基于BIM+GIS技术的高铁动车运用所数字孪生关键技术研究

基于SuperMap GIS（超图GIS）软件SuperMap iOb-ject组件开发，利用该组件提供的接口通过空间数据引擎SuperMap SDX访问空间模型数据库，利用ADO.NET访问后台业务数据库。总体技术架构如图1所示，共分为4层，分别介绍如下。

1)基础设施层：该层主要包括计算机网络及相关数据库存储服务器等。

2)数据层：该层主要包括后台业务数据库、BIM+GIS模型数据库及动画模型数据库。

3)服务层：主要包括ADO.Net数据访问组件及SDX数据访问组件，与数据库实现交互。

4)应用层：具体业务功能在该层实现,主要包括动车运用所三维场景的视图操作（包括模型浏览、图层控制、兴趣视角管理等），属性查询，数据库监控驱动等可视化功能以及设备运营监控、虚拟培训等业务功能。

图1 动车运用所数字孪生模型构件

BIM+GIS模型数据库创建

基于达索3D EXPERIENCE平台，依据铁路BIM标准，建立动车运用所全专业BIM模型，定义模型IFC分类和属性信息，并开展设计、施工阶段深化设计及应用，补充完善模型信息，形成竣工模型。

然后，利用模型格式转换插件，将竣工BIM模型利用达索3dxml原生格式移交至SuperMap GIS软件，避免模型几何和属性信息丢失，并在SuperMap GIS软件对模型数据进行实例化、多细节层次和轻量化处理：实例化处理是针对几何形状相同的模型，抽象其示例，储存在内存中，减少内存空间的占用；多细节层次是根据模型在显示环境中所处的位置和重要度，决定模型渲染的资源分配，降低非重要模型面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算；轻量化处理是根据BIM模型的语义信息，对模型的某些骨架进行删除或简化，达到通过减少数据量提高渲染效率的目的。

最后，将经过实例化处理、多细节层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓 存操作,进一步优化三维场景加载及显示效率，满足动车运用所三维可视化场景的快速搭建及流畅运行。同时加载三维地形数据，进而完成BIM+GIS模型数据库创建，为动车运用所数字孪生研究提供基础模型数据。具体创建流程如图2所示。

图2 BIM+GIS模型数据库创建流程

通过创建BIM+GIS模型数据库，形成动车运用所三维可视化场景，如图3所示。

图3 动车运用所三维可视化场景

动作模型构建

动车运用所动作模型主要包括位移类、转动类、纹理替换类和骨骼类4类动作模型。动作模型数据制作过程如图4所示，具体如下。

图4 动作模型数据制作过程

1）动作模型动画制作及描述信息添加。其中，位移类、转动类和纹理替换类动作模型通过DAE格式导入3Dmax软件进行相应线性动作、转动动作和纹理替换动作定义，并在描述信息字段中添加模型ID编号和数据集名称信息（通过DAE格式导入3D max软件中的模型属性信息已经丢失，在描述信息字段添加信息是便于第（4）步中模型属性信息的检索完善）；骨骼类动作模型直接在 3D max 软件中创建人员骨骼模型, 并进行人体骨骼动作定义。

2）动作模型整合至SuperMap GIS三维场景。其中，在3D max软件制作完成的位移类、转动类和纹理替换类动作模型，通过SGM模型格式转换插件导入SuperMap GIS三维场景对应新建的KML图层；在3D max软件制作完成的骨骼类动作模型，通过Mesh模型格式转换插件导入SuperMap GIS三维场景对应新建的KML图层。

3）动作模型动作控制。根据实际业务需求，位移类动作模型设定物理实体的运动路径并定义动作持续时间，以实现模型的位移动作控制；转动类动作模型设置转动角度并定义动作持续时间，以控制模型的转动动作控制；纹理替换类动作模型修改Mesh面的纹理属性，以实现模型的信号指示变化；骨骼类动作模型设定人员的行走路径并定义动作持续时间，以实现人体动作控制。

4）动作模型属性信息添加完善。其中，位移类、转动类和纹理替换类动作模型因初始导入3Dmax软件会出现属性信息丢失，需通过二次开发的属性链接程序添加完整属性信息；骨骼类动作模型属性信息从业务数据库中读取并添加显示。

通过上述过程制作完成的位移类、转动类、纹理替换类和骨骼类动作模型，既包含模型静态几何和属性信息，也包含模型的实时动作和动态属性信息，可以真实反映相应物理实体的状态特性，即为数字孪生模型。位移类、转动类、纹理替换类和骨骼类动作模型典型示例如图5所示。

图5 动作模型数据制作过程

动车运用所业务数据库主要是存储通过数据采集、数据传输、数据集成与分析过程获得的与动车运用所运营管理业务相关的结构化及非结构化数据。其中，各类业务表是实现数字孪生模型实时驱动的基础数据，主要包括实时状态记录表（Operation_Record表）和历史数据表（SaveDataHis表）。Operation_Record表用于动车运用所设备设施运行状态的实时驱动，SaveDataHis表主要用于动车运用所设备设施初始状态的设置。以动车运用所检查库安全联锁及作业评价系统为例，阐述 Operation_Record表和SaveDataHis表的具体定义。

表1给出了Operation_Record表数据结构，用于安全联锁及作业评价系统相关设备设施运行状态的实时驱动。其中，SysType为系统类型字段，字段值为0（安全联锁），1（作业评价），2（车号识别）；Operation为操作内容字段，如SysType字段值为安全联锁，则代表开合闸操作,如SysType字段值为作业评价，则代表开始或结束巡更点刷卡，如SysType字段值为车号识别，则代表进出动车组；Station为库内股道名称字段，记录了动作发生的股道编号；Details为详细信息字段，如SysType字段值为安全联锁，则记录工作卡编号，如SysType字段值为作业评价，则记录巡更棒编号，如SysType字段值为车号识别，则记录动车组车号。

表1 Operation_Record表数据结构

表2给出了SaveDataHis表数据结构用于安全联锁及作业评价系统相关设备设施初始状态的设置。SaveDataHis表记录值的具体含义如表3所示。

表2 SaveDataHis表数据结构

表3 SaveDataHis表记录值具体含义

通过C#和SuperMap iObjects开发组件开发业务数据驱动控制程序，实现业务数据库中业务数据的规则读取，确保业务数据与数字孪生模型动作具有匹配映射关系。并通过“ALTER DATABASE<DatabaseName>SET ENABLE_BROKER”语句启动业务数据库监控程序，当业务数据库中的业务数据发生变化时，SqlDependency会自动触发OnChange事件来通知客户端应用程序，如果判定为正常信号，则模型数据库中的数字孪生模型发生相应动作，实时映射物理实体的运行状态。数据库关联驱动流程如图6所示。

图6 数据库关联驱动流程

通过上述过程搭建动车运用所数字孪生系统，并基于该系统支撑相关具体运维管理应用，包括动车运用所三维场景的视图操作（包括模型浏览、图层控制、空间量算、兴趣视角管理等），属性查询，数据库监控驱动等可视化应用以及设备运营监控、虚拟培训、设备管理等业务应用。相较传统运维管理模式，利用数字化、智能化手段，打破动车运用所传统分散运维管理，消除信息孤岛，实现信息共享，提供设备设施属性及维修养护信息快捷查询、报表数据自动统计分析、故障智能诊断及精确定位、状态智能预警与健康管理等综合可视化信息服务，极大提高运维管理效率，节约人力资源，提质增效，推动铁路动车段（所）智能化转型发展。典型应用示例如图7所示。

图7 动车运用所数字孪生典型应用