基于综合监控系统数据的城市地铁3D运维平台应用研究

林云志，祁小兵，陈浪先，宋志刚

（1.中铁电气化局集团有限公司，北京 100071；2.福州地铁集团有限公司，福建福州 350000；3.深圳达实智能股份有限公司，广东深圳 518057）

0 引言

近年来，随着我国智慧城市建设的发展，3D可视化系统集成概念逐渐走进人们身边。作为城市新脉络的地铁工程，承载着城市公共交通运输的巨大运力；同时，地铁作为城市重大基础设施，对运营调度管理、设备维护、运营安全保障的提升有着迫切的需求；地铁建设和运营维护过程中对BIM技术与ISCS系统相结合的3D运维平台进行应用研究，有着重要的现实意义。目前，国内外有关运维阶段的BIM应用，尽管在理论研究和项目应用层面均有一定数量的研究，但总体还处于探索研究阶段[1]。

BIM技术在地铁项目实际的应用过程中，主要还集中在前期的设计、施工阶段；通过可视化、信息共享和各专业协同工作的方式，主要用于处理设计及施工过程中的设备场地布置、管线错漏碰撞等问题，但BIM的相关数据、模型在建设完工交付后却被闲置。将BIM技术引入运维管理系统，不仅可以满足用户的基本活动需求，增加投资收益[2]，还能实现设计、施工和运维的信息共享，提高信息的准确性，并为各方人员提供一个便捷的管理平台以提高对地铁工程运维管理的效率。3D运维是未来的趋势，也是现在必须解决的问题。随着科技的进步，我国的信息化、智能化也发展起来，这为3D运维提供了良好的信息化基础。

1 系统概况

地铁综合监控系统是一种自动化综合管理系统[3]，它集自动化、智能化、信息化为一体，实现了地铁各主要系统的集成和机电设备的监控，ISCS在地铁工程中对各专业数据整合有着得天独厚的优势；城市地铁3D运维平台通过运用BIM技术与ISCS相结合，对地铁建筑的空间、地理布局、设备资产、系统状态进行科学管理和实时监控，从而对包括应急指挥、城市管理、公共安全、环境保护、基础设施等领域提供管理决策支持，进而提升城市地铁综合管理水平。

1.1 地铁3D运维平台数据源选择

地铁工程作为庞大的系统工程，各个不同专业如电力监控、车站设备及环境监控、火灾报警系统、通信系统等分别采用独立的架构及应用平台，各系统间的联络比较困难，若3D运维平台直接与各专业单独接入，其接入成本较高、技术难度较大、专业性较强，无法满足智慧城市绿色环保的宏观发展需求。ISCS作为整条地铁线路的重要系统，其专业集成∕互联程高、系统平台兼容性强，在满足子系统差异化接入要求的同时，有效地为上游系统专业（如：TCC、NOCC、3D运维平台等）提供数据和系统接入需求。以福州地铁1号线为例，ISCS集成子系统包括：电力监控系统（PSCADA）、能耗监测管理系统、环境与设备监控系统（BAS）、火灾自动报警系统（FAS）、感温光纤探测系统（DTS）、屏蔽门（PSD）、防淹门（FG），互联子系统包括：自动售检票系统（AFC）、门禁系统（ACS）、广播系统（PA）、闭路电视系统（CCTV）、乘客信息系统（PIS）、通信集中告警系统（TEL∕ALARM）、时钟系统（CLK）、信号系统（SIG）。

1.2 地铁3D运维平台系统功能

城市地铁3D运维平台是个高集成、深度耦合的应用系统软件，其基于BIM技术组成的三维建筑结构和相关设备犹如平台的“躯体”，一个鲜活的躯体需要活动起来离不开系统数据这个“血液”，如何高效、低成本获取数据是3D运维平台亟需解决的问题。

福州地铁1号线综合监控系统通过WebService技术，为3D运维平台提供定制开发、标准应用、深度集成的数据接口，解决了不同平台下的应用协同，为地铁运营管理、维护检修提供了一个可实现信息互通和资源共享的平台。

福州地铁1号线3D运维平台应用研究通过构建一个基于数据库分布式B∕S架构部署的虚拟3D可视化系统为基础，主要实现3个功能模块：基于数据挖掘的系统辅助决策、资产可视化管理、应急指挥决策及运维流程管理；未来随着人工智能、物联网、大数据的发展，将可以拓展实现更多应用。3D运维平台Web客户端如图1所示。

（1）基于数据挖掘的系统辅助决策

3D运维平台基于城市公共设施设备维护为基础，围绕着市民出行安全、舒适、绿色环保，通过采集综合监控系统集成相关设备的维护数据（如：故障、报警等）、运行状态信息、灾害信息、环境参数、能耗和客流数据并进行数据挖掘，为系统维护管理提供辅助决策。

图1 3D运维平台Web客户端

（2）资产可视化管理

地铁建筑内设备资产数量庞大，种类众多，在传统的表格式管理方式中管理效率低下，实用性差，资产管理可视化采用创新的3D互动技术手段，将重要的资产信息纳入可视化平台，同时采用Google earth的地球体全景的方式（或GIS），可对站点分级浏览展示，以直观可互动的3D场景浏览技术，层次化递进的实现跨空间、区域，逐层以图标模式展现各层级范围内的设备和场景信息，方便设备的状态查看、搜索定位、设备导航，提高资产信息的掌控力和运维效率。同时，在后续的研究中，可将地铁站内视频流信息、设备维修教学相结合的方式，实现远程指导∕培训新员工进行设备维修，为运营高效运维管理提供基础。

（3）应急指挥决策及运维流程管理

通过3D可视化和三维巡视功能，可以使维护人员对地铁内各个建筑、设备等进行管理与查询，为管理人员提供可视化管理手段，提高地铁运营的整体把控力和管理效率。

通过地铁各专业系统或设备灾害信息，制定标准化、流程化的处理预案，如：火灾应急处理、列车故障处理、屏蔽门故障处理、大客流处理等，为地铁运维提供应急指挥决策；通过实时掌握现场场景信息（环境参数、实时视频、空间信息），对可能发生的灾害进行预防。同时，在后续的研究中，在灾害模式下，可将地铁站内视频流信息、客流信息接入，使得应急指挥能实时掌握现场实际情况，由系统规划出最佳救灾路径，并将路径通过PIS信息展示给现场工作人员∕乘客，使地铁的运维工作提升到智慧交通的全新高度。

图2 协议转化架构设计图

图3 业务数据处理架构设计图

2 系统设计及实现

通过局域网与现有的综合监控系统连通，并通过Web Service接口与3D运维系统进行数据交换；3D运维平台支持B∕S架构，远端的桌面用户或大屏显示终端只需要通过IE浏览器登录到可视化系统服务器，即可访问和浏览可视化系统，无需安装独立客户端。3D运维平台考虑后期地铁线路的扩展和大量数据接入的需求，支持数据库分布式B∕S架构，通过部署多台服务器以实现可靠性和稳定性的要求。

2.1 系统架构设计

地铁工程各主要设备监控系统根据各系统功能特性，采用不同的通信协议方式和控制工艺，各通信方式和协议规约琳琅满目，如电力监控系统(PSCADA)：主要采用IEC60870-5的相关协议（102、103、104等规约）；环境与设备监控系统（BAS）：根据不同PLC厂家采用不同的协议（AB公司采用CIP协议，施耐德公司采用ModBus TCP∕IP，西门子公司采用Profit Net等等）；自动列车监控系统（ATS）很多厂家采用私有的TCP∕IP协议。3D运维平台若直接与相关系统专业采集数据的话，其难度较大，成本也无法控制。为解决相关难题，针对本次应用研究，进行了以下几个方面的研发设计。

（1）协议转化架构研发设计

现有地铁工程的主流集成方案里面，大部分城市均设置有综合监控系统，3D运维平台通过与综合监控这个单一接口的互联便可快速、高效地完成对地铁各系统底层设备的监控功能。通过定制开发OPCClient转化成Web Ser⁃vice服务端的接口程序，方便地实现了相关功能需求。协议转化架构设计图如图2。

（2）业务数据处理架构设计

地铁3D运维管理平台通过与综合监控Web Service接口，实现了地铁主要监控系统的数据采集，并为运营管理提供决策依据。详见图3。

2.2 数据处理

（1）WebService接口协议格式

请求协议：HTTP；

请求方式：POST∕GET。

（2）WebService接口数据格式：JSON设备对象格式（deviceObject），见表1。

表1 设备对象格式

返回数据函数格式:

{

“msg”:“”

“errorcode”:“”

“data”:[

{“station_id.device_id.property”:“”}，

…..

]

}

（3）获取数据

请求地址:xxx(接口IP及端口号)

请求格式:POST

限制:请求条数（根据实测系统能力确定）

请求参数（见表2）。

表2 请求参数数据格式

返回数据（见表3）。

表3 返回参数数据格式

（4）WebService接口数据处理优势

WebService作为一项新的技术，它致力于解决在不同平台下应用的协同[4]：任何支持HTTP和XML技术的设备都可以拥有和访问WebService，不同平台不同开发语言照样可以调用发布的WebService。本应用研究通过WebSer⁃vice技术为后续不同软件和系统平台的接入提供了良好的应用开发环境。

WebService采用可操作的分布式应用程序，可以满足多平台和应用的调用：可以实现不同应用程序和在不同系统平台上开发出来的应用程序之间通信。WebService以SOAP作为基本通信协议从而避免了复杂的协议转换。

WebService可以穿越防火墙，真正的自由通信：一般要访问Web服务器以及要访问的Web Service的客户端很可能位于防火墙后面，都默认需要关闭其它端口而开发HTTP端口，而Webservice正是基于HTTP的，所以它可以穿越防火墙。

WebService接口可以实现开放性和标准化：按照综合监控设备的数据类型格式，可以实现同类数据批量采集的功能，在定时批量获取数据的同时，还可以按3D运维个性化需求实时获取各设备数据的功能，大大提高通信效率和节约数据网络开销，并满足3D运维平台对实时大数据的整合需求。

3 讨论及展望

BIM技术经过这么多年的发展，在设计和施工阶段已经被广泛应用，而在设备设施维护中的应用案例并不是很多，尚未得到有效挖掘[5]。相较于设计和施工阶段，BIM技术在运维阶段的应用总体还处于初级阶段，既表现在成熟的商品软件或工具较少且应用普及度较低，也表现在国内外科研院校对其研究的深入程度不足和缺乏成熟规模的应用案例[6]。结合本次应用研究，未来3D运维平台的实施可能存在如下挑战。

（1）数据基础不足及相应标准不够完善。对于既有建筑，缺乏模型；对于有BIM应用要求的新建建筑，数量很少且缺乏完善的竣工BIM交付标准。本次应用研究过程中，独立新建的建筑模型达十几万个，工作量巨大。

（2）3D运维平台虽然实现分布式B∕S数据架构模型，满足上千万数据点的监控采集功能，但基于Web发布的客户端模式在数据实时性较为不足，同时在集成BIM建筑模型的基础上，系统响应性较差。

（3）地铁3D运维系统涉及数据点较多，数据与建筑、设备模型的关联显示是个巨大的工作量，解决这个问题除在建模前期对模型进行与现场实际设备统一的编码原则外，还需有便捷的关联程序或模块。

（4）目前该3D运维平台主要应用基于Web应用，无独立的系统应用程序；无法有效地解决系统响应能力和数据的实时性，也无法拓展更高级的应用。而单独开发应用程序的成本太高，这也是当前3D运维平台发展的不足之处。

（5）3D运维管理平台的发展需与地铁运营管理制度和管理经验相结合，目前还缺乏相关的经验。对数据的提炼和应用需要提前介入到地铁建设的前期，项目投入周期较长。

针对上述问题，展望BIM运维的发展，将包括但不限于以下几点。

（1）资产可视化管理提供标准化接口，能够与第三方资产管理系统实现无缝对接，也可与资产自动化监控管理设备对接，实现数据中心资产的自动化管理，通过部署RFID标签和读卡器，实现资产的自动化管理，资产信息增、删、改，实现资产统计查询等。

（2）随着建筑前期BIM技术的大量使用，以及数据模型标准化的制定，具有基础模型数据的3D运维管理平台将更便于实施和应用。

（3）地铁3D运维管理平台随着城市地铁的不断建设拓展，与城市安全管理、城市交通运营调度的结合将迎来新的发展空间。

4 结束语

基于综合监控系统数据的城市地铁3D运维管理平台，充分发挥了综合监控系统在数据集成上的优势，有效地降低了3D运维平台的数据接口开发难度和深度，同时大大提高了项目实施的效率；地铁3D运维平台的运用，不仅拓展了BIM技术在地铁建筑工程使用中的纵深和维度，同时为地铁运营管理及安全保障、设备维护提供了更加直观、便捷的管理决策依据。尽管实施过程中会面对很多需要克服的难题，但随着BIM技术的发展及广泛应用，结合综合监控系统未来基于行车综合自动化系统的深度集成方案的实施[7]，在综合监控数据基础上进行3D运维管理平台的应用研究将有更大的发展空间和前景。