褚靖豫，熊自明，姜逢宇，李先兵，郭宇晶，劉小龍

(1.陸軍工程大學 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007；2.江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000；3.新城控股集團股份有限公司，上海 200062；4.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵運維系統(tǒng)的智能化發(fā)展已成為當今世界發(fā)展的趨勢[1-6]。智慧地鐵運維管理系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)，需要高效的信息采集、強大的空間分析和有效的信息管理。現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)利用率低、可視化程度差、廣度和細節(jié)難以有效結(jié)合等問題制約了地鐵運維系統(tǒng)的發(fā)展。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的結(jié)合，為智慧地鐵運維系統(tǒng)的發(fā)展提供了方向。國內(nèi)外眾多學者針對BIM與GIS結(jié)合實現(xiàn)智慧地鐵運維展開了研究。郭二軍[7]結(jié)合北京地鐵19號線的工程現(xiàn)狀，深入結(jié)合BIM+GIS在現(xiàn)階段地鐵工程中的應(yīng)用難點與痛點，闡述了當前地鐵建設(shè)過程中多元數(shù)據(jù)融合的諸多問題。蘇木[8]針對目前國內(nèi)地鐵中遇到的相關(guān)問題進行研究，通過探討B(tài)IM+GIS技術(shù)在地鐵產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，提出了BIM+GIS技術(shù)的地鐵應(yīng)用思路及在地鐵運營維護管理平臺中的建設(shè)難點。胡林峰[9]通過對BIM+GIS云平臺的探討研究，指出了BIM+GIS數(shù)據(jù)融合中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)難點與理念中的差異，并對融合方式提出了展望。楊國華等[10]著重分析了BIM與GIS技術(shù)在城市地鐵建設(shè)及運維中的模塊構(gòu)成，對其應(yīng)用與云應(yīng)用提出了探討。黃楊成等[11]著眼于基于BIM+GIS的智慧運營維護平臺系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)的深入挖掘研究，不斷架構(gòu)一個三維立體、智慧的服務(wù)創(chuàng)新平臺，便于用戶快速查詢信息，利于管理者分析管理。KANG T W等[12]在研究中提出了將建筑信息模型(BIM)有效集成到基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的設(shè)施管理(FM)系統(tǒng)中的軟件體系結(jié)構(gòu)。Javier Irizarry等[13]將BIM和GIS集成到一個獨特的系統(tǒng)中，用于改善建筑設(shè)備供應(yīng)鏈管理的可視化。

BIM與GIS的融合，極大地促進了地鐵運維系統(tǒng)的智能化、信息化。但目前的研究表明，二者融合在地鐵運維系統(tǒng)中的應(yīng)用還不夠成熟，成果功能較為單一，存在數(shù)據(jù)庫如何合理建立、信息如何有效利用、如何與地鐵運維現(xiàn)狀更加有效結(jié)合等問題。解決好上述問題，實現(xiàn)地鐵智慧運維的目標便可更進一步。針對地鐵運維系統(tǒng)建設(shè)，本文從數(shù)據(jù)規(guī)范角度入手，提出了一種有效的BIM和GIS的數(shù)據(jù)融合方案，并將其運營到地鐵運維系統(tǒng)的建設(shè)中。

1 BIM和GIS融合的基礎(chǔ)

1.1 可行性及必要性

地鐵作為地理空間目標，屬于長度為數(shù)十公里的線狀目標，周圍的地理信息以及地鐵的自身信息對于地鐵來說都至關(guān)重要。將BIM和GIS集成用于地鐵運維系統(tǒng)，具有極好的適用性。BIM和GIS融合可以做到宏觀微觀兼顧，廣度和細節(jié)兼顧。GIS表達了廣度較大的地理信息，主要是建筑物外場地情況以及建筑物外表面情況。BIM表達的是建筑物細致的內(nèi)部構(gòu)造，內(nèi)部建筑的具體組成，各組成構(gòu)件間的相互關(guān)系，以及組成構(gòu)件的具體信息。因此，結(jié)合BIM+GIS技術(shù)將有效解決地鐵全壽命周期中遇到的大多數(shù)問題，有效提高管理標準和管理效率，基于BIM和GIS技術(shù)融合的地鐵運營維護系統(tǒng)，為城市地鐵進入智慧地鐵邁出了堅實的一步。

1.2 BIM和GIS模型的數(shù)據(jù)規(guī)范

1.2.1 IFC規(guī)范

建立BIM模型通常需要按初步設(shè)計、定義族庫、加入基本建筑、加入細部元素和精細化設(shè)計5步來進行。IFC(International Foundation Classes)由IAI(International Alliance for Interoperability)組織制定，是在建筑BIM領(lǐng)域被普遍認可和應(yīng)用的標準，用于在不同的平臺、系統(tǒng)間交換和共享數(shù)據(jù)。IFC使用面向?qū)ο蟮腅XPRESS語言描述，具有良好的平臺無關(guān)性。目前BIM軟件均支持IFC標準的模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。

IFC中劃分為4個功能層：資源層(Resource Layer)、核心層(Core Layer)、界面層(Interoperability Layer)和應(yīng)用層(Domain Layer)。4個功能層遵從階梯架構(gòu)，在具體描述建筑細節(jié)時采用樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 IFC的階梯架構(gòu)

IFC的幾何模型支持邊界表達(B-Rep)、掃描體和構(gòu)造實體幾何(CSG)的自由組合。模型渲染方面，BIM模型中每種材質(zhì)用單獨的貼圖表示。

1.2.2 CityGML規(guī)范

CityGML是一種基于XML的,用于編碼、儲存地理信息的語法格式。CityGML以GML3為基礎(chǔ)，擴展了CityGML Core和Building等模塊，對城市建筑實體對象和對象之間的邏輯關(guān)系做出了定義。具體包括模型的幾何、語義、拓撲、外觀屬性[14]。CityGML是GIS信息處理應(yīng)用于城市領(lǐng)域的重要進展，在國內(nèi)外重要的GIS平臺如ArcGIS、SuperMap等都得到深度支持。本文使用的Cesium平臺也通過開放CityGML轉(zhuǎn)3dTiles的插件實現(xiàn)對該格式的支持。

CityGML使用細節(jié)層次分類，在不同尺度上實現(xiàn)模型幾何和語義的表達。規(guī)范中定義了LOD0、LOD1、LOD2、LOD3、LOD4共5個細節(jié)層次，每個層次表述的細節(jié)如下：

(1)LOD0：大范圍地域模型；

(2)LOD1：將建筑物體量表現(xiàn)為簡單塊體；

(3)LOD2：增加建筑附屬結(jié)構(gòu)和粗模；

(4)LOD3：增加詳細幾何外觀；

(5)LOD4：增加室內(nèi)細節(jié)表達。

CityGML格式的表達特點是幾何和語義的協(xié)同表達[14]。CityGML側(cè)重于城市區(qū)域建筑外部特點的描述，因此使用B-Rep表達幾何模型。語義表達則將面向?qū)ο蟮膶嶓w表達與LOD分層表達相結(jié)合。模型渲染方面，CityGML應(yīng)用于GIS，對大范圍城市場景的表現(xiàn)需求較多，通常使用外部紋理貼圖而非材質(zhì)貼圖做渲染。

2 BIM和GIS融合方案

2.1 BIM和GIS融合方法

使用IFC格式表示的BIM模型和使用CityGML格式表達的GIS模型目的都是對建筑物進行三維表達，但應(yīng)用領(lǐng)域不同導(dǎo)致側(cè)重點不同。IFC和CityGML的主要異同點如表1所示[14]。

表1 IFC和CityGML的主要異同點

IFC模型和CityGML模型僅能從幾何信息、屬性信息及相關(guān)類出發(fā)進行數(shù)據(jù)融合。融合后的模型將通過GIS平臺進行展示，因此數(shù)據(jù)融合應(yīng)以用CityGML表示大場景和模型外表面，用IFC表示模型內(nèi)部細節(jié)構(gòu)造為思路進行，以CityGML結(jié)構(gòu)為框架，將IFC數(shù)據(jù)格式處理后作為細節(jié)填充。構(gòu)造CityGML各LOD層級模型方法可概括為：

(1)LOD1模型：從IFC模型中提取IfcSlab、IfcWall、IfcBuildingStorey組成建筑外部塊體模型。

(2)LOD2模型：從IFC模型中提取IfcBeam、IfcRoof、IfcColumn，豐富建筑外部細節(jié)。

(3)LOD3模型：從IFC模型中提取IfcDoor、IfcWindow等數(shù)據(jù)，對LOD2模型的建筑外輪廓進行豐富。

(4)LOD4模型：從IFC模型中提取IfcSpace、IfcFurnishingElement等數(shù)據(jù)，對LOD3模型內(nèi)部細節(jié)進行補充，達到可以進行室內(nèi)漫游的LOD4精度要求。

BIM數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換方法可概括為：

(1)提取、篩選IFC文件中所需族內(nèi)容和參數(shù)。提取數(shù)據(jù)分為對幾何數(shù)據(jù)的提取和對語義信息的過濾。提取幾何數(shù)據(jù)時，需對模型進行幾何轉(zhuǎn)換和坐標轉(zhuǎn)換；過濾語義信息時，需按構(gòu)件屬性進行過濾。

(2)重構(gòu)并生成多LOD模型。根據(jù)轉(zhuǎn)換后的幾何數(shù)據(jù)進行幾何重構(gòu)，并將語義信息按LOD精度需要進行分類后，依據(jù)LOD精度要求進行重構(gòu)。

(3)模型優(yōu)化。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和可視化結(jié)果兩方面對以上結(jié)果進行檢查，生成符合標準的CityGML文檔。

2.2 地鐵運維系統(tǒng)中BIM和GIS融合方案

實現(xiàn)地鐵運維系統(tǒng)的可視化管理，首先必須建立地鐵站的三維模型。在本文涉及的工程項目中，前期已根據(jù)模型的應(yīng)用階段制定了BIM建模方案，依照方案確定了各部分的建模精度，之后進行了全項目的BIM建模。BIM建模精度為LOD500水平，表2中列出了模型的精度水平對應(yīng)的應(yīng)用范圍。

表2 BIM建模的各族精度

依據(jù)地鐵運維系統(tǒng)開發(fā)的需求，從前期模型數(shù)據(jù)中篩選，得到運維系統(tǒng)所需的BIM模型數(shù)據(jù)庫,如表3所示。

表3 運維系統(tǒng)所需的BIM模型數(shù)據(jù)庫

融合后的模型按4個LOD顯示，且不同LOD對模型的精度要求不同，如表4所示。根據(jù)LOD精度要求，可將模型分為體塊模型、基礎(chǔ)模型、標準模型、精細模型。依照分類原則，對以上模型類型在不同LOD下進行分類。分類后，按上述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟，對BIM和GIS數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、融合。

表4 融合后的模型的分級顯示

3 基于BIM+GIS的運維系統(tǒng)構(gòu)建及主要功能實現(xiàn)

3.1 運維系統(tǒng)平臺的構(gòu)建

基于BIM+GIS的智慧地鐵設(shè)備運維系統(tǒng)以開源GIS平臺Cesium為基礎(chǔ)進行搭建。系統(tǒng)分為基礎(chǔ)平臺、功能模塊、底層數(shù)據(jù)三個層級。三個獨立功能模塊在接收指令后從統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果在可視化平臺中進行展示。系統(tǒng)的框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 地鐵運維系統(tǒng)框架設(shè)計

3.2 基于智慧運維系統(tǒng)的主要功能實現(xiàn)

3.2.1 設(shè)備智慧巡檢

智慧地鐵設(shè)施管理信息系統(tǒng)中的中心服務(wù)器可以記錄每個巡檢或檢修人員的運動軌跡、速度，統(tǒng)計在巡檢路徑上設(shè)定的重要設(shè)備“關(guān)注點”附近的“關(guān)注時間”、行進時間、靜止時間等重要指標，為進一步進行“巡檢/檢修人員績效評估”、“巡檢路徑和時間優(yōu)化”、“最佳逃生路徑”等分析提供大數(shù)據(jù)。

基于對大數(shù)據(jù)的采集、處理，地鐵運營公司可以以此來提高資源利用率、研發(fā)新成果加以應(yīng)用、做出更合理的工作布局等。綜合大數(shù)據(jù)和高效能的分析，將有利于：

(1)快速找出故障、問題和缺陷的來源，以此為公司降低資金成本。

(2)綜合所有在線工作人員的工作日程及工作內(nèi)容，實時評定工作人員的工作績效，從而提高企業(yè)效率。

(3)事故發(fā)生時，分析所有可逃生路徑，以安全、效率最大化為目標來制定逃生路線。

(4)根據(jù)設(shè)施設(shè)備的損壞及故障程度，為巡檢人員提供高效的巡檢路線。

此外BIM、GIS與室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)合還為巡檢和檢修人員導(dǎo)航快速找到陌生設(shè)備，以及快速調(diào)取系統(tǒng)中該檢修設(shè)備的相關(guān)資料提供自動定位關(guān)聯(lián)操作。檢修人員只要到達待檢修設(shè)備旁邊，移動終端檢修系統(tǒng)上的地圖就會根據(jù)人員的位置突出顯示其旁邊的設(shè)備，在地圖上點擊相關(guān)設(shè)備即可調(diào)取該設(shè)備的相關(guān)資料，實現(xiàn)信息的快速獲取，提高了工作效率。

3.2.2 設(shè)備故障預(yù)警與智能維修

設(shè)備故障預(yù)警與智能維修功能，是基于BIM模型中提供的設(shè)備信息及GIS平臺對設(shè)備的定位，實現(xiàn)對運維階段的地鐵設(shè)備使用狀況的持續(xù)跟蹤監(jiān)控，對可能出現(xiàn)故障的設(shè)備提前預(yù)警。當設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容，及時對設(shè)備信息、設(shè)備故障類型、故障影響范圍、維修方案等做出研判。系統(tǒng)功能主要通過以下模塊實現(xiàn)：

故障預(yù)警及可視化分析：依托設(shè)備運行監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備故障實時檢測、自動報警、故障影響范圍可視化展示(比如某個水泵損壞，這個設(shè)備的影響范圍有哪些下級設(shè)備，同時在BIM+GIS可視化平臺展示出來)。

故障智能診斷：建立設(shè)備常見故障診斷知識庫，實現(xiàn)常見故障的自動診斷。

故障智能處置：建立設(shè)備常見故障處置方法知識庫，并基于BIM將各種故障處置方法步驟模擬三維可視化，便于維修人員理解掌握，實現(xiàn)常見故障的智能處置。

耗材與備件調(diào)配：與EM系統(tǒng)對接，存儲與管理耗材和備件，并可定位查詢耗材和備件的詳細情況。設(shè)備發(fā)生故障時，根據(jù)設(shè)備故障處置方法，計算所需耗材和備件的數(shù)量，依據(jù)耗材和備件所在位置，計算確定耗材與備件的最優(yōu)調(diào)配方法。

維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計與智能分析：報修記錄中，根據(jù)數(shù)據(jù)自動計算出故障率，并按照故障原因?qū)⑵浞诸?，同時用列表列出故障率最高的前五項；統(tǒng)計報修時間到維修、響應(yīng)時間(0.5 h內(nèi)，0.5 h～1 h，1 h～2 h等)分別是多少，所占比例多少。

計算每種故障的平均維修總時間(總的維修時間算術(shù)平均值)、響應(yīng)時間(發(fā)到維修人員處的時間減去報修時間)、處理時間(維修完成時間減去接到報修時間)、維修總的時間(維修完成時間減去報修時間)。

故障記錄：每種設(shè)備類型設(shè)備的維修率，每個供應(yīng)商的設(shè)備維修率，列表列出各項的前五名。

3.2.3 應(yīng)急智能處置設(shè)備故障

應(yīng)急智能處置功能是基于BIM的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使用系統(tǒng)中的規(guī)劃算法，對可能出現(xiàn)的緊急情況和緊急情況出現(xiàn)時的設(shè)備運轉(zhuǎn)、人員疏散做出應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急處置主要通過以下模塊實現(xiàn)：

疏散路線規(guī)劃：基于室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)火災(zāi)、恐怖襲擊等災(zāi)害事故的疏散逃生路線規(guī)劃，即：根據(jù)人員位置信息，基于規(guī)劃算法優(yōu)化，計算出最優(yōu)的一條疏散逃生路線。

內(nèi)澇淹沒分析：分析計算水淹到什么位置，淹沒哪些設(shè)備。

應(yīng)急預(yù)案與仿真：存儲與管理應(yīng)對各種災(zāi)害事故的應(yīng)急預(yù)案；應(yīng)用BIM+計算機模擬仿真技術(shù)動態(tài)展示與分析應(yīng)急預(yù)案，輔助決策。利用應(yīng)急預(yù)案仿真推演，以三維可視化形式，對地鐵人員進行安全培訓(xùn)教育，對乘客進行安全警示教育。

4 結(jié)論

地鐵運維系統(tǒng)的智能化發(fā)展需要更加先進的信息采集、空間管理、信息分析的手段。本文從數(shù)據(jù)規(guī)范角度，論述了BIM和GIS數(shù)據(jù)融合過程中需解決的技術(shù)問題。詳細介紹了BIM模型采用的IFC格式和GIS模型采用的CityGML格式的應(yīng)用范圍、組織表達方式和編碼格式。

基于以上論述，給出了以CityGML模型為框架，將IFC數(shù)據(jù)按照LOD精度要求進行細節(jié)填充的數(shù)據(jù)融合思路，并給出了構(gòu)造CityGML各LOD層級模型方法和BIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理方法。根據(jù)以上方法，給出了在地鐵運維系統(tǒng)中實現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)融合的方案。

通過BIM與GIS技術(shù)相互融合的方式，實現(xiàn)對幾何空間、坐標系統(tǒng)、物體屬性等信息的融合，進而實現(xiàn)地鐵智慧巡檢、智能維修和應(yīng)急智能管理等智慧功能。通過采集、分析、管理一體化的方式，將智慧地鐵的實現(xiàn)推向與智慧城市建設(shè)一脈相承的偉大戰(zhàn)略布局，城市地鐵將不僅立足于公共交通，更為整個城市的智慧建設(shè)添磚加瓦。