基于BIM技術的三維可視化道岔運維平臺研究

吳強 楊小恒

摘? 要：針對我國目前鐵路道岔采用傳統(tǒng)運維管理方法存在的問題，對道岔運維技術路線、道岔數(shù)據(jù)傳遞流程、道岔運維平臺架構進行研究分析，建立了基于BIM技術的道岔三維可視化智能運維管理平臺。通過實際驗證，對道岔三維展示、道岔測量、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護、運維管理等幾方面功能進行了論述，旨在為鐵路道岔設備運維提供新思路，提高道岔運維效率及質(zhì)量。

關鍵詞：道岔；BIM技術；智能維護管理平臺；三維展示

中圖分類號：TP39? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0120-04

Abstract： Aiming at the problems existing in the traditional operation and maintenance management method of railway turnout in China， the technical route of turnout operation and maintenance， turnout data transfer process and the structure of turnout operation and maintenance platform are studied and analyzed， and a 3D visual intelligent operation and maintenance management platform of turnout based on BIM technology is established. Through practical verification， the functions of turnout 3D display， turnout measurement， data management， data maintenance， operation and maintenance management are discussed， aiming to provide new ideas for the operation and maintenance of railway turnout equipment and improve the efficiency and quality of turnout operation and maintenance.

Keywords： turnout; BIM technology; intelligent maintenance management platform; 3D display

0? 引? 言

道岔作為鐵路軌道的重要組成，其工作狀態(tài)是否良好至關重要，一旦出現(xiàn)故障就會嚴重影響鐵路的安全運行，做好道岔的日常維護工作就顯得尤為重要。實際維護工作中，要對道岔所有緊固件進行檢查，在專項整治中，需測量并記錄鐵路道岔設備的開程、缺口鎖閉量及尖軌的竄動量等參數(shù)，定期檢查和調(diào)整護輪軌的間隔尺寸。傳統(tǒng)上鐵路道岔運維人員通過查詢二維圖紙來掌握道岔相關參數(shù)信息，維護中遇到技術問題時技術咨詢較為困難且不直觀，道岔日常維護信息依靠人工填錄紙質(zhì)表格形成臺賬。傳統(tǒng)方法增加了維護人員和歸檔人員的工作量，工作效率低下，且容易引起操作、記錄錯誤?；贐IM技術對道岔進行三維建模，以三維視圖形式對道岔重要部位立體展示，道岔故障時對故障現(xiàn)象自動記錄并對運維人員進行提示，同時給出指導測量、整治、維修的方法?；贐IM技術的道岔運維平臺可將道岔空間信息、技術參數(shù)信息整合起來，充分發(fā)揮空間定位和數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)勢，合理制定運維、管理、維護計劃，對提高道岔運維系統(tǒng)智能化具有重要意義[1，2]。

1? 研究路線

該課題的技術路線圖如圖1所示。首先通過對道岔運維相關背景、國內(nèi)外BIM應用現(xiàn)狀進行研究，為道岔運維平臺的建立奠定理論基礎，其次對鐵路道岔運維管理工作現(xiàn)狀及存在問題進行分析，研究BIM應用于道岔運維工作的必要性和可行性，接著對基于BIM技術的運維管理方案進行分析，論證方案及平臺架構的可行性，最后結合現(xiàn)場實際對所研發(fā)的道岔運維平臺各項功能進行驗證?；贐IM技術的三維可視化道岔運維平臺涉及到的關鍵技術包含BIM模型輕量化及交互渲染技術、BIM 與 GIS 融合集成技術、BIM 技術與物聯(lián)網(wǎng)、VR、5G等先進技術的融合技術、多源異構模型數(shù)據(jù)融合技術、數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化技術等。

2? 數(shù)據(jù)分析流程

由于道岔設備的復雜性，一種道岔病害表現(xiàn)可能由不同的原因造成，整治的方法也不同，需要針對關鍵部位的數(shù)據(jù)進行分析，如造成頂鐵縫隙過寬的原因，需要依據(jù)基本軌框架尺寸變形情況、尖軌爬行與否、頂鐵縫隙數(shù)據(jù)三項綜合分析判斷。根據(jù)現(xiàn)場分析經(jīng)驗，研究道岔測量項點與病害成因之間的關系，以現(xiàn)場既有驗收檢測數(shù)據(jù)為輸入源，綜合分析數(shù)據(jù)測量結果，給出成因分析和整治建議。通過測量工具并結合傳感器對道岔狀態(tài)進行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理板卡對數(shù)據(jù)進行預處理及特征提取再傳動至道岔運維平臺進行狀態(tài)檢測、故障診斷、故障預測及故障決策，道岔數(shù)據(jù)分析流程圖如圖2所示。

3? 運維平臺架構

基于BIM技術的道岔運維平臺應用于道岔運維階段，通過該平臺可以實現(xiàn)鐵路道岔綜合展示、運維管理和可視化監(jiān)測等功能。平臺宜采用云部署，構建數(shù)據(jù)采集、傳輸、計算、存儲和網(wǎng)絡資源環(huán)境，以保證各項功能模塊可以靈活擴展及快速響應。同時道岔運維平臺還需具有數(shù)據(jù)加密、權限控制等安全防護技術，保證平臺安全可靠運行。

平臺架構采用分層設計，各層的操作模塊相對獨立[3，4]。圖3為道岔運維平臺架構框圖。

用戶層：相關運維人員可以通過手機終端或者PC終端等訪問平臺并進行相關功能操作。

應用層：應用層為運維人員提供相關運維功能模塊，包括資產(chǎn)管理、狀態(tài)查詢、運維管理、報警查詢、故障管理、智能分析等應用。

平臺層：該層以平臺服務和中間件為中心，包括模型，時序數(shù)據(jù)、身份認證等，結合服務總線為運維平臺提供一個支持信息訪問、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層利用數(shù)據(jù)庫來存放與道岔運維有關的設備信息、安裝信息、資產(chǎn)信息、維保信息、用戶信息等。

基礎設施層：該層為道岔運維平臺提供硬件及軟件支撐，硬件設備包括服務器、交換機、無線設備、數(shù)據(jù)采集設備、通信設備等，軟件部分包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、以及相關中間件。

4? 運維平臺功能驗證

以合肥站道岔為運維對象，對設計的道岔運維平臺進行功能驗證。具體功能如下所述。

4.1? 道岔三維展示

道岔運維平臺以BIM三維圖形作為展示方式，用戶可以根據(jù)所選道岔規(guī)格型號，加載對應的BIM模型，并以標注線、立體標簽等方式顯示道岔相關運維數(shù)據(jù)。通過鼠標拖動以及快速定位方式可以實現(xiàn)道岔真實模型的全方位觀測，當檢測到的道岔數(shù)據(jù)超出規(guī)定值時，BIM子模型標識為紅色，并顯示故障類型，對運維人員給予提示，圖4為密貼檢查器示意圖。

4.2? 道岔測量

道岔測量是道岔維護工作的重要內(nèi)容。在三維模型上，以圖標的方式標注所檢查項目測量點，不同的檢查項目采用不同的圖標。進行測算時，測量數(shù)據(jù)在文本框顯示，為了避免人為原因引起的測量失誤或者當運維人員不了解具體測量方法時，可以通過點擊“測量方法”按鈕，顯示當前檢查項目對應的測量方法及測量步驟，對測量人員進行詳細指導。圖5為框架尺寸測量示意圖，直基本軌處的標簽代表標準值，區(qū)基本軌處標簽代表測量值，標注線表示測量位置，標注線上的標簽代表差值。

4.3? 數(shù)據(jù)管理

通過PC終端或者手機終端可以實現(xiàn)道岔運維平臺數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)錄入、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導出等。運維人員可通過靈活多樣的方式進行數(shù)據(jù)錄入，包括頁面錄入、Excel表格導入、移動端數(shù)據(jù)導入等；道岔運維平臺提供歷史運維數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線查看功能，可以對各檢查項目、測量點的歷史數(shù)據(jù)進行橫向比較，并進行曲線繪制，便于運維人員對道岔狀態(tài)進行評判；運維平臺提供數(shù)據(jù)分析功能，可以自動完成測量值與標準值之間的比較，形成分析報告，如果數(shù)據(jù)異常則會指明道岔可能出現(xiàn)的問題，并提供詳細的解決方案，指導運維人員進行相應的處理，并可以按照現(xiàn)場模板對運維數(shù)據(jù)進行導出。圖6所示為道岔測量點記錄及歷史曲線查看界面。

4.4? 數(shù)據(jù)維護

為了適應不同站點道岔信息及運維人員信息的變化，運維平臺提供的數(shù)據(jù)維護功可以實現(xiàn)道岔數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)和站點信息的維護管理，道岔數(shù)據(jù)維護功能通過道岔新增、道岔刪除、道岔信息編輯實現(xiàn)道岔信息的變更。用戶數(shù)據(jù)維護可以對用戶進行增、刪、改、查，分配角色和權限；平臺設置系統(tǒng)管理員、段/車間/工區(qū)級管理員、數(shù)據(jù)操作員、查看用戶等角色。平臺還可以對用戶的管理層級進行維護，平臺初步設定的管理層級分為段、車間、工區(qū)三級。站點管理可以實現(xiàn)車站信息的增、刪、改、查功能。

4.5? 運維管理

基于BIM的道岔運維平臺具有報警事件管理功能，運維人員可以根據(jù)報警事件，對故障進行定位查詢，實時派工，對道岔進行維護；相關人員通過BIM運維平臺根據(jù)運維任務填寫工單，進一步明確運維任務，經(jīng)運維負責人審核批準后運維人員進入現(xiàn)場進行現(xiàn)場作業(yè)。道岔運維完成后，需通過道岔運維平臺對本次運維事項建立相應的臺賬，內(nèi)容包括：維護對象、維護時間、維護人員、故障類型等，方便后期查詢[5]。

4.6? 其他功能及移動終端

道岔運維平臺除了上述功能外，還包括設置圖層、平臺維護、基礎操作、資產(chǎn)管理等功能模塊?？梢愿鶕?jù)使用人員要求對具體功能模塊進行配置。手機移動終端APP可以與運維平臺數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)，通過手機移動終端APP也可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、歷史數(shù)據(jù)查詢、運維管理等功能，對現(xiàn)場具體情況或者測量問題可以通過上傳照片和拍攝照片的方式進行記錄。APP端首次使用，或系統(tǒng)信息更新時，需生成初始化文件。圖7為手機移動終端數(shù)據(jù)錄入示例[6]。

4.7? 運維平臺安全問題

BIM 技術核心是數(shù)據(jù)，重要數(shù)據(jù)一旦存儲、傳遞和管理發(fā)生安全問題，將造成嚴重后果。運維平臺相關安全問題包括通信網(wǎng)絡安全、區(qū)域邊界安全、計算機環(huán)境安全、管理中心安全、云計算安全、移動接入安全等。首先要保證網(wǎng)絡設備及服務器等硬件設備安全可靠運行，其次要建立防火墻防止病毒及木馬程序入侵，還需建立安全管理制度對管理人員或操作人員執(zhí)行的日常管理操作建立操作規(guī)程，形成由安全策略、管理制度、操作規(guī)程、記錄表單等構成的全面的安全管理制度體系，保證運維平臺的可靠安全運行。

5? 結? 論

鐵路道岔是鐵路軌道結構的薄弱環(huán)節(jié)，故障率較高，為了保證列車運行的安全可靠性，道岔的健康狀態(tài)管理至關重要，運維階段是鐵路建設周期中最長的一個階段，運維成本在整個鐵路生命周期中占比最大，需要耗費極大的財力、人力以及物力。另一方面，我國鐵路采用封閉運行的管理模式，現(xiàn)有運維手段無法及時、全面的了解道岔的健康狀態(tài)。采用基于BIM技術的道岔運維平臺相對于傳統(tǒng)運維方法具有高效便捷、失誤率低的優(yōu)勢，是未來鐵路設備運維發(fā)展的趨勢。論文對基于BIM技術的道岔三維可視化運維管理平臺技術路線、數(shù)據(jù)傳輸流程、平臺架構進行了論述，并結合實際驗證了道岔三維展示、道岔測量、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護、運維管理等主要功能模塊的功能，所建立的道岔運維平臺已在實際中得以應用并取得了良好的效果，對推動鐵路設備運維智能化具有積極的意義。

參考文獻：

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[5] 韓德志，李博，華福才，等.面向城市軌道交通運維階段的BIM模型建設 [J].都市快軌交通，2022，35（4）：182-187.

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作者簡介：吳強（1989—），男，漢族，山西孝義人，工程師，工學學士學位，研究方向：鐵道信號方向。