基于BIM的京雄城際鐵路接觸網(wǎng)智能預(yù)配管理系統(tǒng)與應(yīng)用

安 蕾 楊 斌 西 窮

(1.北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100043；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心 北京 100844；3.中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

建筑信息模型BIM(building information modeling)是“以三維技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑各種相關(guān)信息的產(chǎn)品信息模型，是對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)”[1-2]。作為一種新型的主要應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域的重要信息技術(shù)，通過BIM應(yīng)用軟件及基于互聯(lián)網(wǎng)BIM管理平臺(tái)，能夠?qū)佑|網(wǎng)腕臂預(yù)配進(jìn)行可視化模擬和數(shù)據(jù)信息集成管理，提升腕臂預(yù)配管理的效率和科學(xué)把控，保證預(yù)配數(shù)據(jù)的有序流轉(zhuǎn)、集中規(guī)范管理、歸檔存儲(chǔ)，給施工單位和運(yùn)營單位帶來極大的價(jià)值。有鑒于此，迫切需要設(shè)計(jì)一種新的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配管理系統(tǒng)及方法。

2 研究現(xiàn)狀

在電氣化鐵路接觸網(wǎng)施工過程中，腕臂及吊弦預(yù)配是接觸網(wǎng)施工質(zhì)量的重點(diǎn)控制工序之一。傳統(tǒng)方式下，國內(nèi)接觸網(wǎng)腕臂和吊弦的預(yù)配技術(shù)是利用預(yù)配計(jì)算軟件導(dǎo)出的預(yù)配表格，普遍采用固定平臺(tái)和人工的方式進(jìn)行預(yù)配[3]。其傳統(tǒng)流程工藝存在較大的信息流轉(zhuǎn)和人為而產(chǎn)生誤差，如預(yù)配中出現(xiàn)腕臂斜撐長(zhǎng)度不合適、套管座偏斜、套管雙耳發(fā)生偏斜、在腕臂管上的零部件相對(duì)位置偏差大，吊弦預(yù)制后長(zhǎng)度不滿足要求等等。腕臂及吊弦預(yù)配合格率較低，造成人工、材料和機(jī)械的浪費(fèi)，生產(chǎn)成本大大提高。為此，利用目前成熟的計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)與機(jī)械化加工技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)控技術(shù)和工廠化預(yù)制技術(shù)的接觸網(wǎng)腕臂及吊弦智能預(yù)配的二次革命[4]。

但是在國家信息化戰(zhàn)略和工程項(xiàng)目全生命周期管理的背景下，目前項(xiàng)目管理仍存在嚴(yán)重的信息孤島、全生命期數(shù)據(jù)呈碎片化等問題，使得建筑業(yè)各階段之間、各參與方之間交流不暢，信息扭曲和缺失，容易造成返工和資源浪費(fèi)等問題[5]。面向建筑業(yè)全生命期的BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)各階段和各參與方之間信息共享和集成提供技術(shù)支持，可解決信息數(shù)據(jù)碎片化問題[6]。為此，相比較傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)預(yù)配計(jì)算的模式，基于三維可視化系統(tǒng)的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配系統(tǒng)[7-8]和基于BIM鐵路接觸網(wǎng)全生命周期管理系統(tǒng)也是新的研究發(fā)展方向[9]。

接觸網(wǎng)是沿鐵路線路上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路，是電氣化鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施[10]，如何更好地服務(wù)運(yùn)營管理，具有重大的意義。BIM作為一門新興的建筑信息化技術(shù)，利用BIM技術(shù)與接觸網(wǎng)智能預(yù)配全生命周期管理的相結(jié)合，為施工企業(yè)的精細(xì)化管理水平提供了新的思路。因此，本文通過建立基于分類編碼標(biāo)準(zhǔn)的接觸網(wǎng)參數(shù)化模型和基于BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)(BIM管理系統(tǒng))，將施工過程中的相關(guān)預(yù)配數(shù)據(jù)通過接口與參數(shù)化模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了基于BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)(BIM管理系統(tǒng))的數(shù)據(jù)集成，為實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)“一桿一檔”資料管理和運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)支撐。

3 模型

3.1 模型分類與編碼

為了實(shí)現(xiàn)信息的無縫傳遞，需要對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行分類與編碼[11]。參考鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及鐵路工程管理平臺(tái)工點(diǎn)劃分相關(guān)要求，本文涉及的構(gòu)件分類編碼綜合考慮了項(xiàng)目、專業(yè)、工點(diǎn)、構(gòu)件分類碼、構(gòu)件編號(hào)等要求[12-13]。模型構(gòu)件編碼共由5層結(jié)構(gòu)組成，中間以下劃線“_”連接。編碼原則詳見表1。其中最重要的“04”級(jí)構(gòu)件分類碼，限于篇幅，本文列舉了主要的構(gòu)件分類碼，詳見表2。

表1 編碼原則

表2 構(gòu)件分類與編碼

3.2 模型創(chuàng)建

依據(jù)設(shè)計(jì)或供應(yīng)商圖紙創(chuàng)建零部件，再通過嵌套族方式組合，實(shí)現(xiàn)專業(yè)功能的零部件組合即組件，且具備一定的參數(shù)化特性。最后基于線路進(jìn)行車站或區(qū)間接觸網(wǎng)模型的整合。詳見圖1。

圖1 模型的創(chuàng)建

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)側(cè)重對(duì)腕臂的預(yù)配件數(shù)據(jù)和預(yù)配流程進(jìn)行全過程數(shù)字化管理?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員、預(yù)配計(jì)算人員、預(yù)配生產(chǎn)人員均將相關(guān)測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)，預(yù)制加工機(jī)器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，避免數(shù)據(jù)信息孤島。預(yù)制流程數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的BIM模型對(duì)接，對(duì)預(yù)配數(shù)據(jù)生成BIM模型校核，檢查測(cè)量及預(yù)配計(jì)算中存在的問題，減少預(yù)制出錯(cuò)率。把有關(guān)預(yù)配相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)和預(yù)配數(shù)據(jù)、安裝數(shù)據(jù)整個(gè)預(yù)配生產(chǎn)鏈管理起來，保證預(yù)配數(shù)據(jù)的有序流轉(zhuǎn)、集中規(guī)范管理、歸檔存儲(chǔ)，為后期基于BIM運(yùn)維一桿一檔提供數(shù)據(jù)依托。實(shí)現(xiàn)基于BIM的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配管理。

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BIM的預(yù)配管理工作流程見圖2。

圖2 基于BIM的預(yù)配管理工作流程

4.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于BIM的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配系統(tǒng)，包括后臺(tái)服務(wù)器2臺(tái)，工作站1或多臺(tái)，硬件架構(gòu)如圖3所示。其中，1臺(tái)服務(wù)器用于接觸網(wǎng)預(yù)配的Web發(fā)布，另1臺(tái)服務(wù)器安裝標(biāo)準(zhǔn)版SqlServer數(shù)據(jù)庫軟件，用來提供數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)及管理服務(wù)。

圖3 基于BIM的接觸網(wǎng)腕臂智能預(yù)配系統(tǒng)硬件架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器包括中心數(shù)據(jù)庫、配置文件、BIM模型系統(tǒng)和接觸網(wǎng)預(yù)配管理系統(tǒng)。其中接觸網(wǎng)腕臂智能預(yù)配管理Web服務(wù)器用于預(yù)配管理的Web發(fā)布。工作站，可以是一臺(tái)或多臺(tái)，操作人員通過工作站登陸服務(wù)器，進(jìn)入接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配管理系統(tǒng)。

4.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)層?；贐IM的接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配軟件數(shù)據(jù)層主要由接觸網(wǎng)腕臂智能預(yù)配管理數(shù)據(jù)庫和配置文件組成。

(2)服務(wù)層。主要由DAL數(shù)據(jù)訪問層和Web-Service構(gòu)成。DAL數(shù)據(jù)訪問層:B/S數(shù)據(jù)處理程序的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，以及配置文件的讀取等基本操作。WebService:為應(yīng)用層的B/S頁面提供RESTful Web API接口服務(wù)。

(3)應(yīng)用層。應(yīng)用層表現(xiàn)為Web頁面，基于服務(wù)層和數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用功能包括:測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、預(yù)配初始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)維護(hù)和密碼保護(hù)功能，見圖5。

圖5 接觸網(wǎng)預(yù)配管理工作分解結(jié)構(gòu)

4.4 系統(tǒng)應(yīng)用

(1)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)集成

BIM平臺(tái)提供統(tǒng)一預(yù)配模型信息模板及預(yù)配數(shù)據(jù)上傳的功能，配置不同責(zé)任人進(jìn)行賬號(hào)登錄錄入，實(shí)現(xiàn)預(yù)配數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和共享的規(guī)范管理。其中預(yù)配模型包括腕臂裝置和整體吊弦，預(yù)配信息包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、預(yù)配初始數(shù)據(jù)、預(yù)配過程數(shù)據(jù)等。當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)錄入BIM平臺(tái)后，通過構(gòu)件模型編碼體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)預(yù)配模型的匹配與關(guān)聯(lián)，如圖6所示。值得注意的是，預(yù)配過程數(shù)據(jù)宜包括螺母實(shí)際力矩、工序加工時(shí)間、報(bào)警信息、批次信息等。批次信息對(duì)接觸網(wǎng)原材料的重要性不言而喻，實(shí)現(xiàn)對(duì)物資的批次信息通過人工干預(yù)錄入的方式。

此外，接觸網(wǎng)預(yù)配模型能夠以二、三維相結(jié)合的方式自動(dòng)生成預(yù)配圖紙，該出圖模式與常規(guī)二維出圖模式相比，具有可視化、信息化及參數(shù)化程度高等優(yōu)勢(shì)，能夠直觀反映預(yù)配成果，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

最后，完成預(yù)配模型裝配后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)用excel表格，動(dòng)態(tài)生成接觸網(wǎng)腕臂零部件工程數(shù)量表，并以單腕臂或批量匯總的形式分類匯總，實(shí)現(xiàn)工程量精細(xì)化統(tǒng)計(jì)功能。

(2)基于BIM的智能預(yù)配全流程管理

智能預(yù)配數(shù)據(jù)應(yīng)明確基于BIM的預(yù)配管理工作流程包括測(cè)量數(shù)據(jù)(含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù))的上傳、測(cè)量數(shù)據(jù)的審核并計(jì)算、計(jì)算數(shù)據(jù)的上傳、預(yù)配初始數(shù)據(jù)的編制審核并上傳、預(yù)配初始數(shù)據(jù)的下載并預(yù)配加工、通過API接口向平臺(tái)推送預(yù)配過程數(shù)據(jù)。

其中批次信息宜包含該零件批次的加工完成數(shù)量、剩余數(shù)量。該批次的零件不足時(shí)，系統(tǒng)具備提示和警告功能。

圖6 BIM平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成

應(yīng)該指出，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、預(yù)配初始數(shù)據(jù)等配置不超過3人來完成相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入、復(fù)核、使用工作，既提高了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性和精細(xì)化管理水平，又提高了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作效率。

(3)二維碼接口

為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)二維碼信息的統(tǒng)一管理，BIM平臺(tái)給智能預(yù)配平臺(tái)提供一個(gè)二維碼訪問鏈接的固定字符串，智能預(yù)配平臺(tái)在此字符串的基礎(chǔ)上增加支柱、腕臂號(hào)等字符信息形成完整的二維碼鏈接并生成二維碼噴涂。

動(dòng)態(tài)二維碼采用鏈接方式，其功能應(yīng)可讀取BIM平臺(tái)相關(guān)模型構(gòu)件所關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)，BIM平臺(tái)對(duì)二維碼所讀取的信息進(jìn)行集成管理。動(dòng)態(tài)二維碼包括預(yù)配過程數(shù)據(jù)、加工零件的批次信息、加工時(shí)間等數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)二維碼所確定的動(dòng)態(tài)ID，具備唯一性和可識(shí)別性。本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)ID采用以“公司編號(hào)-生產(chǎn)日期(年、月)-區(qū)間號(hào)-錨段號(hào)-支柱編號(hào)-平/斜腕臂代號(hào)”的形式，見圖7。

圖7 動(dòng)態(tài)二維碼應(yīng)確定的動(dòng)態(tài)ID

5 結(jié)論

本文利用BIM技術(shù)承載一個(gè)包含接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫，對(duì)腕臂的預(yù)配件數(shù)據(jù)和預(yù)配流程進(jìn)行全過程數(shù)字化管理?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員、預(yù)配計(jì)算人員、預(yù)配生產(chǎn)人員均將相關(guān)測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)，預(yù)制加工機(jī)器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，避免數(shù)據(jù)信息孤島。該基于BIM的接觸網(wǎng)智能預(yù)配管理系統(tǒng)具備如下特點(diǎn):三維模型展示精度高；管理精細(xì)化度高；形象展示直觀。把有關(guān)預(yù)配的測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)、預(yù)配初始數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)整個(gè)預(yù)配生產(chǎn)鏈管理起來，保證預(yù)配數(shù)據(jù)的有序流轉(zhuǎn)、集中規(guī)范管理、歸檔存儲(chǔ)，為后期基于BIM運(yùn)維一桿一檔提供數(shù)據(jù)依托。對(duì)貫徹中國國家鐵路集團(tuán)有限公司信息化總體規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高信息應(yīng)用效率和效益，實(shí)現(xiàn)信息共享，具有指導(dǎo)和借鑒意義。