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BIM作为信息载体，能够将铁路工程实体全生命周期内的有效信息都集成在统一的模型中，打破设计、施工、运维等各阶段的业务隔离，实现工程数据的全过程、一体化应用。近年来，随着计算机硬件设备和软件技术的快速发展，BIM技术逐步从实验室走向了工程实践。中国铁路BIM联盟建立了铁路BIM标准体系框架，编制并发布了《铁路BIM信息分类和编码标准》等11项标准和指南，组织了较大规模的BIM试点工程，这些都极大的推动了BIM技术在数字化铁路中的应用。京沈客专完成了站前多专业BIM协同设计[10]；青岛铁路四电BIM试点项目开展了以四电为主的全专业BIM应用，实现了铁路IFC、IFD标准的应用和验证[11]；在工程建设方面，京张高铁在全球首次全线采用BIM技术，从原材管理、混凝土拌制、运输养护，到内业资料整理，实现全生命周期的信息化管理[12]。可以看出，目前的BIM试点主要聚焦在设计阶段，然而，BIM技术实施的最大受益应在运营维护阶段，设计和建设期产生的海量信息，在漫长的运维阶段价值显著[13]。因此，迫切需要加速运维阶段的BIM研究，将BIM应用向数字化、智能化运营维护延伸[14,15]，并借助数字孪生技术，利用多源数据实现BIM模型的动态更新，从而释放数字化数据的价值。

综上，研究以BIM和数字孪生技术的实景维护系统，是从根本上升级当前铁路通信维护模式的最佳方案。本文基于iTwin提供的数字孪生解决方案，结合三维BIM模型、二维图纸以及铁路通信实时状态参数，研究并设计了铁路通信实景维护系统，旨在提高铁路通信维护的数字化、可视化、智能化能力。

2  系统总体架构

数字孪生，就是根据物理世界的实体对象，创建一个数字版的“克隆体”。这个“克隆体”，也被称为“数字孪生体”，它被虚拟的创建在信息化平台上。相比于设计图纸，数字孪生体可实现对实体对象的动态仿真[16]。它将实体对象的物理模型、实时状态以及外界环境条件，都复现在“孪生体”上，数据种类繁多，接口复杂。再加上设计及施工期数据的积累，铁路通信运维数据体系庞大，构建合理的系统架构，是实现运维阶段数字孪生应用的基础。

软件系统通常分为前端和后端两大部分[17]。前端主要包含用户的交互式界面，以及各种数据的采集、验证、分析和展示等。后端包括业务逻辑处理，数据持久化存储。但铁路通信维护管理工作涉及面广，任务种类繁多，场景复杂，因此不同的职能部门可能需要不同的前端设备以满足自身的工作需要。

为了增加系统的可扩展性，使其能够满足多种前端设备所需的不同开发及运行环境，且不影响与后端的正常通信，本系统采用RESTful架构风格，在前端程序和后端程序之间增加了一个服务层，用以实现前后端分离，形成表现层、应用层及数据层三层数字化系统架构。如此一来，系统可将不同业务以模块化、组件化的形式进行封装，并根据实际情况，选择最优的模块组装方式，向不同对象提供精准的业务服务。图1为铁路通信实景维护系统总体架构示意图。

图1  铁路通信实景维护系统总体架构

2.1 数据层

数据层设计主要考虑两部分内容：（1）数据采集：包括通信设备在运行过程中的实时信息以及在检修过程中产生的设备维护数据；（2）数据存储：针对系统中体量庞大的多源异构数据进行持久化存储。

在数据采集过程中，需要考虑现有设备、系统的数据采集及数据传输模式。在设备运行时，可以通过网管、监测等运维支撑管理系统，对通信设备设施、网络资源、维护管理过程等数据进行实时收集，包括设备的工作状态、外部环境条件等；在设备检修过程中，可以利用手持终端对设备条形码、二维码进行扫描，或利用RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）等技术进行维修对象信息的识别，例如通过扫描机柜前端的二维码图像，查询机柜板件信息、槽位信息和相邻节点网络情况等。采集到的数据需要按照相关设备、系统的接口要求，提取所需的数据，完成格式转换和数据清洗，最后传输至本系统数据库中进行存储。介于铁路本身的特性，可以通过现场总线、工业以太网、以太网、无线局域网等，构建多协议、多类型融合的信息传输网络[2]，实现系统间的数据传输。