基于BIM+GIS的高鐵動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理平臺

趙峰

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司機械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是基于建筑全生命周期的一種信息化管理技術(shù)，為工程規(guī)劃、設(shè)計、施工和運維提供了全新的解決方案［1］。2013年，原中國鐵路總公司啟動BIM技術(shù)研究工作，陸續(xù)開展“面向鐵路工程建設(shè)全生命周期的BIM應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”“鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究”“BIM在鐵路建設(shè)項目成段落應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究”等一批重大科研課題，立足解決鐵路BIM標準和工程應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)，形成一套工程建設(shè)信息化標準體系［2］。隨著中國國家鐵路集團有限公司17個試點項目以及陽大鐵路、克塔鐵路、牡佳鐵路、鹽通鐵路、京雄城際鐵路、京張高鐵、印尼雅萬鐵路等一系列總包、海外和重點工程項目的順利開展，實現(xiàn)了鐵路全線全專業(yè)協(xié)同設(shè)計、鐵路BIM標準部署應(yīng)用，以及各專業(yè)設(shè)計、施工深化應(yīng)用［3-12］，已基本形成了以鐵路BIM標準為指導(dǎo)、工程應(yīng)用為核心、組織機構(gòu)為保障的實施體系。近年來，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM、地理信息系統(tǒng)（GIS）等先進信息技術(shù)與鐵路運營維護深度融合已成為重要發(fā)展趨勢?！吨悄芨咚勹F路體系架構(gòu)1.0》等政策文件明確了鐵路數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展方向，并在鐵路站房、牽引變電所、橋梁等工點開展了設(shè)備運維管理探索應(yīng)用［13-16］，但BIM運維應(yīng)用在鐵路領(lǐng)域總體還處于探索階段。

動車運用所作為高速鐵路動車組存放、整備和檢修作業(yè)的重要場所，是高速鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理水平與高速鐵路高效、安全運行息息相關(guān)。因此，聚焦智能運維方向，基于BIM+GIS技術(shù)開展高鐵動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理平臺研究，實現(xiàn)動車運用所設(shè)備設(shè)施運維信息的集成共享與三維可視化運維管理，從而提高動車運用所設(shè)備設(shè)施故障響應(yīng)效率和運維管理水平。

1 平臺設(shè)計

1.1 平臺整體架構(gòu)

平臺整體架構(gòu)見圖1，共分為5層：

圖1 平臺整體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。該層位于整體架構(gòu)的最底層，是系統(tǒng)運行的物理基礎(chǔ)。包括硬件和軟件兩大部分：①硬件基礎(chǔ)設(shè)備：包括網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、安全設(shè)備、采集與存儲設(shè)備等；②軟件基礎(chǔ)環(huán)境：包括操作系統(tǒng)、容器管理套件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)器中間件。

（2）信息資源層。該層主要由基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)構(gòu)成。其中，基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)作為業(yè)務(wù)資源數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包含元數(shù)據(jù)資源庫、用戶資源庫、角色資源庫和組織結(jié)構(gòu)資源庫。針對資源庫中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用不同的數(shù)據(jù)存儲和訪問處理技術(shù)進行存儲和訪問處理。

（3）支撐平臺層。該層包含各種支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的中間件（身份認證、時序數(shù)據(jù)、日志等）及服務(wù)總線。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)層。該層是整體架構(gòu)的業(yè)務(wù)功能層，包括信息查詢、維保管理、運營監(jiān)控、資產(chǎn)管理、報警管理、圖層管理、基礎(chǔ)操作、故障管理、設(shè)備中心、智能分析、基礎(chǔ)管理等業(yè)務(wù)功能。

（5）訪問層。該層支持PC、移動端數(shù)據(jù)訪問。

1.2 平臺功能設(shè)計

以動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理為核心，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM、GIS等新一代信息技術(shù)為手段，圍繞動車運用所實際業(yè)務(wù)需求，并考慮遠期打造智能動車運用所目標，制定動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理平臺功能框架——“一個門戶、十大功能模塊”（見圖2），具體包括運營監(jiān)控、設(shè)備中心、資產(chǎn)管理、報警管理、維保管理、故障管理、智能分析、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理和移動端應(yīng)用。

圖2 平臺功能框架

2 平臺BIM+GIS數(shù)字孿生場景搭建

以達索3D EXPERIENCE平臺為主建模軟件，創(chuàng)建動車運用所土建和機電BIM模型，以Reivt軟件為輔助建模軟件，創(chuàng)建動車運用所生產(chǎn)生活房屋BIM模型，統(tǒng)一整合至達索3D EXPERIENCE平臺后，開展設(shè)計、施工階段一體化優(yōu)化、深化應(yīng)用，并形成竣工模型。然后將達索導(dǎo)出的3dxml原生格式竣工BIM模型，通過3dxml轉(zhuǎn)UDB插件導(dǎo)入SuperMap GIS軟件，之后在GIS軟件進行實例化處理以及減面等輕量化處理，以減小模型體量，降低計算機運行壓力，提升模型查看流暢度，同時進行模型歸類、編碼及屬性信息完善，確保滿足運維管理需求。在此基礎(chǔ)上，加載三維地形GIS數(shù)據(jù)，并進行裝配及地形裁切，形成動車運用所BIM+GIS基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，并進行動車運用所數(shù)字孿生模型制作（具體制作流程可參見參考文獻［17］），實現(xiàn)物理實體實時動作和動態(tài)屬性信息在數(shù)字場景的映射，進而完成BIM+GIS數(shù)字孿生場景創(chuàng)建，為動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。BIM+GIS數(shù)字孿生場景創(chuàng)建流程見圖3。形成的動車運用所BIM+GIS數(shù)字孿生場景見圖4。

圖3 BIM+GIS數(shù)字孿生場景創(chuàng)建流程

圖4 BIM+GIS數(shù)字孿生場景

3 平臺功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)字孿生虛擬展示功能

借助數(shù)字孿生技術(shù)搭建的數(shù)字孿生虛擬展示子系統(tǒng)的具體功能包括：動車運用所三維場景的視圖操作（模型瀏覽、圖層控制、空間量算、興趣視角管理等）、屬性查詢、數(shù)據(jù)庫監(jiān)控驅(qū)動、故障查詢及定位等可視化應(yīng)用，以及設(shè)備運營監(jiān)控、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)交互，并支撐了相關(guān)具體運維業(yè)務(wù)應(yīng)用（見圖5）。

圖5 數(shù)字孿生虛擬展示功能

3.2 運維管理業(yè)務(wù)功能

（1）運營監(jiān)控。運營監(jiān)控包括大屏監(jiān)控、集中監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控。大屏監(jiān)控的主要功能包括：動車運用所數(shù)字孿生虛擬展示模塊、動車運用所能耗統(tǒng)計、設(shè)備視頻監(jiān)控畫面展示、設(shè)備運行狀態(tài)統(tǒng)計分析、維保工單統(tǒng)計、設(shè)備故障類型占比統(tǒng)計與每月故障趨勢統(tǒng)計；集中監(jiān)控主要對多臺設(shè)備設(shè)施關(guān)鍵運行參數(shù)進行監(jiān)控，方便集中管理和集中維護；設(shè)備監(jiān)控界面包括設(shè)備目錄、設(shè)備運行參數(shù)實時監(jiān)控、設(shè)備屬性信息查詢、關(guān)鍵測點的預(yù)測分析及報警、維保記錄查詢（見圖6）。

圖6 運營監(jiān)控功能

（2）設(shè)備中心。設(shè)備中心包括設(shè)備模板和設(shè)備管理。設(shè)備模板主要功能包括：設(shè)備添加、修改、刪除、復(fù)制、組態(tài)等信息的管理和編輯；設(shè)備管理主要功能包括：設(shè)備添加、搜索、查看、修改、刪除以及網(wǎng)關(guān)管理（見圖7）。

圖7 設(shè)備中心功能

（3）報警管理。報警管理包括實時報警和歷史報警。實時報警主要功能為故障實時監(jiān)控報警，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(shè)備的維保流程；歷史報警主要實現(xiàn)歷史報警的查詢統(tǒng)計（見圖8）。

圖8 報警管理功能

（4）資產(chǎn)管理。資產(chǎn)管理功能主要包括：機電設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和工藝管道的資產(chǎn)添加、刪除、修改和查詢等管理功能。為便于資產(chǎn)管理，提出“兩定三包”的概念，將每種類型資產(chǎn)確定使用部門和維修部門，確定使用班組、機械維修班組和電氣維修班組，明確使用包機人、機械維修包機人和電氣包機人的責(zé)任，并設(shè)計了根據(jù)資產(chǎn)模板一鍵導(dǎo)入功能（部分功能見圖9）。

圖9 資產(chǎn)管理功能

（5）維保管理。維保管理主要包括計劃維修、故障維修和工單管理。計劃維修主要功能為添加計劃維修任務(wù)，并可進行任務(wù)的修改、刪除和搜索等操作；故障維修主要功能為添加故障維修任務(wù)，并可進行工單的添加、搜索、查看以及工單的派發(fā)和驗收；工單管理主要功能為所有工單的管理、查看及報表導(dǎo)出（部分功能見圖10）。

圖10 維保管理功能

（6）智能分析。智能分析主要包括時效統(tǒng)計和健康監(jiān)測。時效統(tǒng)計主要功能為設(shè)備本月、當(dāng)日和歷史待機時間、工作時間、停機時間等運行信息查詢；健康監(jiān)測主要功能為備品備件庫的管理、健康度預(yù)測和部件更換的管理。

3.3 平臺移動端功能

移動端APP與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，幫助現(xiàn)場作業(yè)人員記錄檢修工作過程，完成基于APP端的任務(wù)領(lǐng)取、檢修作業(yè)管理、故障提報和數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)（見圖11）。

圖11 移動端功能

4 結(jié)束語

聚焦鐵路智能運維方向，基于BIM+GIS技術(shù)搭建高鐵動車運用所數(shù)字孿生場景，并以BIM+GIS模型為數(shù)字化載體，整合了設(shè)備設(shè)施各類屬性信息，建立了動車運用所設(shè)備設(shè)施運維管理平臺，開發(fā)了動車運用所數(shù)字孿生虛擬展示應(yīng)用，運營監(jiān)控、設(shè)備中心、報警管理、資產(chǎn)管理、維保管理、智能分析等運維管理業(yè)務(wù)應(yīng)用以及移動端應(yīng)用，從而實現(xiàn)了動車運用所設(shè)備設(shè)施各類運維信息的集成共享與綜合可視化運維管理，可有效提升動車組運維安全保障能力和經(jīng)營管理能力，是響應(yīng)國家及行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的一次成功實踐，為深入開展智能動車運用所研究提供了有力技術(shù)支撐。