郭 欽，劉 奧

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，成為重要的城市公共交通方式。截至2019年底，我國內(nèi)地共有40個城市開通城市軌道交通運營線路，里程共計6736.2 km[1-2]。城市軌道交通車輛基地作為列車停放、檢修、保養(yǎng)的重要場所，隨著線網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大，對運維水平也提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的以人工為主的二維運維模式，已無法滿足當(dāng)前的運維需求，現(xiàn)代化運營手段不足、檢修效率低、時間緊等因素成為城市軌道交通車輛基地高效運營、持續(xù)發(fā)展的阻力[3-5]。

隨著建筑信息模型（BIM）等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展及在城市軌道交通行業(yè)的推廣應(yīng)用，城市軌道交通車輛基地的運維模式逐漸向三維可視化、智能化方向發(fā)展，部分城市已進行了初步的研究和嘗試，但目前仍沒有較好、完整的研究成果和應(yīng)用案例。此外，BIM技術(shù)目前在城市軌道交通設(shè)計、建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛，但在運維過程中應(yīng)用較少。在此背景下，本文將BIM技術(shù)應(yīng)用到車輛基地運維中，創(chuàng)建基于BIM技術(shù)的車輛基地可視化智能運維系統(tǒng)，以提高其運維的效率、可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)技術(shù)路線

本文通過調(diào)研武漢、昆明、溫州等地的城市軌道交通智能運維需求，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的車輛基地可視化智能運維系統(tǒng)，對車輛基地內(nèi)的車輛、工藝檢修設(shè)備、既有信息化系統(tǒng)等進行標(biāo)準(zhǔn)化、集成化管理。該系統(tǒng)通過車輛及檢修設(shè)備數(shù)據(jù)接口，調(diào)取車輛和檢修設(shè)備的運行數(shù)據(jù)；通過構(gòu)建完整的車輛基地BIM模型，對其場景進行1 : 1還原，并將車輛和檢修設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行三維可視化顯示，以實現(xiàn)其可視化智能運維。該系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。

3 系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)的構(gòu)架從底層到頂層分別為：源數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)處理層、支撐層、應(yīng)用層、展示層，如圖2所示。

3.1 源數(shù)據(jù)層

源數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括車輛履歷信息、車輛部件信息、設(shè)備信息、建筑BIM數(shù)據(jù)、車輛BIM數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)等。管理數(shù)據(jù)包括檢修、配屬、故障、配件更換等歷史數(shù)據(jù)，以及占用股道信息、設(shè)備使用記錄等。監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)中為預(yù)留接口，接口通過連

接傳感器、攝像頭等數(shù)據(jù)收集裝備獲取各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、車輛運行維護狀態(tài)及車輛基地建筑實時信息等監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 數(shù)據(jù)接入層

數(shù)據(jù)接入層負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口可連接資產(chǎn)管理、人員調(diào)度等既有系統(tǒng)，以及視頻監(jiān)控、溫度傳感等設(shè)備，并預(yù)留可擴展的其他IoT接口。其中，針對既有系統(tǒng)，數(shù)據(jù)接入的方式是依靠協(xié)議交換數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)方法為軟件數(shù)據(jù)通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集；針對監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)接入的方式是依靠數(shù)據(jù)接口和協(xié)議交換數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)采集器、集成數(shù)據(jù)采集器和單類多功能數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)；針對未來可擴展的其他IoT接口，提前制定了標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議與接口，以保證通用性，減少工作量。

3.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層支持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分層儲存和各類管理，包括歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、增量數(shù)據(jù)等。該層會根據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)和用戶需求對從數(shù)據(jù)接入層獲取到的各類數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化處理，既可避免數(shù)據(jù)冗余，又可對數(shù)據(jù)進行快速查詢和修改等。此外，為保證操作人員可隨時隨地查看相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理層在對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化處理后，會將數(shù)據(jù)傳至云端，完成對接。

3.4 支撐層

支撐層負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運行提供業(yè)務(wù)邏輯的支撐，保證同一用戶在不同模塊中的一致性，實現(xiàn)不同應(yīng)用的互通性，并保證系統(tǒng)能夠自由進行擴展開發(fā)。其功能包括用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理、表單模塊管理、組織結(jié)構(gòu)管理、系統(tǒng)認(rèn)證登錄和系統(tǒng)運行維護。

3.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層為主要功能模塊，用以滿足具體的用戶需求，包括建筑結(jié)構(gòu)、車輛結(jié)構(gòu)及三維文件可視化呈現(xiàn)，BIM文件管理與維護，車輛狀態(tài)及視頻監(jiān)測，設(shè)備狀態(tài)及視頻監(jiān)測等模塊。

3.6 展示層

展示層是系統(tǒng)和用戶交互的界面，支持多類型終端訪問，特別是手機端和電腦端，以便于操作人員在現(xiàn)場使用。同時，展示層充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)的優(yōu)勢，以三維可視化的方式對車輛、設(shè)備、構(gòu)件等的細(xì)節(jié)信息進行展示，并支持拖拽放大、定位功能，便于操作人員從多角度深入探查細(xì)節(jié)信息。

4 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)車輛基地相關(guān)運營需求，車輛基地可視化智能運維系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)對車輛狀態(tài)、主要檢修設(shè)備運行狀態(tài)、車輛檢修過程數(shù)據(jù)的可視化集成顯示，因此建立BIM可視化管理、車輛信息可視化管理、設(shè)備信息可視化管理、監(jiān)控設(shè)備集成管理、基于BIM模型的圖文檔管理5 個功能模塊[6-7]，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

4.1 BIM可視化管理

BIM可視化管理模塊的功能有：①實現(xiàn)BIM模型在可視化系統(tǒng)中的顯示和操作管理，以及BIM模型與實景模型的實時數(shù)據(jù)融合，保證操作人員在系統(tǒng)中獲取的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)相同[8]；②實現(xiàn)BIM模型與實景模型的輕量化，及其在系統(tǒng)內(nèi)的輕量化顯示，確?？焖贋g覽、操作無卡頓[9]；③按照不同專業(yè)類別，對模型進行分層顯示，避免圖元過多造成的視線混亂。為保證系統(tǒng)的流暢性，降低對CPU的占用率，該模塊采取優(yōu)化模型面數(shù)的方式提升系統(tǒng)運行效率，采用同類模型合并技術(shù)提升系統(tǒng)性能，進而實現(xiàn)BIM模型大場景下的操作無卡頓[10]。該模塊界面如圖4所示。

4.2 車輛信息可視化管理

車輛信息可視化管理模塊的功能有：①擬真化顯示車輛基地內(nèi)車輛的關(guān)鍵信息，如在車輛段（場）里的運行狀態(tài)、股道占用情況、實際停留時間、車輛編號、檢修時間、檢修操作、相關(guān)乘務(wù)人員等信息；②通過對數(shù)據(jù)的實時可視化顯示，動態(tài)反映股道空間利用情況（如對車輛進行線區(qū)、股道、列位3級描述）、車輛檢修進展、車輛檢修部件等信息；③集成顯示車輛出庫、入庫位置，以及進行運動軌跡的實時追蹤；④以三維可視化的形式實時顯示車輛靜態(tài)、動態(tài)履歷及零部件等信息，為車輛的全生命周期運維提供數(shù)據(jù)支持[11]。

為實現(xiàn)該模塊功能，需與運營商的各類檢修運營系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口進行對接，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)；接入既有的信息化系統(tǒng)，獲取車輛層次結(jié)構(gòu)目錄索引，并以此為依據(jù)對BIM模型進行管理，將動態(tài)履歷信息與車輛層次結(jié)構(gòu)模型進行融合，實現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)樹與動態(tài)信息的雙向索引。該模塊界面如圖5所示。

4.3 設(shè)備信息可視化管理

設(shè)備信息可視化管理模塊通過與既有工藝設(shè)備的數(shù)據(jù)接口對接，讀取設(shè)備實時運行狀態(tài)信息和車輛相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。其功能有：①顯示設(shè)備基礎(chǔ)屬性信息（規(guī)格參數(shù)、零部件、安裝位置、圖紙資料等）、運行狀態(tài)信息、使用記錄、日常維護保養(yǎng)記錄（設(shè)備保養(yǎng)、潤滑、日常檢、定期檢及專項檢內(nèi)容，檢修人員，檢修日期）等歷史數(shù)據(jù)和動態(tài)信息；②對設(shè)備的BIM模型進行層次結(jié)構(gòu)管理，通過設(shè)備BIM模型查看設(shè)備的基礎(chǔ)臺賬和專業(yè)臺賬，對設(shè)備的專業(yè)屬性進行專項顯示和瀏覽；③實現(xiàn)設(shè)備的分層查看功能，即通過選擇對應(yīng)的設(shè)備查看當(dāng)前設(shè)備或該類設(shè)備的信息，包括不落輪鏇車床、輪對及受電弓在線檢測設(shè)備、洗車機、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、空壓機等[12-14]。該模塊界面如圖6所示。

圖4 BIM可視化管理界面

圖5 車輛信息可視化管理界面

4.4 監(jiān)控設(shè)備集成管理

監(jiān)控設(shè)備集成管理模塊通過與車輛基地既有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，集成監(jiān)控攝像機數(shù)量不少于10 路，聯(lián)機數(shù)不少于30臺。其功能有：①通過對既有監(jiān)控設(shè)備進行二次開發(fā)，實現(xiàn)在BIM模型場景中點擊監(jiān)控模型即可查看該監(jiān)控畫面的功能；②根據(jù)監(jiān)控設(shè)備的不同健康狀態(tài)，將設(shè)備標(biāo)識為不同顏色，同時在設(shè)備發(fā)生故障或預(yù)計需要檢修時發(fā)出警報；③可通過搜索設(shè)備類型和編號，或者在管理界面中拖拽模型，查看設(shè)備資產(chǎn)臺賬信息；④設(shè)備模型可進行旋轉(zhuǎn)，以方便查看具體發(fā)生故障的位置；⑤通過統(tǒng)一安全權(quán)限認(rèn)證技術(shù)，實現(xiàn)對操作人員級別的控制及對權(quán)限動態(tài)配置的管理；⑥ 實現(xiàn)以樹形結(jié)構(gòu)層級查詢的方式查看設(shè)備的完整層次結(jié)構(gòu)，便于用戶快速查找相關(guān)信息。該模塊界面如圖7所示[15]。

4.5 基于 BIM 模型的圖文檔管理

基于BIM模型的圖文檔管理模塊具有圖紙、車輛資料及設(shè)備資料實時查看和管理功能。其中，圖紙管理功能可對所有與車輛基地相關(guān)的竣工圖紙，按照其不同用途以及所屬不同的專業(yè)進行分類管理，實現(xiàn)二維平面圖紙與BIM模型構(gòu)件的關(guān)聯(lián)；可通過選擇專業(yè)以及輸入圖紙相關(guān)的關(guān)鍵詞，快速查找圖紙。車輛和設(shè)備資料管理功能通過外部數(shù)據(jù)接口，將車輛和設(shè)備的安裝調(diào)試手冊、操作維保規(guī)程等文檔信息結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)到三維模型，通過雙向索引實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)信息的快速查看。該模塊界面如圖8所示。

5 結(jié)語

本文以目前城市軌道交通車輛基地實際運營和檢修需求為出發(fā)點，對基于BIM技術(shù)的車輛基地可視化智能運維系統(tǒng)的構(gòu)架和功能進行了詳細(xì)設(shè)計，闡述了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)處理層、支撐層、應(yīng)用層和展示層6大構(gòu)架層級的設(shè)計準(zhǔn)則，以及BIM可視化管理、車輛信息可視化管理、設(shè)備信息可視化管理、監(jiān)控設(shè)備集成管理、基于BIM模型的圖文檔管理5大模塊的功能。該系統(tǒng)還預(yù)留了功能擴展接口，在投入使用后可根據(jù)實際需求擴展其他相關(guān)功能。該系統(tǒng)的研發(fā)可推動車輛基地運維方式從傳統(tǒng)二維操作向三維可視化方向轉(zhuǎn)變，提升車輛基地的運維效率、可靠性和安全性。

圖6 設(shè)備信息可視化管理界面

圖7 監(jiān)控設(shè)備集成管理界面

圖8 基于BIM模型的圖文檔管理界面