基于BIM-GIS多层级协同技术的某高原铁路智能物流管理系统研究

李 准

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

某高原铁路建设周期长，面对施工沿线复杂多变的地形地质条件[1]，如何加强工程项目物流管理，保障前方物资供应，确保工程项目顺利实施，是摆在施工建设面前必须解决的难题。物流管理系统包括了物资采购、运输、仓储、搬运等全过程管理[2]，综合该高原铁路工程规模、施工周期、运输条件、施工环境、资源分布等风险因素[3]，建立强有力的协同机制，以智能物流为平台，围绕精准配送，构建供应链集成环境下[4]的物流管理体系，是保障现场物资供应的有效手段。因此，研究分析高原铁路物流管理系统迫在眉睫。

目前，国内外学者对施工物流组织模式做了大量研究，包括有基于供应商管理库存(VMI)思想的库存管理[5-7]、供应商自营物流和第三方物流公司(VMI&TPL)物流系统集成[8-11]等。该铁路全线施工物流组织建议采取“分段集中、统筹安排、分级配送”的原则[12]，本文借鉴多层级协同集成技术，运用智能化系统思维，将BIM和GIS技术相结合，构建智能化物流关系系统架构，形成一套智能化物流管理系统，推动整个高原铁路的建设发展。

1 BIM-GIS的提出和特点分析

建筑信息模型(BIM)是通过三维的方式将信息嵌入到对象模型中，增强可操作性，提高工程管理、共享与协作的高效性，减少建筑过程中不必要的浪费[13]。地理信息系统(GIS)是基于计算机科学，综合地理地质学、勘察测量学、绘图定测学等相关技术，并且对各项信息进行读取、保存、查阅、对比和计算的系统[14]。GIS将枯燥的文字、数字、表格信息地理化、图形化、形象化，使众多信息一目了然，强化了分析与表达能力；地图的多层处理方式也赋予数据更丰富的内涵，信息查找与咨询迅速，输出形式图文并茂、精美；体现了系统所要求的透明性、开放性和网络性[15]。

从特点分析来看，BIM技术可以将工程形状、大小、所占空间等多层级信息进行不同阶段间的相互比较[16]，而GIS技术是将工程规模、施工周期、运输条件、施工环境、资源分布等多层级外部因素进行客观分析。集成BIM和GIS技术，将内部和外部的多层级因素统筹考虑，即通过对多层级信息流的控制，从材料采保到现场调用，再到竣工形成实体直至维修保养[17]，将物资厂家、运输企业、承包人、发包人形成一个有机的智能物流网链。

2 BIM-GIS多层级协同物流系统流程设计

系统设计阶段，利用BIM建立工程信息数据库，利用GIS对物流供应过程中的数据进行分析、管理，结合该铁路施工物流特征，三者协同，将繁杂无章的信息变成有序科学的数据，确定准确的工程属性信息，从而建立智能物流管理系统模型[18]。智能物流管理系统设计流程如图1所示。

图1 智能物流管理系统设计流程

2.1 物流阶段可视化

某高原铁路涉及面广，施工单位驻地分散，具有点多、线长的特征，需要借助先进的现代物流管理理念，因地制宜，在确定物资供应商后，评价料源位置对于项目的进度和成本的影响。在料源位置到现场之间，对材料的信息、采购、运输、仓存以及调配进行过程管理，随时更新信息，建立基于GIS技术的可调整最佳运输路线，并对物流实现可视化跟踪。

2.2 信息流动

某高原铁路受气候因素和地理环境影响较大，铁路施工过程中不可预见和多变性随时发生，每个环节发生变化都可能影响物流保障，工程项目物流组织更为复杂。利用BIM建立本项目框架，包含地理、数量、构件等信息，在分析类似历史数据订购、库存、运输成本后完成本项目信息。利用GIS网络分析，确定运输能力、仓库能力和产品特质的数据库，通过已经分析确定的初步最优运输路线，修正物资信息，最终得出总成本分析GIS模型，这种可视化跟踪信息流动的处理方式，能充分掌握实施过程中物资采购成本、运输保存和调拨库存等信息，真正实现GIS与BIM的协同一体化。

2.3 物流监控

某高原铁路工地多较偏僻，山高路险，运量和运速都受到极大制约，BIM-GIS一体化的应用能保证项目管理者所获得的信息可靠性，实现物资实时可视化跟踪。将各类物资冠以相应的ID，通过ID与计划工作建立联系，管理者可视化核实上一步工序的物资信息，调控物资下一步工序状态，现场管理者可以查看每一个构造物组成，并随时更新信息。

2.4 成本监控

该高原铁路建设项目工期长，随着建设物资供应时间加长，局部地区供求关系变化，供应价格必然受市场经济波动的影响，客观上给供应组织造成困难。如前所示，BIM技术提取类似历史项目中产生的订购成本、库存成本、运输成本等数据，运用到本项目的地理、数量、构件属性信息，运输车辆依据通过GIS技术确立的初步最优运输路线和计划数据，从相应的厂家出发，到达对应的施工段落，在运输组织过程中收集实时交通信息与相关数据，GIS模型将其与最初的最优运输路线做比较，借助网络分析模块评价和修正物流全过程，从而调整最优交通运输路线，实现最终的最优方案。

3 智能物流管理系统关键数据设计

运用BIM-GIS多层级协同技术，物流采购阶段首先利用GIS选择最优厂家和最优运输组织线路，将采购、运保和调拨联系起来，综合考虑优化费用。其次利用BIM-GIS一体化，可视化监控不同物流过程中物资实际状态，并实时与计划方案对比分析修正，积极融合物联网、智能移动应用等最新信息化技术。

为解决上述问题，该高原铁路智能物流管理系统关键数据设计包括物流执行系统、仓储管理系统、物流综合信息系统，物联网数据值守中心。

3.1 功能模块

物流执行系统包含场地路线规划及预警、智能配货、车辆定位、环境影响分析4个模块。

仓储管理系统主要包含货源厂家管理、货物定位管理两个模块。

物流综合信息系统主要完成货物状态跟踪功能。

物联网数据值守中心主要包含风速风向监测、温度湿度监测、地质灾害监测。主要完成物流及施工环境下物联网感知数据的接收及存储。

某高原铁路智能物流管理系统功能结构如图2所示。

图2 某高原铁路智能物流管理系统功能结构

3.2 物流执行系统

物流执行系统主要包含场地路线规划及预警、智能配送、车辆定位、环境影响分析4个模块。主要解决高原铁路物流安全、物流效率方面存在的问题。从物流安全角度考虑建设车辆定位、环境影响分析、预警功能；从物流效率角度考虑建设场地及路线规划、智能配货功能。

(1)场地路线规划及预警

在高原铁路项目施工的过程中，场地是管理系统第一层级因素。场地主要需考虑地形条件、地表附着物、水文地质、地方规划等风险。运输路线是管理系统第二层级因素，运输路线设计不合理将导致物资的重复运输，从而影响项目施工进度。对于高原铁路所具有复杂地形的风险因素来说，企业仅仅开展常规的三通一平并不足够。建立实景模型，采集原有地理信息，规划临时施工便道，利用GIS+BIM一体化信息集成技术，将周围环境信息导入到3D地形模型中，通过更为直观的可视化表现，可以充分了解周边环境情况，这样更有利于规划产地布置和运输线路，避免重复搬运，确保物流组织的顺利开展。比如针对钢构厂的选址、拌和站的选址等。

针对无法避开的危险运输线路，在GIS可视化场景下进行危险路段的高亮或者特殊颜色的标注，提醒工作人员以及司机降速安全行驶。同时可以考虑成本、运输效率等因素来决定是否对危险路段进行维修养护。

充分发挥BIM与GIS的技术特点，BIM确定项目所需建筑构件的属性，生成详细的物料清单，GIS确定物料的最佳运输路线并根据可能有的变化进行动态调整。同时进行实时跟踪物料状态，更新库存信息，将计划状态与实际状态进行对比，根据已建立的评价指标对每一个工序进行绩效评价。

(2)车辆定位

运输环境艰险、运输场地和路线规划难、网络环境不稳定、物流易受天气、地质灾害等多层级风险因素影响，智能物流利用BIM+GIS管理平台对车辆进行定位，若运输车辆出现紧急情况，则平台做出报警提示，以便及时掌握车况，迅速做出应急处理。

为满足安全及监管的需求，系统对施工车辆进行定位，车辆的实时位置信息可通过4G、卫星、建设基站等通讯方式上传至物联网数据值守中心，数据值守中心将车辆的位置信息、时间信息同时接收存储，可在电脑端、移动端通过GIS平台实时查看车辆位置信息。

(3)环境影响分析

为了保障施工安全、合理控制施工进度，建立GIS地形建设环境监测站，远程遥测终端和传感器对风速、风向、温度、湿度、地质灾害进行实时监测，当监测数据超出设置阈值的时候提醒施工人员停止施工或者采取保护措施施工。

3.3 仓储管理系统

(1)货源厂家管理

货源厂家管理主要维护厂家名称、厂家地址、货物种类、货物规格型号、厂家地址到仓储中心的距离、厂家地址到施工现场的距离等多层级因素[19]。基于以上因素协同匹配最近的货源地址、最经济实惠的车辆类型及吨位，降低物流成本，实现智能配送。

(2)货物定位管理

结合该铁路仓储中心自身的特点，建设基于BIM技术的货物定位管理功能，通过布设立体货架或平面仓储区对货物进行管理。建设BIM可视化和实际立体货架、平面仓储区的对应关系，在BIM可视化中快速定位货物并在实际位置查找及运输货物。

3.4 物流综合信息系统

物流综合信息系统主要应用于物资运输、仓保、调拨等过程中。在此模块实现：货物识别、货物状态、地点跟踪等各类货物溯源信息的维护和检索。

3.5 物联网数据值守中心

首先建设环境监测站，远程遥测终端和传感器对温度、湿度、风速、风向、地质灾害进行实时监测[20]。

某高原铁路数据值守中心，主要用来实时接收远程遥测站实时上报的各类监测数据，当监测数据超出阈值范围时系统出现预警信息，提醒施工条件恶劣，杜绝产生安全隐患，其根本目的是对现场施工环境进行精确监控保障施工安全。

(1)风速、风向监测

对圈定地理范围内的施工区域进行风速、风向的监测。首先布设风速传感器，可设置监测上报的频率，数据值守中心实时接收遥测终端上报的风速、风向数据，当风速超过设定速度时，当风向变化时，系统提供风速超阈值预警功能及风向变化提醒车辆运行采取安全、环保措施，保障物流安全及绿色施工。

(2)温度、湿度监测

对圈定地理范围内的施工区域进行温度、湿度的监测。首先布设温度传感器，可设置监测上报的频率，数据值守中心实时接收遥测终端上报的温度、湿度数据，当温度、湿度超出系统设定的阈值范围则进行自动预警，管理人员据此数据分析决策物流及施工是否受到影响。

(3)地质灾害监测

地质灾害对物流及施工会产生非常严重的后果，尤其是物流阶段，物流可能在艰险山区、高山峡谷，当出现地质灾害时安全撤离时间得不到保障[21]。

考虑地质灾害的局部性、时间敏感性等特点可建设地质灾害监测传感器，采用高频率的上报方式将监测数据发送到数据值守中心，当监测点的相对位移量数据超出阈值范围时，该系统第一时间给出预警，物流及施工相关人员第一时间从移动端获知安全隐患则停止施工。

4 智能物流管理系统架构确定

某高原铁路智能物流管理系统架构设计依据铁路施工行业物流运输特点结合高原铁路沿线地形环境特点，本着稳定、实时、高效的设计原则，采用多层级协同技术运转，保证物资配送过程中的每个环节都能够实现精准、全面的监控调度，为铁路工程进度保驾护航。

4.1 网络架构

某高原铁路智能物流管理系统的正常运行需要稳定可靠的网络环境实现数据的实时精准传输，通信网络架构如图3所示。

图3 某高原铁路智能物流管理系统网络架构

由图3可知，平台网络及服务器架构主要涉及三大方面，其一是精准的终端定位网络，其二是可靠的终端数据传输网络，第三部分是平台数据中心服务器及网络环境设计[22]。

通过北斗结合GPS双重定位网络，尽可能保证车辆位置信息能够精准采集；采用4/5G结合卫星通讯网络结构，以保证车辆位置、状态信息及相关突发情况信息能够实时稳定的上报数据中心；设置身份认证和数据加密防护墙进行数据安全防护，数据解析服务、BIM+GIS服务以及数据库服务所处网络环境与外部网络隔离，保证业务数据与模型数据的安全性。

4.2 软件架构

整个系统根据使用场景通过物流执行系统、仓储管理系统、物流综合信息系统、物联网数据值守中心4个子系统的协同工作，实现工程物流管理的全方位覆盖。

平台按技术职责划分为业务服务系统、数据通信服务、数据解析服务、GIS+BIM服务系统四大部分。

业务服务系统负责平台相关业务功能的实现，采用SOA架构设计实现，客户端系统包括网页端系统和手机APP端系统，提供具体的业务操作功能；Service层负责实现与数据库服务器的数据交换，同时为网页端和手机端系统提供数据交换接口，完成业务数据的维护[23]。

数据通信服务包括基础Socket通信服务与卫星通信服务两部分，卫星通信服务负责收发北斗短报文数据，通过RS232/RS458与卫星接收终端设备连接实现数据收发，将解析完成的数据通过Socket通信转发至基础Socket服务，同时将基础Socket服务发送的业务数据封装为北斗短报文数据包并发送到其他卫星通信终端；Socket服务负责接收车载终端发送的定位及其他上报信息以及通过卫星通信服务接入的相关业务数据，将与数据解析服务进行双向通信完成业务数据的收发存储。

数据解析服务负责将数据通信服务上报的数据进行解析存储。采用Socket通信与数据通信服务进行数据交互，同时调用业务服务系统API实现与数据库的数据交互。

GIS+BIM服务负责GIS地图与BIM模型的发布，为业务系统提供稳定可靠的地理信息数据和BIM模型数据。

最终确定系统架构如图4所示。

图4 高原铁路智能物流管理系统架构

5 结语

物流水平高低是高原铁路建设施工能否顺利完成的关键，是体现我国铁路建设竞争实力的核心内容。针对该高原铁路特有的建设施工特征，围绕高原铁路建设项目物流管理各类风险因素，构建基于BIM+GIS一体化多层级协同技术的高原铁路智能物流管理系统，该系统在该高原铁路中已全面试运行，运行安全可靠，实现其一体化全生命周期管理目标。同时，由于本系统是一种项目驱动的动态系统，需要建设管理人员、勘察设计人员、施工人员、物资管理人员进行信息充分共享，实现操作性更强的一体化、标准化系统，