臧 釗

（中國鐵路北京局集團有限公司 科技和信息化部，北京 100860)

0 引言

人工智能、5G通訊、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據等技術不斷推陳出新，在鐵路工程領域正逐步向智能化、一體化運用發(fā)展，未來將形成以工程建設和管理運營為核心的“建管并用”體系。京張高速鐵路(北京北—張家口)是我國第一條設計時速350 km的智能高速鐵路示范線，同時也是2022年北京冬奧會的重要交通保障線，其開通運營標志著冬奧會配套建設取得了新進展，有利于京津冀一體化協(xié)同發(fā)展[1]。

現(xiàn)階段，京張智慧高速鐵路已經實現(xiàn)了BIM的協(xié)同化設計、數(shù)字化制造和智能化施工等技術，建成了基于BIM+GIS技術的工程管理平臺，實現(xiàn)了自動化采集數(shù)據和信息互聯(lián)的建設，支撐各方協(xié)同管理和決策優(yōu)化。在此基礎上，充分發(fā)揮“建管并用”思想引入運行維護管理理念。因此，研究采用的數(shù)字孿生技術生態(tài)體系，是以云、網、端為主要構成，將BIM融合GIS技術，開展空地一體的京張高速鐵路智能化運維平臺構建，實現(xiàn)對真實基礎設施的虛擬化展示和數(shù)字信息化管理與共享，實時映射設備設施的運行態(tài)勢，疊加運維階段分析能力，有效提升運維階段設施設備的管理水平；通過整合鐵路各管理系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據，逐步接入京張高速鐵路一體化運維平臺，建立標準的數(shù)據目錄，提供完善的數(shù)據共享方式，進而實現(xiàn)基礎數(shù)據信息的綜合管理和共享共用[2]。

1 鐵路工程領域BIM與GIS技術現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家十分重視鐵路工程技術的智能化發(fā)展，BIM+GIS技術研究起步較早。法國國家鐵路公司基于“歐盟Shift2Rail”計劃，研究創(chuàng)新智能鐵路(In2Rail)項目，在2015年提出數(shù)字化法鐵(DIGITAL SNCF)戰(zhàn)略[3]，促進鐵路工程建設的數(shù)字化、智能化發(fā)展，并為此提供政策支撐。2016年德國提出“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”(鐵路4.0)，旨在實現(xiàn)智能化運營系統(tǒng)，形成以客戶為中心的服務體系等目標[4]；2017年11月，BIM和GIS融合迎來新時代，在拉斯維加斯聯(lián)盟發(fā)布會上，BIM行業(yè)和GIS行業(yè)的Autodesk和Esri公司宣布合作，雙方計劃在BIM與GIS技術間建立橋梁，為各行各業(yè)提供更優(yōu)的基礎數(shù)據[5]。

我國鐵路工程領域依托京張高速鐵路等重大重點項目的建設，實現(xiàn)了鐵路工程建設全生命周期管理。楊國華等[6]重點分析在城市地鐵建設及運維中BIM與GIS技術的各個功能模塊實現(xiàn)，并探討對城市地鐵運維的應用價值與云應用。李寬麗[7]研究了 BIM 技術與地鐵運營階段安全管理的結合，以提高地鐵運營階段安全管理信息化水平。韓亮亮[8]提出了動車運用所數(shù)字孿生總體技術架構，實現(xiàn)了模型數(shù)據與業(yè)務數(shù)據的映射交互。

2 BIM融合GIS的數(shù)字孿生技術研究

數(shù)字孿生實質是由物理實體與之對應的數(shù)字模型和保證數(shù)字模型之間通信的線程構成，由軟件和系統(tǒng)數(shù)字孿生體等數(shù)字實體與管理部門形成的工作域，通過傳感器實現(xiàn)數(shù)字模型和物理實體之間狀態(tài)同步，共同構成物理實體和數(shù)字模型的映射體[9]。

數(shù)字孿生京張智慧高速鐵路運維平臺是將BIM與GIS技術映射一套虛擬的京張高速鐵路空間模型數(shù)據。BIM技術[10]用來實現(xiàn)對設備設施的內部物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達；三維GIS技術用來表達數(shù)據結構、空間分析和顯示宏觀地理空間信息[11]。因此，BIM融合GIS技術實現(xiàn)京張高速鐵路車站場景和動車等設備精細構件的集成共享與三維可視化運維管理，有效提高管理標準和全生命周期應用管理，為京張高速鐵路智能運維研究提供重要技術支撐。

BIM與GIS融合實現(xiàn)了數(shù)據格式轉換、數(shù)據標準擴展，BIM采用工業(yè)基礎類 (Industry Foundation Classes，IFC)標準，GIS采用城市地理標記語言 (City Geography Markup Language，City GML)標 準[12]。首先根據語義重構分割(LOD)模型，以Reivt軟件為輔助建模軟件，建立京張高速鐵路三維BIM模型；其次以City GML結構為框架，將IFC數(shù)據格式處理后作為細節(jié)填充，在應用過程中進行幾何模型變化以及多層級語義信息分類映射，將BIM與三維GIS實現(xiàn)數(shù)據融合，融合后的模型及數(shù)據通過三維GIS平臺進行展示。BIM模型與GIS融合技術路線如圖1所示。

圖1 BIM模型與GIS融合技術路線Fig.1 Technical roadmap for integration of BIM model and GIS

3 基于數(shù)字孿生的京張高速鐵路智能化運維總體技術框架

京張高速鐵路“數(shù)字孿生”智能化運維總體技術框架，采用系統(tǒng)論方法，將空中和地上空間場景中所有組成部分作為一個生命共同體，形成一個可持續(xù)發(fā)展的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)；通過數(shù)據－模型－知識有機集成，具備對歷史問題診斷、當前狀態(tài)評估以及未來趨勢預測的能力，實現(xiàn)京張高速鐵路數(shù)字孿生智能化與信息化建設運維共管共用。

通過建立三站(清河、張家口、八達嶺)三隧(清華園、八達嶺、正盤臺)一區(qū)段(八達嶺隧道出口至康莊特大橋)全專業(yè)精細化模型，在工程建設期依托BIM+GIS工程管理平臺開展了建設管理和“三站三隧”等精益化的施工應用。由BIM模型承載設計、施工過程、設備資產等數(shù)據，交付于運行維護管理，為基礎設施全壽命周期管理奠定基礎，形成基于數(shù)字孿生的建設方案，為京張高速鐵路運維平臺建設提供數(shù)據結構組織有序、動態(tài)感知、易于維護的數(shù)字孿生工程，運維平臺整體架構如圖2所示。

圖2 運維平臺整體架構Fig.2 Overall architecture of operation and maintenance platform

（1）感知層。通過北斗應用、地震預警、災害監(jiān)測、視頻分析等平臺，利用物聯(lián)網、5G、鐵路專網進行信息采集匯總，實現(xiàn)對京張高速鐵路基礎設施運行狀態(tài)、地理位置、空間全景等全信息的采集、接入與集成。

（2）數(shù)據層。主要由京張高速鐵路的基礎資源數(shù)據和動車組業(yè)務資源數(shù)據構成，進行數(shù)據存儲和訪問處理。其中，基礎資源數(shù)據包含元數(shù)據資源庫、用戶資源庫、角色資源庫和組織結構資源庫，作為業(yè)務資源數(shù)據的元數(shù)據和系統(tǒng)數(shù)據。動車組業(yè)務資源數(shù)據包含運行監(jiān)控、動車信息、報警、維修維護、資產調度、數(shù)字孿生業(yè)務資源庫。

（3）應用層。智能化運維平臺基于BIM+GIS技術實現(xiàn)三維場景搭建及數(shù)據融合，包含京張高速鐵路設備設施基本信息管理、設備設施運行監(jiān)控、動車故障預警、維修管理、災害預警與生產管控、智能調度分析等數(shù)字孿生智能化功能。

（4）展示層。支持PC、移動端訪問，實現(xiàn)京張高速鐵路空地一體智能運維平臺的可視化、可管理化。

4 基于數(shù)字孿生的智能化運維平臺主要功能

基于BIM與GIS技術的運維平臺融合鐵路北斗應用服務平臺、高速鐵路自然災害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預警系統(tǒng)，將空地一體化系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據注入“數(shù)字孿生”體中，主要功能包含設備設施基本信息管理、設備設施運行監(jiān)控、動車故障預警、維修管理、災害預警與生產管控及智能調度分析。

4.1 設備設施基本信息管理

基本信息管理功能運用BIM技術規(guī)范化組織和整理京張高速鐵路的設備設施基本信息，運維人員可快速掌握設備型號、規(guī)格、生產廠家、所在位置、運行狀態(tài)、維修記錄等信息，實現(xiàn)京張高速鐵路基本信息的有效查詢和管理并提供完整、準確的生命周期信息。

4.2 設備設施運行監(jiān)控

設備運行監(jiān)控功能采用標準網絡管理協(xié)議、物聯(lián)網技術和標準化接口實時獲取設備設施信息及狀態(tài)，對設備運行進行實時監(jiān)測，根據京張高速鐵路設備設施的多元化應用場景，實現(xiàn)安全風險智能預警、災害監(jiān)測與調度系統(tǒng)、綜合視頻系統(tǒng)的互聯(lián)互通。利用北斗精準定位和GIS高精度鐵路地圖精確匹配，實時準確監(jiān)控和記錄運維人員位置及動車組列車運行態(tài)勢，有效提升人員安全和故障處置效率。該功能有助于優(yōu)化生產組織流程，平衡維修資源，提高應急處置能力，促進專業(yè)融合。同時，便于開展設備養(yǎng)護維修及作業(yè)過程安全控制，提高天窗綜合利用率。京張高速鐵路運行監(jiān)控示意圖如圖3所示。

圖3 京張高速鐵路運行監(jiān)控示意圖Fig.3 Operation monitoring of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.3 動車故障預警

京張高速鐵路動車故障預警運用多源異構數(shù)據處理、特征提取融合等技術，為動車組故障預測與健康管理(PHM)業(yè)務應用及模型構建提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據標準和數(shù)據服務；通過動車組新造、運用檢修、監(jiān)測檢測等全生命周期多源異構數(shù)據匯集，基于動車組PHM系統(tǒng)建設與關聯(lián)數(shù)據分析，實現(xiàn)動車組故障智能分析和超前預警，保障動車組在途運行安全。京張高速鐵路動車故障預警示意圖如圖4所示。

圖4 京張高速鐵路動車故障預警示意圖Fig.4 Fault warning for EMUs on Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.4 維修管理

京張高速鐵路首次建立了全線三維BIM模型，在工程建設期依托BIM+GIS工程管理平臺開展了建設管理和“三站三隧”等精益化的施工應用。由BIM模型承載設計、施工過程、設備資產等數(shù)據，交付于運行維護管理，為基礎設施全壽命周期管理奠定了基礎。京張高速鐵路維修技術路線如圖5所示。

圖5 京張高速鐵路維修技術路線Fig.5 Technical roadmap for maintenance of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

京張高速鐵路維修管理功能在統(tǒng)一的三維場景中管理信息、工務、電務、供電設備資產，展現(xiàn)設備位置、周邊設施及地形地貌；BIM模型承載設備參數(shù)、維修、缺陷、建設等數(shù)據，實現(xiàn)運維與建設過程的有機結合；集成高速鐵路防災、檢測車、車載報警等信息，可聯(lián)動調取綜合視頻，實現(xiàn)跨專業(yè)運用；建立了統(tǒng)一的生產計劃流程，實現(xiàn)高速鐵路設備維護的閉環(huán)管理。京張高速鐵路BIM模型及維修管理如圖6所示。

圖6 京張高速鐵路BIM模型及維修管理Fig.6 BIM model and maintenance management of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.5 災害預警與生產管控

京張高速鐵路針對沿線風、雨、雪、地震等災害監(jiān)測設備多、預警分析時效性強、應急聯(lián)動分布廣等特點，實現(xiàn)安全數(shù)據全時匯聚、風險事前預測、危情實時預警等功能，構建災害預警與生產管控平臺。平臺利用高速鐵路自然災害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預警系統(tǒng)實時感知災害、動態(tài)控制和信息服務，結合生產管控平臺保障京張高速鐵路車站所有客運設備設施、系統(tǒng)、人員、作業(yè)的安全運轉。

4.6 智能調度分析

京張高速鐵路智能調度分析具備列車正晚點狀態(tài)預警等智能分析，列車開行調整、日常調度計劃編制調整、車底運用安排、應急輔助等智能決策的特點，并實現(xiàn)計劃命令關聯(lián)管理、聯(lián)動推送、調度命令自動解析，聯(lián)動執(zhí)行，開行計劃實際對比、加開停運分析對比等分析評價的功能。

依照京張高速鐵路智能化體系，基于新技術和新架構，以運輸綜合計劃為核心牽引構建智能綜合調度管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有利于調度組織過程的數(shù)字化貫通、專業(yè)化協(xié)同以及流程化互控，實現(xiàn)面向客運生產全過程的安全高效可靠的京張高速鐵路運輸調度管理。結合北京冬奧會旅客出行，實現(xiàn)鐵路智能運輸、旅客智能出行，提升安全生產和運營管理水平。京張高速鐵路智能調度分析功能如圖7所示。

圖7 京張高速鐵路智能調度分析功能Fig.7 Intelligent scheduling analysis function of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

調度8大核心功能面向客運生產全過程管理構建運輸綜合計劃協(xié)同管理平臺，為橫向各專業(yè)信息融合和縱向各單位業(yè)務貫通提供依托，實現(xiàn)運輸計劃綜合編制和一體化閉環(huán)管理，支撐京張高速鐵路日常調度指揮和應急決策。

5 結束語

京張高速鐵路智能化運維技術是京張高速鐵路高效運行、運輸安全的基礎保障，并支撐北京冬奧會順利舉辦。研究重點基于BIM+GIS的工程管理平臺，融合鐵路北斗應用服務平臺、高速鐵路自然災害監(jiān)測系統(tǒng)和地震預警系統(tǒng)、自動采集數(shù)據和信息互聯(lián)等技術，充分發(fā)揮“建管并用”思想，研究一種基于BIM+GIS技術構建空地一體的“數(shù)字孿生”京張智慧高速鐵路運維管理平臺。研究分析BIM+GIS融合關鍵技術，可實現(xiàn)對三維空間、坐標系統(tǒng)、物理屬性等信息融合，進而可實現(xiàn)京張高速鐵路設備設施基本信息管理、設備設施運行監(jiān)控、動車故障預警、維修管理、災害預警與生產管控、智能調度分析等功能，為京張高速鐵路智能化運行維護系統(tǒng)的開發(fā)提供一種技術保障手段，可以有效提高京張高速鐵路生產運輸安全并在運行維護上降本增效，突破由傳統(tǒng)的事后運維向事前預警的運維技術提升。