基于BIM的地鐵車輛設(shè)備智能運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋小廣 胡定玉 方宇 高家濤 丁亞琦

摘 要：針對(duì)地鐵車輛運(yùn)維過程中存在的電氣設(shè)備信息數(shù)據(jù)不完整和檢修效率低等問題，設(shè)計(jì)一種基于BIM技術(shù)的地鐵車輛電氣設(shè)備智能運(yùn)維管理系統(tǒng)。首先，利用Autodesk Revit建立地鐵車輛電氣設(shè)備模型。其次，建立電氣設(shè)備資產(chǎn)和運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，并設(shè)置數(shù)據(jù)交換的接口，實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)備BIM數(shù)據(jù)庫與資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫和運(yùn)維數(shù)據(jù)庫的交互和維護(hù)，具有模型信息管理的功能。最后，基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論和證據(jù)理論分析法建立電氣元件故障預(yù)警和診斷模塊，為檢修決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能檢修，達(dá)到對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的目的。

關(guān)鍵詞： BIM;地鐵車輛;電氣設(shè)備;智能運(yùn)維

【Abstract】 Aiming at the problems of incomplete information data and low maintenance efficiency of electrical equipment in the operation and maintenance of metro vehicles， an intelligent operation and maintenance management system for electrical equipment of metro vehicles based on BIM technology is designed. Firstly， the electrical equipment model of metro vehicle is established by using Autodesk Review. Secondly， the database of electrical equipment assets and operation and maintenance is established， and the interface of data exchange is set up to realize the interaction and maintenance between vehicle equipment BIM database and asset management database and operation and maintenance database， therefore achieve the function of model information management. Finally， based on the fuzzy Bayesian network theory and evidence theory analysis method， a fault early warning and diagnosis module for electrical components is established， which provides a basis for maintenance decision-making， realizes intelligent maintenance， and achieves the purpose of operation and maintenance of electrical equipment.

【Key words】 ?BIM; metro vehicle; electrical equipment; intelligent operation and maintenance

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是設(shè)施物理和功能特征的數(shù)字表現(xiàn)[1]，在建筑工程的設(shè)計(jì)、建造和管理方面有著良好的應(yīng)用。近年來，BIM技術(shù)已不僅限于建筑行業(yè)，在軌道交通領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。例如，在地鐵車站機(jī)電設(shè)備維修方面，李健[2]通過關(guān)聯(lián)建筑空間和機(jī)電設(shè)備間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了智能化的地鐵機(jī)電設(shè)備維修;在地鐵車輛信號(hào)設(shè)備管理方面，莫志剛等人[3]通過使用車輛維護(hù)數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)的交互，設(shè)計(jì)了效果良好的地鐵信號(hào)設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng);在地鐵車輛全壽命管理方面，和杉劍[4]通過BIM技術(shù)對(duì)軌道交通車輛全壽命周期管理中的研究，提出了具體的車輛運(yùn)行維護(hù)方法;在軌道交通項(xiàng)目管理應(yīng)用方面，Homayouni等人[5]將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程項(xiàng)目，有效地完成了協(xié)同作業(yè)。施平望等人[6]基于BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了項(xiàng)目協(xié)同平臺(tái)，在很大程度上提高了軌道交通項(xiàng)目管理的效率。

現(xiàn)今，地鐵車輛電氣檢修系統(tǒng)存在管理模式相對(duì)落后、檢修程序復(fù)雜等問題。為了提高電氣系統(tǒng)管理效率，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的快速檢修，亟需研究出一種新的地鐵電氣智能運(yùn)維管理系統(tǒng)。本文基于BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)維管理系統(tǒng)，不僅給電

氣設(shè)備及電路做出三維可視化展示，提供完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且使運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)于BIM模型，能夠?qū)δ：收虾屯耆收系腂IM模型進(jìn)行定位，達(dá)到故障預(yù)警和故障診斷的目的。

1 BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM即建筑信息模型，是以三維數(shù)字為基礎(chǔ)，能夠集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。BIM技術(shù)的特點(diǎn)可闡釋分述如下。

（1）模型信息的完備性：BIM不僅能夠?qū)こ虒?duì)象的三維幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行描述，而且能夠承載完整的工程信息等。因此，BIM技術(shù)能夠模擬逼真的環(huán)境，給使用者展現(xiàn)全面的信息，達(dá)到一目了然的效果。

（2）模型信息的關(guān)聯(lián)性：可以查看信息模型中的構(gòu)件和設(shè)備的信息參數(shù)，并且兩者之間可以相互關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)通過形成圖形和文檔的形式能夠?qū)δＰ托畔⑦M(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)共享的效果。

（3）模型信息的一致性：模型信息在建筑生命周期的不同階段是一樣的，同一對(duì)象的幾何和規(guī)則等信息不需要多次輸入，而且還可以對(duì)其進(jìn)行修改、維護(hù)和優(yōu)化。

將該技術(shù)引入到地鐵車輛電氣設(shè)備的運(yùn)維方面，使其優(yōu)勢(shì)充分應(yīng)用到各個(gè)層面，在增強(qiáng)對(duì)象可視化效果的同時(shí)，完善設(shè)備數(shù)據(jù)，并且提高檢修效率。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)架構(gòu)的組成部分為：用戶層、功能應(yīng)用層、智能分析層、支持平臺(tái)層和基礎(chǔ)設(shè)施層等。其中，用戶層主要涉及到某地鐵公司列車司機(jī)、檢修人員、專家人員和技術(shù)維護(hù)人員等。功能應(yīng)用層包括BIM模型管理、電氣仿真和電氣檢修三個(gè)功能。智能分析層采用模糊貝葉斯算法對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各系統(tǒng)故障概率并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。支持平臺(tái)層為系統(tǒng)功能研發(fā)提供技術(shù)支持，包括應(yīng)用服務(wù)器中間件、BIM協(xié)同中間件和數(shù)據(jù)庫等?；A(chǔ)設(shè)施層主要分為車載及地面網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器等，為信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸提供保障。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。這里，針對(duì)功能應(yīng)用層中的各個(gè)功能設(shè)計(jì)展開研究論述如下。

2.1 模型信息管理功能

建立BIM模型是進(jìn)行電氣仿真和電氣檢修的基礎(chǔ)。BIM模型管理功能的作用可描述為：首先，集成設(shè)備的名稱、型號(hào)和編碼等信息，實(shí)現(xiàn)地鐵設(shè)備模型的結(jié)構(gòu)展示以及各系統(tǒng)間信息的關(guān)聯(lián)，提高設(shè)備維修管理效率;其次，BIM模型與數(shù)據(jù)庫信息相關(guān)聯(lián)，對(duì)地鐵設(shè)備BIM 模型庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，研發(fā)得到良好的存儲(chǔ)和交互功能。

2.2 電氣仿真功能

電氣仿真模塊模擬地鐵車輛各電氣系統(tǒng)工作原理，為用戶展示電路邏輯，包括電路得電、電流走向、元器件動(dòng)作、電氣設(shè)備運(yùn)行等過程，為車輛電氣檢修提供參考和依據(jù)。

2.3 電氣檢修功能

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集車輛的運(yùn)行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)并進(jìn)行錄入管理，這些數(shù)據(jù)主要來源于多功能車輛總線、以太網(wǎng)即車載控制系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)和車輛離線檢修故障數(shù)據(jù)。應(yīng)用模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)地鐵列車的運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算各環(huán)節(jié)關(guān)鍵重要度和后驗(yàn)概率，找出薄弱項(xiàng)，為用戶提供故障預(yù)警和診斷功能。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的車輛電氣設(shè)備空間位置及各部分尺寸，

運(yùn)用Autodesk Revit軟件的建筑工具模塊建立車頂、車廂和車底三部分的參數(shù)化模型，包括受電弓、電氣柜、電磁閥、繼電器、轉(zhuǎn)向架等設(shè)備。在建立模型過程中可以對(duì)零部件的屬性及參數(shù)進(jìn)行錄入和存儲(chǔ)，信息包括電氣負(fù)荷、設(shè)備型號(hào)、產(chǎn)品說明等多種運(yùn)維數(shù)據(jù)[7]，詳情如圖2所示。

3.2 電氣仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)電氣設(shè)備功能需求，對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化并逐步進(jìn)行建模。運(yùn)用Autodesk Revit軟件的機(jī)電工具模塊對(duì)電氣線路建模，包括受電弓升降線路、車門控制線路、牽引制動(dòng)線路等，清晰顯示線路及元器件的空間位置。運(yùn)用3DMax軟件制作受電弓和車門等車輛設(shè)備的工作動(dòng)畫，還原和模擬電氣設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作，受電弓升降電路如圖3所示。

3.3 故障檢修模塊建立

在實(shí)際的設(shè)備系統(tǒng)可靠性分析中，存在地鐵列車電氣設(shè)備故障類型多樣、故障之間的邏輯關(guān)系不明確，歷史數(shù)據(jù)的不完善和數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)等問題[8]。因此，采用模糊貝葉斯分析法可分析多種故障狀態(tài)并使分析過程得到簡(jiǎn)化，提高分析效率。

研究中，先是根據(jù)地鐵車輛系統(tǒng)的故障樹建立T-S模糊故障樹。其次，按照轉(zhuǎn)化規(guī)則建立模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。最后，結(jié)合證據(jù)理論分析法，對(duì)車輛各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。系統(tǒng)將各故障狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果與設(shè)置閾值相比，作為故障診斷和預(yù)警的參考，為檢修決策提供依據(jù)。

以某型受電弓為例，根據(jù)已建立的故障樹構(gòu)建T-S模型故障樹，如圖4所示。其中，S是頂事件，M1～M5為中間事件，X1～X18為基本事件，L1～L6為T-S模糊門。

經(jīng)計(jì)算可得，在受電弓系統(tǒng)處于輕微故障時(shí)，各根節(jié)點(diǎn)的概率重要度依次為x18（碳棒磨損）、x15（氣閥漏氣）、x9（風(fēng)管漏風(fēng)）等，且都大于預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值，系統(tǒng)可根據(jù)此排序進(jìn)行故障預(yù)警;當(dāng)受電弓系統(tǒng)處于完全故障時(shí)，各根節(jié)點(diǎn)的概率重要度依次為x15（氣閥漏氣）、x9（風(fēng)管漏風(fēng)）、x14（氣缸漏氣）等，且都大于預(yù)設(shè)的故障閾值，可根據(jù)此排序進(jìn)行故障診斷。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)編程方法

該運(yùn)維管理系統(tǒng)以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，采用Java語言開發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)頁端并以HTML結(jié)合Java Script等Web技術(shù)展現(xiàn)前端頁面。開發(fā)環(huán)境基于Windows操作系統(tǒng)，Visual Studio 2015作為系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)間的信息傳輸和交互通過Web Service接口進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)庫平臺(tái)使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫及專家數(shù)據(jù)庫。采用Spring DAO等數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，不僅可以在持久化技術(shù)間來回切換，而且可以提升數(shù)據(jù)錄入和查詢效率。在系統(tǒng)服務(wù)后臺(tái)調(diào)取數(shù)據(jù)資源后，利用J2EE技術(shù)架構(gòu)結(jié)合Java服務(wù)器頁面與Java Script程序的方法對(duì)圖形用戶層進(jìn)行渲染。通過結(jié)合Java Script程序與Unity player等BIM協(xié)同中間件的交互實(shí)現(xiàn)BIM模型的操作與展示。

4.2 數(shù)據(jù)交互流程

地鐵車輛設(shè)備BIM模型庫與資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫和運(yùn)維數(shù)據(jù)的交互可以組成完整的數(shù)據(jù)，能夠使用戶進(jìn)行資產(chǎn)查詢和定位，為車輛設(shè)備維修和管理提供了良好的數(shù)據(jù)支持。

BIM模型庫和資產(chǎn)管理庫的交互，首先初始化BIM模型，加載系統(tǒng)。其次，用戶填寫資產(chǎn)信息并提交，系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)接口進(jìn)行查詢。然后，若查詢結(jié)果存在，那么將此模型載入資產(chǎn)列表;若查詢結(jié)果不存在，那么返回提交信息。最后，載入并顯示模型信息。

5 應(yīng)用效果展示

5.1 功能主界面

該系統(tǒng)共有4個(gè)功能模塊，包括整車瀏覽、BIM管理、電氣仿真、故障檢修和系統(tǒng)管理。對(duì)此可得研發(fā)剖述如下。

整車瀏覽模塊可使用戶查看各系統(tǒng)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及空間位置。BIM管理模塊使BIM模型與數(shù)據(jù)庫信息建立起關(guān)聯(lián)共享，實(shí)現(xiàn)與資產(chǎn)管理的交互，使用戶進(jìn)行資產(chǎn)查詢和定位。電氣仿真模塊模擬地鐵各電氣系統(tǒng)工作原理，為用戶展示電路邏輯。故障檢修模塊為車載控制系統(tǒng)和離線檢修的故障數(shù)據(jù)提供了錄入、故障預(yù)警和診斷功能。系統(tǒng)管理模塊為權(quán)限設(shè)置模塊、即僅允許技術(shù)開發(fā)人員登錄，與服務(wù)后臺(tái)相連，可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪查改、以及兼具系統(tǒng)維護(hù)等管理功能。