動車所數(shù)字孿生可視化運維管理平臺設計與應用

房巨山 王君玲

摘 要：以BIM+3DGIS三維模型數(shù)據(jù)為基礎，依托數(shù)字孿生等技術搭建了動車運用所數(shù)字孿生可視化運維管理平臺。通過該平臺能夠對動車所內(nèi)部的各類設備進行精準運維管理，并可通過設備實時運行狀態(tài)參數(shù)的接入，模擬相關設備三維模型動態(tài)運行，同真實設備狀態(tài)保持一致。相關人員能夠不受空間、時間、展示環(huán)境限制就能直觀的了解動車運用所實際運行情況，保證動車所及其環(huán)境的安全，使管理更便捷、效率更高。

關鍵詞：數(shù)據(jù)孿生技術;BIM;3DGIS;動車運用所;運維管理

中圖分類號：TP 391.41?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2021）04-0477-06

Design and Application of 3D Visual Operation and Maintenance

Management Platform of Smart EMU Based

on Digital Twin Technology

FANG Jushan，WANG Junling

（China Coal Aerial Remote Sensing Group Co.，Ltd.，Xian 710199，China ）

Abstract：This paper，based on BIM+3DGIS 3D model data，relying on digital twin technology and Internet of things technology，built a three-dimensional visual operation and maintenance management platform for smart EMU.Through this platform，the precise operation and maintenance management of various equipment inside the EMU can be performed，and the real-time operating status parameters of the equipment can be accessed to simulate the dynamic operation of the three-dimensional model of the relevant equipment，which is consistent with the real equipment status.The relevant personnel can intuitively understand the actual operation of the EMU without being limited by space，time and display environment，ensure the safety of EMU and its environment，and make the management more convenient and efficient.

Key words：digital twin technology;BIM;3DGIS;EMU operation station;operation and maintenance management

0 引言

數(shù)字孿生（digital twin）指的是一種對物理實體、過程和系統(tǒng)的數(shù)字化復制[1]。數(shù)字模型通過多重手段獲取并分析物理模型的實時信息，能夠呈現(xiàn)物理模型中的多種要素及整個生命周期中的實時動態(tài)運行情況，從而實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控運維、過程和系統(tǒng)優(yōu)化、事件預測及模擬等功能。

動車運用所的科學名稱是動車組檢修站，專門針對動車組列車進行檢查、測試、維修和養(yǎng)護等作業(yè)，屬于鐵路車輛檢修基地的一種類型。目前動車所大多采用SCADA（supervisory control and data acquisition，監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)來實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控運維管理，但存在以下缺陷：

1）信息可視化方面。不同設施、不同地點的信息和狀態(tài)通常使用二維圖紙進行信息展示，難以與實際物理模型相對應。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和故障反饋都不夠直觀，難以直觀反映出動車所各類設備的實際運行狀態(tài)。

2）信息共享化方面。不同專業(yè)、不同來源的信息往往是異構的，如傳感器數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)等，通常是分別顯示和存儲，信息之間缺乏與實際模型的緊密聯(lián)系，這樣的信息管理模式會對維護工作造成諸多不便，且由于對信息的整合程度不夠，數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系難以被深入挖掘，從而降低了運維效率。

為此，本文利用數(shù)字孿生“虛實結合，以虛映實”的特點，搭建動車所數(shù)字孿生可視化運維管理平臺，實時對接動車組、各專業(yè)部件、檢修設備數(shù)據(jù)，建立與動車所實體對應的數(shù)字孿生車間，以車間3D模型為載體，綜合動態(tài)地展示動車組位置及檢修作業(yè)過程、檢修進度、設備運行動作、設備狀態(tài)等信息，支持調(diào)度人員全面掌握生產(chǎn)情況，為動車所運維管理提供數(shù)據(jù)支撐，提高管理效率，保障動車所安全運行。

1 總體架構設計

動車所數(shù)字孿生可視化運維管理平臺的搭建主要包括孿生數(shù)據(jù)層、孿生模型層與業(yè)務應用層，如圖1所示。孿生數(shù)據(jù)層主要依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，對動車所內(nèi)部各類設施、設備對象（如有無電顯示屏、電動接地裝置等）進行數(shù)據(jù)采集與匯總，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程信息的互感和互聯(lián)，確保了平臺多源信息的精確、實時和可靠地獲取與傳輸。孿生模型層采用無人機傾斜攝影，獲取動車所地形及影像數(shù)據(jù)，結合動車所BIM模型，共同搭建動車所高精度三維場景，并對設施設備模型進行單體化以及輕量化處理，為動車所三維可視化運維管理平臺提供孿生模型載體。業(yè)務應用層以用戶需求為導向，以孿生數(shù)據(jù)與孿生模型為基礎，面向管理人員、業(yè)務人員、企業(yè)領導等不同角色形成以虛擬巡檢、設備管理、運行仿真、以及輔助培訓為核心的業(yè)務應用功能。

2 關鍵技術

2.1 大體量BIM數(shù)據(jù)性能優(yōu)化技術

動車所BIM模型涉及到鐵路多個專業(yè)，包括房建、機電、暖通等，體量很大，再加上海量的屬性信息使得BIM模型數(shù)據(jù)量十分龐大，對計算機圖形顯示處理能力提出了嚴峻考驗[2]。如果不對其做輕量化處理，就直接應用，往往會導致平臺使用卡頓不流暢。因此需對大體量BIM數(shù)據(jù)進行性能優(yōu)化操作，本文主要基于實例化技術、LOD技術、輕量化技術（如三角網(wǎng)簡化、刪除重復頂點、子對象簡化、文件壓縮等），進行大規(guī)模性能優(yōu)化處理，提高三維渲染的幀率的同時，減小模型應用時對計算機配置的需求，使運維管理人員能夠流暢的瀏覽可視化三維數(shù)據(jù)及其相關信息。

2.1.1 實例化技術

實例化技術適用于重復模型較多的情況，可以實現(xiàn)對相同的幾何模型只繪制一次，降低了顯卡等硬件設備的壓力[2]。

如圖2所示，在圖2中，一幢房屋中存在大量相同的“門”對象，利用實例化渲染技術，只保存繪制一個對象，降低了顯卡、內(nèi)存等的壓力，提高了三維場景性能。

2.1.2 LOD技術

LOD技術即Levels of Detail的簡稱，意為多細節(jié)層次。LOD技術指根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算。多細節(jié)層次，當三維場景拉近看的時候，模型表現(xiàn)的非常精細，當瀏覽整個場景的時候，模型只需要以較粗糙的方式顯示即可，這樣最大程度的優(yōu)化了資源的占用，提高了整個三維場景的性能。

2.1.3 輕量化技術

不同的領域BIM數(shù)據(jù)的精細程度也不盡相同[3]。某些BIM模型存在大量冗余的三角面，如某些橋梁墩柱、門把手、鎖芯等。通過三角網(wǎng)簡化，實現(xiàn)對同類BIM模型批量簡化的效果，降低了內(nèi)存的占用，滿足大體量數(shù)據(jù)的性能需要。

通過上述優(yōu)化處理，動車所BIM模型數(shù)據(jù)量大大減小。例如，動車所檢查庫內(nèi)的綜合支吊架模型，其完整的9 m單體模型包括梁夾、雙拼槽鋼、吊架、牛腿等復雜異形面連接件，其中吊架又包括槽鋼、連接件等11個復雜異形構件，部件總量為106個。采取上述輕量化技術手段處理之后，模型體量由40 MB減小為905 KB，大大優(yōu)化了性能。

2.2 數(shù)字孿生模型動態(tài)展示技術

數(shù)字孿生包括以虛映實和以虛控實2個過程[4]，其中以虛映實指物理世界向數(shù)字世界的映射，實現(xiàn)以虛映實的關鍵技術是數(shù)字孿生模型制作及數(shù)據(jù)驅動。當前涉及數(shù)字孿生以虛映實過程的研究，僅能在虛擬模型上展示物理實體的幾何信息和靜態(tài)屬性信息，尚不能將物理實體的實時運動狀態(tài)映射到虛擬模型上，無法實現(xiàn)數(shù)字孿生以虛映實動態(tài)過程。而動車所數(shù)字孿生可視化運維管理平臺又需要實現(xiàn)以虛映實動態(tài)過程，需將動車所實際運行狀態(tài)，比如隔離開關裝置、電動接地裝置等設備的運行動作實時展示在虛擬模型上。因此，本文提出數(shù)字孿生模型動態(tài)展示技術，基于動車所BIM模型完成相關數(shù)字孿生模型的制作及數(shù)據(jù)驅動，來實現(xiàn)數(shù)字孿生以虛映實的動態(tài)效果。

BIM模型是靜態(tài)數(shù)據(jù)，內(nèi)部沒有相關動畫參數(shù)及動作，無法通過設施設備的動態(tài)參數(shù)驅動其狀態(tài)發(fā)生改變;而動畫模型又缺失BIM模型的屬性信息，只有將兩者相結合，才能保證BIM模型的屬性信息既不丟失，又可以通過設施設備的動態(tài)參數(shù)驅動動畫模型運動。

2.2.1 數(shù)字孿生模型制作技術

首先通過SuperMap桌面軟件，將相關設施設備BIM模型進行DAE格式文件的導出，然后將DAE格式文件導入3DS MAX中進行動畫模型的制作，主要包括剛體動畫模型以及骨骼動畫模型。剛體動畫模型需錄制幀動畫，骨骼動畫模型需綁定人物骨骼，為后續(xù)動畫控制做準備。

制作完成后再利用SuperMap提供的動畫導出插件進行SGM以及Mesh模型的導入至系統(tǒng)。完成之后，動畫模型在外觀上跟BIM模型是無任何差別的，做到了外觀上的契合。

動畫模型本身是不帶屬性信息的，而與之對應的BIM模型是帶有相關內(nèi)容屬性信息的。本文通過將BIM模型的設備編號以及BIM模型所處的模型數(shù)據(jù)集名稱記錄在動畫模型的Description（描述信息）屬性里，在查詢相關屬性信息時，先獲取該動畫模型對應的BIM模型所處的模型數(shù)據(jù)集名稱以及設備編號，通過這2個關聯(lián)值即可查詢到BIM模型的屬性信息，做到了內(nèi)容上的契合。如下圖，記錄的是有無電信號屏的設備編號以及對應的模型數(shù)據(jù)集名稱。通過上述操作就基本完成了數(shù)字孿生模型的制作。

2.2.2 數(shù)字孿生模型動作控制技術

1）數(shù)字孿生模型位移（主要為動車出入庫）的動作控制：系統(tǒng)通過設置該模型的NodeAnimation屬性，綁定指定的路線，實現(xiàn)沿路徑運動動畫效果。

3）數(shù)字孿生模型骨骼動畫（主要為檢修工人人工驗電、沿路徑運動）的控制。分2種情況，①可以綁定路徑，比如走路骨骼;②其他骨骼可以設置播放起始時間。

4）數(shù)字孿生模型紋理替換動畫（主要為進出車信號燈、軌道有無電顯示屏、三層平臺門禁、爆閃燈）控制。獲取該模型的Mesh面，修改Mesh面的Material屬性即可修改紋理，完成紋理替換的動畫實現(xiàn)。

在實現(xiàn)了數(shù)字孿生模型的動作控制之后，即可通過相關數(shù)據(jù)庫接口來實現(xiàn)設施設備的動態(tài)驅動運行。

2.2.3 數(shù)據(jù)驅動技術

數(shù)字孿生模型制作完成后，結合傳感器，獲取相關設施設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應的實體設備的狀態(tài)信息。本文采用SqlServer的SqlDependency技術，該技術提供了這樣一種能力：當被監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，SqlDependency會自動觸發(fā)OnChange事件來通知客戶端應用程序，從而達到讓系統(tǒng)自動驅動設施設備動態(tài)運行的目的。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于SuperMap iObject組件，在Microsoft Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境中利用C#進行二次開發(fā)來實現(xiàn)，利用SuperMap iObject組件提供的接口通過空間數(shù)據(jù)引擎SuperMap SDX訪問空間數(shù)據(jù)庫[5];利用ADO.NET來訪問后臺業(yè)務數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能包括動車運用所三維場景瀏覽展示（包括放大、縮小、平移、旋轉等）、數(shù)據(jù)驅動，設備運維管理等功能[6]。

3.1 場景瀏覽展示

基于運用所物理實體，構建運用所3D模型，立體展示運用所的生產(chǎn)布局，包括檢修股道、3層作業(yè)平臺、存車場、檢修設備等生產(chǎn)元素模型?；诟呒壭捃囬g物理實體，構建高級修車間3D模型，立體展示運用所的生產(chǎn)布局，包括檢修股道、3層作業(yè)平臺、存車場、檢修工位、檢修流水線、檢修設備等生產(chǎn)元素模型。

3.2 數(shù)據(jù)驅動

該功能可以動態(tài)監(jiān)控動車所內(nèi)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)以及作業(yè)評價系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫信息，通過該信息動態(tài)驅動相關設備設施的實時仿真運行，從而實現(xiàn)動車所物理場景在數(shù)字世界的情景再現(xiàn)。

點擊開啟數(shù)據(jù)庫監(jiān)控按鈕，打開數(shù)據(jù)庫監(jiān)控功能。當監(jiān)控到后臺數(shù)據(jù)庫發(fā)生變化后，場景里的數(shù)字孿生模型會根據(jù)數(shù)據(jù)庫信號做出相應的動作（比如模擬動車的出入庫、人員的檢修、接地裝置的運行等），系統(tǒng)主窗體底部會展示出該數(shù)據(jù)庫信號[8]。

3.3 設備運維管理

屬性信息查詢：數(shù)字孿生模型中包含所有設備設施詳細信息，在動車所數(shù)字孿生三維可視化運維管理平臺上可以隨時點開需要查看的設施設備，與之相關的設備屬性、廠家信息、操作手冊、維護記錄等都可以直接顯示。

報警管理：當設備報警時，可以高亮顯示設備

位置、運行參數(shù)、工程數(shù)據(jù)和文檔。對于設備廠

家、應用手冊、是否出保修期、設備報廢前報警等都一目了然。報警事件可基于測點數(shù)據(jù)產(chǎn)生，包

括閾值超限報警和故障代碼匹配2種方式，包括實時報警和歷史報警功能。對于輕度的實時報警提醒，用戶可選擇忽略，對于重度的實時報警，用戶可選擇報修進入設備的維保流程。能夠導出報警記錄報表。

設備故障統(tǒng)計及趨勢預測：提供從時間、設備、測點、故障/預警類型等多維度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過直方圖、數(shù)據(jù)表實現(xiàn)高度可視化。并可以從龐大的數(shù)據(jù)中提取出有效特征值，建立故障預測模型，通過對歷史設備故障的分析與學習，實現(xiàn)設備故障預測。

4 結語

對已動車所已建立的各專業(yè)（站場、房建、軌道、測繪、橋梁、給排水、暖通、電力、接觸網(wǎng)、信號、通信、信息、供變電、機械、動車等）BIM模型數(shù)據(jù)進行輕量化，同時結合可承載BIM模型的GIS平臺，以BIM模型各專業(yè)信息和GIS地形數(shù)據(jù)為基礎，通過數(shù)字孿生技術對動車所內(nèi)設備運行狀態(tài)進行實時映射，真實反映運行情況，使用數(shù)字化、智能化的手段對運用所進行運維管理的探索，保障運用所的安全運營和管理，為動車所的智能化運維管理提供參考。

參考文獻：

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[8]張承剛.高校校園能耗監(jiān)管系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學，2014.

（責任編輯：許建禮）

收稿日期：

2020-06-12

作者簡介：

房巨山（1964—），男，山東單縣人，高級工程師，主要從事航空攝影測量、地理信息工程應用技術研究與實踐。