基于BIM的铁路周界防护系统平台的设计与实现

李阳

摘要：针对目前国内将BIM技术与铁路周界防护系统相结合的研究较少的现状，设计并实现了基于BIM的铁路周界防护系统平台，该平台以沪蓉高铁部分路段为试点，充分验证了BIM技术与铁路周界防护需求相结合的可行性，为进一步推动BIM技术与铁路全周期管理相结合，进行了有益的探索和实践。

关键字： BIM；铁路；周界防护

中图分类号：TP3    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）01-0108-03

1 研究背景

铁路周界防护系统是我国铁路越来越普遍使用的一种预警方式。该系统通过在铁路沿线部署具有入侵探测功能的各种探测终端（目前使用较为广泛的包括泄露电缆、振动电缆、微波探测器、红外/激光对射、脉冲电子围栏、高清视频、雷达+视频的雷视一体机等），通过有线网络/无线网络等传输通道，将数据传输到后端，并在后端平台上实现报警数据的展示和保存[1-3]。目前铁路上使用的各类周界防护系统平台，在效果展示上都是通过二维平面地图，不具备三维可视化效果。基于BIM的三维可视化技术，在铁路上目前更多地研究方向也局限于铁路设计、建设、运维、管理全过程方面[4-5]。将基于BIM的三维可视化技术与铁路周界防护系统平台相结合的研究，目前在国内的研究和使用上还很少。因此，本文设计并实现基于BIM的铁路周界防护系统平台，利用BIM技术的可视化、协调性、模拟性的特点，来进一步提升铁路周界防护系统平台的适用性和易用性。

2 BIM技术

BIM（Building Information Modeling） 源于美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业的查克伊士曼博士提出的一个概念。通过在计算机中组建可视化的精准三维模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点。

由于BIM技术的可视化能力，容易获取系统、设备、监控区域等之间的空间位置信息关系，便于管理者进行更好的查看、沟通、讨论与决策。在本文中，为了实现铁路周界的可视化、运营管理的可视化及对告警数据的直观查看，对铁路及其泛周边环境进行BIM建模，充分描述各个构件之间的空间关系，通过与前端感知设备关联并与智能分析的数据进行联动展示，便于平台接收到前端告警信息后快速定位及三维可视化展示。

3 系统需求

铁路BIM联盟已初步建立了相关标准体系框架[6]，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[7]，从资源的重复利用角度出发，这些数据也可以直接应用于周界防护中，同时，作为铁路周界防护系统的平台，必须具备能够对接各种前端設备、对接铁路系统既有平台的功能，因此，基于BIM的铁路周界防护系统平台在系统设计和功能设计上，必须要综合考虑以上要素。

4 系统设计

4.1 系统架构

由于铁路周界防护系统接入的系统多、设备多、数据多，本文在设计系统平台架构的时候，遵循“统一规划、统一标准、统一平台”的原则，推进基于BIM的铁路周界防护系统平台研发与建设。如图1所示，系统平台在整个铁路周界防护系统中属于核心模块，系统平台对接前端监测设备，负责接收前端监测设备回传数据，并对回传数据进行分析、存储；同时系统平台采用B/S模式，用户通过内部服务网终端或者移动终端进行访问，通过权限控制，可支持集团级、局级、站段级、车间级、班组级不同等级用户联网访问。系统平台在铁路内部服务网中通过通用接口单元与铁路沿线安全光纤综合监测系统、视频监控系统、铁路数据服务平台、铁路时间同步系统等实现数据交互。

4.2 技术架构

基于BIM的铁路周界防护系统平台在技术架构上设计了四层体系的架构，四层即数据存储层、逻辑服务层、访问层、接口服务层；两体系为“标准规范体系”和“安全保障体系”，如图2所示。

其中数据存储层主要负责平台各种结构化、非结构化数据的存储。针对时间、操作人、数据权限等数据采用结构化的关系型数据库进行存储；针对图片、文件等非结构化数据，采用Key/Value形式的非关系型数据库，具有更高的读写效率，可实现数据解耦，也有利于数据格式的动态扩展。此外，整个数据采用分布式存储，可动态增加存储节点或集群，既提高了数据存储效率及容量，又可避免单点故障，满足用户多样化的数据存储需求。

逻辑服务层是系统平台的核心层，提供包括BIM服务、视频服务、存储服务、应用服务等多种微服务，用以支撑整体业务功能的实现。同时，对于日志管理等系统辅助功能，也由逻辑服务层负责实现和提供。该层采用微服务设计理念，彻底解决系统解耦、性能低下等问题，满足高并发、高可用、高稳定和高安全等性能要求。由于采用微服务架构，各个服务模块化编写，具有高内聚低耦合的优势，便于灵活更新升级，而不会影响其他业务。同时支持移动应用和PC应用，提高效率，节约成本。

访问层针对用户访问设备类型的不同，分别提供移动端服务和PC端服务，实现用户操作交互功能。用户可通过系统界面，通过多种方式操作BIM模型，查看系统状态、告警位置及对应的告警信息，获得三维沉浸式体验，提高人机交互效果。

接口服务层将系统涉及的各类对接功能，分别作为独立的接口对外提供服务，实现不同业务之间的相互解耦；通过定义通用的接口规范，屏蔽不同系统之间的差异。

标准规范体系包括数据交互涉及规范和元数据内容规范两部分，主要是用来保证数据接口的一致性和通用性；安全保障体系是指系统的身份认证和鉴权，主要是用来保证系统平台对外开放接口的安全性。

5 系统功能与应用

铁路隧道口作为周界安防重要监控区域，本文以沪蓉高铁某隧道口及其隧道监控区域为试点，展示基于BIM的防护系统应用，如图3、图4所示。

5.1 平台与BIM展示

对隧道口泛周边环境、近隧道口处隧道进行精细BIM三维建模，并将模型嵌入到B/S架构的平台，进一步对监控探测终端进行建模并进行联动。当探测终端本身存在异常时，三维模型上颜色自动显示红色；当发生告警时，设备上出现弹窗提示，同时对应的监测区域变红。三维模型可通過旋转、缩放进行展示与查看，通过关联现场实时感知数据，实现现场实景的快速感知。

5.2 系统管理功能

平台接入的各类设备或系统，建立统一的台账进行管理。将设备台账与设备所在的线路信息、路局信息以及相关责任部门建立对应关系，确保设备信息的一致性和准确性。

平台接入监控系统及设备上传的告警数据，实现报警数据的统计。可按报警日期、报警时间、报警类型、报警等级、处理状态等进行查询。告警分类统计以告警类型统计报警次数，报警等级统计以不同的等级显示报警等级对应数量及占比，列表对应展示查询结果集，用户也可以通过查询结果集，查看某条报警信息的详情。

此外，为了完善系统的整体功能，同时，为以后对接铁路内部在用的人员管理等已有系统，系统设计并实现了机构管理、人员管理等模块，并预留了对接接口，保留了扩展性。

6 结束语

为了检验基于BIM的铁路周界防护系统平台的功能和效果，在沪蓉高铁线路段开展试点，平台主要面向相关线路工务段提供服务。在系统平台试点过程中，通过三维模型与感知数据的深度联动，极大提高了整个平台的互动性和数据一致性，便于巡检人员快速查看、定位问题，系统直观，具备极强的拓展性。后续将进一步探讨与铁路相关专业资源共享的方式方法，同时，考虑引入大数据分析技术，更好地推动BIM技术与铁路行业应用相结合的研究工作。

参考文献

[1] 徐梦姝.高速铁路周界入侵报警系统运用分析[J].中国安全科学学报，2018，28（S1）：29-33.

[2] 陈树骏.振动光纤周界入侵报警系统在铁路的应用[J].中国铁路，2016（6）：82-84.

[3] 尧丰，王军锋，刘宏江，等.基于雷达视频协同技术的铁路区域安防系统[J].中国铁路，2022（4）：114-119.

[4] 刘为群.BIM技术应用于数字铁路建设的实践与思考[J].铁道学报，2019，41（3）：97-101.

[5] 王言.基于BIM技术的铁路运维管理信息平台设计研究[J].铁路技术创新，2020（3）：40-44.

[6] 王志华，卢文龙，郭鹏飞，等.基于BIM的铁路基础设施运维管理平台总体方案及关键技术研究[J].铁路计算机应用，2019，28（4）：45-48，52.

[7] 钱锦.基于3DGIS与BIM的交通基础设施信息化运维管理研究[J].城市建筑，2019，16（8）：32-34，55.

【通联编辑：朱宝贵】