BIM技術(shù)在軌道交通車輛全壽命周期管理中的應用研究

和杉劍

（天津濱海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300400）

建筑信息模型（BIM）[1]技術(shù)是應用于工程全生命周期管理的數(shù)據(jù)化工具，通過整合項目相關信息的參數(shù)模型，在項目設計、建設和運維的全生命周期中進行展示和應用，相關參與人員充分理解各種建筑信息，從而進行高效的決策。BIM技術(shù)的提出始于20世紀末的美國[2]，在國內(nèi)，一些大型項目也先后應用了BIM技術(shù)，如水利工程中的南水北調(diào)工程[3]、鐵路工程的橋梁設計[4]、客運專線線路設計項目等。在軌道交通工程建設中，BIM技術(shù)的應用還處于初始階段，主要解決管線的安裝空間、檢修空間[5]等問題。

BIM技術(shù)應用于軌道交通車輛全生命周期的設計、生產(chǎn)制造和運維管理才剛剛開始[6]。車輛BIM技術(shù)應用最終實現(xiàn)目標是通過建設網(wǎng)頁端及移動端網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛項目“規(guī)劃–設計–采購–物流–生產(chǎn)制造–試驗–交付–調(diào)試–驗收和運維”全生命周期進行管理，對項目執(zhí)行階段的各項數(shù)據(jù)進行采集、匯總、分析挖掘，實現(xiàn)標準化、規(guī)范化、精細化、信息化管理。國內(nèi)地鐵公司的主要關注點為車輛設計、制造和運維的管理，軌道交通車輛的最終用戶關注于車輛的生產(chǎn)制造質(zhì)量和后期運維管理的方便性。

本文旨在從BIM技術(shù)在全壽命周期中應實現(xiàn)的目標出發(fā)，提出BIM技術(shù)在車輛全壽命周期各階段的應用范圍和內(nèi)容，并對建設單位關注的車輛制造過程質(zhì)量控制和車輛運維數(shù)據(jù)的收集和處理提出了具體方案。

1 車輛BIM技術(shù)分析

實現(xiàn)BIM技術(shù)在所在行業(yè)各階段、各專業(yè)間的協(xié)同應用是未來研究的重點[7],目前，國內(nèi)在建的軌道交通線路運用BIM技術(shù)的基本構(gòu)想是：建設單位建立BIM 應用協(xié)同管理平臺[8-9]，分專業(yè)建立專業(yè)平臺或先分專業(yè)建立BIM平臺再接入BIM應用協(xié)同管理平臺，涉及的基本專業(yè)如圖1所示。

1.1 車輛BIM技術(shù)實現(xiàn)目標分析

圖1 軌道交通BIM涉及的主要專業(yè)系統(tǒng)

BIM技術(shù)應用于軌道交通車輛的全壽命周期管理中應實現(xiàn)的目標如下。

1.1.1 同步共享性目標

通過車輛BIM平臺接入并應用于建設單位BIM協(xié)同平臺，將車輛設計、生產(chǎn)階段的信息及產(chǎn)生的相關資料實時上傳至協(xié)同平臺中，實現(xiàn)與建設單位BIM協(xié)同平臺同步與共享，保證建設單位查看項目進度等信息的實時性，完成項目全階段的管理監(jiān)控、驗收整改、檔案資料歸集等工作。車輛制造廠家對數(shù)據(jù)模型的同步性、完整性和真實性負責。

1.1.2 動態(tài)管理目標

嚴格執(zhí)行建設單位的相關管理辦法，如 “二維碼管理辦法”等，目的是實現(xiàn)設備材料“到貨-進場檢驗-安裝-調(diào)試-驗收-移交”各階段的動態(tài)管理。

1.1.3 安全控制目標

在設計和生產(chǎn)初期梳理安全風險點，與生產(chǎn)組織設計進行對比、分析、糾偏，及時將安全隱患和防護措施錄入系統(tǒng)中，提高生產(chǎn)現(xiàn)場安全管理水平，及時與車間生產(chǎn)人員進行技術(shù)、安全交底。

1.1.4 質(zhì)量控制目標

提高生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控力度、質(zhì)量管理水平、一次性驗收合格率。利用車輛BIM平臺對材料和設備的質(zhì)量品質(zhì)、主要生產(chǎn)過程等進行監(jiān)控管理，及時將材料設備檢測情況、生產(chǎn)質(zhì)量信息及質(zhì)量驗收報告等資料錄入系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)問題及時反饋。

1.1.5 進度控制目標

項目初期制定詳細工作計劃和進度計劃，減少設計生產(chǎn)過程的返工，優(yōu)化生產(chǎn)安排，與進度目標進行實時分析，同時建設單位及時跟蹤項目的進度情況，完成項目進度目標控制。

1.1.6 運維目標

利用BIM技術(shù)提供車輛及部件的詳細信息平臺，支持模型屬性的更新維護，提供分類顯示、查詢統(tǒng)計。

利用用戶現(xiàn)場車輛運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對產(chǎn)品運行狀態(tài)的實時采集及監(jiān)控，對采集的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行匯總、建模、分析、展現(xiàn)，達到對車輛故障診斷、狀態(tài)預測和修程指導等運營維護的目標。

1.2 車輛BIM技術(shù)框架分析

為了實現(xiàn)車輛BIM技術(shù)的目標，建立的BIM技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 車輛BIM系統(tǒng)框架圖

1.2.1 車輛廠實施的內(nèi)容及方式

（1）設計：車輛廠將設計圖紙、檢查資料、生產(chǎn)制造資料及相關文件數(shù)據(jù)通過車輛BIM平臺，自動生成信息文件同步實時上傳至建設單位BIM協(xié)同平臺，將項目各階段數(shù)據(jù)與模型關聯(lián)。

（2）物料采購：車輛廠根據(jù)總體生產(chǎn)組織設計梳理出所有設備材料的到貨計劃，自動生成采購信息并導入車輛BIM平臺中，再同步實時傳至建設單位BIM協(xié)同平臺，實現(xiàn)制造階段對設備材料的控制。

（3）生產(chǎn)制造：車輛廠在完成設計后制定生產(chǎn)計劃并組織生產(chǎn)，同步實時上傳至車輛BIM平臺和建設單位BIM協(xié)同平臺，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤可視化施工組織設計的實施情況，在生產(chǎn)過程中，建設單位通過車輛BIM平臺對生產(chǎn)進行實時監(jiān)控。

（4）物流：車輛廠生成設備材料的物流信息，實時同步上傳至車輛BIM平臺和建設單位BIM協(xié)同平臺。同時，通過對二維碼技術(shù)的應用，將設備材料信息錄入車輛BIM平臺，全程實時監(jiān)控設備材料“到貨-進場檢驗-安裝-調(diào)試-驗收-移交”的全過程跟蹤管理。

（5）主要部件二維碼：車輛廠現(xiàn)場管理人員通過掃描二維碼，錄入現(xiàn)場的材料設備實時狀態(tài)（出庫、入庫、安裝、進場、出廠），建設單位人員通過車輛BIM平臺獲取現(xiàn)場材料使用情況。檢修或維保人員在質(zhì)量檢測過程中通過掃描二維碼，錄入質(zhì)量檢測信息，如果出現(xiàn)質(zhì)量問題，通過調(diào)用前期的跟蹤信息找出問題原因并確定相關解決方案。

1.2.2 用戶現(xiàn)場的實施內(nèi)容及方式

（1）調(diào)試、驗收：應用車輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)自動記錄車輛各期間的調(diào)試信息。通過遠程信息控制導入到車輛BIM平臺，同時，通過BIM接口同步實時錄入建設單位BIM協(xié)同平臺中，通過二維碼的信息記錄每列車的驗收相關情況。

（2）運維：車輛廠應用車輛BIM平臺及時了解地鐵車輛使用情況、維修記錄等，對地鐵項目在使用過程中進行能耗分析和節(jié)能控制，并對地鐵運營管理情況進行實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)可視化、智能化管理。

2 車輛制造質(zhì)量與BIM技術(shù)

車輛廠運用車輛BIM平臺使質(zhì)量管理貫穿于整個項目中，包括原材料、設施設備及備品備件進場，設計生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制管理。質(zhì)量控制過程主要分為：項目實施前質(zhì)量控制、項目實施過程中質(zhì)量控制和后期項目試驗驗收質(zhì)量控制。利用BIM模型可視化、可模擬性和協(xié)同性為設計生產(chǎn)過程提供技術(shù)上的支持，保證車輛設計、生產(chǎn)質(zhì)量的提高。

車輛的質(zhì)量控制技術(shù)涵蓋影響車輛生產(chǎn)制造的各個階段，主要包括設備材料進場控制、圖紙質(zhì)量控制、車間加工工藝、現(xiàn)場組裝工藝及后期試驗和整改的控制等。質(zhì)量管理控制的技術(shù)流程，如圖3所示。

3 車輛運維與BIM技術(shù)

車輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是指導車輛運維的有效手段，系統(tǒng)實時收集運營車輛的運行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)，并通過專門的分析處理軟件，對車輛大量歷史數(shù)據(jù)進行挖掘，實現(xiàn)列車故障預測、相關故障處置智能指導、修程智能指導。系統(tǒng)通過BIM接口接入建設單位BIM協(xié)同平臺，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 質(zhì)量管理控制技術(shù)流程圖

圖4 車輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)為車輛的試運行和運營數(shù)據(jù)，主要來源于列車的多功能車輛總線（MVB）、以太網(wǎng)和離線檢修。

3.1 MVB數(shù)據(jù)

MVB為列車網(wǎng)絡的一部分，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是牽引輔助系統(tǒng)及制動系統(tǒng)的狀態(tài)、故障信息，以及列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）的列車基本運行狀態(tài)信息。其中，系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容覆蓋了列車基本運行狀態(tài)信息及列車所有關鍵子系統(tǒng)主要運行狀態(tài)監(jiān)測點信息?；具\行狀態(tài)信息主要包括列車車號、列車運行模式、列車運行站點位置、牽引或制動指令模式、列車行駛速度、牽引制動級位、運行時間等。從MVB通道采集數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)主要有牽引輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。系統(tǒng)狀態(tài)信息包括系統(tǒng)通信狀態(tài)、受電弓升降狀態(tài)、報警狀態(tài)、各關鍵電路的旁路狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)等。主要子系統(tǒng)的狀態(tài)信息如表1所示。

表1 狀態(tài)信息例舉

3.2 以太網(wǎng)絡數(shù)據(jù)

該部分數(shù)據(jù)從車輛以太網(wǎng)獲取，包括車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、火警系統(tǒng)、弓網(wǎng)關系在線檢測系統(tǒng)、走行部監(jiān)測系統(tǒng)、蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)以及其它模塊的狀態(tài)信息，故障數(shù)據(jù)等。

將MVB數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)其用途分為以下幾類：（1）與車輛運行安全相關的數(shù)據(jù)，如牽引制動狀態(tài)、總風壓力等；（2）與列車運行質(zhì)量相關的數(shù)據(jù)，如空調(diào)溫度、開關按鈕的操作等；（3）與列車運行狀態(tài)相關的數(shù)據(jù)，如列車速度、載客量等；（4）與車輛維修維護決策相關的數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)向架軸箱軸承等關鍵部位的振動溫度、繼電器動作次數(shù)等。

3.3 離線檢修數(shù)據(jù)

離線檢修數(shù)據(jù)包括日檢、周檢、架修以及架大修等檢修過程中的故障及維修信息，既包括檢修時發(fā)現(xiàn)列車異?，F(xiàn)象的記錄，又包括維修的具體內(nèi)容。需要將列車故障描述和維修規(guī)范化，建立完善的故障字典，為列車大數(shù)據(jù)分析提供基礎數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

2011年住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)的《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》對促進BIM技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展具有重要而深遠的意義，目前，BIM技術(shù)應用于軌道交通車輛全壽命周期還處于探索和研究階段。本文主要從建設的角度分析了車輛BIM技術(shù)應實現(xiàn)的目標，并根據(jù)目標提出了車輛BIM技術(shù)的系統(tǒng)框架，著重對建設單位關注的車輛生產(chǎn)質(zhì)量控制和運營維修數(shù)據(jù)進行了詳細的探討，為BIM技術(shù)在軌道交通車輛的應用提供參考。