上海地铁智慧城轨全生命期数据共享与集成应用

文：辛佐先丨上海市隧道工程轨道交通设计研究院

近年来，各阶段的BIM应用方案越来越成熟，但各阶段的BIM数据在全生命期共享及有效集成应用的问题与挑战愈发突出。本文在上海轨道交通14号线的建设与运营实践中开展研究，提出了一种基于BIM技术的城市轨道交通全生命周期数据共享与应用的解决方案，并研究总结了应用成效。

上海地铁14号线自2014年项目初期就引入BIM技术，在建设过程中结合GIS、物联网、多源数据融合、数据挖掘等多种信息化技术，打造一个集成设计、建设、运维需求，覆盖全生命期的数字化、可视化、一体化信息管理方案及系统平台，实现全生命期数字化模型传递，实现数据自动化集成和轻量化共享，为城市轨道交通行业全生命期数据管理提供一个基于BIM技术的解决方案。

一、数据共享与集成应用方案研究技术路线

BIM数据共享与集成应用方案分为三个层面：上海地铁BIM集成应用的管理体系研究、全生命周期信息化数据集成共享的关键技术研究、全生命期信息管理平台开发及应用（图1）。

方案研究主要分为以下三个阶段：

第一阶段，上海地铁BIM集成应用的管理体系研究，包括企业级BIM标准、BIM实施总体管理文件及项目级BIM应用技术指导要求的研究。

第二阶段，全生命期多源、异构数据集成共享与管理，包括数据校验模板自定义、多源/异构数据集成等关键技术研究。

第三阶段，基于BIM技术的城市轨道交通全生命期信息管理平台开发及应用，包括轨道交通数字化设计协同管理平台、轨道交通数字化智慧建设管理平台、轨道交通数字化智慧运营管理平台、轨道交通BIM数据资源共享服务平台的开发及应用研究。

二、方案研究过程

（一）上海地铁BIM集成应用的管理体系

城市轨道交通BIM集成应用管理体系，以企业级BIM标准为指导，制定项目级BIM实施总体管理文件以及BIM应用技术指导要求。其中，企业级BIM标准是BIM应用管理体系的顶层设计，其内容与企业信息化发展规划衔接；BIM实施总体管理文件规范工程项目BIM应用，并结合工程实际按需调整；BIM应用技术指导要求制定了各BIM应用点的实施细则，全面指导BIM应用工作，保证具体实施单位在BIM应用落地实施过程中有据可依，充分发挥BIM技术的价值。

一是企业级BIM标准。结合上海轨道交通既有线路的BIM技术应用实践经验，上海申通地铁集团已经形成了一套符合上海城市轨道交通工程的企业级BIM标准，包括《城市轨道交通建筑信息模型族创建标准》《城市轨道交通设施设备分类与编码标准》《城市轨道交通建筑信息模型交付标准》《城市轨道交通岩土工程勘察信息模型数据规则》《城市轨道交通地下管线信息模型数据规则》《城市轨道交通建筑信息模型应用技术标准》。

二是BIM实施总体管理文件。根据企业级的BIM标准，结合工程的BIM应用特点，制定了BIM实施总体管理文件。该管理文件明确了总体管理目标，落实工作分解结构、组织架构与职责分工、工作季度计划，并构建合理的质量管理体系、进度保障措施、参建方培训、考核管理等方案，不仅具备良好的实用性，同时兼顾了开放性和前瞻性。

三是项目级BIM应用技术指导要求。项目级BIM应用技术指导要求是规范各参建方BIM应用落地的操作性文件，包含项目级各应用点BIM技术指导要求，规范BIM应用的过程，并确保BIM成果的准确性，助力BIM应用落地。在设计阶段开展三维设计、预制拼装、清单工程量计等BIM应用，最终促进基于BIM模型的标准化、精细化的协同设计，提高规划设计品质和效率；在施工阶段解决建设过程中的各类技术问题，如复杂施工工艺仿真、施工方案模拟、运营检修空间审查等，并辅助管理优化，包括进度、成本、质量管理等，实现工程建设管理由传统的经验管理向科学管理、流程化管理的转变，有效增强以业主为核心的业务管理能力。

（二）全生命周期信息化数据集成共享的关键技术研究

一是数据校验模板自定义技术。为保证BIM数据资源的准确性，仅制定纸质的BIM标准还不足，需开发对应的平台工具对全生命期的模型数据进行校验。本项目开发轨道交通IFC数据校验软件，根据各业务系统应用管理的需求，进行不同类型的数据校验工作。研究并制定校验模板自定义技术，可以供用户更新或修改校验模板，包括分类编码、信息类型、校验规则等。校验模板自定义是在校验算法不变的基础上，通过修改模板完成校验需求的更新，有利于保证轨道交通BIM模型校验方法的通用性和可扩展性。

二是多源、异构数据的集成技术。为保证BIM数据资源能够对接设备状态、业务状态等动态数据，需提供多源、异构数据集成接口，如集成CCTV、ISCS、AFC、OA、人员定位等业务数据。本项目研究了标准化接口，实现了动态业务数据与BIM模型数据的自动化集成，为既有业务信息系统提供整合后的模型数据资源，打造BIM数据资源共享服务平台，可在三维可视化环境中开展各类管理业务。为保证既有业务系统能够调用BIM数据资源，制定统一、标准的开发协议，编制企业级BIM数据资源共享服务平台数据接口标准，研究对各业务信息系统接口的要求，定义各大业务板块的接口范围，如票务管理、资产管理、巡检管理等，提供平台所有基础功能的接口清单，形成企业级数据接口标准，为既有业务系统提供有效的BIM数据资源。

（三）基于BIM技术的城市轨道交通全生命期信息管理平台开发及应用

上海地铁14号线从项目建设初期开始就开启了BIM技术的研究和应用，基于数字化工程模型，结合物联网、云计算、多源数据融合、大数据分析与数据挖掘等多种信息化技术，将数字化工程模型应用于城市轨道交通项目前期、设计、施工、运维的全过程，开发并应用了轨道交通数字化设计协同管理平台、轨道交通数字化智慧建设管理平台、轨道交通数字化智慧运营管理平台、城市轨道交通BIM数据资源共享服务平台，提升轨道交通全生命期信息化管理水平。

一是轨道交通数字化设计协同管理平台。设计协同管理平台实现了广域网跨单位多专业协同设计与设计管理，打通网页端接口、建设单位OA系统和移动端接口、企业微信接口，同时配备轻量化浏览模式，让设计人员、管理人员可以从任意电脑浏览器或手机、PAD在线安全访问查看三维轻量化模型，并可在线对三维模型进行浏览、批注等操作，批注意见实时同步线上流程表单，形成校审意见单，极大提升了模型的在线审核、分发和共享效率，充分发挥可视化设计的优势。

二是轨道交通数字化智慧建设管理平台。通过BIM模型与GIS数据深度融合的技术，搭建工程项目三维可视化数字沙盘，在线填报工程进度，直观了解整条线路中各分项工程的施工进度；结合用地征拆迁数据，统览项目周边土地、房屋的征拆进度及所处位置；导入管线数据，包括管线类型、位置、标高及相关监测点信息，实现对地下管线埋入情况的剖面及三维可视化浏览；导入风险数据，基于GIS及BIM模型进行标记，依照风险等级开展风险管理；导入算量与造价数据，辅助工程建设成本管理。

三是轨道交通数字化智慧运营管理平台。

1.在轨道交通运维阶段，通过融合数据处理技术、BIM模型轻量化共享技术、数据自动化集成技术等，形成一套轨道交通车站数字孪生底座构建技术，对车站竣工BIM模型进行数据检查、数据导出，在三维场景中进行实例化和材质优化处理后轻量化发布，以统一编码为核心实现数据自动化集成，将包含BIM数据在内的轨道交通数字资产数据与物联网（IoT）动态感知数据进行融合，构建具备全空间特性和实时动态感知的车站数字孪生底座，进而服务于车站运营管理各项业务应用场景。

2.根据维修规程对轨道交通车站机电设施设备的维修检修工作进行流程再造，结合自定义工作模板、流程和标准化表单，将维修检修工作拆解至最小工作单元，基于数字底座空间特性将所有最小工作单元与空间位置进行关联，灵活组合最小工作单元自动形成巡检维护任务，从而实现运维场景可视化、工单流程无纸化、巡检工作线上化（图2）、维护计划精细化、设备运维动态化、物耗管理规范化和服务监管科学化，有效避免漏检、错检、巡检不及时等问题，全面提升基于数字化模型的设施设备全生命期管理质量。

图2 巡检路线排布界面

3.利用信息集成技术、大数据技术、移动应用技术，围绕车站乘客服务、乘务管理等主题应用场景，把从既有管理系统获取的在运营过程中产生的极度分散、高度相关、前后依存的多源信息，迅速、及时地整合成完整的主题数据，为多岗位多场景提供数据支持。站务信息聚合终端面向车站工作人员提供设备管理、客运管理、事件管理等车站运营业务模块，同事可为乘客提供出行路线、遗失物品、专用通道、投诉等一站式信息查询服务；乘务信息聚合终端面向全自动运行场景提供车辆状态监测、车辆位置、电子报单等信息服务，避免线上线下和系统之间的切换，对内提升协同工作效率，对外提升服务质量（图3）。

图3 站务及乘务信息聚合终端图

4.创新性地将近场通信技术（NFC）、蓝牙技术（BT）、超宽带技术（UWB）等多种定位技术进行融合，满足车站内不同区域的人员定位精度需求，并与车站运营管理业务流程融合，对站内人员、委外维修人员的巡检工作进行标准化配置和精细化过程管理，并在车站三维场景中实现人员实时位置和历史轨迹的可视化查询，实时掌握巡检工作进度。利用面部信息识别技术，对进入车站施工的委外维修人员进行人员信息验证，实现执行到人、执行到点、实时管控，实现高质量的人员精细化管控。

5.以车站运营管理需求为导向，解决运营管理方的难点痛点问题，建立多个专项专题管理数据分析模型，包括电梯管理、客流管理、能耗管理、智慧厕所、应急预案等，结合数字孪生场景实现可视化管控，通过数据挖掘、数据贯穿、数据分析等技术，实现电梯一梯一档自动归档、客流分析及预警、能耗分析及预警等智慧运营管控，辅助车站运营决策。

四是城市轨道交通BIM数据资源共享服务平台。研究数据校验模板自定义技术，对全生命期的模型数据进行有效性校验，保证数据资源的有效性；制定统一、标准的开发协议，实现动态业务数据与模型数据的自动化集成，支持在三维可视化环境中开展各类业务系统功能开发。具备面向轨道交通行业内外的数据共享及信息服务能力，可为其他平台提供精准的BIM数据资源与数据接口，为既有业务系统的可视化改造提供有力支撑，助力数字化智慧城轨建设。

三、方案应用成效

（一）设计阶段应用成效

14号线全线以装修为主导，引入了空间艺术和艺术空间的概念，通过BIM软件把二维的平面转化成三维的空间艺术，最大程度地利用了顶面和管线的净高和净宽，直观的展现空间感，使整个车站呈现出艺术空间的美感（图4）。

图4 14号线金粤路站装修模型效果

在公共区通过BIM对管线进行梳理，并对各类终端进行整合,将管线走向和布置结合装饰整体效果展现出来（图5），通过机电装修多专业整合优化，从BIM模型中直接导出可用于施工的专业图纸,既方便施工，又有利于检修维护。

图5 14号线云顺路站BIM模型导出管综图

装配式一体化设计施工还可减少扰民，减少材料消耗，缩短建设工期，并降低装修成本。

机电三维设计试点探索了三维正向设计流程、培养了设计人员BIM技术能力、定制了满足二维出图要求的各专业构件模型单元，为之后新线设计中采用BIM三维正向设计提供了技术路线及宝贵经验。创新研发国内领先的分级权限管理技术，实现设计全流程闭环管理（图6）。

图6 14号线机电正向三维设计试点出图

（二）施工阶段应用成效

在施工阶段通过BIM技术开展施工专项方案模拟与优化、施工进度的科学管理、产品模型单元收集以及竣工模型构建等工作，减少工期，提高施工质量，控制项目造价，提高施工管理水平（图7）。

图7 14号线施工图模型指导现场施工

14号线浦东大道站车站主体穿越大连路隧道工程对环境影响控制要求高，施工空间狭小且有障碍物，冻结孔施工难度大，施工时容易引起地层沉降，利用BIM技术模拟冰冻施工法过程中的每一道工序，确保工程的可行性，最终完成施工。

桂桥路站是一座超长特大断面管幕法建造的地铁车站，首次运用管幕技术，通过BIM模拟研究新的保安全、少搬迁、轻影响的施工技术和施工工艺，进行大断面车站的施工技术，为复杂的施工条件提供技术储备，为后续暗挖车站施工提供积累。从研究到最终实施，总体水平达到国际领先。

（三）运维阶段应用成效

截止到2022年10月，轨道交通数字化智慧运营管理平台在上海地铁14号线的应用已形成了巡检模板122类、巡检点位1477个、巡检计划1104条、维护计划1741条、工单流程50类、质量记录表2165类，实现维修巡检工作全部线上化，所有流程环节精准管控到人、管控到点，提升管理质量，降低运营管理和使用成本。

四、总结

上海地铁14号线初步形成了从设计到施工、运维的BIM数据共享技术路线。通过BIM集成应用管理体系，明确工程各阶段参与方的工作模式与职责，对BIM数据的生成、审核、校验、移交的过程进行规范化管理；依据BIM数据标准，对BIM数据的完整性、通用性、可靠性、时效性进行约束，并通过智能辅助设计工具落实标准的执行，保障数据生成的质量和效率；将数据使用方的业务需求前置，打造融轨道交通设计、施工、运维于一体的全生命期信息管理平台，通过统一的框架和数据接口标准实现以BIM数据在全生命期共享，消除信息孤岛，提出了轨道交通数据共享的新思路。