基于BIM的铁路基础设施综合维修生产管理信息系统设计与实现
国铁路营业里程“十三五”期间增加至14.63万km，其中，高速铁路达到3.79万km，“八纵八横”高速铁路网加密成型[1]。伴随铁路信息化建设的发展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术已被应用于铁路工程设计、建造、运维过程管理当中。基于BIM的铁路工程管理平台标准规范体系建设，优化了传统工程建设的工作流程、技术管理标准与规范[2]。BIM是一个涵盖项目从设计到运维生命期的管理工具[3]，可承载丰富的设计、施工、维修信息，实现基础设施全生命周期数据集中统一管理[4]。基于BIM的运维管理，能够有效提升管理水平和工作效率[5]，是进行跨专业信息共享、高效协同的重要技术支撑手段。
目前，中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）正在积极推进运输生产和劳动组织改革，构建高速铁路综合维修生产一体化管理模式，创新运营养护维修模式[6-7]。铁路工程设计、建造数据对运维阶段价值显著，在高速铁路综合维修一体化改革驱动下，本文运用全生命周期管理理念，设计基于BIM的综合维修生产管理信息系统，运用数据驱动设计、建设阶段的信息向运维传递，接入运维期检测监测数据，实现跨专业信息共享与应用，推动工程建造与运维阶段的紧密衔接，进行综合维修模式下的生产流程再造[8]，进一步提升高速铁路基础设施运维管理水平与工作效率。
1. 系统需求
铁路BIM联盟已初步建立了相关标准体系框架[9]，基于BIM技术的可视化模型承载着大量的工务、电务、供电专业基础设施设计、建造数据信息，相关数据可直接应用于运营及设备养护维修中[10]。
（1）目前，铁路基础设施由建造期向运营期的数据交接尚未做到平滑过渡，需进行大量人工干预，对数据加以规范整理。
（2）在系统层面，建设期系统与运维期系统相互独立，且专业分割，难以进行数据共享与联动，亟须采用新的技术手段，将工程建造、运维数据紧密衔接，减少人工干预，进行数据自动交付与共享。建设期数据可为运维管理提供数据基础，运维期结合工程设计、建设期数据及运营阶段设备缺陷、维修等数据，正向反馈驱动优化工程设计。
（3）推动构建可视化的检测监测体系、生产维修过程管理，形成全专业信息的共享和深度运用，开展数据深度分析、挖掘和智能化应用。
2. 系统设计2.1 系统架构
本文在坚持国铁集团信息化建设“统一规划、统一标准、统一平台”原则的基础上，推进基于BIM的综合维修生产管理信息系统研发与建设。
系统采用B/S模式和云化资源，在国铁集团主数据中心铁路内部服务网集中部署，用户通过内部服务网终端进行访问。支撑国铁集团、铁路局集团公司、专业站段、车间、班组用户的联网应用。
系统在铁路内部服务网中通过数据服务平台与铁路工程管理平台、铁路自然灾害及异物侵限监测系统、北斗基础设施监测系统、一体化综合视频监控系统、信号集中监测系统、供电6C数据中心实现数据交互，与铁路地理信息平台实现地图及功能服务调用。系统架构如图1所示。
图 1 系统架构
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2.2 技术架构
基于BIM的综合维修生产管理信息系统技术架构主要由访问层、接口层、服务层、数据存储层组成，如图2所示。
图 2 技术架构
下载: 全尺寸图片 幻灯片
访问层：用户可借助PC端、移动终端或其他终端设备访问系统，实现用户操作交互。
接口层：采用微服务网关中心模式，将系统涉及的工务、电务、供电专业业务分解为多个独立部署的服务应用，实现对单体业务接口访问的解耦。
服务层：包括服务通信、业务服务模块、服务管理及统一日志记录和统一权限管理。通过服务通信实现数据调用与存取；业务服务模块支撑业务功能实现，包括统一坐标体系下的BIM、地理信息系统 （GIS，Geographic Information System）服务融合；服务管理用于配置、发布管理服务接口；统一日志记录提供安全日志审计；统一权限管理实现用户身份到应用授权的映射。
数据存储层：主要实现结构化、非结构化数据的存储，用以满足工务、电务、供电专业的检测监测、生产维修及现场视频、图片、语音等多样化的数据存储需求。
3. 系统主要功能3.1 BIM+GIS可视化
BIM+GIS可视化功能实现统一场景融合全线的BIM、GIS和周边地形地貌数据，以工务、电务、供电、房建基础设施BIM为载体，承载工程设计、建设过程、设备履历、检测监测、设备缺陷、养护维修等数据。同时，集成运营期各专业检测监测报警数据，运用BIM+GIS与设备单点缺陷、区段单元评价与轨道质量指数（TQI，Track Quality Index）数据相结合，直观展现单点及区段设备质量状态。将线上生产作业、设备缺陷报警与视频进行联动，运用视频分析结果，辅助判定作业安全规范，实现跨专业信息共享与运用。
3.2 现场作业监控
利用生产作业终端App，对现场作业过程进行监控，实现作业计划获取、人员及机具进出场确认、关键作业过程短视频及图像采集、现场作业工单回复等功能，结合BIM+GIS可视化功能，全程监控跟踪作业过程及人员活动轨迹。
3.3 生产调度管理
按照设备检修周期、设备状态分析结果建立月、周、日生产计划编制功能。结合天窗计划、车辆运行计划进行多专业的周生产计划平衡。日计划主要编排作业、人员、机具、物料、风险防控等信息，以工单为驱动，形成生产力要素配置、上道安全控制、设备缺陷整治、设备更新信息的联动管理。
3.4 数据分析管理
利用工务、电务、供电检测检查数据对线路区段、桥隧、道岔、信号、接触网等设备质量状态进行评价，开展工务、电务、供电设备单元量化分析，以道岔为主的工务与电务结合部分析等。结合专业缺陷数据建立专业问题库，辅助专业分析人员判识设备质量状态、设备缺陷，筛选优先维修地段，为编制状态修生产计划提供依据。
3.5 设备履历管理
实现基础设施分专业设备履历的统一管理，包含工务专业（坡度、曲线、车站、道岔、股道、钢轨、轨枕、道床及桥隧设备等）、电务专业（通信基站、中继站、信号机、轨道电路、转辙机、应答器、轨旁设备等）、供电专业（接触网支柱、接触悬挂、补偿装置、分段绝缘器、断路器、隔离开关、变配电所等）。基于设备台账数据，建立设备专题图管理功能。
3.6 移动检测数据
建立工务专业动态检测车检测数据文件加载与入库、车载式线路检查仪数据实时接入、便携式添乘仪与人工添乘数据管理功能，对原始检测数据进行管理；实现电务检测车检测缺陷问题的采集功能；建立供电检测问题缺陷标准，实现供电1~4C检测缺陷数据的分类管理。
3.7 固定监测数据
实时接入北斗基础设施监测系统路基沉降、边坡位移、隧道仰坡监测报警数据、信号集中监测报警数据、供电5~6C监测数据及图像，分析报警点监测数据历史变化趋势，辅助研判报警发生原因，为专业养护维修和应急抢修提供技术支撑。
3.8 现场检查数据
规范专业设备检查缺陷标准，实现工务道岔、曲线、桥梁、隧道、涵渠等日常检查数据采集，电务现场检查维护记录、检修电气测试数据的标准化采集，供电设备日常、周期性检查数据的采集。
3.9 BIM+GIS数据服务
利用地理信息空间数据引擎发布BIM服务，基于铁路地理信息平台，统一存储和管理铁路GIS空间数据，发布为标准、规范、共享的空间数据服务，在应用层面实现BIM、GIS服务的融合。
3.10 工程建设数据交付
分类组织工程建设阶段数据，按专业管理模式形成项目及单位工程信息、设计及建设期数据目录，归集工程建造期数据；按照施工与竣工运营里程对照关系，转换建设期数据，形成运营期数据，以运营期数据需求为导向，形成运营基础数据，建立以BIM为承载的建设期完整竣工交付数据。
4. 系统效果
基于BIM的综合维修生产管理信息系统于2020年8月在北京—张家口高速铁路（简称：京张高铁）开展试点，面向中国铁路北京局集团有限公司、所属段、车间、工区开展运用。系统接入工程建造期数据，统筹管理运维期工务、电务、供电专业生产流程，接入高速铁路防灾、北斗基础设施监测、综合视频、信号集中监测、供电6C缺陷数据等，采用数据驱动方式，进行基础设施全生命周期管理。
4.1 基础设施专业数据统一管理
系统基于BIM+GIS技术，将铁路基础设施的设计、施工、建设管理所涉及到的各类数据信息纳入运维层面，建立完善的数据管理体系，实现了铁路基础设施数据的集中统一管理，对三维空间场景进行虚拟化展示和数字化管理，图3为多专业数据资源共享及多场景数据联动界面。
图 3 多专业数据资源共享及多场景数据联动界面
下载: 全尺寸图片 幻灯片
4.2 设备履历及质量状态可视化
集成展示京张高铁工务、电务、供电等专业设备设施空间信息，与设备履历、检测监测、生产维修、状态分析数据相融合，通过二/三维空间动态展现各专业设备技术参数、生产维修信息、设备质量状态及变化趋势。
4.3 一体化生产组织流程
通过业务流程改造，建立统一的综合维修生产作业流程，图4为统一生产作业流程界面。系统以高效组织生产过程为核心，建立检测检查、状态分析、生产计划、线上作业、安全管控、质量评估闭环生产组织流程。
图 4 统一生产作业流程界面
下载: 全尺寸图片 幻灯片
4.4 跨专业数据共享联动
系统运用BIM+GIS空间数据服务，通过铁路数据服务平台实现与高速铁路防灾、信号集中监测、综合视频、供电6C的数据集成。动态实时呈现京张高铁沿线设备报警信息，同步调用视频，进行报警信息的快速复核与确认，同时，将维修计划与综合视频进行联动，辅助开展维修作业安全管控。图5为日天窗计划进出通道门联动视频分析界面。
图 5 天窗计划进出通道门联动视频分析界面
下载: 全尺寸图片 幻灯片
5. 结束语
基于BIM的综合维修生产管理信息系统以工程建设期BIM+GIS为载体，围绕工务、电务、供电基础设施，综合运用动态检测、自动化监测、人工检查数据，辅助开展状态修、预防性维修决策，实现设备销缺、维修生产流程闭环，推动基础设施建设维修一体化及全寿命周期管理。在系统运用过程中，还存在建设数据交付标准化、BIM轻量化、专业设备缺陷字典规范化、综合维修模式下的生产组织深度融合等问题，后续将进一步深化与相关专业信息系统的资源共享，运用大数据手段优化设备检测数据分析与维修决策分析，为打造铁路基础设施智能运维体系提供参考。