袁敦磊，王晓刚，刘学福，王兴鲁

（1.中国铁路济南局集团有限公司 科技和信息化部，山东 济南 250001；2.中铁工程设计咨询集团有限公司 济南设计院，山东 济南 250000）

近年来，建筑信息模型(BIM)技术应用发展迅速，在高速铁路建设管理方面得到了广泛应用，通过引入BIM技术对高速铁路工程设计、项目建设进行管理，在优化工程设计、强化施工组织、节约成本和缩短工期等方面发挥了重要作用，但BIM 技术在高速铁路运维阶段应用研究还不够深入[1]。当前我国高速铁路技术设备运维正处于由传统化向智能化转变的过渡阶段[2]，由于高速铁路技术设备服役时间跨度大、结构性能演变复杂、影响因素较多，以BIM 技术应用为基础，建立科学化、智能化的高速铁路设备运维技术体系将是“十四五”铁路科技创新发展的研究重点之一[3]。研究以中国铁路济南局集团有限公司(以下简称“济南局集团公司”)管辖的日兰高速铁路(日照西—兰考南)曲菏段(曲阜东—菏泽东)济宁北—嘉祥北—巨野北“三站两区间”作为研究对象，深入分析高速铁路设备运维需求，融合应用GIS、北斗技术，研究基于BIM技术的高速铁路设备运维管理关键技术及总体设计方案。

1 现状及需求分析

1.1 现状分析

国内新建的京张高速铁路(北京北—张家口)[4]、青盐铁路(青岛北—盐城)[5]、日兰高速铁路[6]等，在设计、施工阶段针对应力计算、线形监控、营业线施工、建设管理等方面广泛应用了BIM技术，许多学者也对BIM技术在高速铁路工程建设、运维管理方面的应用进行了研究。通过对BIM高速铁路建造管理系统进行综合应用研究[7]，表明BIM技术能够高效指导高速铁路施工，提高施工效率；通过研究BIM+GIS 多维状态融合的高速铁路工务智能维修技术[8]，表明具有智能维修系统的高速铁路可以有效实现信息服务等功能。特别是京张高速铁路通过将工务、电务、供电等专业设备、履历、智能运维等信息在BIM系统中进行立体呈现，为铁路运维提供了更为直观的数据展示[9]。这些研究都有力推动了BIM技术与高速铁路管理的融合，对高速铁路智能化建设和运维起到了促进作用。济南局集团公司日兰高速铁路曲菏段在建设过程中，通过引入BIM技术对工程设计、项目建设进行管理，并根据国家BIM标准和铁路BIM联盟标准，完成全线全专业的BIM模型数据创建，为系统开展BIM在高速铁路运维管理阶段的应用创造了有利条件。当前GIS、北斗等新技术的发展，更为基于BIM技术的高速铁路运维管理提供了广阔的应用前景。

1.2 需求分析

目前铁路工务、电务、供电等专业的设备运维系统多数是二维台账管理，缺少对管理对象的三维精细化描述；设备运维单位对设计、建设期三维数据有强烈需求，但缺少获取相应信息的有效手段；同时各专业系统分散建设，设备信息不互通，缺乏专业间的融合分析，制约了设备运维管理质效提升[10]。

（1）BIM运维模型数据需求。铁路运维单位在BIM运维模型数据方面有着多层面的需求。一是各运维单位亟需解决隐蔽工程数据调用的及时性、高效性、准确性及三维可视化。二是通过BIM运维模型数据，各运维单位可以快速查阅多种专业的竣工图纸和工程资料，将跨专业的维保数据进行整合。三是借助BIM运维模型数据，各运维单位可以增强新员工培训的直观性，帮助员工更好地理解和掌握相关知识。因此，开展BIM 在运维阶段的应用研究，要以满足BIM 数据在运维阶段应用需求为导向，通过建立BIM运维模型交接标准，在施工阶段BIM竣工模型的基础上，深化BIM数据的几何表达精度及信息深度，使BIM数据的全面性、准确性及颗粒度能够满足高速铁路运维管理的需要。

（2）铁路结合部管理需求。在铁路运营管理中，经常会遇到个别设备虽然已投入使用，但设备管理结合部还存在界面不清晰的问题，容易造成设备失管失修。2019年济南局集团公司开展了行车设备结合部管理技术研究[11]，对结合部管理分界原则、处理程序及设备管理界面分工等进行研究，但现阶段基于二维设备台账进行结合部划分缺少有效的可视化技术应用手段，亟需通过BIM技术应用提高结合部管理效率。同时，BIM技术在高速铁路建设管理中的应用，形成了系统的BIM数据，为有效研究解决各专业设备结合部可视化管理创造了条件。

（3）高速铁路联调联试管理应用需求。高速铁路联调联试是通过采用检测列车、综合检测列车、试验列车及相关检测设备，对各系统的功能、性能、状态和系统间匹配关系进行综合检测、验证、调整和优化，使整体系统达到设计要求，满足高速铁路开通和运营要求的过程[12]。为满足联调联试安全需要，参与试验的运维单位希望通过BIM技术实现试验列车位置动态实时查询、上道作业人员机具定位查询、问题库整改销号可视化管控及模拟列车运行等功能应用。

（4）智能运维应用需求。围绕高速铁路设备运维在应急处置、资产管理、技术资料管理、运维数据可视化、运维管理智能化等方面的应用需求[13]，实现应急救援路径优化、检测监测智能化应用、站房设备设施全生命周期管理，提升高速铁路运维管理水平。

2 总体技术路线设计

基于BIM技术的高速铁路技术设备运维管理总体设计是以BIM技术为主要实现手段，制定“一套标准”，应用“一套数据”，构建“一体化平台”，打通BIM 数据由建设阶段向运维阶段转化的梗阻，满足高速铁路智能化运维需要。

（1）制定“一套标准”，是指制定高速铁路BIM运维数据交接标准，通过标准明确高速铁路站房、路基、轨道、桥梁、接触网、构筑物及其附属设备等竣工交付的BIM运维模型结构及要素、模型几何表达精度和信息深度要求、交付物及交付流程，规范高速铁路技术设备BIM数据交接与管理。

（2）应用“一套数据”，是指在铁路项目全生命周期应用中，使用同一套数据在各阶段无缝流转，满足各阶段对数据的不同需求，解决以往运维阶段对设计、施工数据流转割裂、信息流转困难的痛点。

（3）构建“一体化平台”，是指以日兰高速铁路曲菏段济宁北—嘉祥北—巨野北“三站两区间”为重点应用实施对象，以BIM运维数据为载体，结合GIS、北斗等信息化手段，构建高速铁路设备运维一体化管理平台，以运维管理标准化流程为主线，实现BIM在高速铁路运维管理阶段的结合部管理、联调联试管理和工务、电务、供电、客运等多专业场景的智能化应用。

3 关键技术研究

3.1 BIM运维交接标准研究

为确保BIM模型数据的规范化、科学化，在充分参考《铁路工程信息模型交付精度标准(1.0 版)》(T/CRBIM 007—2017)[14]《铁路工程信息模型统一标准》(TB/T 10183—2021)[15]基础上，引入BIM 运维交接模型概念，以高速铁路运维管理对BIM模型数据信息需求为导向，开展BIM 运维交接标准研究。深入开展BIM 数据运维需求调研，深化BIM模型信息表达精度和表达深度，规范BIM运维数据交付流程，形成济南局集团公司《高速铁路BIM模型数据运维交接标准》技术标准报批稿。该标准从BIM模型的交付原则、交付流程、交付成果及交接协同等方面规范了济南局集团公司新建高速铁路项目的BIM模型管理要求，为高速铁路竣工模型转化为运维模型的BIM数据交接提供支撑。

3.2 BIM运维数据应用研究

以《高速铁路BIM模型数据运维交接标准》为依据，对模型按需拆分，录入运维编码、施工区域、里程等运维应用数据，打造高速铁路设备实体和BIM 模型的数字孪生，形成完整、规范的BIM运维基础数据，并不断维护运维阶段设备管理所需的属性信息，保障后续的智能运维应用实施。同时，通过优化数据结构，采用轻量化技术对BIM数据进行处理，在最大限度减少硬件投入的前提下，实现BIM数据方便快捷的查询、使用。

3.3 高速铁路结合部可视化管理应用技术研究

满足高速铁路结合部对工务、电务、供电、房建等专业设备资产数据和维修管理生产信息的集中统一管理、交互、统计、查询需求，基于《中国铁路济南局集团有限公司行车设备结合部分界管理规定》(济铁科信〔2019〕159 号)[16]，在《高速铁路BIM 模型数据运维交接标准》中对模型结构及要素、交付物、交付流程等进行规范。各运维单位通过工程项目BIM运维交接模型按结合部设备的管理分工、管理界面进行准确、可视地划分及认领，实现快速、高效的高速铁路设备结合部管理。

3.4 高速铁路联调联试应用技术研究

高速铁路联调联试前将列车运行监控装置(LKJ)基础数据、接近距离预告标、资产信息、技术资料等综合技术资料录入BIM数据平台，结合北斗定位与5G 技术，基于平台BIM+GIS 可视化引擎，实现联调联试试验列车、上道作业人员及机具位置动态实时查询展示；在平台模块中设定列车运行速度和时间，实现联调联试试验列车运行动态虚拟仿真；通过联调联试问题电子化整改及销号，实现联调联试可视化管控。

4 BIM运维管理平台构建

4.1 平台总体架构

BIM 运维管理平台以信息化技术为核心，以BIM 模型为载体，利用BIM 模型的可视性、协调性、模拟性、优化性等特点，融合应用GIS、5G、物联网、大数据、人工智能等前沿技术，整合利用既有信息系统数据，实现各专业数据共享、信息在全生命周期中持续传递，为各专业运维人员提供数据信息支撑，协助管理人员进行决策和管理，提升高速铁路运维品质。运维管理平台功能架构如图1所示。运维管理平台充分考虑了保障体系、运维体系、安全体系以及数据接口标准规范体系的建设。按服务能力和服务消费对象，抽离出基础设施层、业务服务层、应用层、门户展示层、终端用户5层。按业务专业纵向切分为工务运维、电务运维、供电运维、站房运维等业务领域。

图1 运维管理平台功能架构Fig.1 Functional architecture of operation and maintenance management platform

4.2 平台数据架构

平台数据包括基础数据和业务数据。基础数据是运维平台范围内的共享数据，包含人员、组织机构、工务设备台账、电务设备台账、供电设备台账、站房设备台账，以及通过竣工交付的设计期、建设期、联调联试期的静动态数据。业务数据主要包括检测数据、监测数据、LKJ 数据、生产数据、运行数据、分析数据、原材料数据、工器具数据、应急数据等。在BIM模型中录入标准规范的运维编码，将模型导入运维管理平台，运维管理平台根据标准规则自动生成每个模型构件的唯一标识码。通过唯一标识码及耦合关联关系，实现业务数据、基础数据和模型的关联贯通，为BIM+GIS 可视化运维管理提供数据基础和底层数据逻辑。运维管理平台数据架构如图2所示。

图2 运维管理平台数据架构Fig.2 Data architecture of operation and maintenance management platform

4.3 BIM运维管理应用研究

基于BIM 运维管理是利用BIM 模型的可视化3D 空间展现能力，以BIM 模型为载体，融合物联网的实时运行数据，将各种零碎、分散、割裂的信息数据应用到高速铁路日常运维管理中，创造一个基于数字孪生的设备运维管理空间，进一步拓展BIM运维管理平台的应用能力。BIM运维管理平台以工务、电务、供电、站房、联调联试等专业场景高速铁路设备运维作为重点，使用移动端APP实现快速定位查询设备信息，日常巡检维保信息现场录入上报，告警信息、问题处理归档销号，同时通过Web端登录平台，获得更全面的统计信息和BIM态势展示。其主要智能化应用内容包括工务运维管理、电务运维管理、供电运维管理、站房运维管理、巡检流程闭环管理及问题库流程闭环管理。

（1）工务运维管理。基于BIM的工务安全生产管理系统，将工务设备建设、施工和运维阶段的各类信息集中存储和应用，集成业务数据治理的方法，对集成的数据实现统一的编码、统一的命名，基于设备建立数据关联，大大提升数据应用的效率，减少人工查阅数据的工作量；同时为运维生产人员、数据分析人员提供综合统一数据访问服务，拓展数据应用价值。

（2）电务运维管理。基于BIM 的电务运维管理整合运维阶段静态测试数据、动态监测数据以及维修管理数据，利用GIS+BIM 搭建室内外场景，将既有设备台账数据、检修数据、动态监测等信号系统数据融合成统一的BIM 模型，在此基础上完成作业全过程管理，实现运维全过程管理和作业卡控。

（3）供电运维管理。基于BIM 的供电运维管理，以工程项目数字孪生模型为基础，融合设备台账信息、供电设备运维数据及动态监测数据，利用BIM+GIS 轻量化三维引擎，通过大数据技术发现不同时期的重点区域、重点问题，实现全域实时报警、提前问题分析、盯控风险定制，形成高速铁路供电运维全周期智能化管理。

（4）站房运维管理。基于BIM的房建运维管理系统根据铁路房屋、构筑物和附属设备等基础设施特点，对接运营单位现有设备管理、火灾自动报警系统(FAS)、环境与设备监控系统(BAS)等系统，实现房建设备检查、维修、大修等生产活动在安全、环保、节能、成本等方面全方位、全过程精细化管理。

（5）巡检流程闭环管理。依托流程控制，将日常运维的巡检工作形成标准化的闭环管理模式。管理部门根据巡检计划下发巡检工单，指定巡检负责人及相关人员；下发工单提交至审核人员进行审核，进而正式下发到巡检负责人；巡检负责人收到工单后，按工单计划对责任区域及设备进行巡检工作，通过移动端APP上传巡检过程中的照片及视频资料，如果发现问题可以发起问题库流程；巡检完成后，工单提交至验收人员处，等待验收；验收人员对巡检结果进行核实确认，无误后确认工单完成，如果巡检不合格则驳回至巡检负责人处，要求其对部分或者全部责任区域和设备进行重新巡检并提交。巡检功能应用流程如图3所示。

图3 巡检功能应用流程Fig.3 Application process of inspection functionality

（6）问题库流程闭环管理。从问题发现到整改、验收和销号，将运维工作中发现的问题形成标准化的闭环管理模式。检查人员或巡检人员发现问题后提交问题，提交问题时可以上传现场照片和视频等资料；问题提交到相关人员处进行问题确认，核实问题是否存在，如果不存在则直接销号处理，如果确实存在问题，则下发至责任单位和人员处；责任人收到问题库后，按整改要求进行整改，并填写整改记录、上传整改现场的照片和视频等资料，提交到验收人员等待验收；验收人员收到验收申请后，对整改内容和结果进行核实，合格后进行销号处理，如果整改未符合要求则驳回，要求其重新整改直至达到要求。问题库功能应用流程如图4所示。

图4 问题库功能应用流程Fig.4 Application process of issue repository functionality

5 应用效果

通过研究BIM技术在高速铁路设备运维管理中的应用，建立了BIM数据运维交接标准，形成了满足运维需要的整套BIM 数据，构建了统一开放的BIM运维管理平台，提出了高速铁路智能化运维的解决方案。研究成果在济南局集团公司相关部门、单位深入应用，取得良好的经济社会效益。

（1）解决了BIM技术由铁路建设阶段向运维阶段应用转化的梗阻问题。制定高速铁路BIM运维交接标准，首次提出了运维模型、运维模型单元、最小运维模型单元、运维模型精细度等概念，明确了桥梁、隧道、路基等18 项运维模型单元交付几何信息、几何表达精度和信息深度标准。以此为支撑，完成了日兰高速铁路曲菏段BIM运维数据深化工作，为深入开展BIM 场景应用奠定了基础。同时，高速铁路BIM 运维交接标准对BIM 运维模型收集归档作出规范，明确交付流程，指导建设单位与运营单位顺利完成BIM标准化交付归档工作。

（2）实现了BIM数据资源共享。济南局集团公司首次建立BIM 数据运维管理平台，并融合运用GIS、北斗等技术，为BIM数据接收、归档、应用提供了技术支撑。运维管理平台建成后，日兰高速铁路曲菏段投资 2000余万元建设的BIM数据资产顺利接入，实现了BIM数据有效管理。设备维护部门可以通过系统查询相关设备的基础信息、协同运用多专业数据信息对本专业设备进行全流程管理，为提高设备维护质量、实现各专业数据信息共享创造了条件。

（3）实现了高速铁路技术设备结合部无缝对接。通过BIM运维交接标准对不同专业设备管理结合部作出规范，区分设备管理分工，为高速铁路技术设备结合部通过BIM进行管理提供了依据。通过模型拆分深化、设备结合部分界点建模、设备管理单位信息置入BIM模型等技术手段，实现了技术设备结合部透明化、3D 可视化管理。通过BIM 模型认领等方法，在组织高速铁路验收的同时，组织设备运维单位通过BIM平台认领设备，对设备管理结合部不清晰、无人认领的设备研究明确，超前解决结合部问题。通过BIM结合部研究攻关，协调解决设备结合部问题11 项，实现了日兰高速铁路曲菏段技术设备结合部管理无缝衔接。

（4）提高了高速铁路运维智能化水平。一是与既有检测、管理系统融合，通过一体化平台实现了对不同专业设备状态、现场作业的实时管理、预警提示，提升了管理效能。二是通过GIS和北斗技术深化应用，实现了现场应急处置路径优化、联调联试列车运行动态掌握、人员机具实时管控，提升了高速铁路应急处置和安全管控能力。三是通过巡检、问题库流程管控与优化，实现了从工作计划、实施、验收到问题发现、整改、销号的全流程管理，提升了运维管理标准化水平。

6 结束语

基于BIM 技术的高速铁路设备运维管理研究，以加强高速铁路技术设备运营维护为目的，通过深度挖掘分析日兰高速铁路曲菏段建设积累的BIM数据，对高速铁路设备运维管理进行了总体设计和关键技术研究，制定BIM数据运维交接标准满足运营维护需要。通过GIS和北斗技术深化应用，为高速铁路设备管理、应急维护管理提供辅助决策。通过拓展BIM在高速铁路联调联试管理、联调联试现场控制方面的应用研究，实现现场透明化管控。依托信息技术，为BIM数据管理提供统一管理的信息平台，实现了运维数据的资源共享，研究成果将为下一步充分挖掘高速铁路运维管理数据的大数据价值提供强力支撑。