基于BIM+GIS的高铁动车运用所设备设施运维管理平台

赵峰

（中国铁路设计集团有限公司机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技术是基于建筑全生命周期的一种信息化管理技术，为工程规划、设计、施工和运维提供了全新的解决方案［1］。2013年，原中国铁路总公司启动BIM技术研究工作，陆续开展“面向铁路工程建设全生命周期的BIM应用关键技术研究”“铁路工程建设信息化关键技术研究”“BIM在铁路建设项目成段落应用关键技术研究”等一批重大科研课题，立足解决铁路BIM标准和工程应用的关键核心技术，形成一套工程建设信息化标准体系［2］。随着中国国家铁路集团有限公司17个试点项目以及阳大铁路、克塔铁路、牡佳铁路、盐通铁路、京雄城际铁路、京张高铁、印尼雅万铁路等一系列总包、海外和重点工程项目的顺利开展，实现了铁路全线全专业协同设计、铁路BIM标准部署应用，以及各专业设计、施工深化应用［3-12］，已基本形成了以铁路BIM标准为指导、工程应用为核心、组织机构为保障的实施体系。近年来，随着信息化技术的快速发展，云计算、大数据、物联网、人工智能、BIM、地理信息系统（GIS）等先进信息技术与铁路运营维护深度融合已成为重要发展趋势。《智能高速铁路体系架构1.0》等政策文件明确了铁路数字化、网络化、智能化发展方向，并在铁路站房、牵引变电所、桥梁等工点开展了设备运维管理探索应用［13-16］，但BIM运维应用在铁路领域总体还处于探索阶段。

动车运用所作为高速铁路动车组存放、整备和检修作业的重要场所，是高速铁路运输网络中的重要组成部分。动车运用所设备设施运维管理水平与高速铁路高效、安全运行息息相关。因此，聚焦智能运维方向，基于BIM+GIS技术开展高铁动车运用所设备设施运维管理平台研究，实现动车运用所设备设施运维信息的集成共享与三维可视化运维管理，从而提高动车运用所设备设施故障响应效率和运维管理水平。

1 平台设计

1.1 平台整体架构

平台整体架构见图1，共分为5层：

图1 平台整体架构

（1）基础设施层。该层位于整体架构的最底层，是系统运行的物理基础。包括硬件和软件两大部分：①硬件基础设备：包括网络连接设备、安全设备、采集与存储设备等；②软件基础环境：包括操作系统、容器管理套件、数据库系统和应用服务器中间件。

（2）信息资源层。该层主要由基础资源数据和业务资源数据构成。其中，基础资源数据作为业务资源数据的元数据和系统数据，包含元数据资源库、用户资源库、角色资源库和组织结构资源库。针对资源库中的结构化数据和非结构化数据，采用不同的数据存储和访问处理技术进行存储和访问处理。

（3）支撑平台层。该层包含各种支撑业务系统的中间件（身份认证、时序数据、日志等）及服务总线。

（4）应用系统层。该层是整体架构的业务功能层，包括信息查询、维保管理、运营监控、资产管理、报警管理、图层管理、基础操作、故障管理、设备中心、智能分析、基础管理等业务功能。

（5）访问层。该层支持PC、移动端数据访问。

1.2 平台功能设计

以动车运用所设备设施运维管理为核心，以云计算、大数据、物联网、人工智能、BIM、GIS等新一代信息技术为手段，围绕动车运用所实际业务需求，并考虑远期打造智能动车运用所目标，制定动车运用所设备设施运维管理平台功能框架——“一个门户、十大功能模块”（见图2），具体包括运营监控、设备中心、资产管理、报警管理、维保管理、故障管理、智能分析、权限管理、系统管理和移动端应用。

图2 平台功能框架

2 平台BIM+GIS数字孪生场景搭建

以达索3D EXPERIENCE平台为主建模软件，创建动车运用所土建和机电BIM模型，以Reivt软件为辅助建模软件，创建动车运用所生产生活房屋BIM模型，统一整合至达索3D EXPERIENCE平台后，开展设计、施工阶段一体化优化、深化应用，并形成竣工模型。然后将达索导出的3dxml原生格式竣工BIM模型，通过3dxml转UDB插件导入SuperMap GIS软件，之后在GIS软件进行实例化处理以及减面等轻量化处理，以减小模型体量，降低计算机运行压力，提升模型查看流畅度，同时进行模型归类、编码及属性信息完善，确保满足运维管理需求。在此基础上，加载三维地形GIS数据，并进行装配及地形裁切，形成动车运用所BIM+GIS基础模型数据，并进行动车运用所数字孪生模型制作（具体制作流程可参见参考文献［17］），实现物理实体实时动作和动态属性信息在数字场景的映射，进而完成BIM+GIS数字孪生场景创建，为动车运用所设备设施运维管理研究提供基础数据支撑。BIM+GIS数字孪生场景创建流程见图3。形成的动车运用所BIM+GIS数字孪生场景见图4。

图3 BIM+GIS数字孪生场景创建流程

图4 BIM+GIS数字孪生场景

3 平台功能实现

3.1 数字孪生虚拟展示功能

借助数字孪生技术搭建的数字孪生虚拟展示子系统的具体功能包括：动车运用所三维场景的视图操作（模型浏览、图层控制、空间量算、兴趣视角管理等）、属性查询、数据库监控驱动、故障查询及定位等可视化应用，以及设备运营监控、设备管理等业务应用，实现了虚拟与现实世界的数据交互，并支撑了相关具体运维业务应用（见图5）。

图5 数字孪生虚拟展示功能

3.2 运维管理业务功能

（1）运营监控。运营监控包括大屏监控、集中监控和设备监控。大屏监控的主要功能包括：动车运用所数字孪生虚拟展示模块、动车运用所能耗统计、设备视频监控画面展示、设备运行状态统计分析、维保工单统计、设备故障类型占比统计与每月故障趋势统计；集中监控主要对多台设备设施关键运行参数进行监控，方便集中管理和集中维护；设备监控界面包括设备目录、设备运行参数实时监控、设备属性信息查询、关键测点的预测分析及报警、维保记录查询（见图6）。

图6 运营监控功能

（2）设备中心。设备中心包括设备模板和设备管理。设备模板主要功能包括：设备添加、修改、删除、复制、组态等信息的管理和编辑；设备管理主要功能包括：设备添加、搜索、查看、修改、删除以及网关管理（见图7）。

图7 设备中心功能

（3）报警管理。报警管理包括实时报警和历史报警。实时报警主要功能为故障实时监控报警，对于轻度的实时报警提醒，用户可选择忽略，对于重度的实时报警，用户可选择报修进入设备的维保流程；历史报警主要实现历史报警的查询统计（见图8）。

图8 报警管理功能

（4）资产管理。资产管理功能主要包括：机电设备、基础设施和工艺管道的资产添加、删除、修改和查询等管理功能。为便于资产管理，提出“两定三包”的概念，将每种类型资产确定使用部门和维修部门，确定使用班组、机械维修班组和电气维修班组，明确使用包机人、机械维修包机人和电气包机人的责任，并设计了根据资产模板一键导入功能（部分功能见图9）。

图9 资产管理功能

（5）维保管理。维保管理主要包括计划维修、故障维修和工单管理。计划维修主要功能为添加计划维修任务，并可进行任务的修改、删除和搜索等操作；故障维修主要功能为添加故障维修任务，并可进行工单的添加、搜索、查看以及工单的派发和验收；工单管理主要功能为所有工单的管理、查看及报表导出（部分功能见图10）。

图10 维保管理功能

（6）智能分析。智能分析主要包括时效统计和健康监测。时效统计主要功能为设备本月、当日和历史待机时间、工作时间、停机时间等运行信息查询；健康监测主要功能为备品备件库的管理、健康度预测和部件更换的管理。

3.3 平台移动端功能

移动端APP与业务数据库相关联，帮助现场作业人员记录检修工作过程，完成基于APP端的任务领取、检修作业管理、故障提报和数据上传等任务（见图11）。

图11 移动端功能

4 结束语

聚焦铁路智能运维方向，基于BIM+GIS技术搭建高铁动车运用所数字孪生场景，并以BIM+GIS模型为数字化载体，整合了设备设施各类属性信息，建立了动车运用所设备设施运维管理平台，开发了动车运用所数字孪生虚拟展示应用，运营监控、设备中心、报警管理、资产管理、维保管理、智能分析等运维管理业务应用以及移动端应用，从而实现了动车运用所设备设施各类运维信息的集成共享与综合可视化运维管理，可有效提升动车组运维安全保障能力和经营管理能力，是响应国家及行业数字化、智能化转型发展的一次成功实践，为深入开展智能动车运用所研究提供了有力技术支撑。