基于BIM+GIS技術(shù)的高鐵動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究

韓亮亮

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

BIM(建筑信息模型)技術(shù)，是在CAD等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多維模型信息集成技術(shù)，是對(duì)工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，具有可視化、仿真性等優(yōu)勢(shì)[1-5]。GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)是以航測(cè)遙感測(cè)繪信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行大范圍基礎(chǔ)地形模型的管理，適合大體量、大場(chǎng)景模型的瀏覽展示。BIM與GIS技術(shù)融合可實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景和精細(xì)構(gòu)件的一體化管理，從而滿足工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期應(yīng)用管理需求[6-10]。

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM、GIS等信息技術(shù)快速發(fā)展，鐵路行業(yè)基本形成了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)、工程應(yīng)用為核心的實(shí)施體系，并開(kāi)始向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用需求也不局限于鐵路工程數(shù)字化表達(dá)，更多地要求與鐵路建設(shè)管理與運(yùn)營(yíng)維護(hù)深度融合，開(kāi)展全生命周期仿真模擬，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界數(shù)據(jù)交互融合，因此，數(shù)字孿生技術(shù)被提及和研究應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能分析并集成多學(xué)科的技術(shù)，是通過(guò)創(chuàng)建與物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)分析，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[11-15]。

動(dòng)車(chē)運(yùn)用所作為高速鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，主要承擔(dān)動(dòng)車(chē)組存放、整備和臨修作業(yè)，其運(yùn)維管理信息化水平與高速鐵路高效、安全運(yùn)營(yíng)息息相關(guān)。近年來(lái)，隨著動(dòng)車(chē)組開(kāi)行數(shù)量增加、密度增大，傳統(tǒng)運(yùn)維管理模式和缺乏交互的信息化手段已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化運(yùn)維管理需求[16-20]。因此，提出基于BIM+GIS技術(shù)開(kāi)展動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究，為動(dòng)車(chē)運(yùn)用所智能運(yùn)維研究提供重要技術(shù)支撐。

2 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

基于SuperMap GIS(超圖GIS)軟件SuperMap iObject組件開(kāi)發(fā)，利用該組件提供的接口通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎SuperMap SDX訪問(wèn)空間模型數(shù)據(jù)庫(kù)，利用ADO.NET訪問(wèn)后臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，共分為4層，分別介紹如下。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層

該層主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)服務(wù)器等。

(2)數(shù)據(jù)層

該層主要包括后臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、BIM+GIS模型數(shù)據(jù)庫(kù)及動(dòng)畫(huà)模型數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)服務(wù)層

主要包括ADO.Net數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件及SDX數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件，與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)交互。

(4)應(yīng)用層

具體業(yè)務(wù)功能在該層實(shí)現(xiàn)，主要包括動(dòng)車(chē)運(yùn)用所三維場(chǎng)景的視圖操作(包括模型瀏覽、圖層控制、興趣視角管理等)，屬性查詢，數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)等可視化功能以及設(shè)備運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、虛擬培訓(xùn)等業(yè)務(wù)功能。

圖1 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生總體技術(shù)架構(gòu)

3 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生模型構(gòu)建

3.1 BIM+GIS模型數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建

基于達(dá)索3D EXPERIENCE平臺(tái)，依據(jù)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，建立動(dòng)車(chē)運(yùn)用所全專業(yè)BIM模型，定義模型IFC分類和屬性信息，并開(kāi)展設(shè)計(jì)、施工階段深化設(shè)計(jì)及應(yīng)用，補(bǔ)充完善模型信息，形成竣工模型。然后，利用模型格式轉(zhuǎn)換插件，將竣工BIM模型利用達(dá)索3dxml原生格式移交至SuperMap GIS軟件，避免模型幾何和屬性信息丟失，并在SuperMap GIS軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例化、多細(xì)節(jié)層次和輕量化處理：實(shí)例化處理是針對(duì)幾何形狀相同的模型，抽象其示例，儲(chǔ)存在內(nèi)存中，減少內(nèi)存空間的占用；多細(xì)節(jié)層次是根據(jù)模型在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定模型渲染的資源分配，降低非重要模型面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算；輕量化處理是根據(jù)BIM模型的語(yǔ)義信息，對(duì)模型的某些骨架進(jìn)行刪除或簡(jiǎn)化，達(dá)到通過(guò)減少數(shù)據(jù)量提高渲染效率的目的。最后，將經(jīng)過(guò)實(shí)例化處理、多細(xì)節(jié)層次處理和輕量化處理的UDB數(shù)據(jù)進(jìn)行切片緩存操作，進(jìn)一步優(yōu)化三維場(chǎng)景加載及顯示效率，滿足動(dòng)車(chē)運(yùn)用所三維可視化場(chǎng)景的快速搭建及流暢運(yùn)行。同時(shí)加載三維地形數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成BIM+GIS模型數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建，為動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生研究提供基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)。具體創(chuàng)建流程如圖2所示。

圖2 BIM+GIS模型數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建流程

通過(guò)創(chuàng)建BIM+GIS模型數(shù)據(jù)庫(kù)，形成動(dòng)車(chē)運(yùn)用所三維可視化場(chǎng)景，如圖3所示。

圖3 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所三維可視化場(chǎng)景

3.2 動(dòng)作模型構(gòu)建

動(dòng)車(chē)運(yùn)用所動(dòng)作模型主要包括位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類、紋理替換類和骨骼類4類動(dòng)作模型。動(dòng)作模型數(shù)據(jù)制作過(guò)程如圖4所示，具體如下。

圖4 動(dòng)作模型數(shù)據(jù)制作過(guò)程

(1)動(dòng)作模型動(dòng)畫(huà)制作及描述信息添加。其中，位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類和紋理替換類動(dòng)作模型通過(guò)DAE格式導(dǎo)入3D max軟件進(jìn)行相應(yīng)線性動(dòng)作、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作和紋理替換動(dòng)作定義，并在描述信息字段中添加模型ID編號(hào)和數(shù)據(jù)集名稱信息(通過(guò)DAE格式導(dǎo)入3D max軟件中的模型屬性信息已經(jīng)丟失，在描述信息字段添加信息是便于第(4)步中模型屬性信息的檢索完善)；骨骼類動(dòng)作模型直接在3D max軟件中創(chuàng)建人員骨骼模型，并進(jìn)行人體骨骼動(dòng)作定義。

(2)動(dòng)作模型整合至SuperMap GIS三維場(chǎng)景。其中，在3D max軟件制作完成的位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類和紋理替換類動(dòng)作模型，通過(guò)SGM模型格式轉(zhuǎn)換插件導(dǎo)入SuperMap GIS三維場(chǎng)景對(duì)應(yīng)新建的KML圖層；在3D max軟件制作完成的骨骼類動(dòng)作模型，通過(guò)Mesh模型格式轉(zhuǎn)換插件導(dǎo)入SuperMap GIS三維場(chǎng)景對(duì)應(yīng)新建的KML圖層。

(3)動(dòng)作模型動(dòng)作控制。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，位移類動(dòng)作模型設(shè)定物理實(shí)體的運(yùn)動(dòng)路徑并定義動(dòng)作持續(xù)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)模型的位移動(dòng)作控制；轉(zhuǎn)動(dòng)類動(dòng)作模型設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)角度并定義動(dòng)作持續(xù)時(shí)間，以控制模型的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作控制；紋理替換類動(dòng)作模型修改Mesh面的紋理屬性，以實(shí)現(xiàn)模型的信號(hào)指示變化；骨骼類動(dòng)作模型設(shè)定人員的行走路徑并定義動(dòng)作持續(xù)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)作控制。

(4)動(dòng)作模型屬性信息添加完善。其中，位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類和紋理替換類動(dòng)作模型因初始導(dǎo)入3Dmax軟件會(huì)出現(xiàn)屬性信息丟失，需通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的屬性鏈接程序添加完整屬性信息；骨骼類動(dòng)作模型屬性信息從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取并添加顯示。

通過(guò)上述過(guò)程制作完成的位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類、紋理替換類和骨骼類動(dòng)作模型，既包含模型靜態(tài)幾何和屬性信息，也包含模型的實(shí)時(shí)動(dòng)作和動(dòng)態(tài)屬性信息，可以真實(shí)反映相應(yīng)物理實(shí)體的狀態(tài)特性，即為數(shù)字孿生模型。

位移類、轉(zhuǎn)動(dòng)類、紋理替換類和骨骼類動(dòng)作模型典型示例如圖5所示。

圖5 動(dòng)作模型數(shù)據(jù)制作過(guò)程

4 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

動(dòng)車(chē)運(yùn)用所業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要是存儲(chǔ)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集成與分析過(guò)程獲得的與動(dòng)車(chē)運(yùn)用所運(yùn)營(yíng)管理業(yè)務(wù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。其中，各類業(yè)務(wù)表是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括實(shí)時(shí)狀態(tài)記錄表(Operation_Record表)和歷史數(shù)據(jù)表(SaveDataHis表)。Operation_Record表用于動(dòng)車(chē)運(yùn)用所設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，SaveDataHis表主要用于動(dòng)車(chē)運(yùn)用所設(shè)備設(shè)施初始狀態(tài)的設(shè)置。以動(dòng)車(chē)運(yùn)用所檢查庫(kù)安全聯(lián)鎖及作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)為例，闡述Operation_Record表和SaveDataHis表的具體定義。

表1給出了Operation_Record表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于安全聯(lián)鎖及作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。其中，SysType為系統(tǒng)類型字段，字段值為0(安全聯(lián)鎖)，1(作業(yè)評(píng)價(jià))，2(車(chē)號(hào)識(shí)別)；Operation為操作內(nèi)容字段，如SysType字段值為安全聯(lián)鎖，則代表開(kāi)合閘操作，如SysType字段值為作業(yè)評(píng)價(jià)，則代表開(kāi)始或結(jié)束巡更點(diǎn)刷卡，如SysType字段值為車(chē)號(hào)識(shí)別，則代表進(jìn)出動(dòng)車(chē)組；Station為庫(kù)內(nèi)股道名稱字段，記錄了動(dòng)作發(fā)生的股道編號(hào)；Details為詳細(xì)信息字段，如SysType字段值為安全聯(lián)鎖，則記錄工作卡編號(hào)，如SysType字段值為作業(yè)評(píng)價(jià)，則記錄巡更棒編號(hào)，如SysType字段值為車(chē)號(hào)識(shí)別，則記錄動(dòng)車(chē)組車(chē)號(hào)。

表1 Operation_Record表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2給出了SaveDataHis表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于安全聯(lián)鎖及作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備設(shè)施初始狀態(tài)的設(shè)置。SaveDataHis表記錄值的具體含義如表3所示。

表2 SaveDataHis表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 SaveDataHis表記錄值具體含義

5 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)

通過(guò)C#和SuperMap iObjects開(kāi)發(fā)組件開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的規(guī)則讀取，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型動(dòng)作具有匹配映射關(guān)系。并通過(guò)“ALTER DATABASE SET ENABLE_BROKER”語(yǔ)句啟動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控程序，當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，SqlDependency會(huì)自動(dòng)觸發(fā)OnChange事件來(lái)通知客戶端應(yīng)用程序，如果判定為正常信號(hào)，則模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字孿生模型發(fā)生相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)時(shí)映射物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)流程

6 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生應(yīng)用

通過(guò)上述過(guò)程搭建動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)支撐相關(guān)具體運(yùn)維管理應(yīng)用，包括動(dòng)車(chē)運(yùn)用所三維場(chǎng)景的視圖操作(包括模型瀏覽、圖層控制、空間量算、興趣視角管理等)，屬性查詢，數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)等可視化應(yīng)用以及設(shè)備運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、虛擬培訓(xùn)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用。相較傳統(tǒng)運(yùn)維管理模式，利用數(shù)字化、智能化手段，打破動(dòng)車(chē)運(yùn)用所傳統(tǒng)分散運(yùn)維管理，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享，提供設(shè)備設(shè)施屬性及維修養(yǎng)護(hù)信息快捷查詢、報(bào)表數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析、故障智能診斷及精確定位、狀態(tài)智能預(yù)警與健康管理等綜合可視化信息服務(wù)，極大提高運(yùn)維管理效率，節(jié)約人力資源，提質(zhì)增效，推動(dòng)鐵路動(dòng)車(chē)段(所)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。典型應(yīng)用示例如圖7所示。

圖7 動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生典型應(yīng)用

7 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能分析并集成多學(xué)科的技術(shù)，是打造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化鐵路的關(guān)鍵技術(shù)?；贐IM+GIS技術(shù)，依托SuperMap GIS軟件開(kāi)展了動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)性研究，建立了動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生總體技術(shù)架構(gòu)，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。提出了動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生模型及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法和流程，并建立了模型數(shù)據(jù)庫(kù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的映射交互。最后，給出了動(dòng)車(chē)運(yùn)用所數(shù)字孿生典型應(yīng)用，包括三維場(chǎng)景的視圖操作，屬性查詢，數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)等可視化應(yīng)用及設(shè)備運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、虛擬培訓(xùn)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用，凸顯了數(shù)字孿生技術(shù)在動(dòng)車(chē)運(yùn)用所運(yùn)維管理中的應(yīng)用價(jià)值。為基于數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)展動(dòng)車(chē)運(yùn)用所智能運(yùn)維研究，以提升動(dòng)車(chē)運(yùn)用所運(yùn)維管理水平提供了重要技術(shù)支撐。