BIM 与GIS 数据融合的智慧地铁运维系统研究

刘学伟

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061）

0 引 言

地铁运营安全不仅关系着城市居民的出行，还直接关系着群众的生活质量[1]。因此，如何提高地铁的运营效率和安全性是地铁运营管理部门一直在探索的问题。随着建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术的发展，数字化技术已成为提高地铁运维效率和安全性的有力工具。本文主要研究BIM 和GIS 数据融合在智慧地铁运维系统中的应用，旨在提出一种有效的解决方案，以实现地铁运维的智能化和数字化管理。

1 BIM 和GIS 模型的数据规范

1.1 IFC 规范

工业基础类标准（Industry Foundation Classes，IFC）是BIM 中的一种数据交换格式，用于描述建筑、结构和建筑设施等方面的信息。IFC 规范主要由国际建筑业界联合会制定，旨在实现BIM 软件之间的互操作性，使不同软件之间的模型数据可以进行交流和共享。首先，IFC 规范定义了一系列类别和属性，用于描述建筑信息模型中的对象[2]。其中，每个类别都有特定的属性和关系，用于描述建筑物中的不同部分和组件。其次，IFC 规范中的类别包括了建筑物、楼层、墙体、门窗以及梁柱等，可以描述建筑物中的各种元素和构件。再次，IFC 规范还定义了一些通用的属性，如名称、材料、尺寸以及一些特定的属性（厚度、重量、强度等）。在BIM 建模中，将模型转换为IFC 格式可以使模型数据在不同软件之间进行交换和共享，从而实现BIM 软件之间的互操作性。最后，IFC 格式的使用也可以提高建筑信息模型的数据质量和准确性，有利于建筑项目的设计、施工以及运维管理等方面的工作。在地铁运维系统中，BIM 和GIS 技术的融合可以提高地铁的运维效率和安全性，而IFC 规范的应用也是实现BIM 和GIS 数据融合的重要手段之一[3]。因此，熟悉和掌握IFC 规范的应用，对地铁运维系统的建设和管理具有重要的意义。

1.2 CityGML 规范

首先，城市地理标记语言（City Geography MarkupLanguage，CityGML）规范是一种用于描述城市建筑和景观的三维数据模型规范，基于地理标记语言（Geography Markup Language，GML）和可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）技术进行开发。其次，CityGML 规范定义了一系列城市模型类别和属性，用于描述城市建筑物、街道以及绿地等元素，可以为城市规划、管理和应急响应等方面提供有力支持。最后，CityGML 规范中定义了5 个不同层次，从低到高依次为基本模型、城市模型、建筑模型、装配模型以及多尺度模型。其中，基本模型是最简单的模型，只包含点、线和面等基本要素；城市模型则是基于基本模型加入了城市地物要素，如道路、建筑物、河流等；建筑模型是在城市模型的基础上，进一步描述建筑物的细节和特征，如建筑物的立面、屋顶等；装配模型是将建筑物的不同部分组装起来，以实现更复杂的建筑物模型；多尺度模型则是在不同的层次上描述城市建筑物的细节和特征，可以实现不同精度和规模的城市模型[4]。在地铁运维系统中，应用CityGML 规范可以为地铁建筑物和设施的管理与维护提供支持，如地铁站点、车站以及车辆库等。通过将BIM 模型转换为CityGML 格式，可以实现BIM 和GIS数据的互通和融合，从而更好地实现地铁运维系统的智能化和数字化管理。同时，CityGML 规范的应用也可以为城市规划和管理等领域提供支持，为城市的可持续发展和管理提供更加准确和全面的信息。

2 BIM 和GIS 融合方案

2.1 BIM 和GIS 融合方法

BIM 和GIS 的融合是一个复杂的过程，需要考虑数据格式、坐标系、数据精度等多个因素。在BIM和GIS 融合的过程中，主要有以下几种方法。第一，坐标系转换法：将BIM 模型和GIS 数据统一到相同的坐标系下，可以实现数据的对齐和融合，常用的坐标系转换工具包括FME、ArcGIS 等。第二，数据转换法：将BIM 模型和GIS 数据转换为相同的数据格式，如CityGML、GML、Shapefile 等，实现数据的融合，数据转换工具包括3D-Tool、Datakit 等。第三，接口对接法：通过开发接口实现BIM 和GIS 之间的数据交换和共享，实现数据的融合，如使用应用编程接口（Application Programming Interface，API）进行开发。第四，数据库融合法：将BIM 和GIS 数据存储到同一个数据库中，通过数据库管理系统实现数据的融合和管理，如Oracle Spatial、PostGIS 等。BIM 和GIS 融合方法的比较如表1 所示。

表1 BIM 和GIS 融合方法的比较

通过以上比较，可以看出不同的方法各有优缺点，需要根据实际情况选择最适合的方法进行BIM 和GIS融合。

2.2 地铁运维系统中相关技术融合手段

在地铁运维系统中，BIM 和GIS 的融合可以实现对地铁运营数据和设施设备信息的全面管理与维护。BIM 和GIS 融合在地铁运维系统中的相关特点如表2所示。

表2 BIM 和GIS 融合在地铁运维系统中的相关特点

通过上述方案的比较可以看出，地铁模型与GIS融合主要用于地铁设施设备的建模和展示，而运维信息与BIM融合主要用于设施设备的维护和管理。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的方案进行BIM 和GIS 融合。

3 BIM+GIS 运维系统相关问题探究

3.1 运维系统平台的构建

基于BIM+GIS 的智慧地铁运维系统需要一个完善的运维系统平台，才能实现对地铁运营数据和设施设备信息的全面管理与维护。运维系统平台主要由前端展示界面、后台数据管理系统、设备传感器等组成[5,6]。

前端展示界面是整个系统的外在表现，其需要对地铁设施设备的实时状态进行展示和监测，同时能够进行设施设备的查询和位置跟踪。因此，前端展示界面需要有可视化的界面设计、交互式的操作功能以及实时反馈的数据显示等特点。同时，前端展示界面需要能够通过API 接口与后台数据管理系统进行数据交互。后台数据管理系统是整个系统的核心，其需要对地铁运营数据和设施设备信息进行维护与管理[7]。后台数据管理系统的设计要求高度的可扩展性和数据可视化分析能力。同时，系统需要考虑到BIM 和GIS两种数据模型的不同规范以及数据的一致性与完整性。设备传感器是智慧地铁运维系统的关键组成部分，其需要实时获取设施设备的各项数据，并将其传输到后台数据管理系统进行处理和分析。设备传感器的设计需要考虑到设备种类的多样性、数据类型的不同以及传感器与系统的数据交互模式等方面的问题。

同时，还应该对系统安全性等因素加以关注和研究。所谓系统安全性主要是指系统的完整性和可靠性等相关因素；而稳定性主要涵盖了系统可用性、容错性等多重内容。因此在专业系统设计过程中更应该对上述问题予以关注，以此采用合理手段提高系统安全性和稳定性。在构建运维系统平台时，需要采用开放式的系统架构，采用标准化的数据交互方式，利用开源的软件技术进行开发和维护。通过这些方式，可以实现系统的高效、稳定以及可扩展[8]。此外，系统的构建需要经过充分的测试和优化，以保证系统的性能和用户体验。

3.2 基于智慧运维系统的主要功能实现

基于BIM 和GIS 的智慧地铁运维系统可以提供多种功能[9]。第一，实时监测：智慧地铁运维系统可以实时监测地铁线路和车站的运行情况。通过安装传感器和摄像头，系统可以监测列车位置、车速、乘客数量、车站拥堵程度等数据，以及检测地铁设施的状态，如电梯、自动扶梯等是否正常运转。第二，故障预警：系统可以分析实时数据，对可能出现的故障进行预警，及时通知地铁维护人员进行维修，避免故障发生延误和安全事故。第三，维护管理：系统可以管理地铁的维护信息，包括设备检修、维护计划和维修记录等。通过将BIM 模型和GIS 模型融合，维护人员可以在地图上直观查看设施的位置和状态，提高维修效率与准确性。智慧地铁运维系统的主要功能和对地铁运营的影响如表3所示。

表3 智慧地铁运维系统的主要功能和对地铁运营的影响

4 结 论

BIM 和GIS 的融合在智慧地铁运维系统的构建中发挥了重要的作用。通过IFC 和CityGML 规范的统一标准，使得不同数据来源的模型能够互相交互和融合，为智慧地铁运维系统提供了基础支持。随着科技的不断进步，智慧地铁运维系统将会不断发展和完善，未来可能会加入更多的智能技术，如人工智能、大数据分析等，为地铁的运行管理提供更加精细化和智能化的支持。