基于BIM的鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

王 鼎

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)15萬(wàn)km，并形成八縱八橫的高鐵網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，基于定位系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備等我國(guó)鐵路數(shù)據(jù)總量已經(jīng)約有10PB，鐵路大數(shù)據(jù)已然成為鐵路行業(yè)發(fā)展過(guò)程中不可忽視的關(guān)鍵一環(huán)[1]。鐵路時(shí)空大數(shù)據(jù)在獲取信息和支撐平臺(tái)建設(shè)中起到非常重要的作用，而平臺(tái)要解決這些海量數(shù)據(jù)的清洗、存儲(chǔ)、共享和應(yīng)用擴(kuò)展等問(wèn)題。另外，只有通過(guò)信息平臺(tái)將鐵路方面的相關(guān)數(shù)據(jù)匯集起來(lái)再按一定形式發(fā)布出去，才能打通數(shù)據(jù)共享、協(xié)作的壁壘[2]，助力鐵路行業(yè)構(gòu)建高效、協(xié)同、安全新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)的高度信息化、智能化發(fā)展。

1 傳統(tǒng)鐵路數(shù)據(jù)平臺(tái)現(xiàn)狀與問(wèn)題

傳統(tǒng)的鐵路數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)雖然取得了不錯(cuò)的信息化成果，但是受技術(shù)發(fā)展、經(jīng)費(fèi)制約、組織方式等因素影響，還是存在著一些問(wèn)題。首先，前期的鐵路信息化建設(shè)處在打基礎(chǔ)階段，大多缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，短期的計(jì)劃沒(méi)有考慮長(zhǎng)期需求，使得數(shù)據(jù)不能高效集成、有效共享，造成數(shù)據(jù)“遺忘角落”“信息孤島”的現(xiàn)象發(fā)生[3]。其次，鐵路系統(tǒng)各部門、各業(yè)務(wù)單位為了鐵路信息化改造，分別采購(gòu)BIM、GIS等專業(yè)軟件和鐵路相關(guān)數(shù)據(jù)（地理時(shí)空數(shù)據(jù)、工務(wù)時(shí)空數(shù)據(jù)等），造成人力、物力、成本的大量浪費(fèi)。最后，隨著技術(shù)革新升級(jí)平臺(tái)軟硬件架構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致軟件、硬件、服務(wù)等多方面的信息安全隱患，而已有的信息系統(tǒng)安全防護(hù)措施未達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)抵御能力級(jí)別[4]。

2 基于BIM的鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)構(gòu)建規(guī)劃

基于BIM的鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算架構(gòu)并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范和系統(tǒng)安全體系構(gòu)建的，以打造多類型、多時(shí)空、多層級(jí)的鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)體系。該架構(gòu)如圖1所示，總共分為5層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

（1）感知層是層次結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分。該層主要涉及RFID標(biāo)簽、智能終端等物聯(lián)感知終端設(shè)備，傳感器、無(wú)人機(jī)等信息收集終端設(shè)備，以及遙感衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等外部資源。

（2）網(wǎng)絡(luò)層位于感知層和數(shù)據(jù)層之間，完成信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成有專用網(wǎng)絡(luò)、公共網(wǎng)絡(luò)和通信衛(wèi)星網(wǎng)，由于有些數(shù)據(jù)屬于不公開(kāi)涉密信息，因此需要架設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)加密途徑進(jìn)行傳輸。

圖1 基于BIM的鐵路時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)架構(gòu)圖

（3）數(shù)據(jù)層。虛擬資源管理，利用云計(jì)算的虛擬化技術(shù)對(duì)物理計(jì)算資源進(jìn)行整合或規(guī)劃。安全虛擬化，有效保障在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下平臺(tái)和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)不受病毒感染，提高服務(wù)器和操作系統(tǒng)配置的靈活性和運(yùn)轉(zhuǎn)速度?；贗FC標(biāo)準(zhǔn)、涵蓋工程項(xiàng)目全生命周期的各類BIM模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容的不同分類為時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、多源時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)、空間媒體數(shù)據(jù)庫(kù)。①時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)：主要存儲(chǔ)由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的時(shí)間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和空間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，前者包括基于北斗的守時(shí)和授時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，后者包括全國(guó)統(tǒng)一的大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)等數(shù)據(jù)。②空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)：該數(shù)據(jù)庫(kù)涉及鐵路行業(yè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)。其中，軌跡數(shù)據(jù)為通過(guò)北斗定位測(cè)量的人員軌跡數(shù)據(jù)、群體軌跡數(shù)據(jù)、貨物軌跡數(shù)據(jù)等。③多源時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)由感知層各種終端設(shè)備所采集來(lái)的數(shù)據(jù)、照片、音頻、影像等信息，如RFID標(biāo)簽信息、傳感器采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)和視頻影像等。④靜態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)：該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)短時(shí)期不會(huì)快速變化的數(shù)據(jù)。涉及的數(shù)據(jù)有地圖或地圖集數(shù)據(jù)、BIM模型定位信息、圖紙文檔以及BIM模型構(gòu)件信息及屬性（如尺寸、材質(zhì)、功能）等，其中地圖或地圖集數(shù)據(jù)包括數(shù)字柵格地圖（digital raster graphic,DRG）數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM）數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic,DLG）和數(shù)字正射影像地圖（digital orthophoto model,DOM）數(shù)據(jù)等。

（4）平臺(tái)層。該層主要有業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)和能夠支撐平臺(tái)、服務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)主要提供時(shí)空數(shù)據(jù)采集、清洗、計(jì)算、挖掘、查詢、預(yù)測(cè)、共享發(fā)布等服務(wù)。其他四類功能輔助平臺(tái)運(yùn)行，安全管理有身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制等，主要保障安全性，防止數(shù)據(jù)外泄；中間件引擎有消息隊(duì)列、服務(wù)總線等，有效集成各服務(wù)；工作流引擎有流程管理、任務(wù)管理等，改進(jìn)平臺(tái)性能；資源管理有負(fù)載均衡、監(jiān)視統(tǒng)計(jì)等，使資源調(diào)整更靈活和高效。

（5）應(yīng)用層?；谝陨戏?wù)、功能、業(yè)務(wù)平臺(tái)，對(duì)鐵路業(yè)務(wù)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全生命周期進(jìn)行智慧化應(yīng)用，比如智能路網(wǎng)供電、智能運(yùn)行維護(hù)、智慧設(shè)施檢測(cè)、智慧鐵路樞紐等。

3 基于BIM的鐵路時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)應(yīng)用

3.1 智慧鐵路樞紐應(yīng)用

智慧鐵路樞紐是利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等一系列技術(shù)構(gòu)建一個(gè)布局立體、出行便捷、換乘高效且更加人性化的鐵路綜合交通樞紐?；贐IM的鐵路時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的使用，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，結(jié)合4D（DRG、DLG、DOM、DEM）數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)等信息構(gòu)建三維地形實(shí)景模型，在模擬環(huán)境中論證規(guī)劃建設(shè)的綜合鐵路樞紐，分析周邊環(huán)境對(duì)建設(shè)過(guò)程的影響，得到一個(gè)資源、環(huán)境、成本多方均衡的規(guī)劃結(jié)果。利用BIM三維可視化，對(duì)鐵路樞紐的BIM模型進(jìn)行交通規(guī)劃驗(yàn)證，優(yōu)化交通站點(diǎn)布局；通過(guò)平臺(tái)專業(yè)協(xié)同，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的“錯(cuò)漏缺碰”；分析人員行動(dòng)路徑，優(yōu)化人流產(chǎn)生的沖突點(diǎn)，改善客流擁擠狀況。

施工運(yùn)維階段，在設(shè)計(jì)BIM模型中輸入材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等信息形成施工BIM模型，各專業(yè)施工人員可從模型仿真中理解施工流程、工藝工法，以此減少施工誤差、工程碰撞發(fā)生。通過(guò)BIM技術(shù)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)，合理劃分各區(qū)域，形成合理的人車物交互動(dòng)線。此外，該平臺(tái)可對(duì)建筑內(nèi)部各設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，可以輔助管理者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)做出決策；利用大數(shù)據(jù)分析人員軌跡及行為，及時(shí)鎖定并上報(bào)危險(xiǎn)事件，提升安全管理水平。

3.2 智慧建設(shè)應(yīng)用

基于平臺(tái)實(shí)現(xiàn)建設(shè)過(guò)程多主體協(xié)調(diào)、多專業(yè)集成、多功能整合。在建設(shè)區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)控，通過(guò)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)將施工狀況實(shí)時(shí)傳遞給管理人員，以全面管理建設(shè)過(guò)程，及時(shí)調(diào)整物料資源、施工工序；可在該平臺(tái)分類存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、建設(shè)等相關(guān)信息（包括設(shè)計(jì)圖紙、工藝標(biāo)準(zhǔn)、施工影像等），以達(dá)到資源互通、專業(yè)協(xié)同、技術(shù)交換的效果。利用BIM模型進(jìn)行施工圖復(fù)核；利用BIM三維動(dòng)畫模擬施工進(jìn)度和施工工藝，完成重大結(jié)構(gòu)施工方案、主要工序等的可行性論證；結(jié)合介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在建設(shè)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)獲取模型構(gòu)件屬性信息、間距測(cè)量或構(gòu)件調(diào)整等操作。

3.3 智慧工務(wù)應(yīng)用

既有鐵路工務(wù)巡檢原先主要分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)，軌檢小車或巡檢作業(yè)車所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是人工、定時(shí)產(chǎn)生的，檢測(cè)數(shù)據(jù)缺乏實(shí)效性和交互性，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和該平臺(tái)，用感知層中的設(shè)備檢測(cè)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)和地質(zhì)狀況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞到平臺(tái)，經(jīng)數(shù)據(jù)清洗并處理后供技術(shù)人員分析預(yù)測(cè)，提前防范災(zāi)害、事故[5]。

建立工務(wù)電子地圖，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)屬性、運(yùn)維狀況、工務(wù)巡檢安全等級(jí)范圍展示在地圖上，直觀展示鐵路基礎(chǔ)上設(shè)施的服役、監(jiān)測(cè)狀況。建立智慧工務(wù)駕駛艙，通過(guò)柱狀圖、熱力圖、儀表盤等可視化技術(shù)全方位展現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行、變化趨勢(shì)、監(jiān)測(cè)指數(shù)等情況，全方位監(jiān)控工務(wù)巡檢工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)目前鐵路信息化、智能化的實(shí)際需求，提出基于BIM的鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)的構(gòu)建，并列出三點(diǎn)適用于不同階段、環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)景，為鐵路行業(yè)良好發(fā)展提供準(zhǔn)確、全面、綜合的服務(wù)信息。