高铁车站设备智能化运维管理系统设计及关键技术研究

王建伟，秦 健，孙国庆

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.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；3.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038）

随着我国高铁的快速发展，高铁车站内装备了大量客运及机电设备，由于设备种类繁多，数据分散，信息难以共享，对高铁车站设备运维管理工作提出了挑战[1]。

目前，有研究人员利用三维建模技术，构建高铁车站三维模型，可将数据感知层实时采集到的环境监测数据、视频监控信息、设备基础信息及实时状态等在三维模型上分类展现，并能够对异常情况进行报警[2-3]。在此基础上，还可利用物联网技术，将设备与三维模型进行有效连接，实现数据交互[4]。

本文综合考虑现有高铁车站管理模式特点，基于三维可视化与物联网技术，开展高铁车站智能化运维管理系统的研究和设计。结合业务应用需求，利用GIS+BIM 三维建模技术融合的方法，设计了高铁车站智能化运维管理系统；研究空间数据库与属性数据库的信息集成方法，并将利用物联网技术采集的数据集成至模型中，借助GIS 二维和三维信息集成的优势，实现在三维场景中加载高铁车站周边地形影像，实现高铁车站设备可视化管理，有助于提升高铁车站智能化运维管理水平，为智慧高铁车站建设提供研究基础。

1 系统设计

1.1 总体架构

系统采用B/S 应用模式，运用GIS 与BIM 融合技术、物联网等技术，将高铁车站各监控点上传感器采集的数据上传到系统管理后台，并可以通过控制器对终端设备发送指令，根据现场情况对设备进行调节控制；一旦设备出现异常，及时进行报警；同时，提供高铁车站设备三维可视化管理和运维过程管理。

系统在逻辑结构上可划分为5 个层次，系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构

1.1.1 感知层

感知层为物联网的基础能力层，该层包括各类传感器等感知设备。感知层就像人类的“眼、耳、鼻”，是连接物理世界与信息世界的重要纽带；主要有各种温度传感器、智能烟感传感器、智能电表、智能水表、智能摄像头等。

感知层收集的信息通过传输层汇聚至数据层。

1.1.2 传输层

传输层主要负责接收和传递感知层所获取的信息，分为有线传输和无线传输两大类；其中，无线传输主要服务于物联网。

1.1.3 数据层

数据层包括车站三维模型、资产台账、运维数据、监控数据。以GIS+BIM 技术构建的车站三维模型为数据载体，可为应用层实现信息的统一展示提供基础；资产台账信息由后台人工录入；对智能巡检终端采集的运维数据进行汇总，并实现运维数据与设备基础信息的关联；此外，由传输层上传的设备监控信息也汇集在这一层，供中间层实现数据分析和管理。

1.1.4 中间层

中间层包括三维服务、控制服务、物联网分析服务。

其中，三维服务为车站模型访问所依赖的服务，其它系统可以通过调用三维服务，实现车站三维模型数据的加载及二次开发。

物联网分析服务利用传感器收集的信息，对系统设备进行状态分析，结合车站三维模型，实现监控数据与设备三维模型数据的关联，并对监控结果进行分析。

控制服务可控制高铁车站内各监控采集点的传感器，将采集的数据上传至控制器和后台管理设备；同时，可以通过控制器对终端设备发送指令，根据现场情况对设备进行适应性调节；若设备出现异常，还可进行报警。

1.1.5 应用层

由传输层传输和汇聚的数据，经过数据层的整理和中间层的分析关联，提供给应用层使用。

应用层实现的主要业务功能包括集成展示、检修管理、能耗管理、监控预警、综合统计，实现车站设备运维管理、故障监测、节能控制等目标，为设备运维的成本计算、故障分析和能源管理提供数据支持[7]。

1.2 用户构成

系统功能设计应面向客运专线有限公司（简称：客专公司）级、铁路局集团有限公司（简称：铁路局）级、站段级不同用户的应用需求。客专公司级用户可查看全公司各条专线上所有高铁车站的情况；铁路局级用户只能查看本铁路局管辖内的高铁车站的情况；而站段级用户只能查看所管辖高铁车站的情况。

系统采用三级结构，扩展性和灵活度较高。既可覆盖从站段上报设备维修计划到路局审核的完整流程，符合现有的监管模式，也适用于客专公司某条线路途径多个铁路局的情况。

2 业务功能

根据车站智能化管理的需求，系统功能划分为信息集成、检修管理、能耗管理、监控预警、综合统计、系统管理6 个模块。具体功能模块划分见图2 所示。

图2 系统功能模块

2.1 信息集成

通过三维GIS+BIM 建模可视化技术可以真实地展示车站模型，方便客专公司用户、铁路局级用户实现远程管理；同时，针对具体的站段，可以实现高铁车站土建、暖通系统、消防系统、给排水系统等设备设施在复杂空间的直观展示，并实现设备台账、图纸、图片和运维数据的信息集成展示；信息集成展示示例见图3。

在三维场景中，还能实现可见设备与隐蔽工程的集成展示；例如，在三维空间中展示消防管路，如图4 所示。

在每台设备上粘贴专用标签，通过扫描标签二维码可快速获取该设备的标识信息，并提供访问设备各类信息的统一入口，包括台账、图纸、检修资料等信息的在线浏览和模糊检索功能，为提高维修工作效率提供支持。

图3 信息集成展示

图4 在三维空间中展示消防管路

2.2 检修管理

日常检修管理工作包括巡检、维修、大修3 类。

（1）巡检管理：根据设备巡检要求，可设置巡检提醒功能，提示待检设备清单，记录巡检过程中发现的问题。

（2）维修管理：根据设备维修要求，可设置维修提醒功能；站段制定维修计划，并提交路局审核；审核通过后开展施工，施工完成后进行验收；按照高铁车站设备维修业务流程，系统自动流转维修信息，实现设备维修闭环管理。

（3）大修管理：按照大修更改业务流程，实现大修计划、预算、施工、验收全流程管理，形成闭环管理。

2.3 能耗管理

高铁车站日常的用电量、用水量较大。采用物联网技术自动检测主要设备间各个能源消耗指标，提供监控和报警功能；结合三维模型，在三维场景中标注耗电较高的设备，实时监测现场设备能耗情况，支持管理人员制定节能措施。

2.4 监控预警

针对照明、空调、电梯等设备，安装传感器及控制柜，将这些设备的监控信息实时传输至中间层，结合三维场景，实时显示设备的监控数据，如图5所示。通过可视化用户界面，方便用户掌握设备的运行状态；一旦设备发生故障或者发生火灾，自动触发报警，并将报警信息推送至相关系统和终端。

图5 设备实时监控界面

2.5 综合统计

针对设备、病害、能耗、报警等进行分类统计；提供多维度数据分析功能，为运维管理人员提供决策依据。

2.6 系统管理

为系统管理员提供菜单、用户、角色、日志等系统配置功能，进行用户创建、授权等操作，方便系统管理员对系统进行维护。

3 关键技术

为了实现三维可视化与智能化设备运维的目标，开展了GIS+BIM 融合三维建模可视化技术、多源信息集成技术、网格化管理技术、物联网相关技术的研究。

其中，三维建模技术主要研究解决GIS+BIM 建模、融合及模型轻量化等关键问题；多源信息集成技术主要研究解决如何融合和集成多种数据来源的数据（如设备台账、图纸、运维、监控信息等）以及如何实现统一管理；网格化管理技术主要探索高铁车站网格单元管理问题；物联网技术主要研究传感器与DDC 控制器以及系统之间的数据通信。

3.1 三维可视化技术

3.1.1 BIM与GIS融合

设备和管路分别采用不同建模方法。BIM 建模能很好地保存设备属性信息，一些管路和设备采用BIM 方式建模；土建结构可以采用轻量化GIS 建模。通过建模实践经验，采用BIM 软件建模与GIS 软件建模相结合的模式，可以使得模型规模适度，转换效率较高，在web 场景中渲染速度更快。

IFC 是Building SMART 为BIM 应用提出的一种开放数据标准，已成为国际标准(IS016739)[8]。BIM 与GIS 转换是将BIM 模型rvt 格式通过一系列操作生成符合GIS 要求的格式，并与GIS 建模部分整合，按照特定坐标系进行合并、配准等操作。

3.1.2 WebGIS可视化技术

制作好的模型数据导入ArcGIS Pro，按照一定的图层分类，制作发布为对应的标准三维服务；系统通过Arcgis 提供的二次开发JS 组件，利用其API开发具体的三维应用，使最终用户能够在Web 浏览器中浏览车站模型，实现模型定位高亮、模型查找、空间单体模型的显示/隐藏、设置单个模型透明度、三维查找、对模型进行三维剖切等功能。

3.2 多源信息集成技术

多种来源的数据（如设备台账、图片、图纸数据）按照规范化处理后导入数据库，并实现设备运维数据、设备监控数据与设备台账之间的关联，实现多源数据集成。

同时，属性数据库与空间数据库通过定义好的编码字段进行对应，实现非空间属性字段灵活修改，可大幅减少模型空间数据库字段数量，实现数据轻量化。

3.3 网格化管理技术

根据不同管理模式，将网格分为建筑格网和系统格网。

3.3.1 建筑格网

按照建筑结构划分可以分为楼层和区域格网，具体根据管理要求进行分割。

（1）按照建筑结构分为具体单个的物理楼层。如对于消防设备可以针对某一楼层的消防设备进行管理。

（2）在单个楼层基础上，还可细分为具体设备的单个区域（例如，只对某一区域内的消防设备进行管理），以有效弥补楼层面积过大、难以精细化管理的缺陷，或对日常巡检维护重点设备间进行快速定位。

3.3.2 系统格网

按照不同的系统划分系统格网，如大类可划分为暖通系统、消防系统、照明系统等。各个大类可进一步细分，如消防系统可细化为消防水炮系统、消防喷淋系统、消火栓系统、灭火器系统、气体灭火系统等。

3.4 物联网技术

物联网是互联网和通信网的延伸及拓展应用[9]，利用传感器与控制器等设备进行感知和控制。

在高铁车站设备运维管理中，电梯数据采集、消防控制、空调节能控制、照明节能控制、大屏显示节能、门禁系统、视频监控系统、闸机、能耗管理、自动售检票系统等诸多方面均可运用物联网技术。

3.4.1 传感器与DDC控制器

传感器，可将感知到的信息以不同信号方式输出，满足信息的存储、传输、处理、控制等要求。在高铁车站内安装感知不同设备参数的传感器，如温度传感器、光电传感器、湿度传感器，二氧化碳传感器等，由这些传感器负责采集数据并上传给系统。

数字控制系统（DDC）控制器主要利用计算机的输出信号来控制执行机构，如调节阀门等[10]。传感器将采集到的数据传送至控制器，经过控制器分析后，输出控制命令传送至设备，通过控制阀门闭合或执行一系列操作来完成控制。

3.4.2 NB-Iot和LoRa

目前，主流的低功耗物联网技术（Low Power Wide Area Network）有NB-Iot 和LoRa 两种[11]。

NB-Iot 采用授权频段，对于支持NB-Iot 协议的传感器，可利用运营商现有无线网络来传输数据。例如，若车站内发生火灾，起火点附近的烟感传感器会立即探测到烟雾，通过NB-Iot 无线通讯方式，通知远端的消防报警监控主机，由消防报警主机将报警点相关信息传递至服务器端，并在三维场景中标注起火点位置，快速定位附近的消防设备，为应急工作人员提供信息支持。

LoRa（Long Range）采用非授权频段，是一种低功耗、远距离的局域网无线标准，需自行组网，但组网相对简单。终端节点采集数据后，通过网关基站将采集的数据上传至服务器端。LoRa 是自行搭建的私有网络，不依赖运营商网络，能够保护数据隐私。此外，在一些运营商无线网络信号不好的位置，采用LoRa 通信技术更为可靠。

3.4.3 NFC

NFC（Near Field Communication）只允许读取和采集较近距离（通常在10 cm 内）的信号。结合巡检工作，在需要巡检的设备上粘贴NFC 标签，标签含有该设备的唯一标识ID。巡检作业人员将巡检手持终端靠近NFC 标签，待巡检手持终端读取到NFC 标签信息后，可以从服务端查找到该设备的台账信息，还可完成巡检记录填写、故障报修等操作，填报信息上传至服务端，即完成该设备的巡检工作。根据每日待检设备清单，可以在三维场景中，以紫色高亮闪烁提示当日未完成巡检的设备。

4 结束语

采用三维可视化与物联网技术结合的方法，构建高铁车站智能化运维管理系统，设计了系统总体架构，描述了系统用户构成和功能，提出GIS+BIM融合建模方法，实现高铁车站多源数据集成、设备可视化管理、维修作业闭环管理、设备状态实时监控、设备能耗管理等功能，研究成果有助于提升高铁车站信息化水平和现场运维智能化管理能力。