基于BIM的铁路基础设施运维管理平台总体方案及关键技术研究

王志华，卢文龙，郭鹏飞，杨玲玲

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

随着我国高速铁路的快速发展和信息化建设的不断推进，铁路行业已从大规模设计建造阶段逐步向以安全运营、科学管理、高效养护为目标的运营管理阶段进行转变。目前，信息化系统几乎深入到铁路所有专业领域，已经成为铁路生产和管理工作中的重要工具和战略资源。然而，在中华人民共和国铁路基础设施运维管理领域中，仍然普遍存在着数据来源多元化、业务系统建设分散化、运营维护独立化、信息存储孤岛化等问题，由于基础核心数据资源标准不统一，使系统之间无法进行互联互通和交互共享，给基础设施设备的运营维护工作带来极大的不便。探索铁路基础设施运维管理信息化、规范化、智能化，已成为铁路行业现阶段大力研究的热点之一。

面对当前复杂的信息化环境和不断涌现的先进技术，针对铁路基础设施运维管理的业务范围和特点，本文将建筑信息模型（BIM）技术基于模型管理的思想应用于铁路基础设施运维管理平台建设中，对平台的系统架构和网络架构进行了研究和设计，并对平台建设所采用的关键技术进行了剖析研究，以期改进现有铁路基础设施运维管理模式。

1 铁路运维管理信息化系统现状及需求分析

1.1 信息化现状

目前，我国铁路运维管理信息化还处在发展阶段，虽然信息化改革要求紧迫，但无法做到一步到位，只能按轻重缓急采取分步实施的策略。随着铁路行业的工作重心逐步转向运维管理领域，相应的铁路运维信息化建设也取得了初步成效，基本建成了“铁路总公司-铁路局集团公司（简称：铁路局）”两级、“铁路总公司-铁路局-站段”三级信息系统运维体系，各级运维管理部门也相继建设了一些运维管理信息化系统及工具。但限于局部应用受到经费投入、技术支撑、组织方式等方面的约束，传统的分割化运维管理模式已经不能满足铁路信息化快速发展的需求，亟待解决的问题主要有以下几个方面：

（1）数据源头不统一，标准化程度低，难以实现数据共享应用。铁路基础设施在设计和建设期积累的历史数据资料，是开展铁路运维工作的基础，其来源于各参建单位的信息化系统。但由于各系统各自为政、独立建设，因此普遍存在基础数据格式不统一、分散存储以及多头维护的情况，很难将其共享给铁路各专业运维业务系统进行使用。

（2）信息集成度不高，展示方法有限，难以直观掌握设备状态。目前现有各专业运维系统接收的设计建设期资料多为二维图纸及纸质资料，这些二维图纸难以直观地表达基础设施的图形信息，并且图纸的使用需要一定的技术能力，这给运维管理人员带来了极大地不便。同时，纸质资料的收集和管理需要较大的工作量，不利于运维管理工作的顺利展开。

（3）先进技术应用不足，使用经验匮乏，难以满足铁路信息化发展的需要。目前，铁路运维管理信息化建设尚处于快速发展阶段，铁路行业对BIM、GIS、物联网、云计算以及大数据等先进信息化技术的运用尚未成熟，仍处在积极探索和尝试阶段。

1.2 需求分析

（1）整合信息资源，统一数据标准。立足整个铁路行业，全面梳理各个专业既有信息资源现状，明确数据资源的分类、分级及数据模型，借助已建成的铁路工程建设管理平台上的数据资源，将各运维业务系统需要共享的数据抽取出来进行标准化处理和信息扩展，包括元数据、数据元及数据库等标准，形成标准统一的数据交换格式，打破铁路各级各专业数据壁垒，提升设计建设期数据资源的应用价值。

（2）引入先进技术，促进综合应用。利用BIM、GIS、物联网、云计算、大数据等先进信息化技术的独特优势，优化现有的设计建设期数据资料的管理方式，建立跨业务领域的统一数据模型，并提供多样化的功能性服务，实现铁路各专业数据信息的统一管理与集中展现，达到信息可视化、管理智能化的目的，促进设计建设期数据资源在运维管理领域的综合应用。

（3）设计开放接口，实现数据共享。针对铁路各专业运维系统和各类监测监控设备，设计统一的接口规范，开发安全开放的数据接口，实现所需数据的自动化获取，为各业务系统提供唯一、高效、实时的数据服务，为各级运维管理部门之间的互联互通、信息共享提供技术支持。

2 基于BIM的铁路运维管理平台设计

2.1 建设目标

在铁路信息化总体规划的指导下，以构建智能铁路运维管理平台为宗旨，以数据集中化、标准化管理为目标，建立基于BIM的一体化铁路运维管理平台，实现设计建设期数据资料的充分共享及综合应用；通过设计、施工、建设阶段的数字化移交，将BIM模型承载的建设管理过程信息和动态监测信息无缝转移到铁路运维管理平台上，并为各级各专业运维系统设计专用数据接口，实现设计建设数据向运维阶段的共享深化；充分发挥BIM技术在铁路基础设施设备三维模型构建和信息集成等方面的重要作用，并结合GIS、物联网以及云计算等先进技术，实现信息采集自动化、三维模型可视化、信息共享系统化，为铁路基础设施运维管理数字化、信息化及智能化夯实基础。

2.2 总体架构

根据铁路各专业运维管理信息系统的业务需求，通过分析既有铁路工程建设管理平台、铁路运维管理平台和各专业运维系统之间的关系，提出基于BIM的平台运作机理，采用基于B/S框架设计，总体架构如图1所示。

（1）感知层。感知层的主要作用是获取基础设施在设计建设期的动态监测数据。铁路运维管理平台通过应力应变传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等各类传感设备，感知自预埋/安装后记录的基础设施的状态数据，采用自动化的方式，为平台提供实时、准确的动态监测数据。

（2）网络层。网络层是将采集到的数据信息安全、快速地传输到铁路运维管理平台的通道。网络层主要包括互联网、物联网和W iFi，为数据信息提供高效、实时的传输通道，实现各级运维管理部门、各专业运维管理信息系统通过客户终端随时随地获取数据、声音和视频信息。

（3）基础设施层。基础设施层主要为铁路运维管理平台的建设提供所需的服务器、网络、存储设备、安全设备及其他设备资源，以实现与不同级别不同专业的运维管理信息系统进行数据交换，保证铁路运维管理平台高性能、高可靠稳定运行，并且具有灵活的扩展性，能够轻松应对业务发展。

（4）数据层。铁路运维管理平台数据层负责集中、存储、维护和管理从铁路工程建设管理平台移交的静态数据资料和从传感设备上传的动态监测数据信息，静态数据资料包括设计期数据、施工期数据、竣工验收数据、三维BIM数据、文档资料、地理信息、多媒体资料和其他资料等；动态监测数据包括涉及各专业管辖基础设施在建造过程中预埋的各类传感器的监测数据。

（5）服务层。铁路运维管理平台服务层是实现BIM数字资产功能服务的关键部分，其提供对存储数据信息的查询、管理及发布服务。服务模块包括接口服务、认证授权服务、搜索引擎服务以及图形引擎服务。服务层将集成在BIM上数据资产信息，以规范标准的数据格式通过对外接口进行发布，从而满足各专业运维系统对设计建设期数据资料和BIM功能服务的需要。

（6）应用层。应用层主要针对既有铁路各专业运维管理系统，例如工务运维管理系统、电务运维管理系统、供电运维管理系统等，这些系统可以通过调用铁路运维管理平台管理的基础设施在设计建设阶段的数据资料和B IM数据，开发符合自己专业需求的个性化应用。

图1 总体架构图

2.3 网络架构

借鉴铁路工程建设管理平台部署在互联网的成功经验，并遵循信息公共资源共享的铁路信息化建设原则，本文提出如图2所示的网络架构。铁路运维管理平台主要部署在外部互联网上，并通过铁路计算机安全网络平台实现外部互联网与铁路内部网络的跨网信息交换，为部署在铁路内部网络上的各级各专业系统终端提供数据和服务。

铁路运维管理平台可统一部署在铁路总公司或铁路局的机房，共设置3种服务器：（1）应用服务器用于应用程序和接口程序；（2）数据服务器用于存储铁路工程管理平台移交的数据资料；（3）BIM服务器用于缓存、管理BIM数据。

物联感知设备通过采用窄带物联网（NB-IOT）技术实现在广域网的蜂窝式数据连接，并直接部署在GSM无线网络上，动态监测数据可通过无线网络传输到铁路运维管理平台上。

铁路总公司用户、铁路局用户及各专业运维管理系统通过铁路内部网络访问平台，实时调用平台上的数据信息、获取相关服务。

3 关键技术

3.1 基于NB-IOT的监测数据传输

针对铁路基础设施运维管理这一庞大而复杂的工程，需要对线路、桥梁、隧道、接触网等沿线各种设施资产进行全面的监测、分析和预警，各类监测传感器所产生的数据量巨大。为了将感知数据无障碍、高可靠、高安全、低成本的传输到铁路运维管理平台上，采用NB-IOT技术建立动态监测数据的传输网络是可行和先进的方法。

NB-IOT技术是一种基于移动蜂窝通信的广域物联网技术。在铁路运维管理平台建设体系中引入NB-IOT技术，可以动态实时地感知、采集、监控、管理铁路基础设施自建设期起的现场状况信息，并与BIM进行挂接，实现动态监测数据的可视化展示，从而提高铁路基础设施设备维修管理水平、确保基础设施设备安全，保障基础设施在业务环节中各种数据的机密性、完整性、真实性和网络的容错性。

图2 铁路运维管理平台网络架构

3.2 BIM技术的应用方法

BIM可按照铁路基础设施的实际情况精确到构件级别,且相关的工程信息（名称、几何、材料等信息）皆集成在相应的构件中,相较传统的运维管理系统来说，基于BIM技术的管理平台能够提高整个运维管理过程的精确性、可视性和交互性，可满足铁路各专业运维管理部门对基础设施进行的空间管理、资本管理、设备设施监控、公共安全管理、能耗管理等多种应用要求。

BIM技术在运维管理阶段，需要更高的建模精度和更细的信息粒度，以满足不同专业精细化运维需求，而铁路运维管理平台上集中管理着不同专业基础设施的BIM竣工模型数据，这为BIM运维模型的信息深化和综合应用提供了便利条件。因此，采用BIM技术建立统一的铁路运维管理平台是一项具有创新性和先进性的工作，平台不仅要提供BIM三维可视化和信息集成化功能,还要提供相应的接口服务，以保证各级运维管理用户能够直接调用BIM功能性服务，开发自己专业的深层应用，实现铁路信息集成效应与协同应用。

3.3 图形引擎技术的选择

三维图形引擎是BIM工程管理平台中重要的组成部分，图形引擎可以直观地把三维模型信息展示给用户，用户亦可以通过图形引擎同施工场景直接交互。要建立基于BIM的铁路运维管理平台离不开对图形引擎技术的研究。参考近几年铁路行业对BIM技术的应用经验，目前，支撑BIM可视化的图形引擎主要分为基于BIM数据结构的图形引擎和基于GIS数据结构的图形引擎。两种图形引擎各有优缺点,本平台图形引擎的选择主要需考虑5个方面：

（1）符合B/S系统框架的要求，对浏览器具有很好的支持能力；（2）满足铁路各专业对基础设施管理的需求，能够对大数据量模型提供承载能力；（3）具有较强的兼容能力，支持对主流BIM建模软件数据格式的识别能力；（4）具有一定的信息深化能力，提供对大场景、大范围数字化模型的扩展能力；（5）能够提供丰富的二次开发接口功能。

结合铁路基础设施运维管理领域的特点，本平台选择GIS图形引擎，经过大量二次开发和功能改造，将其无缝嵌入到基于BIM的铁路运维管理平台中，从而保证浏览器主流BIM建模软件模型数据无损传递和流畅运行，与业务功能形成双向联动，在满足BIM信息完整度和精度的条件下，更能适应大区域适用场景。

3.4 云计算技术

云计算技术为构建铁路信息共享平台提供了新的思路和方向。云计算提供了共享数据资源的全新架构和方法，它将资源相互链接并整合，满足用户的随时访问和共享信息技术服务，具有安全性、可扩展性、动态调配性、快捷便利性等优势。鉴于此，基于BIM的铁路运维管理平台采用云计算技术,将平台建设所需的所有软硬件资源布置在云端,实现更新维护工作统一在云端部署。铁路基础设施运维管理用户通过门户网站即可使用各种功能服务,极大地降低了铁路企业对软硬件设施的投入成本,同时又保证了不同用户使用平台资源不受时间和地域的限制。

4 结束语

BIM技术在铁路基础设施运维管理中的应用越来越广泛，基于BIM的铁路运维管理平台的建设必须坚持以BIM技术为核心，统一规划、统一标准、统一管理的原则，结合物联网、云计算等先进技术的优势，建立起一个铁路基础设施运维管理一体化平台，完善基础设施全生命周期数据资料，以提升铁路各级专业运维管理部门的信息化水平和工作效率，实现铁路企业经济效益的最大化。