基于數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)的鋼軌狀態(tài)分析*

張健豐 范景祥 劉明薦 姚雪琴 宋培城

(中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司, 200072, 上?！蔚谝蛔髡? 高級工程師)

城市軌道交通作為一個多專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)聯(lián)動的龐大復雜體系,是新科技集成應用和現(xiàn)代化的重要標志。利用5G技術、BIM(建筑信息模型)技術、數(shù)字孿生技術、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、大數(shù)據(jù)、人工智能和云計算等蓬勃發(fā)展的新技術賦能傳統(tǒng)軌道交通運維業(yè)務,構建上海超大城市軌道交通網(wǎng)絡高效運維“智慧大腦”,是提升上海軌道交通運維效能與效益的重要手段,也是未來城市軌道交通運維發(fā)展的新趨勢和新動能。

在我國一些重要工程項目中,BIM+數(shù)字孿生技術僅有探索性的研究。文獻[1]在武漢火神山醫(yī)院工程項目的建設過程中,提出數(shù)字孿生技術在醫(yī)療建筑全生命周期中使用的技術路線。文獻[2]將BIM+數(shù)字孿生技術應用于裝配式城市軌道交通工程預制構件的生產管理,以實現(xiàn)實體生產與虛擬施工的信息交互,并對構件生產進行動態(tài)管理。文獻[3]以雄安市民服務中心項目為例,通過整合BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通信、云計算和IoT等信息技術的集成應用,全面提高了建設單位和施工單位的建造管理能力。文獻[4]結合 GIS(地理信息系統(tǒng))+BIM 技術特點,設計和研發(fā)了基于3D WebGIS軟件的軌道交通工程建造管理系統(tǒng),并依托西安地鐵8號線試點工程進行應用,有效提高了多方參與的項目管理質量,為軌道交通工程信息化提供技術參考。文獻[5]基于數(shù)字孿生技術的城市軌道交通建造管控應用,提出城市軌道交通建造管控的數(shù)字孿生架構,實現(xiàn)了由數(shù)據(jù)驅動的建造管控模式,并將該研究成果成功應用于深圳地鐵14號線。

通過上述研究可以看出,BIM+數(shù)字孿生技術除在基建工程中的應用外,在城市軌道交通中的研究和應用尚處于初級階段,缺少針對性的理論基礎研究。現(xiàn)階段,數(shù)字孿生技術的研究熱點是結合BIM、GIS和IoT等技術,建設虛實結合的數(shù)字孿生環(huán)境。本文基于BIM技術建立數(shù)字孿生仿真系統(tǒng),開發(fā)數(shù)字孿生平臺用于展示有限元模型,并與相關模型進行數(shù)據(jù)交互。同時,開展了基于數(shù)字孿生技術與專業(yè)化的實時監(jiān)測,并結合有限元數(shù)值模擬對鋼軌各階段的受力狀態(tài)進行模擬仿真與實時監(jiān)控,進而研究鋼軌的受力情況及其內部狀態(tài)。本文研究可為城市軌道交通鋼軌服役性能長期發(fā)展規(guī)律與實時風險提供技術指導,助力城市軌道交通基礎設施的數(shù)字化轉型和升級。

1 基于BIM的數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)

數(shù)字孿生技術綜合了現(xiàn)代科技的物聯(lián)網(wǎng)感知、大數(shù)據(jù)計算、仿真建模等現(xiàn)代信息技術,借由軟件定義功能,實現(xiàn)對物理空間的展示,以及故障診斷、運行及狀態(tài)預測和行為決策等功能,實現(xiàn)了賽博空間與物理空間的交互映射。數(shù)字孿生技術原理示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生技術原理示意圖

1.1 BIM技術

BIM技術是一種貫穿于工程項目全生命周期的技術方法,基于工程項目的詳細信息,其可以建造一個或多個3D數(shù)字模型。BIM模型中的信息不僅包含了模型的幾何信息,還包含了模型的結構分析、材料屬性等屬性信息。BIM模型是信息的載體,也是一個使各專業(yè)信息共通的平臺。

信息管理(數(shù)據(jù)庫)是BIM技術的優(yōu)勢,BIM技術可以實現(xiàn)幾何信息及屬性信息(物理參數(shù)、結構等)的3D數(shù)字化表達,其由3D模型與模型上的信息組成[6]。信息與對應的3D模型相關聯(lián),伴隨著模型精細度的不斷深化為維護單位服務。

根據(jù)地鐵工程項目的基礎信息,所建立的車軌實體BIM模型如圖2所示?；贐IM模型的3D可視化車站場景,能夠與真實的車站建筑和實際設備點位一一對應,實體場景模型包含地面層、站廳層、站臺層及各層配套的子系統(tǒng)設備,支持全局查看(車站整體)及單層查看(某一區(qū)間)。

圖2 車軌實體BIM模型

1.2 數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)

綜合考慮系統(tǒng)更新維護開發(fā)及用戶需求,城市軌道交通孿生系統(tǒng)平臺選用B/S(瀏覽器/服務器)模式進行搭建,相較于C/S(客戶端/服務器)模式而言,B/S模式可以避免C/S模式帶來的開發(fā)時間長、成本費用高、兼容性一般、升級更新困難等潛在問題,對用戶的計算機軟硬件要求也更低。數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和表示層3層架構。數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)架構示意圖如圖3所示。

注:HTTP為超文本傳輸協(xié)議。

數(shù)據(jù)層主要包括各類BIM模型轉換文件、工程資料文件、軌道設備物理屬性數(shù)據(jù)及其他業(yè)務相關數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)訪問接口和數(shù)據(jù)庫驅動響應業(yè)務邏輯層發(fā)出的交互請求,實現(xiàn)數(shù)值模擬等數(shù)據(jù)訪問與傳遞操作。

業(yè)務邏輯層位于數(shù)據(jù)層和表示層之間,主要提供各類數(shù)據(jù)和功能業(yè)務接口,是實現(xiàn)整個數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)業(yè)務功能的邏輯載體。

表示層在平臺架構的最頂層,與用戶直接接觸,用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入與輸出,為用戶提供BIM平臺的訪問、加載模型與展示等服務。

2 數(shù)字孿生平臺與數(shù)值分析軟件參數(shù)交互

BIM中的物理模型不能夠直接轉換成結構分析模型,導致其不能真正發(fā)揮物理模型與結構分析模型雙向鏈接的優(yōu)點,同時也制約著運維方在鋼軌維護方面的工作效率。采用Revit軟件進行BIM建模時,由于數(shù)值分析軟件能夠撰寫命令流代碼文件,而數(shù)字孿生平臺中的3D模型又自帶相關屬性參數(shù),因此可以將數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)快速傳遞給有限元數(shù)值分析軟件進行實時參數(shù)更換。

以彈性支座上的有限連續(xù)梁作為計算模型,應用有限元方法對鋼軌強度(采用60 kg/m的鋼軌)進行力學分析,可求得節(jié)點彎矩及支點反力,還能清晰地觀察到每個作用點的位移情況。該方法對解決鋼軌強度計算中的一些特殊問題(如變截面、變跨距、支撐彈性不均勻等)具有明顯的優(yōu)越性。

有限元模型中的鋼軌截面是通過Revit軟件和有限元軟件相互配合建立的。劃分截面網(wǎng)格后,將截面形式形成自定義的截面文件,讀入已定義的截面文件,鋼軌的單元類型選用BEAM188,模型的單元數(shù)目根據(jù)軌枕間距來確定,軌枕為混凝土Ⅲ型軌枕,軌枕間距為0.6 m,即彈簧單元的間距為0.6 m,彈簧單元采用combine14單元模擬。鋼軌有限元模型如圖4所示。在有限元模型中,為了避免邊緣效應的影響,將車輪荷載作用于鋼軌中間部位,而不是作用在鋼軌兩端。鋼軌兩端的約束條件為垂直鋼軌鋪設方向約束,每隔0.6 m設1個彈簧約束。

a) 二維斷面圖

將數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)中的模型相關幾何信息與屬性信息讀取至數(shù)值分析軟件代碼中,并替換相關參數(shù),進而完成數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)與數(shù)值軟件參數(shù)的交互。

3 工程應用

3.1 系統(tǒng)布置

以上海軌道交通7號線潘廣路站—劉行站區(qū)間為例,對在役鋼軌斷裂病害狀態(tài)進行試驗監(jiān)測與數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)測試。監(jiān)測系統(tǒng)布局示意圖如圖5所示。監(jiān)測設備以均流線方式將所需監(jiān)測的鋼軌分割成多個不同的區(qū)間,在每個區(qū)間內的中心位置處安裝監(jiān)測終端設備,對該區(qū)間的鋼軌狀態(tài)進行監(jiān)測。管理設備與監(jiān)測終端形成一組裝置,最多可支持32個設備一組。管理設備同時承擔單個軌枕兩側2個區(qū)間的鋼軌斷裂監(jiān)測任務。設備的供電線路采用載波通信的技術方法,實線監(jiān)測終端與管理設備的通信鏈路。管理設備與中心服務器可以通過多種方式進行通信,將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字孿生仿真平臺的數(shù)據(jù)庫。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)布局示意圖

監(jiān)測設備的供電電源采用太陽能或90～240 V交流電,室外設備溫度為-40～+85 ℃;相對濕度不大于95%;海拔高度不大于3 500 m;監(jiān)測終端功耗不大于8 W/臺,管理器功耗不大于12 W/臺;系統(tǒng)可靠性誤報(漏報)率≤5%;系統(tǒng)設備的平均無故障工作時間≥20 000 h。監(jiān)測設備與鋼軌檢測線的安裝推薦采用脹釘方式進行連接,在鋼軌軌腰螺栓孔中心線上測量定位,用專業(yè)鉆孔機鉆φ19 mm的孔。

監(jiān)測設備能夠實現(xiàn)全天候實時監(jiān)測,具有監(jiān)測區(qū)間列車占用、出清顯示等功能。此外,監(jiān)測設備還具有鋼軌斷軌監(jiān)測、及時報警等功能,并能夠通過內部專業(yè)網(wǎng)絡將監(jiān)測信息傳輸至數(shù)字孿生仿真平臺。鋼軌變形狀態(tài)監(jiān)測軟件截圖如圖6所示。

圖6 鋼軌變形狀態(tài)監(jiān)測軟件截圖

3.2 數(shù)字孿生仿真平臺

使用Three.js 3D圖形引擎加載導出JSON軌道模型,整體車站數(shù)字孿生仿真模型軟件截圖如圖7所示。將JSON模型中的構件屬性信息與幾何數(shù)據(jù)相關聯(lián),實現(xiàn)建筑信息模型的Web端展示。在數(shù)字孿生仿真平臺中,基于ID(身份標識號)信息對模型構件的信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一關聯(lián),實現(xiàn)了3D模型與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)動查詢與分析功能。

圖7 整體車站數(shù)字孿生仿真模型軟件截圖

3.3 數(shù)值仿真結果與監(jiān)測結果對比分析

鋼軌斷裂一般是由多個因素綜合引起的。由于作用于鋼軌上的力比較復雜,具有較強的重復性和隨機性,鋼軌易發(fā)生斷裂。本文以行車輪緣作用作為鋼軌受力荷載,將軌道簡化為彈性支座上的有限連續(xù)梁,應用有限元方法對鋼軌強度進行力學分析。由監(jiān)測設備測得的軌頭應力之和為253.4 MPa,軌底應力之和為279.7 MPa。

鋼軌的彈性模量為210 GPa,兩根鋼軌對豎直中軸線的慣性矩為1 048 cm4,泊松比為0.3,鋼軌的密度為7.85×103kg/m3,彈簧剛度為3×104kN/m?？刂戚唽υ趩蝹€軌枕兩側的最不利狀態(tài),采用ANSYS軟件對其進行有限元計算,計算結果軟件截圖如圖8所示。由圖8可知,平均鋼軌變形約為0.51 mm,將其與軌枕兩側鋼軌斷裂實時監(jiān)測結果(見圖6)進行對比可知,由實時監(jiān)測獲得的平均鋼軌變形約為0.48 mm,二者變形誤差≤5%,在允許范圍之內,驗證了數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)平臺的準確性與可靠性。

圖8 有限元計算結果軟件截圖

4 結語

本文建立了基于BIM技術的B/S架構數(shù)字孿生仿真平臺,依托城市軌道交通工程項目進行監(jiān)測布置,并結合有限元數(shù)值分析與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對鋼軌斷裂進行實時監(jiān)控與分析?；跀?shù)字孿生仿真平臺及專業(yè)化監(jiān)測技術體系,通過現(xiàn)場設備狀態(tài)實時監(jiān)測、數(shù)字孿生映射和模型計算等技術,實現(xiàn)對設施設備狀態(tài)的提前預判,進而減少故障的發(fā)生,優(yōu)化城市軌道交通的運營效率。

通過孿生數(shù)字仿真平臺讀取監(jiān)測設備的鋼軌承受荷載數(shù)據(jù),將軌道簡化為彈性支座上的有限連續(xù)梁進行有限元計算,實時進行鋼軌狀態(tài)分析及健康狀態(tài)評估,預測鋼軌服役性能長期發(fā)展規(guī)律與實時風險,助力城市軌道交通基礎設施的數(shù)字化轉型和升級。