BIM技術(shù)在地鐵通信設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用研究

劉 寅

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)城市軌道交通快速發(fā)展，在滿足乘客出行需求、支撐和引領(lǐng)城市發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。而城市軌道交通線路傳統(tǒng)的運(yùn)維工作模式已難以滿足專(zhuān)業(yè)技術(shù)越發(fā)繁雜、安全要求越來(lái)越高的發(fā)展趨勢(shì)，整體運(yùn)維體系的改進(jìn)迫在眉睫，智能化運(yùn)維逐漸成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）是對(duì)設(shè)施的物理和功能特征進(jìn)行數(shù)字展示的方法，可以作為項(xiàng)目設(shè)施全生命周期各階段工程信息的載體，涵蓋設(shè)施設(shè)備的物理、幾何、工程、造價(jià)以及制造裝配等信息，通過(guò)各階段模型的傳遞實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)信息共享，輔助施工、運(yùn)維工作。研究BIM模型和傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及運(yùn)維平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接技術(shù)，可以加快BIM在傳統(tǒng)地鐵車(chē)站運(yùn)維中應(yīng)用的步伐，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)地鐵通信專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)運(yùn)維存在的常見(jiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，研究基于BIM技術(shù)的設(shè)備運(yùn)維方案[1]。

1 傳統(tǒng)運(yùn)維的常見(jiàn)問(wèn)題及分析

通過(guò)調(diào)研上海地鐵17號(hào)線智能運(yùn)維成果，并與北京地鐵、太原地鐵運(yùn)維單位就當(dāng)前運(yùn)維需求開(kāi)展技術(shù)交流，以通信專(zhuān)業(yè)為例，歸納了6項(xiàng)影響設(shè)備維護(hù)、維修效率的常見(jiàn)問(wèn)題，具體情況見(jiàn)表1。

表1 地鐵通信專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)運(yùn)維常見(jiàn)問(wèn)題

對(duì)上述6種常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行原因分析：

（1）設(shè)備過(guò)度維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)不及時(shí)可以看作傳統(tǒng)運(yùn)維因無(wú)法準(zhǔn)確掌握設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、健康使用壽命的技術(shù)問(wèn)題所導(dǎo)致。因不能進(jìn)行設(shè)備歷史數(shù)據(jù)的積累對(duì)比，無(wú)法為判斷設(shè)備是否仍在健康使用范圍提供支持，在保障運(yùn)營(yíng)安全的前提下，當(dāng)理論壽命到期時(shí)，按計(jì)劃維護(hù)更換整批單元，工作量大且容易造成物資浪費(fèi)。

（2）隱蔽工程內(nèi)的故障檢修點(diǎn)難定位屬于當(dāng)前施工信息傳遞到運(yùn)維過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。尤其是設(shè)備區(qū)走廊與通信專(zhuān)用機(jī)房等接口的管線排布密集處，在施工階段經(jīng)常面臨管線敷設(shè)路由需要臨時(shí)調(diào)整的情況，后期進(jìn)行故障排查時(shí)，二維圖紙無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)人員需要先熟悉圖紙與現(xiàn)場(chǎng)后，再開(kāi)展逐一排查，大大增加了檢修的時(shí)間。

（3）檢修過(guò)程不受控、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)難復(fù)用及設(shè)備資產(chǎn)信息和運(yùn)維資料數(shù)據(jù)難互通屬于缺乏有效信息化技術(shù)手段導(dǎo)致的信息存儲(chǔ)、交流、共享滯后的問(wèn)題。通信專(zhuān)業(yè)作為各專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)通道的承載，影響面大。目前，太原地鐵2號(hào)線通信專(zhuān)業(yè)維修班組負(fù)責(zé)全線130余種不同型號(hào)、總計(jì)19 000多個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備及配套光電纜線路、支架、橋架、接地線的日常巡、檢、修工作，資料、臺(tái)賬多采用紙質(zhì)及電子表單，不利于設(shè)備信息的更新、保存和掌握，也無(wú)法做到數(shù)據(jù)積累分析、價(jià)值挖掘。故障發(fā)生時(shí)，問(wèn)題通過(guò)層層匯報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)，最終派至維修工班，例如通信機(jī)房傳輸設(shè)備網(wǎng)元脫管，在未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前，維管人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，可能存在4種原因：供電異常導(dǎo)致設(shè)備關(guān)機(jī)；設(shè)備網(wǎng)線松動(dòng)或網(wǎng)卡故障；設(shè)備短路；上下行傳輸通道故障。該情況下，供電、通信、線路專(zhuān)業(yè)各維修班組均要第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、設(shè)備資料、故障情況和歷史維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障分析、排查，若無(wú)法通過(guò)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)情況快速分析故障原因，則增加了搶修的難度，加大了地鐵運(yùn)營(yíng)事故風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上對(duì)地鐵運(yùn)維的常見(jiàn)問(wèn)題分析，可以將問(wèn)題產(chǎn)生的原因按種類(lèi)歸納為：（1）二維圖紙已不能滿足直觀準(zhǔn)確了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況的需要；（2）傳統(tǒng)運(yùn)維模式應(yīng)加強(qiáng)對(duì)信息化、BIM、故障預(yù)測(cè)等新技術(shù)的應(yīng)用。

2 基于BIM的運(yùn)維技術(shù)解決方案

下文以太原地鐵2號(hào)線為例，闡述基于BIM的運(yùn)維技術(shù)解決方案。項(xiàng)目前期創(chuàng)建的運(yùn)維BIM模型，完整存儲(chǔ)了地鐵全線設(shè)施設(shè)備的施工數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，如圖1所示。

圖1 太原地鐵2號(hào)線通信專(zhuān)業(yè)運(yùn)維BIM模型創(chuàng)建流程

為了更直觀方便地應(yīng)用運(yùn)維BIM模型，針對(duì)性解決運(yùn)維中遇到的上述問(wèn)題，研發(fā)基于BIM的智能運(yùn)維系統(tǒng)，便于整個(gè)運(yùn)維階段實(shí)現(xiàn)設(shè)備、安全、預(yù)防、維修等信息的存儲(chǔ)、調(diào)用，能夠以三維可視化的形式從宏觀到微觀層面使維護(hù)人員更清楚地了解設(shè)備信息，指導(dǎo)運(yùn)維工作。

2.1 基于BIM的智能運(yùn)維系統(tǒng)方案架構(gòu)

在保證安全性和專(zhuān)用性的前提下，系統(tǒng)組網(wǎng)采用既有傳輸通道和專(zhuān)用局域網(wǎng)，站內(nèi)架設(shè)前端采集設(shè)備、交換機(jī)和服務(wù)器，在運(yùn)行控制中心（OCC）搭建集成服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)。利用既有傳輸以太網(wǎng)、新增專(zhuān)用局域網(wǎng)通道實(shí)現(xiàn)設(shè)備端采集數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)分類(lèi)整合，通過(guò)BIM輕量化平臺(tái)及各應(yīng)用模塊提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用層服務(wù)，如圖2所示。

圖2 智能運(yùn)維系統(tǒng)方案架構(gòu)

2.2 智能運(yùn)維系統(tǒng)方案關(guān)鍵工作

（1）設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和接入。打通設(shè)備與系統(tǒng)間的接口，采用如Modbus TCP、HTTP的通用性的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過(guò)以太網(wǎng)上傳至中心服務(wù)器的專(zhuān)用數(shù)據(jù)通道獲取設(shè)備信息。針對(duì)特定設(shè)備維護(hù)需求加裝輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備[2]，如溫度探頭監(jiān)測(cè)通信機(jī)房蓄電池溫度，機(jī)房?jī)?nèi)智能巡檢機(jī)器人每日定時(shí)抄表記錄各設(shè)備數(shù)據(jù)，機(jī)柜安裝局部放電傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備是否存在漏電情況。

（2）設(shè)備數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)。模型設(shè)備采用16位制的混合編碼方式，包括設(shè)施設(shè)備代碼、位置代碼和序號(hào)代碼。設(shè)施設(shè)備代碼根據(jù)設(shè)備專(zhuān)業(yè)、子系統(tǒng)、設(shè)備和設(shè)備內(nèi)維護(hù)單元編碼組成，位置代碼根據(jù)地鐵線路、建筑分類(lèi)和位置序號(hào)編碼組成，序號(hào)代碼根據(jù)樓層、平面位置和位置序號(hào)編碼組成。系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)建立16位編碼的關(guān)系對(duì)應(yīng)表，從數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息、告警信息與檢修記錄、設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬與模型的關(guān)聯(lián)，如圖3所示。

圖3 設(shè)施設(shè)備16位編碼

（3）設(shè)備數(shù)據(jù)分析與故障預(yù)測(cè)。以周期性的設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)記錄、性能事件日志、告警數(shù)據(jù)為歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備原理及歷史數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行設(shè)備性能與告警之間映射的關(guān)聯(lián)性分析，清洗、篩選、合并、提取出有效數(shù)據(jù)，建立模型算法[3]。判斷設(shè)備常態(tài)運(yùn)行下的數(shù)據(jù)區(qū)間，并對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)間的閾值進(jìn)行限定，通過(guò)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)超出預(yù)定閾值的設(shè)備發(fā)出告警提示，實(shí)現(xiàn)預(yù)判可能存在的設(shè)備異常情況，如圖4所示。

圖4 故障監(jiān)測(cè)分析判斷流程

（4）搭建設(shè)備運(yùn)維知識(shí)庫(kù)。通過(guò)預(yù)先進(jìn)行設(shè)備性能與告警之間的關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)合設(shè)備維護(hù)手冊(cè)、歷次故障處理經(jīng)驗(yàn)和建議，在設(shè)備故障時(shí)通過(guò)告警信息分析出故障發(fā)生的可能原因，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的處理經(jīng)驗(yàn)和建議，輔助維護(hù)人員決策分析，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)共享，如圖5所示。

圖5 性能事件與告警、故障的一般關(guān)系示例

3 基于BIM的運(yùn)維技術(shù)創(chuàng)新

3.1 可視化的故障定位、信息集成的資產(chǎn)分布

利用BIM技術(shù)三維可視化、信息集成化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、管線路由的可視化導(dǎo)航，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)、資產(chǎn)臺(tái)賬、運(yùn)行記錄等信息，精準(zhǔn)定位故障設(shè)備位置，方便維修人員掌握現(xiàn)場(chǎng)情況；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與積累，解決設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬和維管臺(tái)賬資料過(guò)多且難以互相調(diào)用的問(wèn)題。

3.2 基于數(shù)據(jù)分析的故障預(yù)測(cè)

通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)分析對(duì)比，在設(shè)備數(shù)據(jù)超出常態(tài)運(yùn)行區(qū)間時(shí)，發(fā)出異常告警，結(jié)合故障情況一鍵派工，減少人工反復(fù)巡、檢、查，提升故障維護(hù)響應(yīng)速度，解決設(shè)備過(guò)度維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)不及時(shí)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維從計(jì)劃性維護(hù)向狀態(tài)性維護(hù)轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通智能維管是當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是運(yùn)營(yíng)單位面臨的迫切需求。實(shí)現(xiàn)地鐵智能運(yùn)維是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程，不僅需要信息化、BIM、故障預(yù)測(cè)以及人工智能等重要技術(shù)作為支撐，還需要積累大量歷史數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)的樣本。

目前，市場(chǎng)上針對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)的各類(lèi)探頭、傳感器均能有效獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、BIM等新興技術(shù)也可以基本滿足地鐵運(yùn)維信息化、數(shù)字化的需要，但如何將這些技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，從而更好地積累沉淀運(yùn)維數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，更好地為運(yùn)維管理服務(wù)，仍將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。