基于BIM＋GIS＋UE 实现铁路工务段三维可视化管理平台的研究

张 杉，张蓬勃，杨翰斐

（1 大连交通大学土木工程学院 辽宁 大连 116028）

（2 中国铁路北京局集团有限公司邯郸工务段微子镇线路车间 河北 邯郸 056001）

0 引言

自2011 年，我国住房城乡建设部首次将建筑信息模型（building information modeling，BIM）纳入了信息化标准建设内容后，BIM 技术发展迅速。 未来铁路的发展离不开信息化、智能化的深度融合，随着物联网、大数据以及人工智能技术的蓬勃发展，“智能铁路”的概念随之诞生，其内容包含了智能建造、智能装备、智能运营3 个部分［1］。 轨道交通作为城市间的重要交通工具，承担着各个城市间经济流动的纽带作用。 为确保轨道交通高效、稳定、长久地运行，除了在设计之初设计要合理之外，更多的是在日后对铁路等相关设备的检修维护。 综上所述，BIM 技术的最大价值应体现在后期的运维阶段［2］，但目前BIM 技术在运维方面的发展比较欠缺［3］。

“智能铁路”中的智能运营是通过了解各基础设备的演变规律与劣化机理，实现预测性维护，同时提高维护效率，提升维护质量，降低维护成本［4］。 基于信息化、自动化、人工智能技术的智能运维模式必定会替代目前所采用的以人工为主的运维模式。 BIM 技术具有可视性、模拟性、协同性、连续性、集成性等特性［5］，可为铁路基础设施的智能运维提供重要保障。

国内铁路研究在结合 BIM 与地理信息技术（geographic information system，GIS）方面已经有了不少的研究。 钱意［6］从建筑信息模型与地理信息模型的特点出发，论述了建筑信息模型和地理信息模型在轨道交通的全生命周期中所发挥的作用，为轨道交通全生命周期的信息共享提供了参考。 张丽媛等［7］运用无人机倾斜摄影测量技术将BIM 模型与GIS 数据相融合，设计了铁路信息管理系统，为铁路工程提供全生命周期的集成服务。

现有的工务段运维管理系统主要以数字指标、文字描述的形式对病害的所处位置、产生部位、类型3 个具体内容进行收集，收集完成后通过表格、曲线图等形式对数据进行展示。 这种数据的展示方式，导致一线的工作人员无法直观通过系统来立刻锁定病害问题位置，影响工作人员对病害进行快速响应。 同时表格、曲线图等不直观的表现形式，会使得传递的信息杂乱，从而影响工作人员对具体情况的判断，最终导致出现决策失误。

而采用BIM 与GIS 结合的技术，在实现对铁路细节与地图纹理展示的同时，还可以借助BIM 模型，在模型上对病害问题进行标注、展示，可使工作人员对病害进行更迅速、精准的响应，提升维护的效率与质量。 所以建立相关铁路设备的BIM 维管平台是非常必要的。

1 设计目标以及技术路线

1.1 设计目标

（1）实现在可视化工务段运维管理平台中展示相应的铁路BIM 模型与GIS 数据。 在实现管理平台的模型精度贴合工务段工作人员日常工作内容与工作规范的同时，尽可能减少服务器压力，使平台稳定运行。

（2）实现通过平台可以直观判断病害位置，以便工作人员快速了解整条工作线路中出现的病害数量与地点，达到快速响应的目的。

（3）实现平台在展示病害位置的同时，展示具体的病害信息，并可以直观地在平台中展示病害的危害程度，从而达到精准响应的目的。

1.2 技术路线

本文使用BIM 技术、GIS 技术与虚幻引擎（unreal engine，UE）相结合的技术手段，UE 作为一款开源的游戏开发引擎，主要用于开发3D 游戏、影视制作等。 本文在利用UE 的可视化展示功能的基础上，对BIM 模型进行逻辑编辑，实现与展示的BIM 模型对象相交互，达到可视化管理的目的。

（1）BIM 模型与GIS 数据准备：为满足铁路工务段维护时的三维实景仿真要求，对GIS 实景数据优化处理，处理后导出为fbx 格式的3D 模型文件，并对BIM 模型进行轻量化处理，放置在同一数据标准的管理框架中，用于后续两者在UE 中的数据融合。

（2）优化BIM 模型：工务段工作人员在日常维护时需要了解病害位置与类型，在日常维护记录时，病害位置信息在日常工作中用里程表示。 因此本文的BIM 模型以里程属性为设计基础并进行优化。 再将BIM 模型以是否为维护对象为标准，对铁路的BIM 模型进行拆分和整合。将拆分、整合后的轻量化BIM 模型以fbx 的文件格式导入至UE 中与GIS 数据融合。

（3）开发系统逻辑：结合如轨道检查仪、动检车等常用检测设备手段，设计平台中病害的自动展示方式，将病害的位置与病害的类型信息直观地表现出来。 并通过展示内容建立交互性，实现通过与BIM 模型的交互，完成工务段对日常工作中出现的病害内容的处理。

（4）连通外部数据库：根据人员用户信息与日常工作内容建立独立数据库，通过二次开发实现UE 与数据库连通，从而实现平台与数据库连接时的实时的数据传递。

2 平台设计

2.1 空间数据预处理

基于工务段日常工作流程，以及满足可视化交互的需求，选取对应的BIM 数据以及GIS 数据，并分别对其预处理。

2.1.1 GIS 实景数据预处理

为保证兼容性的需求，需对GIS 数据进行优化，转换为fbx 格式文件。 GIS 数据优化处理的本质是对模型的多边形面片进行操作，主要包括面片的缩减、填补、纹理优化3 个部分。

（1）面片缩减：将fbx 文件利用3D 图形处理软件（如Maya、blender、Maxon Cinema 4D 等）的自动拓扑功能，对GIS 实景数据模型的三角面片进行缩减，且确保缩减过后的模型依旧可以达到所需要的可视化效果。

（2）面片填补：核查所调用的区域是否存在面片的缺漏，若存在缺漏问题，应根据具体情况，对结构面采用延伸方式对缺漏进行填补。

（3）纹理优化：获得GIS 数据后，若纹理图片出现拉花或图片缺失等现象，要对纹理进行优化处理，使得优化过的图片尽量突出更多细节。

2.1.2 BIM 数据预处理

本文的管理对象并不涉及BIM 模型中有关材质、型号等的信息，同时考虑到兼容性的需求，将Revit 所建立的BIM 模型以fbx 文件导出备用。

2.2 BIM 模型拆分重组

根据线路维修规则中工务段日常维护的对象，将BIM模型分为维护对象与非维护对象。

（1）维护对象在平台中起到对病害信息交互管理与展示的作用，可通过与维护对象的交互来表现病害位置与具体病害内容、程度。 同时根据1.2 节中（2）点所述，其中病害的具体信息可展示在整个对象模组上，按照里程属性进行整合。 本文将铁轨、路基以5 米长度切分，同时与对应位置的扣件、枕木等相关构件重组为一个BIM 构件，并对该构件进行后续逻辑设定，其中图1 为二次重组后的部分BIM 构件效果展示。 通过可视化直观展示该构件，达到优化工务段对病害响应决策的目的。

图1 二次重组的部分BIM 构件效果展示

（2）非维护对象在平台中起到展示的作用，不需要设定系统逻辑，可突出体现病害问题的位置。 在整合BIM模型时可将这类模型整合在一起，可减少模型面片数量，减少图像处理的压力。

2.3 空间数据融合

将重新轻量化后的BIM 模型组件与GIS 数据导入UE的开发环境中，使用UE 的材质编辑器对模型颜色进行修改，使得各组件颜色区分开，其中图2 为轨道板材质修改过程。 将各组件材质处理完成后，结合GIS 数据完成BIM数据在三维实景地图上的重组搭建，并进一步对整体效果进行渲染，完成后效果如图3 所示。

图2 轨道板材质修改

图3 空间数据融合效果展示

2.4 连接数据库

本文选用MySQL 进行数据库的搭建并与可视化管理平台连接，其中MySQL 有稳定可靠、性能高效等优点［8］，在数据库应用软件中被广泛使用。 本文构建了用户信息与维护工作两个数据库，分别用于用户的登录，人员管理与维护时的病害部位、病害类型、处理时间、病害解决人员等工作内容信息的管理。 数据库建立完成后通过Java 编程实现连接MySQL 数据库与UE 发出的POST 请求，实现对数据库数据进行增删改查。

2.5 操作逻辑及界面设计

本文利用UE 中的蓝图功能，对登录与BIM 组件交互进行模块化编程设计，同时也方便后续迭代更新。 所设计的蓝图编程模组可实现展示轨道检查仪［9］等设备静态检测与动态检测中的几何尺寸数据，并根据这些初始数据实现改变相应轨道BIM 模型部件颜色，从而达到与BIM 模型交互的目的。 在蓝图设计编程时，需在蓝图中通过Va Rest Subsystem 插件实现发送POST 请求，与上述2.4 节中数据库进行对接，将蓝图中设计的参数范围与数据库中的参数进行比较。 比较完成后，根据比较的范围结果，修改相应组件的材质效果，进而改变颜色属性。

与参数比较的范围结果，可划分为“作业验收”“经常保养”“临时修补”“限速”4 个管理标准。 其中，对应“作业验收”等级的模型颜色不发生更改，其他3 个等级借用灾害预警颜色中的蓝、黄、红3 色来进行区分展示，具体设计参数范围与颜色对应规则如表1 所示。 当该段模型组件出现多个需改变材质效果的条件时，颜色的展示逻辑为优先展示红色，其次为黄色，最后为蓝色，具体展示效果如图4 所示。

表1 设计参数范围与颜色对应规则

图4 病害展示界面

3 结语

本文充分利用了铁路项目中既有的BIM 模型与GIS数据，结合UE 的运行环境，将BIM 模型拆分重组，并以里程属性为基础进行设计，初步完成了工务段可视化管理平台的搭建。 实现了在BIM 模型上将工务段静态检测与动态检测中的病害数据进行展示的目的，解决了工务段可视化管理平台中至关重要的一环。

对于工务段可视化管理平台设计后续的开发工作，还需要继续结合工务段日常工作形式与工作内容设定方便快捷的移动端操作界面，并对交互数据进行分析，实现病害成因分析与病害预测。 从而减少因工务段设备病害问题而产生的限速，提升铁路运行效率的同时延长铁路寿命，促进铁道运维技术的发展与优化。