基于BIM+GIS的京张高速铁路空地一体“数字孪生”智能化运维技术研究

臧 钊

（中国铁路北京局集团有限公司 科技和信息化部，北京 100860)

0 引言

人工智能、5G通讯、物联网、云计算、大数据等技术不断推陈出新，在铁路工程领域正逐步向智能化、一体化运用发展，未来将形成以工程建设和管理运营为核心的“建管并用”体系。京张高速铁路(北京北—张家口)是我国第一条设计时速350 km的智能高速铁路示范线，同时也是2022年北京冬奥会的重要交通保障线，其开通运营标志着冬奥会配套建设取得了新进展，有利于京津冀一体化协同发展[1]。

现阶段，京张智慧高速铁路已经实现了BIM的协同化设计、数字化制造和智能化施工等技术，建成了基于BIM+GIS技术的工程管理平台，实现了自动化采集数据和信息互联的建设，支撑各方协同管理和决策优化。在此基础上，充分发挥“建管并用”思想引入运行维护管理理念。因此，研究采用的数字孪生技术生态体系，是以云、网、端为主要构成，将BIM融合GIS技术，开展空地一体的京张高速铁路智能化运维平台构建，实现对真实基础设施的虚拟化展示和数字信息化管理与共享，实时映射设备设施的运行态势，叠加运维阶段分析能力，有效提升运维阶段设施设备的管理水平；通过整合铁路各管理系统业务数据，逐步接入京张高速铁路一体化运维平台，建立标准的数据目录，提供完善的数据共享方式，进而实现基础数据信息的综合管理和共享共用[2]。

1 铁路工程领域BIM与GIS技术现状

国外发达国家十分重视铁路工程技术的智能化发展，BIM+GIS技术研究起步较早。法国国家铁路公司基于“欧盟Shift2Rail”计划，研究创新智能铁路(In2Rail)项目，在2015年提出数字化法铁(DIGITAL SNCF)战略[3]，促进铁路工程建设的数字化、智能化发展，并为此提供政策支撑。2016年德国提出“铁路数字化战略”(铁路4.0)，旨在实现智能化运营系统，形成以客户为中心的服务体系等目标[4]；2017年11月，BIM和GIS融合迎来新时代，在拉斯维加斯联盟发布会上，BIM行业和GIS行业的Autodesk和Esri公司宣布合作，双方计划在BIM与GIS技术间建立桥梁，为各行各业提供更优的基础数据[5]。

我国铁路工程领域依托京张高速铁路等重大重点项目的建设，实现了铁路工程建设全生命周期管理。杨国华等[6]重点分析在城市地铁建设及运维中BIM与GIS技术的各个功能模块实现，并探讨对城市地铁运维的应用价值与云应用。李宽丽[7]研究了 BIM 技术与地铁运营阶段安全管理的结合，以提高地铁运营阶段安全管理信息化水平。韩亮亮[8]提出了动车运用所数字孪生总体技术架构，实现了模型数据与业务数据的映射交互。

2 BIM融合GIS的数字孪生技术研究

数字孪生实质是由物理实体与之对应的数字模型和保证数字模型之间通信的线程构成，由软件和系统数字孪生体等数字实体与管理部门形成的工作域，通过传感器实现数字模型和物理实体之间状态同步，共同构成物理实体和数字模型的映射体[9]。

数字孪生京张智慧高速铁路运维平台是将BIM与GIS技术映射一套虚拟的京张高速铁路空间模型数据。BIM技术[10]用来实现对设备设施的内部物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达；三维GIS技术用来表达数据结构、空间分析和显示宏观地理空间信息[11]。因此，BIM融合GIS技术实现京张高速铁路车站场景和动车等设备精细构件的集成共享与三维可视化运维管理，有效提高管理标准和全生命周期应用管理，为京张高速铁路智能运维研究提供重要技术支撑。

BIM与GIS融合实现了数据格式转换、数据标准扩展，BIM采用工业基础类 (Industry Foundation Classes，IFC)标准，GIS采用城市地理标记语言 (City Geography Markup Language，City GML)标 准[12]。首先根据语义重构分割(LOD)模型，以Reivt软件为辅助建模软件，建立京张高速铁路三维BIM模型；其次以City GML结构为框架，将IFC数据格式处理后作为细节填充，在应用过程中进行几何模型变化以及多层级语义信息分类映射，将BIM与三维GIS实现数据融合，融合后的模型及数据通过三维GIS平台进行展示。BIM模型与GIS融合技术路线如图1所示。

图1 BIM模型与GIS融合技术路线Fig.1 Technical roadmap for integration of BIM model and GIS

3 基于数字孪生的京张高速铁路智能化运维总体技术框架

京张高速铁路“数字孪生”智能化运维总体技术框架，采用系统论方法，将空中和地上空间场景中所有组成部分作为一个生命共同体，形成一个可持续发展的数字生态系统；通过数据－模型－知识有机集成，具备对历史问题诊断、当前状态评估以及未来趋势预测的能力，实现京张高速铁路数字孪生智能化与信息化建设运维共管共用。

通过建立三站(清河、张家口、八达岭)三隧(清华园、八达岭、正盘台)一区段(八达岭隧道出口至康庄特大桥)全专业精细化模型，在工程建设期依托BIM+GIS工程管理平台开展了建设管理和“三站三隧”等精益化的施工应用。由BIM模型承载设计、施工过程、设备资产等数据，交付于运行维护管理，为基础设施全寿命周期管理奠定基础，形成基于数字孪生的建设方案，为京张高速铁路运维平台建设提供数据结构组织有序、动态感知、易于维护的数字孪生工程，运维平台整体架构如图2所示。

图2 运维平台整体架构Fig.2 Overall architecture of operation and maintenance platform

（1）感知层。通过北斗应用、地震预警、灾害监测、视频分析等平台，利用物联网、5G、铁路专网进行信息采集汇总，实现对京张高速铁路基础设施运行状态、地理位置、空间全景等全信息的采集、接入与集成。

（2）数据层。主要由京张高速铁路的基础资源数据和动车组业务资源数据构成，进行数据存储和访问处理。其中，基础资源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，作为业务资源数据的元数据和系统数据。动车组业务资源数据包含运行监控、动车信息、报警、维修维护、资产调度、数字孪生业务资源库。

（3）应用层。智能化运维平台基于BIM+GIS技术实现三维场景搭建及数据融合，包含京张高速铁路设备设施基本信息管理、设备设施运行监控、动车故障预警、维修管理、灾害预警与生产管控、智能调度分析等数字孪生智能化功能。

（4）展示层。支持PC、移动端访问，实现京张高速铁路空地一体智能运维平台的可视化、可管理化。

4 基于数字孪生的智能化运维平台主要功能

基于BIM与GIS技术的运维平台融合铁路北斗应用服务平台、高速铁路自然灾害监测系统和地震预警系统，将空地一体化系统监测数据注入“数字孪生”体中，主要功能包含设备设施基本信息管理、设备设施运行监控、动车故障预警、维修管理、灾害预警与生产管控及智能调度分析。

4.1 设备设施基本信息管理

基本信息管理功能运用BIM技术规范化组织和整理京张高速铁路的设备设施基本信息，运维人员可快速掌握设备型号、规格、生产厂家、所在位置、运行状态、维修记录等信息，实现京张高速铁路基本信息的有效查询和管理并提供完整、准确的生命周期信息。

4.2 设备设施运行监控

设备运行监控功能采用标准网络管理协议、物联网技术和标准化接口实时获取设备设施信息及状态，对设备运行进行实时监测，根据京张高速铁路设备设施的多元化应用场景，实现安全风险智能预警、灾害监测与调度系统、综合视频系统的互联互通。利用北斗精准定位和GIS高精度铁路地图精确匹配，实时准确监控和记录运维人员位置及动车组列车运行态势，有效提升人员安全和故障处置效率。该功能有助于优化生产组织流程，平衡维修资源，提高应急处置能力，促进专业融合。同时，便于开展设备养护维修及作业过程安全控制，提高天窗综合利用率。京张高速铁路运行监控示意图如图3所示。

图3 京张高速铁路运行监控示意图Fig.3 Operation monitoring of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.3 动车故障预警

京张高速铁路动车故障预警运用多源异构数据处理、特征提取融合等技术，为动车组故障预测与健康管理(PHM)业务应用及模型构建提供统一规范的数据标准和数据服务；通过动车组新造、运用检修、监测检测等全生命周期多源异构数据汇集，基于动车组PHM系统建设与关联数据分析，实现动车组故障智能分析和超前预警，保障动车组在途运行安全。京张高速铁路动车故障预警示意图如图4所示。

图4 京张高速铁路动车故障预警示意图Fig.4 Fault warning for EMUs on Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.4 维修管理

京张高速铁路首次建立了全线三维BIM模型，在工程建设期依托BIM+GIS工程管理平台开展了建设管理和“三站三隧”等精益化的施工应用。由BIM模型承载设计、施工过程、设备资产等数据，交付于运行维护管理，为基础设施全寿命周期管理奠定了基础。京张高速铁路维修技术路线如图5所示。

图5 京张高速铁路维修技术路线Fig.5 Technical roadmap for maintenance of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

京张高速铁路维修管理功能在统一的三维场景中管理信息、工务、电务、供电设备资产，展现设备位置、周边设施及地形地貌；BIM模型承载设备参数、维修、缺陷、建设等数据，实现运维与建设过程的有机结合；集成高速铁路防灾、检测车、车载报警等信息，可联动调取综合视频，实现跨专业运用；建立了统一的生产计划流程，实现高速铁路设备维护的闭环管理。京张高速铁路BIM模型及维修管理如图6所示。

图6 京张高速铁路BIM模型及维修管理Fig.6 BIM model and maintenance management of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

4.5 灾害预警与生产管控

京张高速铁路针对沿线风、雨、雪、地震等灾害监测设备多、预警分析时效性强、应急联动分布广等特点，实现安全数据全时汇聚、风险事前预测、危情实时预警等功能，构建灾害预警与生产管控平台。平台利用高速铁路自然灾害监测系统和地震预警系统实时感知灾害、动态控制和信息服务，结合生产管控平台保障京张高速铁路车站所有客运设备设施、系统、人员、作业的安全运转。

4.6 智能调度分析

京张高速铁路智能调度分析具备列车正晚点状态预警等智能分析，列车开行调整、日常调度计划编制调整、车底运用安排、应急辅助等智能决策的特点，并实现计划命令关联管理、联动推送、调度命令自动解析，联动执行，开行计划实际对比、加开停运分析对比等分析评价的功能。

依照京张高速铁路智能化体系，基于新技术和新架构，以运输综合计划为核心牵引构建智能综合调度管理系统，该系统有利于调度组织过程的数字化贯通、专业化协同以及流程化互控，实现面向客运生产全过程的安全高效可靠的京张高速铁路运输调度管理。结合北京冬奥会旅客出行，实现铁路智能运输、旅客智能出行，提升安全生产和运营管理水平。京张高速铁路智能调度分析功能如图7所示。

图7 京张高速铁路智能调度分析功能Fig.7 Intelligent scheduling analysis function of Beijing-Zhangjiakou High Speed Railway

调度8大核心功能面向客运生产全过程管理构建运输综合计划协同管理平台，为横向各专业信息融合和纵向各单位业务贯通提供依托，实现运输计划综合编制和一体化闭环管理，支撑京张高速铁路日常调度指挥和应急决策。

5 结束语

京张高速铁路智能化运维技术是京张高速铁路高效运行、运输安全的基础保障，并支撑北京冬奥会顺利举办。研究重点基于BIM+GIS的工程管理平台，融合铁路北斗应用服务平台、高速铁路自然灾害监测系统和地震预警系统、自动采集数据和信息互联等技术，充分发挥“建管并用”思想，研究一种基于BIM+GIS技术构建空地一体的“数字孪生”京张智慧高速铁路运维管理平台。研究分析BIM+GIS融合关键技术，可实现对三维空间、坐标系统、物理属性等信息融合，进而可实现京张高速铁路设备设施基本信息管理、设备设施运行监控、动车故障预警、维修管理、灾害预警与生产管控、智能调度分析等功能，为京张高速铁路智能化运行维护系统的开发提供一种技术保障手段，可以有效提高京张高速铁路生产运输安全并在运行维护上降本增效，突破由传统的事后运维向事前预警的运维技术提升。