(tài)評估、剩余壽命預測等）、分級處理方法等，為不同層級與崗位的用戶推送需要的內(nèi)容，便于管理與維修人員全面掌握信息、快速做出決策。

4 基于BIM技術的鐵路運維管理平臺總體架構

為提高鐵路運維管理現(xiàn)代化水平，實現(xiàn)運維系統(tǒng)的科學管理，合理、有效地分配資金、材料、人力和作業(yè)時間，保持鐵路設備的良好使用狀態(tài)，保障運輸生產(chǎn)安全，需要研發(fā)基于BIM技術的鐵路運維管理平臺。搭建鐵路運維管理平臺需充分考慮各專業(yè)運維系統(tǒng)的業(yè)務需求和持續(xù)支持信息化運維業(yè)務的工作需求，主要體現(xiàn)在鐵路運維階段分專業(yè)數(shù)據(jù)臺賬的采集、存儲、管理、訪問，基礎設施設備模型信息的查詢、瀏覽、管理，以及日常生產(chǎn)維修計劃的制定、下達、管理等。

基于BIM技術的鐵路運維管理平臺主要由用戶端、綜合運維管理系統(tǒng)、既有分專業(yè)運維管理系統(tǒng)、基礎數(shù)據(jù)庫、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)標準、保障體系以及傳輸網(wǎng)絡等組成（見圖1）。

4.1 用戶端

鐵路運維管理平臺用戶端分為PC端與移動端，其面對鐵路運維管理各方參與者，主要滿足包括中國國家鐵路集團有限公司、鐵路局集團公司、站段、車間、工區(qū)等五級部門的運維管理業(yè)務需求，涉及運營管理單位對設計、施工、建設期等的工程數(shù)據(jù)的綜合應用，包括施工計劃上報與安排、綜合施工協(xié)調(diào)、調(diào)度指揮、安全質(zhì)量與應急管理、資產(chǎn)臺賬管理、設施設備監(jiān)控與預警、運行環(huán)境感知等，以及涉及運維管理各關聯(lián)結構的第三方應用等。

圖1 基于BIM技術的鐵路運維管理平臺總體架構

4.2 前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）組成的底層數(shù)據(jù)收集裝置，對設施設備狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，為運維管理平臺提供數(shù)據(jù)來源，為設施設備運維檢修提供依據(jù)。

4.3 基礎設施綜合運維管理系統(tǒng)

基于BIM技術的鐵路基礎設施綜合運維管理系統(tǒng)與工務、電務、供電、房建等分專業(yè)運維管理系統(tǒng)通過傳輸通道（如鐵路局集團公司網(wǎng)絡、4G等）進行設備的數(shù)據(jù)傳輸，將既有運維管理需求進行整合，面向分專業(yè)實現(xiàn)協(xié)同綜合運維檢修計劃編制、檢修任務排班、檢修任務調(diào)度等功能，以及鐵路運維統(tǒng)一計劃、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一排班、統(tǒng)一管理等。

4.4 運維基礎數(shù)據(jù)庫

為了實現(xiàn)設計、施工、建設階段的鐵路基礎信息數(shù)字化移交，支撐鐵路運維管理平臺的建設與運行，構建鐵路運維基礎數(shù)據(jù)庫以集中存儲與管理鐵路建設期各階段基礎數(shù)據(jù)。基礎數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)、BIM模型、建設階段數(shù)據(jù)及GIS數(shù)據(jù)等。

4.5 信息模型數(shù)據(jù)標準

鐵路運維信息模型數(shù)據(jù)標準是實現(xiàn)運維階段各類數(shù)據(jù)規(guī)范化應用的基礎。為滿足運營單位實際需求，需要建立5級精度的竣工、交付模型，分為信息深度和幾何深度，且均應達到4級深度才可較詳細地對設施設備進行描述（見表1、表2）。

表1 信息深度表

表2 幾何深度表

4.6 運維網(wǎng)絡平臺保障體系

由于鐵路運維管理平臺基于開放的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境運行，且運維階段不同層級管理單位眾多，存在一定的信息安全風險。運維網(wǎng)絡平臺的安全保障體系應從用戶、物理、網(wǎng)絡、主機、應用、數(shù)據(jù)等各方面的日常運維管理流程中切實找準風險點，建立流程化、規(guī)范化、標準化的平臺安全管理方法，從管理方針、管理規(guī)范、操作規(guī)程等方面制定完善的平臺安全保障機制，保障鐵路運維管理平臺的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

5 展望

基于BIM技術的鐵路運維管理是對傳統(tǒng)運維管理模式的創(chuàng)新，將使鐵路運維管理信息化邁上新的臺階，BIM技術的不斷發(fā)展不僅將帶動運維管理水平的提高，更將在鐵路行業(yè)發(fā)揮更加深遠的作用，主要體現(xiàn)為以下3個方面。

（1）運維管理水平不斷提高。隨著BIM技術在鐵路運維管理階段的逐步應用，管理、數(shù)據(jù)、應用方的需求促使新技術、新理念的不斷涌現(xiàn)、更新，將形成運維管理體系自身發(fā)展的良性循環(huán)，必將帶動鐵路運維管理工作水平的不斷提高。

（2）鐵路全生命周期管理?；贐IM技術的鐵路運維管理體系的不斷發(fā)展與完善，為各級管理方提供更為豐富的數(shù)據(jù)、信息與服務，通過與鐵路規(guī)劃、建設等其他階段信息的交互，為鐵路新線選線、規(guī)劃設計、建設階段提供更好的決策支持。

（3）智慧鐵路的發(fā)展。目前基于BIM技術的鐵路運維管理將暫以單條鐵路線路進行試點，實現(xiàn)運維管理的智能化，而智慧鐵路是區(qū)域性甚至全國性鐵路信息系統(tǒng)的高級融合，在鐵路實現(xiàn)全生命周期管理的基礎上，將達到管理方、技術方、用戶等不同需求方的鐵路分類信息高度展示。

6 結束語

在鐵路行業(yè)運營維護管理現(xiàn)狀分析的基礎上，探討我國鐵路運維管理體系應用BIM技術的建設思路，研究基于BIM技術的鐵路運維管理平臺總體架構，并對基于BIM技術的鐵路運維管理體系未來的發(fā)展進行了展望。BIM技術在鐵路運維管理階段的應用，將極大地加快鐵路信息化、數(shù)字化建設進程，對整個鐵路行業(yè)也必將產(chǎn)生深遠影響。