基于 BIM 技术的城市轨道交通车辆基地可视化智能运维系统

郭 钦，刘 奥

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通发展迅速，成为重要的城市公共交通方式。截至2019年底，我国内地共有40个城市开通城市轨道交通运营线路，里程共计6736.2 km[1-2]。城市轨道交通车辆基地作为列车停放、检修、保养的重要场所，随着线网规模的逐渐扩大，对运维水平也提出了更高的要求。而传统的以人工为主的二维运维模式，已无法满足当前的运维需求，现代化运营手段不足、检修效率低、时间紧等因素成为城市轨道交通车辆基地高效运营、持续发展的阻力[3-5]。

随着建筑信息模型（BIM）等现代信息技术的发展及在城市轨道交通行业的推广应用，城市轨道交通车辆基地的运维模式逐渐向三维可视化、智能化方向发展，部分城市已进行了初步的研究和尝试，但目前仍没有较好、完整的研究成果和应用案例。此外，BIM技术目前在城市轨道交通设计、建设领域中的应用比较广泛，但在运维过程中应用较少。在此背景下，本文将BIM技术应用到车辆基地运维中，创建基于BIM技术的车辆基地可视化智能运维系统，以提高其运维的效率、可靠性和安全性。

2 系统技术路线

本文通过调研武汉、昆明、温州等地的城市轨道交通智能运维需求，构建基于BIM技术的车辆基地可视化智能运维系统，对车辆基地内的车辆、工艺检修设备、既有信息化系统等进行标准化、集成化管理。该系统通过车辆及检修设备数据接口，调取车辆和检修设备的运行数据；通过构建完整的车辆基地BIM模型，对其场景进行1 : 1还原，并将车辆和检修设备的运行数据进行三维可视化显示，以实现其可视化智能运维。该系统技术路线如图1所示。

3 系统构架

该系统的构架从底层到顶层分别为：源数据层、数据接入层、数据处理层、支撑层、应用层、展示层，如图2所示。

3.1 源数据层

源数据层包括基础数据、管理数据、监测监控数据。基础数据包括车辆履历信息、车辆部件信息、设备信息、建筑BIM数据、车辆BIM数据、地理信息系统（GIS）数据等。管理数据包括检修、配属、故障、配件更换等历史数据，以及占用股道信息、设备使用记录等。监测监控数据在该系统中为预留接口，接口通过连

接传感器、摄像头等数据收集装备获取各类监控数据，包括设备状态、监控设备状态、车辆运行维护状态及车辆基地建筑实时信息等监控数据。

图1 系统技术路线

图2 系统构架

3.2 数据接入层

数据接入层负责为系统提供数据，通过数据接口可连接资产管理、人员调度等既有系统，以及视频监控、温度传感等设备，并预留可扩展的其他IoT接口。其中，针对既有系统，数据接入的方式是依靠协议交换数据信息，实现方法为软件数据通信、协议转换和数据采集；针对监控设备，数据接入的方式是依靠数据接口和协议交换数据信息，通过数据采集器、集成数据采集器和单类多功能数据采集器实现；针对未来可扩展的其他IoT接口，提前制定了标准化协议与接口，以保证通用性，减少工作量。

3.3 数据处理层

数据处理层支持基础数据的分层储存和各类管理，包括历史数据、实时数据、增量数据等。该层会根据分层标准和用户需求对从数据接入层获取到的各类数据进行标准化和优化处理，既可避免数据冗余，又可对数据进行快速查询和修改等。此外，为保证操作人员可随时随地查看相关数据，数据处理层在对数据进行标准化和优化处理后，会将数据传至云端，完成对接。

3.4 支撑层

支撑层负责为系统运行提供业务逻辑的支撑，保证同一用户在不同模块中的一致性，实现不同应用的互通性，并保证系统能够自由进行扩展开发。其功能包括用户权限管理、系统日志管理、表单模块管理、组织结构管理、系统认证登录和系统运行维护。

3.5 应用层

应用层为主要功能模块，用以满足具体的用户需求，包括建筑结构、车辆结构及三维文件可视化呈现，BIM文件管理与维护，车辆状态及视频监测，设备状态及视频监测等模块。

3.6 展示层

展示层是系统和用户交互的界面，支持多类型终端访问，特别是手机端和电脑端，以便于操作人员在现场使用。同时，展示层充分体现了BIM技术的优势，以三维可视化的方式对车辆、设备、构件等的细节信息进行展示，并支持拖拽放大、定位功能，便于操作人员从多角度深入探查细节信息。

4 系统功能模块

根据车辆基地相关运营需求，车辆基地可视化智能运维系统应实现对车辆状态、主要检修设备运行状态、车辆检修过程数据的可视化集成显示，因此建立BIM可视化管理、车辆信息可视化管理、设备信息可视化管理、监控设备集成管理、基于BIM模型的图文档管理5 个功能模块[6-7]，如图3所示。

图3 系统功能模块

4.1 BIM可视化管理

BIM可视化管理模块的功能有：①实现BIM模型在可视化系统中的显示和操作管理，以及BIM模型与实景模型的实时数据融合，保证操作人员在系统中获取的数据与现实数据相同[8]；②实现BIM模型与实景模型的轻量化，及其在系统内的轻量化显示，确保快速浏览、操作无卡顿[9]；③按照不同专业类别，对模型进行分层显示，避免图元过多造成的视线混乱。为保证系统的流畅性，降低对CPU的占用率，该模块采取优化模型面数的方式提升系统运行效率，采用同类模型合并技术提升系统性能，进而实现BIM模型大场景下的操作无卡顿[10]。该模块界面如图4所示。

4.2 车辆信息可视化管理

车辆信息可视化管理模块的功能有：①拟真化显示车辆基地内车辆的关键信息，如在车辆段（场）里的运行状态、股道占用情况、实际停留时间、车辆编号、检修时间、检修操作、相关乘务人员等信息；②通过对数据的实时可视化显示，动态反映股道空间利用情况（如对车辆进行线区、股道、列位3级描述）、车辆检修进展、车辆检修部件等信息；③集成显示车辆出库、入库位置，以及进行运动轨迹的实时追踪；④以三维可视化的形式实时显示车辆静态、动态履历及零部件等信息，为车辆的全生命周期运维提供数据支持[11]。

为实现该模块功能，需与运营商的各类检修运营系统数据接口进行对接，建立统一的数据接口标准；接入既有的信息化系统，获取车辆层次结构目录索引，并以此为依据对BIM模型进行管理，将动态履历信息与车辆层次结构模型进行融合，实现部件结构树与动态信息的双向索引。该模块界面如图5所示。

4.3 设备信息可视化管理

设备信息可视化管理模块通过与既有工艺设备的数据接口对接，读取设备实时运行状态信息和车辆相关监测数据。其功能有：①显示设备基础属性信息（规格参数、零部件、安装位置、图纸资料等）、运行状态信息、使用记录、日常维护保养记录（设备保养、润滑、日常检、定期检及专项检内容，检修人员，检修日期）等历史数据和动态信息；②对设备的BIM模型进行层次结构管理，通过设备BIM模型查看设备的基础台账和专业台账，对设备的专业属性进行专项显示和浏览；③实现设备的分层查看功能，即通过选择对应的设备查看当前设备或该类设备的信息，包括不落轮镟车床、轮对及受电弓在线检测设备、洗车机、安全联锁系统、空压机等[12-14]。该模块界面如图6所示。

图4 BIM可视化管理界面

图5 车辆信息可视化管理界面

4.4 监控设备集成管理

监控设备集成管理模块通过与车辆基地既有视频监控系统进行数据对接，集成监控摄像机数量不少于10 路，联机数不少于30台。其功能有：①通过对既有监控设备进行二次开发，实现在BIM模型场景中点击监控模型即可查看该监控画面的功能；②根据监控设备的不同健康状态，将设备标识为不同颜色，同时在设备发生故障或预计需要检修时发出警报；③可通过搜索设备类型和编号，或者在管理界面中拖拽模型，查看设备资产台账信息；④设备模型可进行旋转，以方便查看具体发生故障的位置；⑤通过统一安全权限认证技术，实现对操作人员级别的控制及对权限动态配置的管理；⑥ 实现以树形结构层级查询的方式查看设备的完整层次结构，便于用户快速查找相关信息。该模块界面如图7所示[15]。

4.5 基于 BIM 模型的图文档管理

基于BIM模型的图文档管理模块具有图纸、车辆资料及设备资料实时查看和管理功能。其中，图纸管理功能可对所有与车辆基地相关的竣工图纸，按照其不同用途以及所属不同的专业进行分类管理，实现二维平面图纸与BIM模型构件的关联；可通过选择专业以及输入图纸相关的关键词，快速查找图纸。车辆和设备资料管理功能通过外部数据接口，将车辆和设备的安装调试手册、操作维保规程等文档信息结构化关联到三维模型，通过双向索引实现相关技术信息的快速查看。该模块界面如图8所示。

5 结语

本文以目前城市轨道交通车辆基地实际运营和检修需求为出发点，对基于BIM技术的车辆基地可视化智能运维系统的构架和功能进行了详细设计，阐述了该系统的数据层、数据接入层、数据处理层、支撑层、应用层和展示层6大构架层级的设计准则，以及BIM可视化管理、车辆信息可视化管理、设备信息可视化管理、监控设备集成管理、基于BIM模型的图文档管理5大模块的功能。该系统还预留了功能扩展接口，在投入使用后可根据实际需求扩展其他相关功能。该系统的研发可推动车辆基地运维方式从传统二维操作向三维可视化方向转变，提升车辆基地的运维效率、可靠性和安全性。

图6 设备信息可视化管理界面

图7 监控设备集成管理界面

图8 基于BIM模型的图文档管理界面