王 鼎

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

我國鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)15萬km，并形成八縱八橫的高鐵網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，基于定位系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備等我國鐵路數(shù)據(jù)總量已經(jīng)約有10PB，鐵路大數(shù)據(jù)已然成為鐵路行業(yè)發(fā)展過程中不可忽視的關(guān)鍵一環(huán)[1]。鐵路時空大數(shù)據(jù)在獲取信息和支撐平臺建設(shè)中起到非常重要的作用，而平臺要解決這些海量數(shù)據(jù)的清洗、存儲、共享和應(yīng)用擴(kuò)展等問題。另外，只有通過信息平臺將鐵路方面的相關(guān)數(shù)據(jù)匯集起來再按一定形式發(fā)布出去，才能打通數(shù)據(jù)共享、協(xié)作的壁壘[2]，助力鐵路行業(yè)構(gòu)建高效、協(xié)同、安全新發(fā)展，實現(xiàn)鐵路行業(yè)的高度信息化、智能化發(fā)展。

1 傳統(tǒng)鐵路數(shù)據(jù)平臺現(xiàn)狀與問題

傳統(tǒng)的鐵路數(shù)據(jù)平臺建設(shè)雖然取得了不錯的信息化成果，但是受技術(shù)發(fā)展、經(jīng)費制約、組織方式等因素影響，還是存在著一些問題。首先，前期的鐵路信息化建設(shè)處在打基礎(chǔ)階段，大多缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，短期的計劃沒有考慮長期需求，使得數(shù)據(jù)不能高效集成、有效共享，造成數(shù)據(jù)“遺忘角落”“信息孤島”的現(xiàn)象發(fā)生[3]。其次，鐵路系統(tǒng)各部門、各業(yè)務(wù)單位為了鐵路信息化改造，分別采購BIM、GIS等專業(yè)軟件和鐵路相關(guān)數(shù)據(jù)（地理時空數(shù)據(jù)、工務(wù)時空數(shù)據(jù)等），造成人力、物力、成本的大量浪費。最后，隨著技術(shù)革新升級平臺軟硬件架構(gòu)，可能會導(dǎo)致軟件、硬件、服務(wù)等多方面的信息安全隱患，而已有的信息系統(tǒng)安全防護(hù)措施未達(dá)到風(fēng)險抵御能力級別[4]。

2 基于BIM的鐵路時空信息云平臺構(gòu)建規(guī)劃

基于BIM的鐵路時空信息云平臺是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云計算架構(gòu)并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范和系統(tǒng)安全體系構(gòu)建的，以打造多類型、多時空、多層級的鐵路時空信息云平臺體系。該架構(gòu)如圖1所示，總共分為5層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層。

（1）感知層是層次結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分。該層主要涉及RFID標(biāo)簽、智能終端等物聯(lián)感知終端設(shè)備，傳感器、無人機(jī)等信息收集終端設(shè)備，以及遙感衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等外部資源。

（2）網(wǎng)絡(luò)層位于感知層和數(shù)據(jù)層之間，完成信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成有專用網(wǎng)絡(luò)、公共網(wǎng)絡(luò)和通信衛(wèi)星網(wǎng)，由于有些數(shù)據(jù)屬于不公開涉密信息，因此需要架設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)或通過加密途徑進(jìn)行傳輸。

圖1 基于BIM的鐵路時空大數(shù)據(jù)云平臺架構(gòu)圖

（3）數(shù)據(jù)層。虛擬資源管理，利用云計算的虛擬化技術(shù)對物理計算資源進(jìn)行整合或規(guī)劃。安全虛擬化，有效保障在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下平臺和儲存數(shù)據(jù)不受病毒感染，提高服務(wù)器和操作系統(tǒng)配置的靈活性和運轉(zhuǎn)速度?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)、涵蓋工程項目全生命周期的各類BIM模型數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫根據(jù)存儲內(nèi)容的不同分類為時空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、空間動態(tài)數(shù)據(jù)庫、多源時空數(shù)據(jù)庫、空間媒體數(shù)據(jù)庫。①時空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫：主要存儲由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的時間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和空間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，前者包括基于北斗的守時和授時系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，后者包括全國統(tǒng)一的大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)等數(shù)據(jù)。②空間動態(tài)數(shù)據(jù)庫：該數(shù)據(jù)庫涉及鐵路行業(yè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)。其中，軌跡數(shù)據(jù)為通過北斗定位測量的人員軌跡數(shù)據(jù)、群體軌跡數(shù)據(jù)、貨物軌跡數(shù)據(jù)等。③多源時空數(shù)據(jù)庫：存儲由感知層各種終端設(shè)備所采集來的數(shù)據(jù)、照片、音頻、影像等信息，如RFID標(biāo)簽信息、傳感器采集的檢測數(shù)據(jù)、無人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)和視頻影像等。④靜態(tài)信息數(shù)據(jù)庫：該數(shù)據(jù)庫存儲短時期不會快速變化的數(shù)據(jù)。涉及的數(shù)據(jù)有地圖或地圖集數(shù)據(jù)、BIM模型定位信息、圖紙文檔以及BIM模型構(gòu)件信息及屬性（如尺寸、材質(zhì)、功能）等，其中地圖或地圖集數(shù)據(jù)包括數(shù)字柵格地圖（digital raster graphic,DRG）數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM）數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic,DLG）和數(shù)字正射影像地圖（digital orthophoto model,DOM）數(shù)據(jù)等。

（4）平臺層。該層主要有業(yè)務(wù)支撐平臺和能夠支撐平臺、服務(wù)的運行環(huán)境。業(yè)務(wù)支撐平臺主要提供時空數(shù)據(jù)采集、清洗、計算、挖掘、查詢、預(yù)測、共享發(fā)布等服務(wù)。其他四類功能輔助平臺運行，安全管理有身份認(rèn)證、訪問控制等，主要保障安全性，防止數(shù)據(jù)外泄；中間件引擎有消息隊列、服務(wù)總線等，有效集成各服務(wù)；工作流引擎有流程管理、任務(wù)管理等，改進(jìn)平臺性能；資源管理有負(fù)載均衡、監(jiān)視統(tǒng)計等，使資源調(diào)整更靈活和高效。

（5）應(yīng)用層?；谝陨戏?wù)、功能、業(yè)務(wù)平臺，對鐵路業(yè)務(wù)從規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維全生命周期進(jìn)行智慧化應(yīng)用，比如智能路網(wǎng)供電、智能運行維護(hù)、智慧設(shè)施檢測、智慧鐵路樞紐等。

3 基于BIM的鐵路時空大數(shù)據(jù)云平臺應(yīng)用

3.1 智慧鐵路樞紐應(yīng)用

智慧鐵路樞紐是利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等一系列技術(shù)構(gòu)建一個布局立體、出行便捷、換乘高效且更加人性化的鐵路綜合交通樞紐。基于BIM的鐵路時空大數(shù)據(jù)云平臺的使用，在規(guī)劃設(shè)計階段，結(jié)合4D（DRG、DLG、DOM、DEM）數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)等信息構(gòu)建三維地形實景模型，在模擬環(huán)境中論證規(guī)劃建設(shè)的綜合鐵路樞紐，分析周邊環(huán)境對建設(shè)過程的影響，得到一個資源、環(huán)境、成本多方均衡的規(guī)劃結(jié)果。利用BIM三維可視化，對鐵路樞紐的BIM模型進(jìn)行交通規(guī)劃驗證，優(yōu)化交通站點布局；通過平臺專業(yè)協(xié)同，減少設(shè)計過程中存在的“錯漏缺碰”；分析人員行動路徑，優(yōu)化人流產(chǎn)生的沖突點，改善客流擁擠狀況。

施工運維階段，在設(shè)計BIM模型中輸入材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等信息形成施工BIM模型，各專業(yè)施工人員可從模型仿真中理解施工流程、工藝工法，以此減少施工誤差、工程碰撞發(fā)生。通過BIM技術(shù)模擬施工現(xiàn)場，合理劃分各區(qū)域，形成合理的人車物交互動線。此外，該平臺可對建筑內(nèi)部各設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時，可以輔助管理者對現(xiàn)場做出決策；利用大數(shù)據(jù)分析人員軌跡及行為，及時鎖定并上報危險事件，提升安全管理水平。

3.2 智慧建設(shè)應(yīng)用

基于平臺實現(xiàn)建設(shè)過程多主體協(xié)調(diào)、多專業(yè)集成、多功能整合。在建設(shè)區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)控，通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)將施工狀況實時傳遞給管理人員，以全面管理建設(shè)過程，及時調(diào)整物料資源、施工工序；可在該平臺分類存儲設(shè)計、施工、監(jiān)理、建設(shè)等相關(guān)信息（包括設(shè)計圖紙、工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工影像等），以達(dá)到資源互通、專業(yè)協(xié)同、技術(shù)交換的效果。利用BIM模型進(jìn)行施工圖復(fù)核；利用BIM三維動畫模擬施工進(jìn)度和施工工藝，完成重大結(jié)構(gòu)施工方案、主要工序等的可行性論證；結(jié)合介導(dǎo)現(xiàn)實等技術(shù)，在建設(shè)場景中實現(xiàn)獲取模型構(gòu)件屬性信息、間距測量或構(gòu)件調(diào)整等操作。

3.3 智慧工務(wù)應(yīng)用

既有鐵路工務(wù)巡檢原先主要分為靜態(tài)、動態(tài)檢測，軌檢小車或巡檢作業(yè)車所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是人工、定時產(chǎn)生的，檢測數(shù)據(jù)缺乏實效性和交互性，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和該平臺，用感知層中的設(shè)備檢測鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)和地質(zhì)狀況，監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳遞到平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)清洗并處理后供技術(shù)人員分析預(yù)測，提前防范災(zāi)害、事故[5]。

建立工務(wù)電子地圖，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)屬性、運維狀況、工務(wù)巡檢安全等級范圍展示在地圖上，直觀展示鐵路基礎(chǔ)上設(shè)施的服役、監(jiān)測狀況。建立智慧工務(wù)駕駛艙，通過柱狀圖、熱力圖、儀表盤等可視化技術(shù)全方位展現(xiàn)系統(tǒng)運行、變化趨勢、監(jiān)測指數(shù)等情況，全方位監(jiān)控工務(wù)巡檢工作。

4 結(jié)束語

文章根據(jù)目前鐵路信息化、智能化的實際需求，提出基于BIM的鐵路時空信息云平臺的構(gòu)建，并列出三點適用于不同階段、環(huán)境的應(yīng)用場景，為鐵路行業(yè)良好發(fā)展提供準(zhǔn)確、全面、綜合的服務(wù)信息。