高速铁路站台雨棚运维管理系统 可视化监测 E-BIM 应用研究

李重辉，樊 潇，李存荣

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

近年来，随着高速铁路的迅速发展，站台建设采用大量新设备，为满足大空间和独特建筑功能需求，多采用大跨度复杂网架、桁架、张弦等钢结构形式，如大跨度无站台柱雨棚等[1-2]。由于高速铁路车站客流量大，站台雨棚采用钢结构不同于一般的民用建筑，主体结构在使用期间结构构件不可更换，均按较长年限进行耐久性设计，尤其沿海地区的站台雨棚还会受到环境的影响，其钢结构更易发生各种损害，因而对高铁站台雨棚在运维管理期需要对应用结构进行监测。传统的运维系统，存在人工化管理效率低、文件资料数据量大难于保存、运维监督管理难度大、缺乏及时有效信息决策等问题[3-5]，加大了运维管理的成本。另外，传统的结构监测在可视化方面更依赖于数据显示，可视化效果和人员使用体验较差。通过研究基于BIM 的可视化监测技术，应用于高速铁路站台雨棚运维管理系统，使管理者能够快速了解问题发生位置和周边工程结构的情况，为制定合理的养护维修措施及时提供信息支持[6-8]。

1 高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测设计分析

1.1 可视化监测原理

高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测包括模型与监测信息的可视化以及交互操作[9]部分。由于建筑信息模型(Building Information Model，BIM)具有强大的可视化功能，建筑运维管理主要包括设施与人员、文件管理、巡检维护与应急管理等[10]，满足建筑全生命周期的需要[11-12]。因此，利用站台雨棚监测数据进行实景建模，结合BIM 与结构监测可实现BIM 模型与监测数据的关联与交互。关联性和一致性是实现可视化监测的关键，主要通过BIM 模型与外部数据之间的关联桥完成。外部数据库的主键可以经由BIM 模型构件属性所包含的特性进行逻辑关联，整合为一一对应且相互映射关系。通过点击BIM 模型中的传感器，利用传感器模型属性的特性元素关联查询外部数据库，从而直接显示该传感器下的各类监测信息等。可视化监测原理示意图如图1 所示。

BIM 具备全生命周期管理的特点，而且满足多项运维管理期所涉及的关键技术。E-BIM 继承了BIM 的技术特点，包含完备性、关联性、一致性等，同时E-BIM 增加了可扩展性，即原始建筑信息与外部监测信息通过外部数据库相关联，对工程需要变动和监测性质变动的反应更加灵活。对于外部信息采集类型可以随时添加修改，不需要频繁修改模型。在高速铁路站台雨棚运维方面引入E-BIM结构，充分发挥其优势特点，在可视化效果提升的同时，能够结合监测信息，对结构情况做更有价值的数据分析，实现更加快捷轻便的数据存储模式，同时提高站台结构的安全检修效率。

1.2 可视化监测结构设计

高速铁路站台雨棚运维管理系统是以BIM 技术为核心，综合三维可视化技术、数据库技术、数字标识等技术，提供开放式架构，支持多元数据扩充，满足不同层级的管理使用要求。高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测架构图如图2所示。

图1 可视化监测原理示意图Fig.1 Basic principles of visualized monitoring

（1）监测模块。该模块包含信息层和处理层。信息层主要提供信息集成处理功能。数字化监测信息、模型信息和管理信息，建立数据平台。同时结合三维模型进行可视化监测，并与基础信息，包括站台、位置和人员等信息进行关联。处理层以整合管理系统和监测系统行为为核心，对信息层提供的信息数据加工处理。通过对采集的监测信息进行滤波、拟合等分析，将处理结果进行超限预警判断并传递给用户层。

（2）管理模块。该模块由用户层组成，主要提供可视化功能，包括用户管理界面，可视化显示站台三维模型及各项实时信息数据等，从而满足不同的运维管理需求。

图2 高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测架构图Fig.2 Architecture of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

1.3 可视化监测功能

根据实际工况下铁路站台雨棚结构运维管理系统可视化监测设计，监测模块和管理模块可以划分为监测功能与可视化功能。

（1）监测功能。监测功能处于系统底层，主要完成数据采集、数据传输和数据处理等。①数据采集与传输。数据的获取是高速铁路站台雨棚运维管理系统的基础，通过各类型传感器构成传感器子系统，采集系统所需的监测数据以及环境数据。②数据处理分析。通过健康数据分析子系统对采集到的各类监测数据，进行报警判断，并存储报警信息供后期分析处理。结合铁路特点，提供包括超限预警、变化率预警、变化趋势预警、数据挖掘预警等多种预警方式结合的综合预警规则。

（2）可视化功能。可视化功能提供给用户便捷的实时监控界面与相应的查询分析功能，主要包括以下方面。①三维模型可视化。站台雨棚模型可视化效果是高速铁路站台雨棚运维管理系统应用可视化监测的基础，引用Navisworks 的API创建BIM 可视化引擎，直观展示站台雨棚钢结构的三维实体以及相关设施和设备的位置，与实物等比例缩放，并且基于API 实现扩大缩小、平移、旋转等按钮控制功能。②数据可视化。把信息数字化并可视化是数据可视化的主要表现形式之一。利用关联桥绑定模型构件与外部数据库存储的实时监测数据，通过点击模型构件可显示相应的监测信息列表。数据在模型中直接显示是数据可视化的另一表现形式。根据关联桥绑定的处理信息，在阈值规则下呈现不同的高亮颜色，结构杆件以不同颜色的云图形式表现在模型中，提供给用户实时的监测结果，能够更直观的发现建筑问题的发生位置。③报警信息可视化。在报警发生时，找到关联的E-BIM 结构下的模型信息，绑定在该模型构件下，实时显示在报警信息提示栏，并在模型中的报警位置进行高亮提示。在需要进行报警点信息查阅时，通过点击构件经由关联桥，展示全部报警信息。同时，可以根据需要，通过点击构件调取该位置的监控视频内容，进行实时查看。

2 高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测实施流程分析

2.1 实施流程

为达到高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测实际使用目的，站台信息、位置信息、监测信息、预警信息、维护信息等通过关联桥与BIM模型绑定构建E-BIM 结构，得到BIM 模型和模型对应位置下的相关信息交互以及实时信息共享。接收监测信息，对监测数据进行滤波等分析处理，再进行超限预警判断，得出运维信息并存储，实时信息反馈到系统的可视化模块。在可视化模块中提供历史数据报表、图表分析等数据分析工具，供用户进行数据分析操作。高速铁路站台雨棚运维系统可视化监测实施流程如图3 所示。

由图3 可见，登录人员首先选择站台，获得对应站台模型、监测位置及传感器信息列表、预警信息等。根据选定的位置，获得实时监测信息，进行预警判断，并对超限的信息进行记录标注，在可视化模块中显示。通过选择构件，获得该模型构件的属性信息，在各模块对关联的信息进行相应的处理操作。对预警信息进行处理，并智能获得对预警信息的处理建立和安全评估，同时通知相关人员进行处理。

图3 高速铁路站台雨棚运维系统可视化监测实施流程Fig.3 Implementation process of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

2.2 E-BIM 的链接与嵌入

常规BIM 软件之间数据的传递方式为：软件将模型以某种格式进行数据文件导出，然后在另一软件中导入该数据文件。通过这种方式传递数据存在2 种显著弊端：一是会造成数据和模型信息量丢失；二是增加了大量额外工作量。针对BIM 模型只包含本身的几何信息，空间信息等基础物理信息的缺点，设计E-BIM 结构，以关系映射为关联桥梁，把BIM 模型与对应位置的采集数据相互关联，达到信息交互的目的。外部信息存储在外部数据库中，以链表结构通过指针链接次序实现。E-BIM结构的链接与嵌入示意图如图4 所示。

通过API 提供的控件使基础BIM 模型嵌入应用程序中，此时模型仅包含基础结构信息。通过Navisworks API 提供的函数调用模型构件的唯一标识属性，使模型与位置信息、监测信息等外部信息关联，构成一一对应的映射关系，从而实现现实情况在模型中的反馈。

2.3 实例分析

以中国铁路广州局集团有限公司海南环岛高速铁路海口东站为例，基本站台及中间站台雨棚钢结构形式为空间管桁架结构。考虑到数据传输可靠性问题，项目中所有数据传输采用有线传输。现场传感器布线连接根据结构计算选点完成。在高铁站的环境中，存在高电压、大电流等相关强电磁干扰情况，因而数据采集与传输采用光纤传感器与光纤传输，消除了采集与传输过程中的电磁干扰问题。

通过上述设计方案，针对高铁站台特点，研发了基于E-BIM 结构的站台运维管理系统。通过站台节点的选择获得相对应的站台信息。主界面包含了站台信息、位置信息、三维模型、预警信息、实时监测信息等。根据预警信息进行报警处理建议和健康评估。实时监测信息能够实时反馈是否超限，对超限信息预警和储存，并标注在可视化模块的三维模型中，直观展现给操作人员。高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测主界面如图5 所示，主要包括E-BIM 链接嵌入后的模型可视化引擎显示模型，提供点击视点局部放大功能，左边提供监测用传感器列表，以便对固定监测点快速跳转；右侧整合预警信息显示及预警颜色等级，监测信息列表等可视化功能窗口。通过点击列表或模型部位，根据模型－数据关联桥可以进行相互跳转，并显示当前位置的结构监测信息，快速分析结构健康状况。实时监测数据通过关联桥反馈至模型中，提供实时全方位监测，了解站台雨棚整体结构安全状况分布，方便监管人员及管理部门全局把控。预警信息与BIM 模型通过关联桥连接，可以根据预警信息定位损伤预警位置以及结构异常监测数据类型。

图4 E-BIM 结构的链接与嵌入示意图Fig.4 Linking and embedding of E-BIM structure

图5 高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测主界面图Fig.5 Main interface of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

3 结束语

高速铁路站台雨棚运维管理系统可视化监测可视化监测E-BIM 的应用，为高速铁路站台雨棚运维管理系统开发提供了一种新形式。在传统运维系统上结合最新的BIM 及其他相关技术，通过整合创新，能够帮助维护人员进行更加智能、更加便捷的日常监测、管理和维护，使高速铁路站台雨棚运维管理信息可视化程度与信息流通度更高，共享更方便，为BIM 技术在高速铁路建筑设施领域的应用研究提供一种新的方向和方法。另外，还有E-BIM 概念文件整合存储模式等更多细节需要进一步深入研究。