BIM+GIS技术在京张高铁建维一体化管理中的应用

孙慧，封博卿，魏小娟，王英杰，刘阳学

（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）

0 引言

近年来，我国铁路行业越来越重视数据资产和设备设施全生命周期管理的价值，推出了多项方案和举措。中华人民共和国交通运输部印发了《数字交通发展规划纲要》，指出要推动交通运输基础设施规划、设计、建造、养护、运行管理等全要素、全生命周期数字化，构建覆盖全国的高精度交通地理信息平台，完善交通工程等要素信息，实现基础设施的三维数字化呈现，针对重大交通基础设施工程，实现基础设施全生命周期健康性能监测。同时，《中国智能高铁发展战略研究》指出2025年需实现建设与运维一体化的全生命周期管理体系［1］。

京张高铁是智能高铁的精品示范工程，因此亟待研究利用新技术、新手段实现铁路前期建设信息与后期运维信息有机统一且可视化、交互性友好的方案，以便服务铁路基础设施的技术管理、安全管理及维修管理，为相关领域工作人员提供建维一体化、便捷高效的信息获取方式。

1 基于BIM+GIS技术的建维一体化管理需求

京张高铁是我国“八纵八横”高铁网京兰通道的重要组成部分，直接服务于2022年冬季奥运会，正线全长174 km，设10座车站，最高设计时速350 km［2］。京张高铁铁路本体及周边环境建维一体化管理需求主要体现在以下几方面：

（1）京张高铁是我国第1条智能高铁，将全面展示我国智能铁路创新发展的最新成果，因此广泛采用GIS、BIM、北斗、大数据、人工智能等先进技术，是把京张高铁建设成为精品与智能深度融合、硬件与软件相得益彰的典范之作的必要手段［3］。

（2）京张高铁的参建单位众多，设计、施工和运营管理的单位不同，容易出现设备实际运营信息与建设阶段信息不匹配的问题，造成运维工作人员根据运营标准追溯设备建设信息困难。

（3）京张高铁怀来综合维修工区是全国首例将工务、电务、机务及供电等专业进行整合的维修工区，因此开展专业融合的综合维修一体化管理是必然趋势。

（4）京张高铁首次采用智能供电运行检修管理系统、应急处置智能调度系统、牵引供电设备故障预测与健康管理系统等多种智能化设备故障预测与维修系统，这些集成度高、专业复杂的设备设施给运营管理增大了难度［4］。

（5）清华园隧道穿越4处地铁、7条重要城市道路、88条重要市政管线和众多古建筑，因此其周边的交通、管线情况也需统筹兼顾［5］。

（6）京张高铁八达岭长城站深102 m，是目前我国埋深最大的高速铁路地下车站，车站层次多、洞室数量大、洞型复杂、交叉节点密集，也是目前我国最复杂的暗挖洞群车站，亟需采用信息化手段管理这种地下车站的详细构造［6］。

（7）线路经过北京“上风口”，周边的硬漂物容易被大风吹到线路上引发行车事故，因此周边环境的检测监测水平也极大地影响了线路行驶安全。

综上，需以实现“专业融合、统筹兼顾”为工作目标，一体化综合管理京张高铁的铁路本体、周边环境、设备设施，BIM+GIS技术的应用可以在很大程度上解决该类问题。BIM具备对铁路本体从设计、施工到运维的全生命周期结构构造和属性信息的精细化表达能力［7］，GIS可以直观的地理图形方式获取、储存、管理、计算、分析和显示周边环境，同时统一管理与位置有关的各类信息和数据，具备集成铁路从建设到运维的空间位置信息和属性信息的能力［8］。

2 BIM+GIS技术应用可行性分析

随着铁路基础设备设施建设和信息技术的不断发展，BIM+GIS技术将在智能铁路交通领域中不断深化应用［9］。我国作为铁路建设大国，利用BIM技术提供基础设备设施的基础数据，结合GIS技术提供周边环境及空间参考，将是未来智能铁路发展的一大趋势，京张高铁在以下方面应用BIM+GIS技术具有可行性：

（1）技术可行性。近年来，GIS技术在各行各业应用广泛，倾斜摄影拍摄及数据处理在我国发展得如火如荼；BIM技术在铁路工程管理平台运用成熟。围绕BIM和GIS技术融合，国内外许多学者或机构展开了相关研究。值得关注的是，随着网络和移动技术的普及，通过网络访问BIM和GIS的需求呈爆发式增长，HTML_5标准、WebGL等技术的出现极大地解决了三维空间数据在前端的可视化渲染问题，使通过网络在铁路建维一体化管理中应用BIM+GIS技术具备技术可行性。

（2）政策可行性。中国国家铁路集团有限公司专门下发《关于进一步深化高速铁路综合维修生产一体化站段改革的指导意见》，进一步深化高速铁路综合维修生产一体化，各铁路局集团公司正部署或通过试点工作完善工作标准、健全推进机制、深化专业融合，提升高铁运营管理水平和养护维修质量。BIM+GIS技术的应用能够有效避免运维人员查阅设备设施纸质资料，可协助其快速掌握设备设施建设、运维信息，甚至是设备实时检测监测的数据，并支持系统中模拟线路巡检、应急救援等重要工作，降低其重复前往现场的频率，大大提升了运营维护的工作效率。因此基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台符合时下政策、符合铁路降本增效的管理目标，具有政策支持基础。

3 基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台总体架构

为实现基于BIM+GIS技术的全线宏观空间大场景及设备设施微观细度三维模型的建维一体化管理，具体设计了基础层、数据层、数据管理层、支撑层和应用层共5层的管理平台总体架构（见图1），该架构为实现工务、通信、信号、供电等专业设备设施统一标准的“数据融合、一体化可视、建维一体化管理、协同分析”提供了理论基础。

图1 基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台总体架构

（1）基础层为保障数据接入传输及存储的硬件、网络设备、安全设备等。数据接入设备主要为传感设备，如风/雨/雪传感器、滑坡/危岩体/泥石流等灾害监测传感器等。数据传输主要通过通信网络，如RFID、蓝牙、NFC、4G/5G、宽带、IPV6、光传输等。数据存储主要通过云服务器。

（2）数据层为铁路全生命周期各阶段的结构化、非结构化数据。分为设计、施工、联调联试、工程验收、运用维修等数据，数据格式有PDF、XLXS、CAD、OBJ、RVT、DGN、OSGB等。

（3）数据管理层是按统一空间坐标系标准，制作GIS数据，导入BIM，实现以GIS提供的唯一空间信息特征为纽带，融合BIM提供的数字化物理空间模型。

（4）支撑层是通过空间地理仓库、三维模型数据仓库、业务主题数据仓库，实现同一空间场景下的BIM+GIS多元信息管理及关联，并统一对外提供二维地图、实景三维、BIM模型、查询检索、空间分析、模拟预测等服务。

（5）应用层是在支撑层的支撑下，开展各项具体业务应用，包括进度、质量、人员、竣工交付、运用维修等的管理辅助建设或运营管理的具体应用。

4 BIM+GIS技术路线及关键技术

BIM和GIS结合可将BIM应用由单个独立项目向宏观领域拓展，把BIM模型整合到GIS平台上可以很好地支撑BIM数据管理，同时承载其他数据，形成数字底盘。在此提到的BIM+GIS技术主要指从BIM到GIS的融合。BIM+GIS技术路线及关键技术见图2。

图2 BIM+GIS技术路线及关键技术

4.1 技术路线

以当前国内常用的GIS平台软件SuperMap为例，SuperMap可以通过BIM转换技术将RVT、DGN等格式的数据模型转换为.udb，BIM转换技术主要是对BIM模型进行几何、属性、纹理等解析，将BIM模型加载到GIS平台中。几何解析即对BIM模型进行三角化处理，并提取三角化后的点位坐标，写入udb文件中；属性解析即在udb的对象中解析并附加图层、元素等属性信息；纹理解析即获取BIM中的填充材质，获取填充图片的路径并重新计算UV值，写入材质信息和对应的UV值到udb中［10］。

4.2 关键技术

由于铁路BIM模型呈长条状分布，数据体量往往较大，可应用BIM轻量化和生成三维切片缓存技术，以满足BIM模型的性能浏览需求。（1）BIM模型轻量化技术主要包括模型切分、子对象简化（删除）、三角网简化等，可将长条状铁路按运维需求分段切分，也可将运维阶段中不关注的设计、施工构件进行删除或简化。（2）三维切片缓存技术采用实例化的方式，将相同骨架的数据仅存储1次，大幅减少数据的存储量，同时设置“LOD层数”，不同LOD层级的数据几何精细程度不同，并在视域范围内按LOD层级动态可视化，加快BIM渲染速度［11］。

实现BIM模型到GIS平台的转换后，可同时加载遥感、点云、倾斜摄影等GIS数据进行多源数据处理及融合。针对经常出现倾斜摄影地形数据与BIM模型不匹配的情况，可对倾斜模型进行地形数据的修改，主要包括地形整平、地形开挖、地形修改等。

在数据处理及融合的基础上，可通过Web服务发布开展数据服务应用，Web服务主要应用WebGL技术，无需在浏览器安装插件，并可提供显示设备的GPU加速，同时支持PC端、平板电脑端、移动手机端等不同设备的三维可视化服务，满足了网络服务的跨平台应用需求［12］。

5 基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台应用

为实现京张高铁BIM+GIS技术应用，需开展以下工作：

（1）组织团队进行调研。前往京张城际铁路有限公司、设计院、施工单位、铁路局集团公司、站段等相关单位进行深入调研。

（2）梳理需求及功能项点。根据实际情况，将产品功能梳理清晰，明确产品定位。

（3）开展设计工作。围绕技术关键点进行模拟测试，形成产品原型。

（4）开展数据收集、整理、制作工作。开展实时检测监测数据接入工作，数据来源主要为二维数据、沿线倾斜三维实景数据等GIS数据和BIM数据。二维数据主要是工务、电务、供电、房建等专业相关设备设施设计、施工、联调联试、运用维修等数据信息；沿线倾斜三维实景主要是拍摄线路建成后的三维实景；BIM数据主要为BIM模型数据。在数据业务信息分类层面，数据主要分为设备基础、工程建设、设备缺陷、养护维修等信息。在信息按时间跨度划分方面，主要为建设期、联调联试、设备全生命周期履历、综合维修管理等数据。

（5）开展京张高铁GIS地理信息系统、京张高铁工程管理平台对接，前者提供GIS数据，后者提供BIM数据。

（6）开展关键性技术研究突破及系统开发工作及将各类数据在SuperMap平台中转换、融合等处理工作，保障数据浏览查询的效果和性能。

（7）进行产品测试试验，产品优化定型。基于BIM+GIS技术架构，经过上述实施工作，实现了基于GIS技术的全线宏观管理、基于BIM技术的标段管理以及桥隧精细管理相结合的多层次施工管理，并通过可视化应用、分析决策应用支撑运维阶段的安全防护、维修作业、生产组织等应用。京张高铁基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台应用见图3。

图3 京张高铁基于BIM+GIS技术的建维一体化管理平台应用

6 结束语

实现铁路系统的降本增效是智能铁路建设的重要目标，即要在铁路建设全生命周期范围内提升建设效率、加强质量管理的同时降低建设、运营成本［13］。京张高铁基于BIM+GIS技术的应用，扩展BIM的应用范围，实现基于GIS的全线宏观管理，可提高长线工程和大规模区域性工程的管理能力。与BIM技术和GIS技术各自单独应用相比，该技术在管理精度、质量分析、决策效率、成本控制等方面都将切实推动运营管理工作的信息化程度和高效敏捷能力［14］，同时为其他铁路建设运维管理工作提供可借鉴的示范技术路线。