BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用

2023年12月13日發(作者：可研性研究報告)

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運營管理BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧，封博卿，魏小娟，王英杰，劉陽學（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京100081）摘要：為響應建設“精品工程，智能京張”廣泛應用先進技術的號召，分析京張高鐵鐵路本體及周邊環境建維一體化管理需求，研究利用新技術、新手段實現鐵路前期建設信息與后期運維信息有機統一且可視化、交互性友好的方案，設計了基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺總體架構，給出了具體技術路線和關鍵技術，實現了BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺應用。為構建鐵路從建設到運維的可追溯管理體系奠定了理論和現實基礎，提升了智能鐵路新技術應用水平。關鍵詞：京張高鐵；建維一體；BIM+GIS技術；智能鐵路中圖分類號：U216.2文獻標識碼：A文章編號：1001-683X（2022）07-0096-06DOI：10.19549/.1001-683x.2022.01.28.0010引言近年來，我國鐵路行業越來越重視數據資產和設生命周期健康性能監測。同時，《中國智能高鐵發展戰略研究》指出2025年需實現建設與運維一體化的全生命周期管理體系［1］。京張高鐵是智能高鐵的精品示范工程，因此亟待研究利用新技術、新手段實現鐵路前期建設信息與后期運維信息有機統一且可視化、交互性友好的方案，以便服務鐵路基礎設施的技術管理、安全管理及維修管理，為相關領域工作人員提供建維一體化、便捷高效的信息獲取方式。備設施全生命周期管理的價值，推出了多項方案和舉措。中華人民共和國交通運輸部印發了《數字交通發展規劃綱要》，指出要推動交通運輸基礎設施規劃、設計、建造、養護、運行管理等全要素、全生命周期數字化，構建覆蓋全國的高精度交通地理信息平臺，完善交通工程等要素信息，實現基礎設施的三維數字化呈現，針對重大交通基礎設施工程，實現基礎設施全基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（P2018G051）第一作者：孫慧（1993—），女，工程師，碩士。1基于BIM+GIS技術的建維一體化管理需求京張高鐵是我國“八縱八橫”高鐵網京蘭通道的重要組成部分，直接服務于2022年冬季奧運會，正線全長174km，設10座車站，最高設計時速350km［2］。E-mail：*****************-96-CHINARAILWAY2022/07BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧等運營管理京張高鐵鐵路本體及周邊環境建維一體化管理需求主要體現在以下幾方面：（1）京張高鐵是我國第1條智能高鐵，將全面展示我國智能鐵路創新發展的最新成果，因此廣泛采用GIS把京張高鐵建設成為精品與智能深度融合、硬件與軟、BIM、北斗、大數據、人工智能等先進技術，是件相得益彰的典范之作的必要手段［3］。（2）京張高鐵的參建單位眾多，設計、施工和運營管理的單位不同，容易出現設備實際運營信息與建設階段信息不匹配的問題，造成運維工作人員根據運營標準追溯設備建設信息困難。（3）京張高鐵懷來綜合維修工區是全國首例將工務、電務、機務及供電等專業進行整合的維修工區，因此開展專業融合的綜合維修一體化管理是必然趨勢。（4）京張高鐵首次采用智能供電運行檢修管理系統、應急處置智能調度系統、牽引供電設備故障預測與健康管理系統等多種智能化設備故障預測與維修系統，這些集成度高、專業復雜的設備設施給運營管理增大了難度［4］。（5）清華園隧道穿越4處地鐵、7條重要城市道路、88條重要市政管線和眾多古建筑，因此其周邊的交通、管線情況也需統籌兼顧［5］。（6）京張高鐵八達嶺長城站深102m，是目前我國埋深最大的高速鐵路地下車站，車站層次多、洞室數量大、洞型復雜、交叉節點密集，也是目前我國最復雜的暗挖洞群車站，亟需采用信息化手段管理這種地下車站的詳細構造［6］。（7）線路經過北京“上風口”，周邊的硬漂物容易被大風吹到線路上引發行車事故，因此周邊環境的檢測監測水平也極大地影響了線路行駛安全。綜上，需以實現“專業融合、統籌兼顧”為工作目標，一體化綜合管理京張高鐵的鐵路本體、周邊環境、設備設施，BIM+GIS技術的應用可以在很大程度上解決該類問題。BIM具備對鐵路本體從設計、施工到運維的全生命周期結構構造和屬性信息的精細化表達能力［7］，GIS可以直觀的地理圖形方式獲取、儲存、管理、計算、分析和顯示周邊環境，同時統一管理與位置有關的各類信息和數據，具備集成鐵路從建設到運CHINARAILWAY2022/07維的空間位置信息和屬性信息的能力［8］。2BIM+GIS技術應用可行性分析隨著鐵路基礎設備設施建設和信息技術的不斷發展，BIM+GIS技術將在智能鐵路交通領域中不斷深化應用［9］。我國作為鐵路建設大國，利用BIM技術提供基礎設備設施的基礎數據，結合GIS技術提供周邊環境及空間參考，將是未來智能鐵路發展的一大趨勢，京張高鐵在以下方面應用BIM+GIS技術具有可行性：（1）技術可行性。近年來，GIS技術在各行各業應用廣泛，傾斜攝影拍攝及數據處理在我國發展得如火如荼；BIM技術在鐵路工程管理平臺運用成熟。圍繞BIM和GIS技術融合，國內外許多學者或機構展開了相關研究。值得關注的是，隨著網絡和移動技術的普及，通過網絡訪問BIM和GIS的需求呈爆發式增長，HTML_5標準、WebGL等技術的出現極大地解決了三維空間數據在前端的可視化渲染問題，使通過網絡在鐵路建維一體化管理中應用BIM+GIS技術具備技術可行性。（2）政策可行性。中國國家鐵路集團有限公司專門下發《關于進一步深化高速鐵路綜合維修生產一體化站段改革的指導意見》，進一步深化高速鐵路綜合維修生產一體化，各鐵路局集團公司正部署或通過試點工作完善工作標準、健全推進機制、深化專業融合，提升高鐵運營管理水平和養護維修質量。BIM+GIS技術的應用能夠有效避免運維人員查閱設備設施紙質資料，可協助其快速掌握設備設施建設、運維信息，甚至是設備實時檢測監測的數據，并支持系統中模擬線路巡檢、應急救援等重要工作，降低其重復前往現場的頻率，大大提升了運營維護的工作效率。因此基于BIM+GIS符合鐵路降本增效的管理目標，具有政策支持基礎。技術的建維一體化管理平臺符合時下政策、3基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺總體架構為實現基于BIM+GIS技術的全線宏觀空間大場景及設備設施微觀細度三維模型的建維一體化管理，具體設計了基礎層、數據層、數據管理層、支撐層和應用層共5層的管理平臺總體架構（見圖1），該架構為實現工務、通信、信號、供電等專業設備設施統一標-97-運營管理BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧等應用層建設管理進度管理二維地圖服務質量管理實景三維服務BIM人員管理BIM模型服務竣工交付管理查詢檢索服務運營管理運用維修管理空間分析服務模擬預測服務支撐層＋三維模型數據倉庫空間地理倉庫業務主題數據倉庫（實時數據）數據管理層BIM導入BIM信息關聯BIM輕量化BIM更新GIS數據處理數據格式轉換坐標系統及投影轉換制圖綜合地圖符號化GIS地圖整飾圖形和屬性信息編輯地圖標注設計數據施工數據聯調聯試數據工程驗收數據運用維修數據數據層方案報告各專業臺賬設計圖紙設計模型……進度計劃施工方案施工圖紙施工模型……大值報警數據公里扣分數據接觸網數據通信信號數據節能環保數據……靜態驗收資料竣工工程數量表竣工臺賬竣工工程施工記錄竣工工程裝配圖表……運用狀態數據巡檢記錄數據設備維修履歷數據……基礎層通信網絡 云服務器 傳感設備……

圖1基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺總體架構準的“數據融合、一體化可視、建維一體化管理、協同分析”提供了理論基礎。（1）基礎層為保障數據接入傳輸及存儲的硬件、網絡設備、安全設備等。數據接入設備主要為傳感設備，如風/雨/雪傳感器、滑坡/危巖體/泥石流等災害監測傳感器等。數據傳輸主要通過通信網絡，如RFID、藍牙、NFC、4G/5G、寬帶、IPV6、光傳輸等。數據存儲主要通過云服務器。（2）數據層為鐵路全生命周期各階段的結構化、非結構化數據。分為設計、施工、聯調聯試、工程驗收、運用維修等數據，數據格式有PDF、XLXS、CAD、OBJ、RVT、DGN、OSGB等。（3）數據管理層是按統一空間坐標系標準，制作地圖、實景三維、BIM模型、查詢檢索、空間分析、模擬預測等服務。（5）應用層是在支撐層的支撐下，開展各項具體業務應用，包括進度、質量、人員、竣工交付、運用維修等的管理輔助建設或運營管理的具體應用。4BIM+GIS技術路線及關鍵技術BIM和GIS結合可將BIM應用由單個獨立項目向宏觀領域拓展，把BIM模型整合到GIS平臺上可以很好地支撐BIM數據管理，同時承載其他數據，形成數字底盤。在此提到的BIM+GIS技術主要指從BIM到GIS的融合。BIM+GIS技術路線及關鍵技術見圖2。4.1技術路線以當前國內常用的GIS平臺軟件SuperMap為例，GIS數據，導入BIM，實現以GIS提供的唯一空間信息特征為紐帶，融合BIM提供的數字化物理空間模型。（4）支撐層是通過空間地理倉庫、三維模型數據倉庫、業務主題數據倉庫，實現同一空間場景下的BIM+GIS多元信息管理及關聯，并統一對外提供二維SuperMap可以通過BIM轉換技術將RVT、DGN等格式型進行幾何、屬性、紋理等解析，將BIM模型加載到的數據模型轉換為.udb，BIM轉換技術主要是對BIM模GIS平臺中。幾何解析即對BIM模型進行三角化處理，CHINARAILWAY2022/07-98-BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧等運營管理關鍵技術BIM轉換技術BIM輕量化三維切片緩存WebGL技術支撐支撐數據源.rvt、.dgn等BIM數據第三方插件設置坐標及渲染參數遙感、點云、傾斜攝影等GIS數據.udbGIS平臺中數據處理及融合模型輕量化處理模型融合處理技模型子對象簡三角網地形術切分化（刪除）簡化……整平開挖修改……路線BIM模型＋GIS模型生成緩存數據服務應用Web服務發布模型應用瀏覽查詢分析……圖2BIM+GIS技術路線及關鍵技術并提取三角化后的點位坐標，寫入udb文件中；屬性解析即在udb的對象中解析并附加圖層、元素等屬性信息；紋理解析即獲取BIM中的填充材質，獲取填充圖片的路徑并重新計算UV值，寫入材質信息和對應的UV值到udb中［10］。4.2關鍵技術由于鐵路BIM模型呈長條狀分布，數據體量往往較大，可應用BIM輕量化和生成三維切片緩存技術，以滿足BIM模型的性能瀏覽需求。（1）BIM模型輕量化技術主要包括模型切分、子對象簡化（刪除）、三角網簡化等，可將長條狀鐵路按運維需求分段切分，也可將運維階段中不關注的設計、施工構件進行刪除或簡化。（2）三維切片緩存技術采用實例化的方式，將相同骨架的數據僅存儲1次，大幅減少數據的存儲量，同時設置“LOD層數”，不同LOD層級的數據幾何精細程度不同，并在視域范圍內按LOD層級動態可視化，加快BIM渲染速度［11］。實現BIM模型到GIS平臺的轉換后，可同時加載遙感、點云、傾斜攝影等GIS數據進行多源數據處理及融合。針對經常出現傾斜攝影地形數據與BIM模型不匹配的情況，可對傾斜模型進行地形數據的修改，主要包括地形整平、地形開挖、地形修改等。在數據處理及融合的基礎上，可通過Web服務發CHINARAILWAY2022/07布開展數據服務應用，Web服務主要應用WebGL技術，無需在瀏覽器安裝插件，并可提供顯示設備的GPU加速，同時支持PC端、平板電腦端、移動手機端等不同設備的三維可視化服務，滿足了網絡服務的跨平臺應用需求［12］。5基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺應用為實現京張高鐵BIM+GIS技術應用，需開展以下工作：（1）組織團隊進行調研。前往京張城際鐵路有限公司、設計院、施工單位、鐵路局集團公司、站段等相關單位進行深入調研。（2）梳理需求及功能項點。根據實際情況，將產品功能梳理清晰，明確產品定位。（3）開展設計工作。圍繞技術關鍵點進行模擬測試，形成產品原型。（4）開展數據收集、整理、制作工作。開展實時檢測監測數據接入工作，數據來源主要為二維數據、沿線傾斜三維實景數據等GIS數據和BIM數據。二維數據主要是工務、電務、供電、房建等專業相關設備設施設計、施工、聯調聯試、運用維修等數據信息；沿線傾斜三維實景主要是拍攝線路建成后的三維實景；BIM面，數據主要分為設備基礎、工程建設、設備缺陷、數據主要為BIM模型數據。在數據業務信息分類層養護維修等信息。在信息按時間跨度劃分方面，主要為建設期、聯調聯試、設備全生命周期履歷、綜合維修管理等數據。（5）開展京張高鐵GIS地理信息系統、京張高鐵工程管理平臺對接，前者提供GIS數據，后者提供BIM數據。（6）開展關鍵性技術研究突破及系統開發工作及將各類數據在SuperMap平臺中轉換、融合等處理工作，保障數據瀏覽查詢的效果和性能。（7）進行產品測試試驗，產品優化定型。基于BIM+GISGIS技術架構，經過上述實施工作，實現了基于及橋隧精細管理相結合的多層次施工管理，并通過可技術的全線宏觀管理、基于BIM技術的標段管理以視化應用、分析決策應用支撐運維階段的安全防護、維修作業、生產組織等應用。京張高鐵基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺應用見圖3。-99-運營管理BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧等圖3京張高鐵基于BIM+GIS技術的建維一體化管理平臺應用6結束語實現鐵路系統的降本增效是智能鐵路建設的重要建造關鍵技術及創新［J］.鐵道標準設計，2020，［7］李重輝，樊瀟，李存榮.高速鐵路站臺雨棚運維管理系統可視化監測E-BIM應用研究［J］.鐵道運輸與經濟，2020，42（1）：44-49.［8］路林海，胡冰冰，李志國，等.基于BIM+GIS技術的軌道交通工程信息化管理研究［J］.科技創新與應用，2021（7）：186-189.［9］王紀君.基于BIM+GIS的橋梁在線監測系統的設計與實現［D］.西安：長安大學，2020.［10］向衛國.新城區集群市政工程BIM技術應用研究［D］.北京：中國鐵道科學研究院，2020.［11］尹航，張蘊靈，傅宇浩，等.面向交通領域的BIM+主流技術框架探討［J］.公路，2020，65（9）：64（1）：21-28.目標，即要在鐵路建設全生命周期范圍內提升建設效率、加強質量管理的同時降低建設、運營成本［13］。京張高鐵基于BIM+GIS技術的應用，擴展BIM的應用范圍，實現基于GIS的全線宏觀管理，可提高長線工程和大規模區域性工程的管理能力。與BIM技術和GIS技術各自單獨應用相比，該技術在管理精度、質量分析、決策效率、成本控制等方面都將切實推動運營管理工作的信息化程度和高效敏捷能力［14］，同時為其他鐵路建設運維管理工作提供可借鑒的示范技術路線。參考文獻［1］王同軍.中國智能高鐵發展戰略研究［J］.中國鐵路，2019（1）：9-14.［2］王洪雨.智能京張高速鐵路總體創新設計［J］.鐵道標準設計，2020，64（1）：7-11.［3］蔣偉平.解析“精品工程智能京張”對新時代中國鐵路建設的深遠影響［J］.鐵道標準設計，2020，64（1）：［4］李紅俠.京張高速鐵路智能化技術應用進展［J］.鐵道標準設計，2021，65（5）：158-161.［5］徐汪豪，倪婉昱，趙海濤，等.清華園盾構隧道復雜互層地層下的掘進參數研究［J］.隧道建設（中英文），2018，38（S2）：373-378.［6］陳學峰，劉建友，呂剛，等.京張高鐵八達嶺長城站1-6.［12］楊李東.基于Cesium的三維GIS網絡服務與BIM集成研究［D］.武漢：武漢大學，2018.［13］王同軍.智能建造技術引領高鐵建設發展新征程［J］.鐵路計算機應用，2019，28（6）：3-5.［14］張秋生，朱子璇，姚舒戈，等.關于智慧高鐵全生命周期經濟性研究的思考：以京張高鐵為例［J］.北京交通大學學報（社會科學版），2021，20（1）：46-54.責任編輯翟立颯收稿日期2022-01-28-100-CHINARAILWAY2022/07BIM+GIS技術在京張高鐵建維一體化管理中的應用孫慧等運營管理ApplicationofBIM+GISTechnologiesinIntegratedManagementofConstructionandMaintenanceofBeijing-ZhangjiakouHSRSUNHui,FENGBoqing,WEIXiaojuan,WANGYingjie,LIUYangxue(InstituteofComputingTechnology,ChinaAcademyofRailwaySciencesCorporationLimited,Beijing100081,China)Abstract:Inlinewiththerequirementofbuilding“excellentandintelligentBeijing-ZhangjiakouHSRproject”andinrespontothecallforawideapplicationofadvancedtechnologies,thepaperanalyzestherequirementsofintegratedmanagementoftheconstructionandmaiwtechnologiesandmeans,itstudiesthepossibilitiesofbuildinganewschemethatpromistheintegration,nBIM+GIStechnologies,itdesignstheoverallarchitecture,andputsforwardspecifictechnicalroadmapandkeytechnologies,realizingtheapplicationoftheBIM+GISteerlaysthetheoreticalandpracticalbasisforthebuildingofatraceablemanagementsystem-fromconstructiontoO&Mofrailway-ds:Beijing-ZhangjiakouHSR;integrationofconstructionandmaintenance;BIM+GIStechnologies;intelligentrailway廣告索引AdvertirIndex卡斯柯信號有限公司深圳警翼智能科技股份有限公司鐵科檢測有限公司北京鐵科英邁技術有限公司中車永濟電機有限公司南京康尼機電股份有限公司北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司封面封底封二封三前插1前插2前插3正文對頁《中國鐵路》編輯部在線辦公系統編輯部征訂啟事中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術信息研究所知識產權研究部中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術信息研究所數據中心鼎橋通信技術有限公司浩亭（珠海）貿易有限公司P46P58P75P119后插1后插2上海錦申鐵道科技有限公司CHINARAILWAY2022/07-101-

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