高速铁路（简称：高铁）接触网作为电气化铁路重要的基础设施，不仅关乎列车的安全稳定运行，更直接影响到铁路网的运输效率和经济效益。近年来，BIM（Building Information Modeling）在铁路桥梁、隧道、路基等专业建造工程中被大量应用，并逐渐推广应用到站房、接触网等工程领域，其通过真实的物理模型构建完整映射的虚拟模型，实现物理对象全生命周期的精准建模、信息共享、业务协作和管控维护^[1-2]。

高铁接触网工程涵盖了设计、制造、施工、运营维护（简称：运维）等多个阶段（全生命周期），而目前针对接触网的BIM模型应用，只是单个工程阶段的局部应用，主要问题体现在：（1）高铁接触网在全生命周期产生了海量的数据，但整体利用程度并不高，导致各阶段数据链条不畅、数据共享集成深度不够；（2）BIM重复建模，以及模型与业务关联度不高，导致设计交付模型无法满足制造、施工安装阶段BIM模型的参数要求；（3）不同阶段的工程结构几何信息与材料等非几何信息尚未形成统一的数据标准^[3]。

针对上述问题，本文基于BIM技术，结合智能高铁“模数驱动、轴面协同”全生命周期管理理念，提出高铁接触网从规划设计、生产制造、施工建设到运维的全链条智能化管控方法^[4]。通过研究高铁接触网的全生命周期管理过程中BIM模型和数据一体化传递、BIM模型传递转化与轻量化等关键技术，构建基于BIM的高铁接触网全生命周期管理模数一体化平台，实现各阶段数据模型的无缝对接与高效传递，为高铁接触网的管理和维护提供科学依据和技术支撑，全面提升接触网智能化水平。

1   “模数一体，轴面协同”理论在接触网全生命周期管理中的深化研究

“模数驱动，轴面协同”理论中，“模”指接触网全生命周期管理过程中不同阶段下的表征模型和机理模型；“数”指接触网在不同阶段中涉及到的数据，如接触网构件的信息参数、物料参数、安装信息参数及检测监测数据等；“轴”指接触网全生命周期过程中的设计、制造、施工、运维这4个阶段的时间轴；“面”指接触网在不同阶段下所涉及到的业务场景结合；“模数驱动”即在接触网全生命周期管理的不同阶段中，融合接触网各表征模型、机理模型和动静态数据等实现一体化的传递，实现全过程的模数正向驱动和反向迭代优化；“轴面协同”是指在不同阶段下的业务场景在模数驱动的作用下，通过上下游数据的有效衔接，解决单一阶段对上下游数据共享共用的需求，从而达到整个生命周期管理的能效最优。该理论不仅在宏观上适用于智能高铁中建造、装备、运营等板块间通过不同专业的协同实现总体能效最优化^[5]，同样适用单专业（如接触网等）的全生命周期整体优化，如图1所示。

图  1  基于“模数驱动，轴面协同”的高铁接触网全生命周期管理示意图

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（1）在设计阶段，构建统一BIM协同设计平台，从插件工具、族库管理、构件属性定义、模型上传格式等方面进行规定，对可研报告、初步设计、施工图设计等各环节进行迭代对比，实现设计方案动态优化。

（2）在制造阶段，基于设计交付BIM模型，对可实现智能化生产的部件（如腕臂、吊弦）进行深化加工，并将BIM模型数据输入到智能生产系统中，实现远程的生产自动控制。智能生产线装备可实现自动识别预配数据、管材自动送料、自动定长锯切钻孔、自动喷码打标、零件自动穿管定位、零件自动紧固、成品自动下料、码垛等功能，同时，可将生产数据返回到施工管理系统中。

（3）在施工阶段，基于制造交付的BIM模型，围绕质量、安全、进度、投资、控制和环保等方面进行数据深化，研究多维数据协同关联，推动BIM模型与施工进度关系映射，自动形成接触网一杆一档数据。同时，研制和采用智能化安装设备，使其与BIM模型数据同步，实现接触网支柱组立、放线支撑、腕臂、吊弦等关键部件的高效安装。

（4）在运维阶段，通过打通数据接口方式将接触网一杆一档数据与运维数据结合，使天窗计划数据、作业数据、6C数据、缺陷库数据、上跨桥/线数据、报警数据、检修数据等充分利用一杆一档数据进行融合，更新运维模型，实现各阶段数据贯通，开展监测检测、巡视维修等应用。

2   接触网全生命周期管理模数一体化平台架构

为实现高铁接触网在全生命周期管理过程中模型和数据的正向传递和反馈优化，提升整体的能效，基于“模数驱动，轴面协同”理论，将接触网在各阶段的模型、数据通过高铁接触网全生命周期管理模数一体化平台统一管理和赋能。该平台的架构^[6]，如图2所示。

图  2  接触网全生命周期管理模数一体化平台架构

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2.1   模数汇聚层

主要汇聚接触网在全生命周期的数据和模型。其中，设计阶段包括项目基本信息、接触网构件的几何参数信息、项目前期的图纸数据及模型；制造阶段包括关键部件（如腕臂、吊弦等）的预配、生产控制数据和对应的BIM深化模型；施工阶段包括腕臂智能安装、放线控制、H型支柱组立过程中的作业数据及模型；运维阶段包括接触网施工结束后的BIM竣工交付模型，以及运维过程中的检测监测数据、天窗计划、作业计划、异常报警等运维数据。

2.2   模数存储层

通过将汇聚来的数据按照主题域划分为表征模型库、数据湖和机理模型库。

（1）表征模型库用于存储各阶段的BIM相关模型。设计阶段包含根据图纸数据和几何参数初步构建的BIM模型，经过检查、冲突校验、计算核验等流程完善后的BIM深化模型，以及经过审核后的BIM设计交付模型；制造阶段包含可实现智能化生产相关部件的BIM深化模型；施工阶段包含施工BIM深化模型，用于融合展示的接触网BIM轻量化模型，以及项目线路的GIS模型；运维阶段主要包括接触网的BIM竣工交付模型。

（2）数据湖用于存储各阶段接触网的基本参数、生产物料、进度管理、安装控制及运维作业等数据。

（3）机理模型库用于存储不同阶段涉及到的计算模型、预测分析模型等。如设计阶段的接触网构件计算模型、项目预算评估模型；制造阶段的腕臂吊弦预配模型、自动识别模型；安装阶段的智能化设备自走行模型、自控制模型；运维阶段的大量智能检测监测模型、基于大量运维数据的挖掘模型、预测分析模型及预报警模型等。

2.3   模数处理层

由模数管理、模数计算、模数聚合等功能构成。其中，模数管理具备表征模型管理、机理模型管理、动静态数据管理、模数一体化管理等功能，实现海量数据、表征模型及机理模型的质量治理和存储管理；模数计算具备自主参数化建模、模型数据关联分析、模数驱动协同计算、领域大模型智能分析等功能；模数聚合提供领域知识建模、模数服务编排、模数协同调度、模数服务共享等能力。

2.4   分析应用层

支撑接触网全生命周期管理过程中4个阶段的各项智能化应用。如未来在设计阶段的生成式设计、制造阶段的全要素无人化生产应用、安装阶段的全自动组立安装，以及运维阶段的基于人工智能技术的检测监测应用。

3   接触网全生命周期管理关键技术

3.1   BIM模型和数据一体化传递

整合接触网全生命周期的静态和动态数据，通过聚类技术，将数据集成为接触网模型的几何信息和非几何信息，建立高效的模数一体化系统，采用诸如IFC、XML Schema等通用的数据标准化方法，保证接触网在各个阶段中的模型和数据都能够遵循统一的结构和表达方式^[7]。

3.1.1   BIM模型传递载体

高铁接触网全生命周期BIM模型与数据一体化传递，以“模数分离−模数聚合”的技术路线，通过模型自属GUID或赋加唯一ID编码，将数据属性剥离，形成IFC、XML Schema、Railml、Json等数据格式，便于调用，保证在传递过程中数据的完备性。结合各阶段管理需求，对模型进行格式处理，通过编码管理技术将模型与数据聚合，实现多维数据关联^[8]。

3.1.2   BIM模型传递方式

基于数据标准化方法，构建接触网在各个阶段中的模型、数据存储结构和表达方式，以及支持接触网全生命周期管理的模型数据目录，设计跨平台调用的方案。

3.1.3   模型及数据审核方式

基于铁路BIM联盟发布的标准，结合各阶段需求，制定模型精度和数据属性层级标准，对设计、施工阶段模型及数据进行审核，包括属性信息检查、定位信息检查、几何外形检查及进度模型检查等。

3.2   BIM模型传递转化与轻量化

3.2.1   模型转化

接触网工程由于呈线状结构且构件多、体量较大，存在加载显示缓慢、操作不便和浏览器容易崩溃等问题。通过Supermap10与UE5进行模型转化技术，主要通过转化插件，将RVT或DGN模型文件转换为UDB和GLB格式文件，将数据转换成Jason文件，在软件中集成倾斜摄影模型，根据需求发布形成客户端或Web端。

3.2.2   模型轻量化

从几何转换与模型渲染两方面对模型进行轻量化。几何转换通过数模分离及相同模型实例化存储的策略，降低文件大小；模型渲染通过分级加载、多重LOD的策略，保证显示质量的同时降低模型三角面数；通过Supermap 10和UE5开展相同长度区段轻量化验证，比较流畅度与场景效果^[9]。

4   接触网全生命周期管理应用验证

本文选取渝昆（重庆—昆明）高铁（川渝段），作为高铁接触网全生命周期管理模数一体化平台示范应用点，进行典型场景下高铁接触网全生命周期BIM模型与数据协同传递验证。

（1）在设计阶段，将接触网BIM模型和数据标准化，设计接触网参数化快速建模插件和零部件三维族库管理插件，提升了各阶段的模型构建效率，同时保证了模型构建参数的标准化。

（2）在制造阶段，基于设计交付的BIM模型数据，远程智能生产线可自动进行配料生产控制。目前，已实现了腕臂智能化预配生产和吊弦的智能化预配生产，如图3所示。

图  3  远程智能生产线

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（3）在施工阶段，基于本平台实现不同业务维度的施工管理，包括技术管理、安全管理、进度管理、物资管理及接口管理等，如图4所示。

图  4  接触网施工管理界面

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（4）在运维阶段，主要实现基于接触网BIM模型与GIS模型的可视化功能，并将接触网的运营数据通过可视化的方式实时展示，提升运维效率，如图5所示。

图  5  基于BIM+GIS 融合的接触网“一杆一档”运维界面

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5   结束语

本文基于智能高铁“模数驱动，轴面协同”理论，构建了高铁接触网全生命周期管理模数一体化平台，实现了接触网模型和数据在不同阶段的协同传递和反向优化机制，有效地提升了接触网全生命周期的管理效率，为高铁接触网的安全、可靠和高效运营提供了有力支持。后续，在各阶段模数一体、协同传递的基础上，基于本平台的模型数据集成优势，开展不同阶段的协同智能研究工作，进一步提升接触网全生命周期管理的智能化水平。