基于BIM_技术的城市轨道交通信号设备运维管理系统

技术

研

究

基于BIM技术的城市轨道交通

信号设备运维管理系统

那哲铭

1

，丁蓥蓥

2

2.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）

（1.南京恩瑞特实业有限公司，江苏 南京 210000；

摘要：针对传统信号设备运维管理中台账管理混乱、故障分析难度较大等问题，提出基于

BIM技术的城市轨道交通信号设备运维管理方案。方案以城市轨道交通信号系统为研究对象，

通过精细化建模、模型轻量化处理、数据库存储数据、接口与服务、BIM与GIS融合等技术，

完成基于BIM技术的城市轨道交通信号设备运维管理系统的架构设计。系统通过对信号设备

BIM模型族库的可视化管理，信号设备的动态状态显示及静态数据管理，设备状态的监测以及

故障统计、历史维护等信息的查看，实现了城市轨道交通信号设备可视化、信息化、集成化、

高效化管理，有利于提高信号系统的运用效率。该系统已在南昌地铁3号线应用，效果良好，

可为BIM技术在城市轨道交通信号领域的发展提供借鉴。

关键词：城市轨道交通；BIM；信号设备；运维管理

中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0038-07

DOI：

10.19550/.1672-061x.2023.03.31.001

0 引言

城市轨道交通作为城市重要公共交通工具，近年

来，得到了持续稳步的发展。截至2022年12月31日，

我国已有61座城市建立城市轨道交通，运营里程累计

超过41 386 km，线路网络以及载客量稳居世界第一

［1］

。

BIM技术正在改变工程领域基础设施的管理方

第一作者：

那哲铭（1989—），男，工程师。

通信作者：

丁蓥蓥（1996—），女，硕士研究生。

式

［2］

，其凭借可视化、集成化、协调性、优化性等

特征，在建筑、桥梁、铁路、城市轨道交通等领域

得到了大力推广。虽然目前BIM技术在城市轨道交

通运维方面的研究还处于初级阶段，但也有不少学

者针对BIM技术在城市轨道交通运维管理方面的应

用进行了研究，并取得了一定的研究成果。如赖华

辉等

［3］

依据上海城市轨道交通运维BIM模型的交

付需求，从模型交付原则、交付对象及对象属性信

息和交付形式等方面入手，提出了一套针对城市轨

道交通运维BIM模型的交付标准，为BIM技术在国

内其他城市的轨道交通运维项目提供参考；朱昊天

E-mail：*****************

E-mail：*****************

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技术

等

［4］

为提高BIM技术在运维阶段的价值，设计了

基于BIM技术并以运营为导向的系统架构，促进了

BIM技术在城市轨道交通工程全生命周期中的应用；

韩德志等

［5］

通过对城市轨道交通运维阶段BIM模

型需求的全面调研，形成了完整的BIM模型组成架

构，并通过与既有系统的结合，扩展了模型的应用

深度和广度。

信号系统作为保证行车安全、提高运输效率、改

善劳动条件、提升运营管理的重要系统，同样需要数

字化、智能化手段来建设。目前信号系统设备的运维

管理存在着维修疏漏、设备状态无法可视化、故障定

研

究

位困难、新人学习途径不佳等问题，这导致对信号设

备的信息化管理深度不够，降低了信号系统的运用效

率

［6-8］

。针对这些问题，设计基于BIM技术的城市轨道

交通信号设备运维管理系统（简称信号设备维护管理

系统），以实现城市轨道交通信号设备的现代化、智能

化、信息化管理。

1 系统设计

1.1　系统架构

信号设备维护管理系统架构见图1，由下至上依次

为数据层、支撑层、服务层、应用层、用户层。

用

户

层

用户城市轨道交通公司

城市轨道交通专家群用户

展示手机终端

PC终端MSS操作终端

大屏可视化

BIM模型族库管理

应

用

层

信号设备管理

总装模型管理

设备信息管理

设备属性管理

设备记录展示

系统管理

系统设置

设备检测故障统计

故障台账管理

故障级别分析

信

号

设

备

运

维

信

息

模

型

标

准

设备三维监测

服

务

层

数据结构化服务图像引擎服务流程引擎服务

用户权限管理

支

撑

层

GIS技术

接口与服务

系统认证登录

BIM模型

BIM与GIS数据转换

模型轻量化技术

数据

转换

数据

存储

数据

共享

GIS模型

基

于

BIM

技

术

的

城

市

轨

道

交

通

信

号

设

备

运

维

系

统

数

据

层

运维

规程数据

BIM数据GIS数据

运维期

数据

设备

台账数据

基础数据

设计、建设期数据

动静态验收数据

BIM竣工模型

业务数据

检测、监测数据运行数据分析数据

图1　信号设备维护管理系统架构

（1）数据层。信号设备运维管理系统的数据来源

分为2种，一种是来源于设计期、建设期、动静态验

收、BIM竣工模型的基础数据，另一种是来源于现有系

统检测、监测、运行、分析的业务数据。它们共同组

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研

究

2 关键技术研究

2.1　BIM模型的构建

2.1.1　建模标准

建模标准是模型统一性、标准化的重要保障。建

模主要参考了T/CRBIM 002—2014《铁路工程信息模型

分类与编码标准V1.0》、GB/T 51269—2017《建筑工程

设计信息模型分类和编码标准》、GB/T 51301—2018

《建筑工程信息模型设计交付标准》、T/CRBIM 004—

2016《铁路四电工程信息模型数据存储标准》

［9］

、

T/CRBIM 003—2015《铁路工程信息模型数据存储

标准（1.0版）》

［10］

（见图2）。

成了该系统的数据层，具体可以分为运维规程数据、

BIM数据、GIS数据、运维期数据、设备台账数据，其

中BIM数据占据主导地位。同时BIM模型也是关联运

当需要对信号设备进行管理时，通过链接对应的BIM

模型，即可获取设备的相关信息，并且通过接口传给

上层支撑层。

（2）支撑层。支撑层以关键技术和服务为核心，

其功能具体包括用户权限管理、系统认证登录、GIS技

术、BIM与GIS数据转换、接口与服务、模型轻量化

技术。

（3）服务层。服务层的存在给用户提供了一体化

通用服务，并保证系统具有可扩展性，包括数据结构

化服务、图像引擎服务和流程引擎服务。

（4）应用层。应用层是根据用户需求而开发出来

的功能模块，主要包括设备BIM模型族库管理、设备

信息管理、设备监测、故障统计、系统管理等。

（5）用户层。用户层是BIM技术最大优势可视化

的体现，为方便用户操作，允许用户在手机终端、PC

终端、MSS操作终端上进行操作。依据这些终端界面，

工作人员可更加直观地获取设备使用情况、配件更换、

设备状态等信息，有利于工作人员更加准确地查看设

备的故障信息。同时工作人员还可以通过定位、拖拽、

放大等功能，更加精准地查看模型。

维期数据、设备台账数据、二维图纸等信息的桥梁。

《铁路工程信息模型分类与编码标准V1.0》

分类编码

“身份标识”

《建筑工程设计信息模型分类和编码标准》

建模

标准

《铁路四电工程信息模型数据存储标准》

存储标准

“存储格式”

《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0版)》

统一交付

标准

《建筑工程设计信息模型交付标准》

图2　建模标准

2.1.2　建模内容

部模型按照现场真实尺寸制作，且满足运维阶段BIM

BIM模型与轨道交通工程的实际建设情况一致，全

1.2　系统数据库设计

采用MySQL数据库进行数据存储、维护和检索，

采用Redis进行数据缓存。MySQL数据逻辑结构依次为

客户端层、核心服务层、存储引擎层。客户端层提供

身份验证、安全性处理等服务；核心服务层主要是负

责处理底层数据，例如触发器、权限判断、SQL解析

等；存储引擎层的功能主要是数据的存储和获取。

模型要求；模型精度为LOD300~400，且添加属性满足

现场使用。信号设备BIM建模内容见表1。采用Revit

2018软件进行建模，创建完成的车站BIM模型示例见

图3；部分信号设备BIM模型示例见图4。

表1　主要建模内容

分类

车站土建

设备室内

室外轨旁设备

主要建模对象

车站主体、出入口及通道、通风道及地面通风亭等

板卡、继电器、各类机柜等

信号机、转辙机、各类箱盒等

1.3　系统开发环境

信号设备运维管理系统基于B/S架构，后端采用

Java MVC设计模式、Java语言进行开发，前端采用

VUE框架。运行环境的服务器操作系统为Windows

server 2008以上，CPU为Intel/英特尔酷睿i5-6500、主

频3.0 GHz及以上，内存为8 GB及以上，同时支持

Chrome、Edge等浏览器预览模型。

属性信息主要包含固有属性和自定义属性2个部

分，固有属性为Revit族文件自带属性，在族文件模型

创建时添加；自定义属性为用户根据情况可自定义添

加的属性，后期添加。

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（a） 车站整体BIM模型

图3　车站BIM模型示例

（b） 站厅层土建BIM模型

（a） 信号机（b） 板卡（c） ZDJ9转辙机

图4　信号设备BIM模型示例

（d） 设备室机柜

2.2　BIM模型与GIS模型的整合

GIS技术最初是一种地图工具，目前是用来表达数据

是需要解决的关键问题，在城市轨道信号领域也不例

外

［13］

。由于信号设备BIM模型数量多，包含的数据量大，

导致模型在使用过程容易出现加载慢、用户体验差、终端

配置要求高等问题。故为剔除信号设备BIM模型冗余数

据、减少模型数量、提高加载效率和用户体验，采用文件

格式转换、视锥体剔除、LOD分级加载、数据动态调度

4种方法对信号设备BIM模型进行轻量化处理。

（1） 文件格式转换：glTF格式由JSON文本文件、

结构、提供位置服务和查询分析、显示地理空间信息的

系统

［11-12］

。通过将BIM模型与GIS数据相整合，可以将

宏观地理地形场景分析规划与微观设备构件布置相结合，

从而提高运维工作效率、缩短工期。整合流程见图5。

2.3　BIM模型轻量化技术

在BIM技术应用过程中，对BIM模型进行轻量化处理

外部二进制文件（.bin）和外部纹理文件（.jpg/png）组

成（见图6）。为提高信号设备BIM模型的通用性，选

取glTF文件作为目标文件格式，同时在模型文件格式

转换过程中，只提取必要的几何数据和属性信息，完

成对轴网图元、标注图元等冗余信息的剔除，并将转

换后的模型数据导入数据库中进行存储。

（2） 视锥体剔除：通过视锥体算法对数据进行处

理，降低进入数据传入渲染管线的数据量。视锥体剔

除原理见图7，在模型渲染时，通过控制相机视点及角

度变化，只加载在视角范围内的模型，大幅提高了模

BIM模型

面板贴图

模型结构数据

设备属性数据

设施设备数据

GIS类数据

倾斜摄影模型

站点坐标定位

地形数据

矢量地图

几何模型转换，BIM+GIS整合

型的渲染速率，减少了GPU的负荷。

（3） LOD分级加载：为进一步提高模型渲染效率

和体验效果，采用八叉树结构作为空间索引结构的基

础（见图8），同时利用模型与视点间距进行LOD多层

模型信息添加，系统数据对应现场进行验证

图5　BIM模型与GIS模型的整合流程

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3 系统功能设计

在南昌地铁3号线既有信号设备MSS（维护监测系

统）基础上，依据城市轨道交通对信号设备运维管理

的需求，设计了BIM模型族库管理、设备信息管理、

设备监测、故障统计、系统管理等功能，信号设备维

护管理系统功能模块见图9。

模型的纹理贴图

.gltf（JSON）文件

描述了整个3D场景结构，设置了相机视点以及动画，

同时包含了连接二进制数据和材质的路径

.bin（二进制）文件

Geometry: vertices and indices

Animation: key-frames

Skins: inverse-bind matrices

几何、动画、蒙皮等原数据

.png/.jpg/.ktx2

（图片）文件

3.1　BIM模型族库管理

型，依据信号专业的特点，基于信号设备的分类编码

BIM模型族库管理模块首先针对信号设备BIM模

图6　glTF基本结构

（International Framework for Dictionaries， IFD）对所有

的信号设备BIM模型进行了科学分类管理；针对总装

BIM模型，依据项目、标段、工区、工点等结构对总装

BIM模型进行了科学分类管理。其次基于分级加载、瓦

多终端无插件在线浏览和远程查看功能，同时开发了

漫游、剖切显示、分解、测量、复位等操作以及BIM

模型分组拾取显示和隐藏等功能。最后基于开发的轻

量化引擎，能够实现对大图纸、大模型的多线程加载，

以及对巨规模线状类型的轨道交通信号系统BIM施工

文件的解析，保证了大文件、大图纸BIM模型的展示

图7　视锥体剔除原理

片等技术完成了轻量化引擎的开发，实现了BIM模型

和下载速度。在族库文件列表中，点击BIM模型名称

即可实现对BIM模型的轻量化预览。

级展示。即当视点间距越小，则模型精度越高、细节

呈现越多；当视点间距越大，则模型精度越低，模型

内部结构及细节装饰部分被剔除。

3.2　设备信息管理

设备信息管理模块通过与既有维护监测系统的数

据接口对接，利用BIM模型显示和轨道交通现场设备

二维码标签2种管理方式实现对信号设备的动态状态显

示及静态数据管理。其实现的功能主要有：（1）展示

信号设备的基础信息（名称、型号、安装位置、规格

等）、运行状态信息、使用记录等历史信息、维护信

息、保养记录等信息；（2）实现设备属性信息管理，

能够对设备属性信息进行修改、删除、导入、导出等

操作；（3）实现对设备BIM模型的分级查看，即可以

通过选择相应的设备来查看所选择设备或同类设备的

信息。

图8　八叉树结构

（4） 数据动态调度：当视觉变化比较快的时候，添

加缓存机制，综合多重LOD算法、BIM+GIS，可以实现

动态获取所需的数据，以减少内存浪费、提高运行效率。

3.3　设备监测

设备监测模块主要包含对系统通信状态、信号室

内室外设备状态的检测。其中系统通信状态的监测主

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BIM模型族库管理设备信息管理设备监测故障统计系统管理

浏

览

BIM

模

型

信

号

BIM

模

型

管

理

总

装

BIM

模

型

管

理

设

备

属

性

内

容

管

理

设

备

运

行

状

态

展

示

设

备

记

录

展

示

系

统

通

信

状

态

设

备

三

维

监

测

设

备

类

型

统

计

分

析

故

障

级

别

统

计

分

析

故

障

台

账

管

理

用

户

管

理

部

门

管

理

权

限

管

理

数

字

字

典

系

统

设

置

图9　信号设备维护管理系统功能模块

要是通过对系统内部构件以及外部接口的连接状态进

行检测和预警。

对信号设备的监测主要是通过还原室内、室外设

备的运行状态，并根据报警数据定位相应的模拟设备。

利用直观的三维呈现方式定位信号设备运行状态及故

障范围，极大地方便了电务维护人员快速查看相对应

设备的运行状态以及报警数据。

管理、数字字典、系统设置。其中用户管理能够实现

对用户信息的添加、修改、删除等操作；部门管理是

对人员按部门划分管理，具有增、删、改、查等功能；

权限管理是设定不同角色可访问的站点，该系统的角

色可分为管理员、项目管理员、信息填报人员；数据

字典是指管理员对特殊字段的维护；系统设置也是指

管理员对特殊字段的维护。

3.4　故障统计

故障统计模块是通过表格和柱状图的形式展示车

间或者车站中设备故障的数量，并按照月份和报警级

别进行展示。其功能有：（1）对设备类型进行统计分

析，即用户可以选择相应的设备类型，查看对应的统

计数据；（2）对故障级别进行统计分析，用户可以通

过点击统计图任意报警级别的柱体，跳转到相应级别

的故障设备列表；（3）故障台账管理，设备台账中显

示出现故障设备的报警状态和级别，以设备状态栏闪

烁来显示（红色闪烁代表一级故障，黄色为二级故障，

粉红色为三级故障），如果没有告警则显示“正常”，

同时报警时提供了确认操作来取消报警状态；

（4）历史故障查看，该系统能够展示车站的历史报警

状态信息和所有设备的报警记录，允许用户通过指定

站点、设备和时间段3个条件进行按需查询。

4 结束语

城市轨道交通信号系统为研究对象，基于Revit

2018创建了车站土建、信号设备三维虚拟模型；应用

数据库、GIS、图像引擎、服务器等技术，设计了基

该系统真实还原了信号室内外场景，弥补了传统数据

解读可视化上的不足，使信号系统运维管理从传统的

二维进阶到了三维，提高了信号系统的运维效率。系

统在南昌3号线信号系统中得到了应用，效果良好，

为后续三维动态维护以及应急处置指导提供了基础，

同时对提高信号系统信息化、智能化管理水平具有重

要意义。

于BIM技术的城市轨道交通信号设备运维管理系统。

参考文献

［1］ 韩宝明， 习喆， 孙亚洁， 等. 2022年世界城市轨

道交通运营统计与分析综述［J］. 都市快轨交通，

3.5　系统管理

系统管理模块包含了用户管理、部门管理、权限

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技术

2023， 36（1）： 1-8.

研

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责任编辑 瓦然

收稿日期 2023-03-31

O&M Management System of Signal Facility of Urban Rail Transit

Based on BIM Technology

NA Zheming

1

, DING Yingying

2

(1. Nanjing Nriet Industrial Co., Ltd, Nanjing Jiangsu 210000, China;

2. School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China)

Abstract:

This paper aims at developing an O&M management scheme for signal facility of urban rail transit

based on BIM technology to deal with problems such as chaotic ledger management and great difficulty in fault

analysis in its traditional O&M management. This scheme takes the signal system of urban rail transit as the

research object, and completes the architecture design of O&M management system for its signal facility based

on BIM technology through refined modeling, lightweight processing of models, database storage data,

interfaces and services, BIM and GIS integration and other technologies. The system realizes the visual,

informatization, integration and efficient management in signal facility of urban rail transit through its visual

management of BIM model family library, dynamic status display and static data management, equipment status

monitoring, fault statistics, historical maintenance and other information viewing, which is conducive to

improving the operation efficiency of signal system. The system has been applied to Nanchang Metro Line 3

with good results, providing references for the development of BIM technology in the urban rail transit signal

field.

Keywords:

urban rail transit; BIM; signal facility; O&M management

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