基于BIM+GIS建模的高速公路机电设备智慧资产管理系统的研究应用

基于BIM+GIS建模的高速公路机电设备智慧资产管理系统的研究应用

付鑫1毛新华1王哲一2赵毅2

1.长安大学 陕西 西安 710061

2.西安新视窗科技有限公司 陕西 西安 710065

摘要：通过定义机电设备相应的尺寸参数以及计算过程对高速公路机电设备进行BIM参数化建模，以BIM+GIS为信息源载体，融合高速公路机电设备资产空间信息、属性信息、维修保养信息、动态预警信息，建立高速公路机电设备资产管理功能，为资产的管理提供形象直观的管理平台。

关键词：BIM+GIS可视化；智慧资产；智慧运维；

随着高速公路机电设备的集成化和智能化程度日益提高，机电系统逐渐成为高速公路运营管理的重要内容，也是实现高速公路运营管理目标的核心支撑系统，机电系统的运营管理质量直接影响到高速公路的运行状况。

目前国内高速公路机电设备管理系统的使用较为普遍，并且功能较多，基本能满足日常的机电设备管理需求。但是在数字化转型、智慧高速公路等背景下，现有的高速公路机电设备管理系统的数字化和智慧化升级是未来发展的一个重要趋势。传统的高速公路机电设备运维系统主要以表格和二维图的形式展示机电设备的相关信息，且决策支持方面的功能较为薄弱。因此，迫切需要利用新技术实现高速公路机电设备运维系统的升级换代。

1、基于BIM+GIS模型的高速公路机电设备智慧资产管理平台开发

（1）高速公路机电设备BIM参数化建模

高速公路机电设备三维模型是智慧资产管理平台的基础，直观展示机电设备的各种信息。通过定义机电设备相应的尺寸参数以及计算过程，对高速公路机电设备进行BIM参数化建模，将模型的各方面数据参数化，将参数填入到已经设定好的计算公式中的对应位置，得出结果并自动生成可视化模型，建立具有一定规则的参数表。此外，对于高速公路机电设备BIM模型在GIS场景中的参数化过程，需要设计机电设备之间的空间约束，对参数化中的位置参数进行构建。

（2）面向GIS应用的高速公路机电设备BIM数据转换和处理

在高速公路机电设备建模中，主要是将BIM的IFC数据转化为GIS使用的City GML数据，包括：将BIM数据的局部坐标转换为GIS使用的空间坐标系，保证机电设备在空间关系上的准确性；将高速公路机电设备BIM模型中的实体模型转换为GIS的表面模型，以便于在GIS三维空间表达；将高速公路机电设备BIM模型中语义信息进行筛选过滤，实现语义模型的映射与补充；对转换后的高速公路机电设备BIM模型进行多级LOD处理，以适应三维GIS场景的多级分辨率。

（3）高速公路机电设备智慧资产管理平台开发

以BIM+GIS为信息源载体，融合高速公路机电设备资产空间信息、属性信息、维修保养信息、动态预警信息，建立高速公路机电设备资产管理功能，为资产的管理提供形象直观的管理平台。模型管理展示可实现可视化设备管理、场景漫游、设备查询、设备显示管理。平台的功能包括系统用户管理、设备运行检测、设备日常养护管理、设备运维管理、设备预警分析、运维决策支持等。

2、高速公路机电系统可靠性评估及智慧维护决策算法

（1）高速公路机电设备可靠性建模与评估算法

首先在可靠性建模部分，基于AADL的架构建模、基于行为附件（BA）的模式建模和基于错误模型附件（EMA）的故障建模等建模；然后在可靠性评估部分，从定性和定量两方面进行研究，其中定性评估基于故障树分析（FTA）和功能危险评估（FHA）的评估过程，定量评估通过合AADL的Ocarina自动代码生成技术，提出一个基于半马尔科夫（SMP）模型的定量评估算法。

（2）高速公路机电设备剩余使用寿命预测算法

在长短期记忆人工神经网络（LSTM）的基础上加入稀疏自编码器对机电设备隐藏的特征信息进行无监督深度学习，提出基于LSTM-SAE的高速公路机电设备剩余使用寿命预测模型。首先，从监测数据中提取可以反映机电设备性能退化的寿命特征因子，作为预测网络的输入数据。接着搭建预测模型的框架架构，并对模型进行训练。最后，根据自编码器的原理及特点，重点构建LSTM-SAE预测模型的框架结构和预测方法流程。

（3）高速公路机电设备智慧维护决策算法

在针对高速公路机电设备可靠性评估和剩余使用寿命预测的基础上，对设备中不同的组成部件确定不同的维护维修方式；针对适用预防性维修的部件，分析维修活动与其可靠性之间的关系，并以可靠性为约束，建立综合修复性维修和预防性维修的最优决策模型。将量子计算方法与遗传算法进行结合，对最优决策模型进行优化计算，并根据优化结果，生成相应的机电设备维修计划。

3、高速公路机电设备运维管理新模式

（1）高速公路机电设备一体化巡查

依托三维可视化技术，融合线上线下数据流，实时漫游查看巡查点位的监控情况，实现一体化的巡查、管理界面。把规定路线的重点巡查点位投射到三维模型上，融合各点位的监控数据流，通过漫游等手段，巡查各点位的现场运维情况，满足决策者对资源库的调取，监测、评估等状态的实时态势感知，历史数据回溯等监管需求。

（2）高速公路机电设备远程辅助维修

将高速公路机电设备BIM+GIS模型植入至AR系统，并生成二维码，通过移动终端设备（如手机、Pad等）将机电设备模型信息叠加至真实场景中，专业技术人员远程连接至终端设备，可以以现场一线维修人员的视角查看维修情况，实现针对机电设备维修的远程协助。

4、结语

基于BIM+GIS建模的高速公路机电设备智慧资产管理系统，以BIM+GIS模型为基础的高速公路机电运维系统具有三维可视化、精确定位、信息互联、仿真模拟等功能，并在设备发生故障之前，结合历史运行数据、故障数据、环境数据等多种信息资源对设备的剩余寿命进行预测，以便及时提供一系列的维修保障措施，以实现机电设备可靠、不间断运行。可使管理人员直观浏览机电设备的运行状态、快速查找设备位置、查询设备全生命周期信息等，从而辅助管理人员进行资产管理、预防性运维管理等科学决策，提升管理效率和节约管理成本，实现智慧化运维管理。

参考文献：

[1]钟仕兴，高速公路智能机电设备运维管理系统的研究与应用用，机电信息，2022.

[2]王平恒，新时期高速公路机电运维管理对策，西部交通科技，2022.

[3]杨玉涛，基于物联网技术的高速公路机电智能化管控系统研究，湖南邮电职业技术学院学报，2022.

[4]刘博，高速公路机电设备监控及可视化管理措施，运输经理世界，2022.

[5]李鑫，BIM技术在高速公路机电工程项目管理中的应用，江西建材，2021.

[6]陈敬进，高速公路机电大运维的趋势研究，智能城市，2021.

[7]陈洪伟，高速公路机电设备管理及维护对策，交通世界，2020.

[8]赵孜，云计算在高速公路机电系统管理工作中的发展分析，交通世界，2020.

[9]赵元龙，BIM技术在高速公路机电工程项目管理中的应用，中国公路，2018.