高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng) 可視化監(jiān)測 E-BIM 應用研究

李重輝，樊 瀟，李存榮

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

近年來，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，站臺建設采用大量新設備，為滿足大空間和獨特建筑功能需求，多采用大跨度復雜網(wǎng)架、桁架、張弦等鋼結(jié)構(gòu)形式，如大跨度無站臺柱雨棚等[1-2]。由于高速鐵路車站客流量大，站臺雨棚采用鋼結(jié)構(gòu)不同于一般的民用建筑，主體結(jié)構(gòu)在使用期間結(jié)構(gòu)構(gòu)件不可更換，均按較長年限進行耐久性設計，尤其沿海地區(qū)的站臺雨棚還會受到環(huán)境的影響，其鋼結(jié)構(gòu)更易發(fā)生各種損害，因而對高鐵站臺雨棚在運維管理期需要對應用結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。傳統(tǒng)的運維系統(tǒng)，存在人工化管理效率低、文件資料數(shù)據(jù)量大難于保存、運維監(jiān)督管理難度大、缺乏及時有效信息決策等問題[3-5]，加大了運維管理的成本。另外，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測在可視化方面更依賴于數(shù)據(jù)顯示，可視化效果和人員使用體驗較差。通過研究基于BIM 的可視化監(jiān)測技術(shù)，應用于高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)，使管理者能夠快速了解問題發(fā)生位置和周邊工程結(jié)構(gòu)的情況，為制定合理的養(yǎng)護維修措施及時提供信息支持[6-8]。

1 高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測設計分析

1.1 可視化監(jiān)測原理

高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測包括模型與監(jiān)測信息的可視化以及交互操作[9]部分。由于建筑信息模型(Building Information Model，BIM)具有強大的可視化功能，建筑運維管理主要包括設施與人員、文件管理、巡檢維護與應急管理等[10]，滿足建筑全生命周期的需要[11-12]。因此，利用站臺雨棚監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實景建模，結(jié)合BIM 與結(jié)構(gòu)監(jiān)測可實現(xiàn)BIM 模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與交互。關(guān)聯(lián)性和一致性是實現(xiàn)可視化監(jiān)測的關(guān)鍵，主要通過BIM 模型與外部數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)橋完成。外部數(shù)據(jù)庫的主鍵可以經(jīng)由BIM 模型構(gòu)件屬性所包含的特性進行邏輯關(guān)聯(lián)，整合為一一對應且相互映射關(guān)系。通過點擊BIM 模型中的傳感器，利用傳感器模型屬性的特性元素關(guān)聯(lián)查詢外部數(shù)據(jù)庫，從而直接顯示該傳感器下的各類監(jiān)測信息等。可視化監(jiān)測原理示意圖如圖1 所示。

BIM 具備全生命周期管理的特點，而且滿足多項運維管理期所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。E-BIM 繼承了BIM 的技術(shù)特點，包含完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性等，同時E-BIM 增加了可擴展性，即原始建筑信息與外部監(jiān)測信息通過外部數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，對工程需要變動和監(jiān)測性質(zhì)變動的反應更加靈活。對于外部信息采集類型可以隨時添加修改，不需要頻繁修改模型。在高速鐵路站臺雨棚運維方面引入E-BIM結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢特點，在可視化效果提升的同時，能夠結(jié)合監(jiān)測信息，對結(jié)構(gòu)情況做更有價值的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)更加快捷輕便的數(shù)據(jù)存儲模式，同時提高站臺結(jié)構(gòu)的安全檢修效率。

1.2 可視化監(jiān)測結(jié)構(gòu)設計

高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)是以BIM 技術(shù)為核心，綜合三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)字標識等技術(shù)，提供開放式架構(gòu)，支持多元數(shù)據(jù)擴充，滿足不同層級的管理使用要求。高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測架構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 可視化監(jiān)測原理示意圖Fig.1 Basic principles of visualized monitoring

（1）監(jiān)測模塊。該模塊包含信息層和處理層。信息層主要提供信息集成處理功能。數(shù)字化監(jiān)測信息、模型信息和管理信息，建立數(shù)據(jù)平臺。同時結(jié)合三維模型進行可視化監(jiān)測，并與基礎信息，包括站臺、位置和人員等信息進行關(guān)聯(lián)。處理層以整合管理系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)行為為核心，對信息層提供的信息數(shù)據(jù)加工處理。通過對采集的監(jiān)測信息進行濾波、擬合等分析，將處理結(jié)果進行超限預警判斷并傳遞給用戶層。

（2）管理模塊。該模塊由用戶層組成，主要提供可視化功能，包括用戶管理界面，可視化顯示站臺三維模型及各項實時信息數(shù)據(jù)等，從而滿足不同的運維管理需求。

圖2 高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

1.3 可視化監(jiān)測功能

根據(jù)實際工況下鐵路站臺雨棚結(jié)構(gòu)運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測設計，監(jiān)測模塊和管理模塊可以劃分為監(jiān)測功能與可視化功能。

（1）監(jiān)測功能。監(jiān)測功能處于系統(tǒng)底層，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等。①數(shù)據(jù)采集與傳輸。數(shù)據(jù)的獲取是高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)的基礎，通過各類型傳感器構(gòu)成傳感器子系統(tǒng)，采集系統(tǒng)所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理分析。通過健康數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)對采集到的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行報警判斷，并存儲報警信息供后期分析處理。結(jié)合鐵路特點，提供包括超限預警、變化率預警、變化趨勢預警、數(shù)據(jù)挖掘預警等多種預警方式結(jié)合的綜合預警規(guī)則。

（2）可視化功能?？梢暬δ芴峁┙o用戶便捷的實時監(jiān)控界面與相應的查詢分析功能，主要包括以下方面。①三維模型可視化。站臺雨棚模型可視化效果是高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)應用可視化監(jiān)測的基礎，引用Navisworks 的API創(chuàng)建BIM 可視化引擎，直觀展示站臺雨棚鋼結(jié)構(gòu)的三維實體以及相關(guān)設施和設備的位置，與實物等比例縮放，并且基于API 實現(xiàn)擴大縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等按鈕控制功能。②數(shù)據(jù)可視化。把信息數(shù)字化并可視化是數(shù)據(jù)可視化的主要表現(xiàn)形式之一。利用關(guān)聯(lián)橋綁定模型構(gòu)件與外部數(shù)據(jù)庫存儲的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過點擊模型構(gòu)件可顯示相應的監(jiān)測信息列表。數(shù)據(jù)在模型中直接顯示是數(shù)據(jù)可視化的另一表現(xiàn)形式。根據(jù)關(guān)聯(lián)橋綁定的處理信息，在閾值規(guī)則下呈現(xiàn)不同的高亮顏色，結(jié)構(gòu)桿件以不同顏色的云圖形式表現(xiàn)在模型中，提供給用戶實時的監(jiān)測結(jié)果，能夠更直觀的發(fā)現(xiàn)建筑問題的發(fā)生位置。③報警信息可視化。在報警發(fā)生時，找到關(guān)聯(lián)的E-BIM 結(jié)構(gòu)下的模型信息，綁定在該模型構(gòu)件下，實時顯示在報警信息提示欄，并在模型中的報警位置進行高亮提示。在需要進行報警點信息查閱時，通過點擊構(gòu)件經(jīng)由關(guān)聯(lián)橋，展示全部報警信息。同時，可以根據(jù)需要，通過點擊構(gòu)件調(diào)取該位置的監(jiān)控視頻內(nèi)容，進行實時查看。

2 高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測實施流程分析

2.1 實施流程

為達到高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測實際使用目的，站臺信息、位置信息、監(jiān)測信息、預警信息、維護信息等通過關(guān)聯(lián)橋與BIM模型綁定構(gòu)建E-BIM 結(jié)構(gòu)，得到BIM 模型和模型對應位置下的相關(guān)信息交互以及實時信息共享。接收監(jiān)測信息，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行濾波等分析處理，再進行超限預警判斷，得出運維信息并存儲，實時信息反饋到系統(tǒng)的可視化模塊。在可視化模塊中提供歷史數(shù)據(jù)報表、圖表分析等數(shù)據(jù)分析工具，供用戶進行數(shù)據(jù)分析操作。高速鐵路站臺雨棚運維系統(tǒng)可視化監(jiān)測實施流程如圖3 所示。

由圖3 可見，登錄人員首先選擇站臺，獲得對應站臺模型、監(jiān)測位置及傳感器信息列表、預警信息等。根據(jù)選定的位置，獲得實時監(jiān)測信息，進行預警判斷，并對超限的信息進行記錄標注，在可視化模塊中顯示。通過選擇構(gòu)件，獲得該模型構(gòu)件的屬性信息，在各模塊對關(guān)聯(lián)的信息進行相應的處理操作。對預警信息進行處理，并智能獲得對預警信息的處理建立和安全評估，同時通知相關(guān)人員進行處理。

圖3 高速鐵路站臺雨棚運維系統(tǒng)可視化監(jiān)測實施流程Fig.3 Implementation process of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

2.2 E-BIM 的鏈接與嵌入

常規(guī)BIM 軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞方式為：軟件將模型以某種格式進行數(shù)據(jù)文件導出，然后在另一軟件中導入該數(shù)據(jù)文件。通過這種方式傳遞數(shù)據(jù)存在2 種顯著弊端：一是會造成數(shù)據(jù)和模型信息量丟失；二是增加了大量額外工作量。針對BIM 模型只包含本身的幾何信息，空間信息等基礎物理信息的缺點，設計E-BIM 結(jié)構(gòu)，以關(guān)系映射為關(guān)聯(lián)橋梁，把BIM 模型與對應位置的采集數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，達到信息交互的目的。外部信息存儲在外部數(shù)據(jù)庫中，以鏈表結(jié)構(gòu)通過指針鏈接次序?qū)崿F(xiàn)。E-BIM結(jié)構(gòu)的鏈接與嵌入示意圖如圖4 所示。

通過API 提供的控件使基礎BIM 模型嵌入應用程序中，此時模型僅包含基礎結(jié)構(gòu)信息。通過Navisworks API 提供的函數(shù)調(diào)用模型構(gòu)件的唯一標識屬性，使模型與位置信息、監(jiān)測信息等外部信息關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一一對應的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)現(xiàn)實情況在模型中的反饋。

2.3 實例分析

以中國鐵路廣州局集團有限公司海南環(huán)島高速鐵路?？跂|站為例，基本站臺及中間站臺雨棚鋼結(jié)構(gòu)形式為空間管桁架結(jié)構(gòu)。考慮到數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，項目中所有數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸?，F(xiàn)場傳感器布線連接根據(jù)結(jié)構(gòu)計算選點完成。在高鐵站的環(huán)境中，存在高電壓、大電流等相關(guān)強電磁干擾情況，因而數(shù)據(jù)采集與傳輸采用光纖傳感器與光纖傳輸，消除了采集與傳輸過程中的電磁干擾問題。

通過上述設計方案，針對高鐵站臺特點，研發(fā)了基于E-BIM 結(jié)構(gòu)的站臺運維管理系統(tǒng)。通過站臺節(jié)點的選擇獲得相對應的站臺信息。主界面包含了站臺信息、位置信息、三維模型、預警信息、實時監(jiān)測信息等。根據(jù)預警信息進行報警處理建議和健康評估。實時監(jiān)測信息能夠?qū)崟r反饋是否超限，對超限信息預警和儲存，并標注在可視化模塊的三維模型中，直觀展現(xiàn)給操作人員。高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測主界面如圖5 所示，主要包括E-BIM 鏈接嵌入后的模型可視化引擎顯示模型，提供點擊視點局部放大功能，左邊提供監(jiān)測用傳感器列表，以便對固定監(jiān)測點快速跳轉(zhuǎn)；右側(cè)整合預警信息顯示及預警顏色等級，監(jiān)測信息列表等可視化功能窗口。通過點擊列表或模型部位，根據(jù)模型－數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)橋可以進行相互跳轉(zhuǎn)，并顯示當前位置的結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息，快速分析結(jié)構(gòu)健康狀況。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)橋反饋至模型中，提供實時全方位監(jiān)測，了解站臺雨棚整體結(jié)構(gòu)安全狀況分布，方便監(jiān)管人員及管理部門全局把控。預警信息與BIM 模型通過關(guān)聯(lián)橋連接，可以根據(jù)預警信息定位損傷預警位置以及結(jié)構(gòu)異常監(jiān)測數(shù)據(jù)類型。

圖4 E-BIM 結(jié)構(gòu)的鏈接與嵌入示意圖Fig.4 Linking and embedding of E-BIM structure

圖5 高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測主界面圖Fig.5 Main interface of visualized monitoring of canopy operation and maintenance management system

3 結(jié)束語

高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)可視化監(jiān)測可視化監(jiān)測E-BIM 的應用，為高速鐵路站臺雨棚運維管理系統(tǒng)開發(fā)提供了一種新形式。在傳統(tǒng)運維系統(tǒng)上結(jié)合最新的BIM 及其他相關(guān)技術(shù)，通過整合創(chuàng)新，能夠幫助維護人員進行更加智能、更加便捷的日常監(jiān)測、管理和維護，使高速鐵路站臺雨棚運維管理信息可視化程度與信息流通度更高，共享更方便，為BIM 技術(shù)在高速鐵路建筑設施領(lǐng)域的應用研究提供一種新的方向和方法。另外，還有E-BIM 概念文件整合存儲模式等更多細節(jié)需要進一步深入研究。