韓德志，李 博，華福才，楊良印，鄭廣亮

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

隨著城市軌道交通運營規(guī)模的不斷擴大以及運營要求的不斷提升，建筑信息模型(buliding information modeling，BIM)技術(shù)作為建筑行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要載體和工具，在城市軌道交通領(lǐng)域各階段已得到逐步推廣和深入應(yīng)用?；贐IM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化技術(shù)集成應(yīng)用的三維可視化智慧運維逐漸成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

全國主要城市地鐵運營公司均不同程度開展了數(shù)字化轉(zhuǎn)型及智慧化提升的應(yīng)用探索。北京地鐵在地鐵設(shè)備運維管理中部分實現(xiàn)了可視化監(jiān)控、可視化維護及現(xiàn)場應(yīng)急管理。上海地鐵選取部分車站開展了智慧車站的試點建設(shè)工作。廣州地鐵基于BIM技術(shù)開展了派工單的精細化管理[1]。

在此背景下，BIM技術(shù)與傳統(tǒng)運維體系的融合將成為行業(yè)研究熱點及實施的重難點。

從面向城市軌道交通智慧化運維的BIM模型建設(shè)角度研究，針對以下4項關(guān)鍵技術(shù)點給出具體實施建議。

1) 隨著運維管理精細度的不斷提升，模型的開發(fā)程度亦需隨之不斷提高，但當(dāng)前匹配至運維階段最小可維護構(gòu)件級別的BIM模型單元拆分原則尚未明確。

2) 模型單元拆分原則確定后，構(gòu)件主體、所屬父向構(gòu)件及所含子向構(gòu)件需統(tǒng)籌搭建，建設(shè)出的模型才既能實現(xiàn)與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控(物聯(lián)網(wǎng))系統(tǒng)等既有運維管控系統(tǒng)的順暢銜接，又可體現(xiàn)模型單元之間的幾何拓撲關(guān)系及邏輯控制關(guān)系。

3) 模型開發(fā)建設(shè)過程中，因模型關(guān)聯(lián)信息數(shù)據(jù)標識定義不規(guī)范以及未充分考慮信息的跨階段流轉(zhuǎn)、應(yīng)用[2]，為運維階段的模型應(yīng)用帶來大量的數(shù)據(jù)清洗工作量，如何整體統(tǒng)籌以統(tǒng)一數(shù)據(jù)標識，實現(xiàn)信息的跨階段傳遞，需要制定切實可行的實施方案[3]。

4) 模型建設(shè)完成后如何與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控(物聯(lián)網(wǎng))系統(tǒng)等既有運維管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)銜接融合，實現(xiàn)靜態(tài)的BIM數(shù)據(jù)、動態(tài)的設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)、運維管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)基于智慧運維平臺的融合應(yīng)用，需要給出具體的數(shù)據(jù)對接實施方案。

針對上述關(guān)鍵技術(shù)點，本文系統(tǒng)性給出了具體的解決方案，最終實現(xiàn)BIM模型從建設(shè)期到運營期的順暢傳遞，以及模型在運維期的深入應(yīng)用。

2 技術(shù)路線

工程建設(shè)開始前，即針對運營需求進行調(diào)研，明確運營方的信息需求(IR)；結(jié)合運營需求統(tǒng)籌編制模型建設(shè)技術(shù)標準與編碼體系文件；模型建設(shè)過程中由業(yè)主方發(fā)布要求，BIM咨詢方審核，嚴格按照技術(shù)標準和管理要求管控、落實實施方案；模型建設(shè)完成后與既有運維管控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接與融合應(yīng)用，具體詳見圖1。

圖1 模型建設(shè)技術(shù)路線 Figure 1 Model construction technology roadmap

3 需求調(diào)研

需求調(diào)研對模型建設(shè)的技術(shù)要求制定起著至關(guān)重要的作用，需求調(diào)研階段需針對所有的模型使用方(車站站務(wù)、維修、資產(chǎn)管理、物資管理等部門)，結(jié)合其具體業(yè)務(wù)場景展開需求調(diào)研。調(diào)研目標主要包括明確模型單元幾何精度、信息深度、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信息分類及編碼等。

3.1 幾何精度

模型單元根據(jù)模型精細度可劃分為項目級、功能級、構(gòu)件級及零件級[4]，竣工模型交付的幾何表達精度不宜低于G4，項目所需劃分的最小模型單元等級還需根據(jù)項目運營管理細度分設(shè)備具體確定，通常依據(jù)各運營管理部門運營管理過程中所涉及的最小可維護構(gòu)件確定該設(shè)備的最小模型單元。

3.2 信息深度及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

模型單元所承載的信息包括幾何信息與非幾何信息，主要提供幾何形體、空間定位以及工程特性等3大類信息。運維階段模型單元信息深度等級不宜低于N4[4]的同時，還需根據(jù)前期需求調(diào)研確定的運維階段信息需求、標準化定義各設(shè)備、設(shè)施的信息深度以及所采用的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，據(jù)此明確信息數(shù)據(jù)的錄入方式，形成設(shè)計、采購、施工、運維階段的信息采集字段表，在保證模型單元信息完備的基礎(chǔ)上，需重點考慮模型單元之間幾何拓撲及控制邏輯關(guān)系的代入，以滿足運維階段對模型的使用需求。

3.3 信息分類及編碼

模型單元所承載信息數(shù)據(jù)的標識需要在建設(shè)期開始階段予以明確，以免影響模型與既有管控平臺的銜接融合及跨階段、跨專業(yè)的信息流轉(zhuǎn)、共享及應(yīng)用[5]。而模型標識的主要手段即是針對模型構(gòu)件的分類及編碼[6]，結(jié)合工程全周期所需的編碼體系，定制出整套編碼系統(tǒng)，以編碼作為模型構(gòu)件與信息采集表格和其他數(shù)據(jù)的鏈接橋梁，將各工程階段形成的數(shù)據(jù)掛接到模型構(gòu)件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)跨階段流轉(zhuǎn)與共享。編碼體系的確定需要同時考慮與國家標準體系及城市編碼體系的銜接與繼承，分類編碼推薦采用中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《城市軌道交通工程信息模型分類及編碼標準》(SJG102—2021)。

4 模型開發(fā)

4.1 模型結(jié)構(gòu)

如前所述，模型單元的結(jié)構(gòu)及最小模型單元的確定，應(yīng)結(jié)合運維需求，從下述3個維度考慮確定：

1) 結(jié)合資產(chǎn)管理系統(tǒng)，根據(jù)資產(chǎn)、副資產(chǎn)進行拆分。

2) 結(jié)合物資管理系統(tǒng)，根據(jù)物資、備品備件進行拆分。

3) 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(含綜合監(jiān)控系統(tǒng))，根據(jù)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控顆粒度進行拆分。

綜合考慮上述3個維度，統(tǒng)籌確定不同模型單元的具體組織結(jié)構(gòu)。

4.2 模型搭建

模型單元依原則確定組織結(jié)構(gòu)后，模型單元之間需要體現(xiàn)資產(chǎn)、副資產(chǎn)、部件、備品備件等直接的從屬關(guān)系，同時能夠與模型信息分類編碼體系實現(xiàn)良好適應(yīng)。上述要求可通過模型組和共享族方式實現(xiàn)。

模型組可將多個設(shè)備或資產(chǎn)進行組合，形成成套資產(chǎn)或設(shè)備，也可將設(shè)備部件進行組合，將設(shè)備拆解至最小可維護單元。模型組還可進行多級嵌套使用，建立成套設(shè)備、子設(shè)備、子設(shè)備部件直接的從屬關(guān)系。例：成套穩(wěn)壓設(shè)備模型組(成套設(shè)備)，穩(wěn)壓罐模型組、穩(wěn)壓泵模型組(子設(shè)備)，電機構(gòu)件、泵殼構(gòu)件、葉輪構(gòu)件等(子設(shè)備部件)。

共享族建模方式是采用共享族嵌套完成構(gòu)件從屬關(guān)系建模的，同樣支持族文件多級嵌套使用。通過將產(chǎn)品的部件及備件都制作成單獨的族文件，并在產(chǎn)品整體族文件中進行載入和共享的方式，共享族可支持針對最小模型單元的統(tǒng)計、信息賦予等功能。相比模型組的建模方式而言，共享族在模型中使用和后期數(shù)據(jù)提取更為方便靈活。例：風(fēng)機(通過共享族組成的族文件)由風(fēng)筒、電機、軟接、葉輪等(共享族)等組成，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機共享族拆分示例 Figure 2 Example of fan split by shared family

零件級模型對軟硬件要求較高，采用模型拆分的方式進行建模，拆分后模型經(jīng)模型輕量化引擎處理后在運維平臺組合。保證模型在建模過程中和后期運維使用過程中都有較高的流暢度。

4.3 分類編碼

為便于運維階段的資產(chǎn)管理及其他業(yè)務(wù)需求，通常需要對信息進行編碼標識，建立完善的標準化編碼體系，而其中資產(chǎn)管理編碼及位置編碼尤為重要[7]。編碼體系中的不同編碼需在模型中建立相應(yīng)的編碼屬性，并按照編碼體系規(guī)則將編碼值賦予對應(yīng)的模型單元編碼屬性中，下面擇其重要進行舉例說明。

1) 模型分類編碼。模型分類編碼作為構(gòu)件的唯一標識符使用，即作為構(gòu)件模型單元信息數(shù)據(jù)庫的主鍵，方便模型單元的信息數(shù)據(jù)跨軟件平臺、跨專業(yè)系統(tǒng)的傳遞與共享，建議采用國家標準。

2) 資產(chǎn)管理編碼。資產(chǎn)管理編碼立足于服務(wù)運維單位開展資產(chǎn)的登記與管理，資產(chǎn)管理編碼確定前應(yīng)與運營公司確定資產(chǎn)的管理界限和原則，功能級模型單元下的構(gòu)件級或零件級模型單元具體歸屬于副資產(chǎn)亦或是備品備件應(yīng)有明確的分類原則。

3) 位置編碼。模型單元的空間拓撲關(guān)系、運維階段的空間管理以及設(shè)備、設(shè)施的空間屬性都依賴于功能空間以及設(shè)備、設(shè)施的位置信息屬性，而這些位置信息的數(shù)據(jù)標識就是依靠位置編碼實現(xiàn)的[8]。位置編碼通常包含線路代碼、區(qū)域代碼、建構(gòu)筑物代碼、樓層代碼、房間代碼等多個字段，如圖3所示。位置編碼的具體層級數(shù)取決于運維階段針對物理空間的管理細度，具體代碼值的定義應(yīng)在設(shè)計階段前期確定，并保證使用的統(tǒng)一性及延續(xù)性。

圖3 位置編碼示例 Figure 3 Example of location coding

4) 設(shè)計編號。設(shè)計編號為傳統(tǒng)設(shè)計過程中，機電等專業(yè)向綜合監(jiān)控等專業(yè)設(shè)計提資時使用的編號，設(shè)計編號與綜合監(jiān)控等專業(yè)控制點表存在對應(yīng)關(guān)系，此編號可采用模型分類編碼代替，考慮到BIM技術(shù)應(yīng)用對傳統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣的包容性，仍保留設(shè)計編號，但需建立設(shè)計編號與模型分類編碼之間的映射關(guān)系。

4.4 數(shù)據(jù)采集

為支撐后續(xù)高質(zhì)量的運維應(yīng)用，模型搭建期間應(yīng)采集大量的建設(shè)、產(chǎn)品及運維信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集貫穿設(shè)計階段、采購階段、施工階段和運營準備階段[9]。模型建設(shè)方應(yīng)根據(jù)前期調(diào)研收集的信息需求表開展數(shù)據(jù)采集工作，將信息數(shù)據(jù)表內(nèi)容根據(jù)不同的工程階段進行拆分，拆分后的信息表由各個工程階段的責(zé)任主體進行填報，經(jīng)審核后統(tǒng)一導(dǎo)入并與模型單元建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

上述工作的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容及格式要求，具體包括數(shù)據(jù)表格的設(shè)計、設(shè)備產(chǎn)品模型的收集要求等，通過設(shè)備唯一編碼標識將采集信息賦回到模型或數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)品模型與設(shè)計通用模型的替換以及信息的跨階段傳遞和基于模型的結(jié)構(gòu)化存儲。信息數(shù)據(jù)與分類編碼映射示例如圖4所示。

圖4 信息數(shù)據(jù)與分類編碼映射示例 Figure 4 Example of information and classification code mapping

5 數(shù)據(jù)融合

運維階段的數(shù)據(jù)源主要包含3個部分，分別是建筑信息模型負載的工程信息數(shù)據(jù)、運維階段產(chǎn)生的內(nèi)部管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、綜合監(jiān)控及其他物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的實時生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)。3種數(shù)據(jù)的匯聚組成了三維可視化智慧運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而3種數(shù)據(jù)的融合及其與功能平臺的銜接是模型在運維階段深入應(yīng)用的關(guān)鍵，就其所涉重點工作舉例如下。

5.1 模型數(shù)據(jù)與資產(chǎn)管理系統(tǒng)融合

與資產(chǎn)管理系統(tǒng)(EAM)融合之前，應(yīng)首先從BIM模型中導(dǎo)出設(shè)備、設(shè)施對應(yīng)模型單元的字段名稱，并通過字段映射表與資產(chǎn)管理系統(tǒng)內(nèi)的字段建立好映射關(guān)系。此部分工作完成之后即可將模型數(shù)據(jù)對應(yīng)導(dǎo)入到資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，資產(chǎn)管理系統(tǒng)即可完全提取模型中的資產(chǎn)管理編碼、位置編碼以及所對應(yīng)的相關(guān)信息[10]。模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)示例如圖5所示。

圖5 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)示例 Figure 5 Example of importing model data into the asset management system

5.2 模型數(shù)據(jù)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)融合

模型數(shù)據(jù)與所涉設(shè)備、空間相對應(yīng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合主要通過設(shè)計編號的字段映射來實現(xiàn)[11-12]，從BIM模型中導(dǎo)出包含設(shè)計編號屬性的模型信息表，通過設(shè)計編號與綜合監(jiān)控系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)備的專業(yè)點表進行對應(yīng)[13]，如圖6所示。

圖6 設(shè)計編號與綜合監(jiān)控系統(tǒng)編號映射融合示例 Figure 6 Example of integration of design number and integrated monitoring system number

5.3 模型數(shù)據(jù)接入智慧運維平臺

BIM模型數(shù)據(jù)與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等既有運維管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成技術(shù)對接后，經(jīng)過數(shù)據(jù)治理、模型渲染及輕量化處理，導(dǎo)入到公司自主研發(fā)的智慧運維管理平臺中進行檢驗。經(jīng)處理后的BIM模型導(dǎo)入平臺，經(jīng)過平臺數(shù)模分離處理，模型數(shù)據(jù)與既有運維管控平臺接入數(shù)據(jù)在后臺實現(xiàn)融合形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，包含靜態(tài)模型數(shù)據(jù)、動態(tài)物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)、運維產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，模型幾何數(shù)據(jù)經(jīng)平臺高逼真渲染引擎得以高質(zhì)量還原。在智慧運維平臺中實現(xiàn)高逼真三維環(huán)境下可視化的運維管理及智慧化場景運維，滿足平臺人員管理、設(shè)備管理、物資管理、工單管理、預(yù)案管理等多場景功能需求，同時滿足維修中心、運行控制中心、站務(wù)室等多使用群體的運維使用需求，如圖7、8所示。

圖7 模型與綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)融合示例 Figure 7 Example of integration of model and integrated monitoring

圖8 模型與資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)融合示例 Figure 8 Example of integration of model and asset management

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

通過全面的運維階段信息需求調(diào)研，形成BIM模型的組織架構(gòu)方案及模型幾何精度、信息深度要求，利用設(shè)計編號、資產(chǎn)管理編碼、位置編碼等編碼體系將各類信息數(shù)據(jù)的標識預(yù)先定義。同時，對信息采集過程中的數(shù)據(jù)表單及產(chǎn)品模型等提出具體要求，保證模型幾何精度、信息深度以及信息表達能夠滿足運維階段對模型的使用要求。

通過編制BIM模型屬性信息與既有運維管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)字段映射表，模型屬性數(shù)據(jù)能夠與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等既有運維管控系統(tǒng)實現(xiàn)充分的數(shù)據(jù)融合，避免模型導(dǎo)入過程中出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)缺失以及龐雜的數(shù)據(jù)清洗工作，大大提高了數(shù)據(jù)導(dǎo)入效率，實現(xiàn)與智慧化運維平臺的順暢銜接，增加了模型在運維階段的應(yīng)用范圍及應(yīng)用程度。

6.2 展望

隨著城市軌道交通運維需求的不斷提升，BIM技術(shù)在各階段應(yīng)用的不斷深入，將城市軌道交通工程實體的物理及功能特性數(shù)字化并高逼真還原為工程的數(shù)字孿生體，借助大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息化技術(shù)的集成應(yīng)用，助力城市軌道交通運維技術(shù)及管理手段的智慧化提升，實現(xiàn)三維可視環(huán)境下的智慧運維已成為城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

建設(shè)期搭建的模型如何順暢地傳遞到運維階段，模型承載的建設(shè)期相關(guān)信息數(shù)據(jù)與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等既有運維管控系統(tǒng)如何銜接，共同形成智慧化運維的數(shù)字底座，是當(dāng)前面臨的首要問題，需要一套完整的實施方案，并在行業(yè)內(nèi)形成共識，從而實現(xiàn)跨階段、跨企業(yè)邊界、跨平臺的工作協(xié)同及數(shù)據(jù)共享，重構(gòu)支撐城市軌道交通智慧化提升的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。

面向BIM技術(shù)應(yīng)用的信息分類及編碼體系在ISO19006-2、ISO19650等國際標準以及國家、行業(yè)等各層級標準體系的共同規(guī)定下已漸趨完善。但各地運營公司在資產(chǎn)管理過程中長期使用的企業(yè)級資產(chǎn)管理編碼，各設(shè)計單位在長期設(shè)計實踐中已習(xí)慣定義的項目設(shè)計編號，當(dāng)前需考慮通過BIM模型信息與既有運維管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建立字段映射關(guān)系，保證數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用。隨著設(shè)計方對編碼認識程度的加深，BIM元素編碼將逐漸取代資產(chǎn)管理編碼、設(shè)計編號，成為構(gòu)件的唯一標識符，及構(gòu)件對應(yīng)數(shù)據(jù)表的主鍵，并定義為行業(yè)通用標準，降低BIM模型與運維管控系統(tǒng)的融合難度。