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基于數字孿生的鐵路通信實(shí)景維護系統研究 (軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中鐵一院) 西安,710043)

2023-09-18 來(lái)源: 作者:劉宸榮
本文摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎設施,是保障鐵路運輸安全教叽、提高效率的重要工具辑蛔。為方便通信維護人員全面掌握設備運維狀況,通過(guò)直觀(guān)、多維度的數據信息輔助維護決策,
  摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎設施,是保障鐵路運輸安全、提高效率的重要工具。為方便通信維護人員全面掌握設備運維狀況,通過(guò)直觀(guān)、多維度的數據信息輔助維護決策,本文以BIM和數字孿生技術(shù)為核心奈株,采用RESTful架構風(fēng)格和組件化設計模式舱卡,提出鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構。系統基于iTwin服務(wù),探討了通信專(zhuān)業(yè)運維期模型的構建、模型格式的轉換及輕量化展示等問(wèn)題抢坯,構建了BIM實(shí)景架構,最終實(shí)現鐵路通信實(shí)體的數字化應用。設計了BIM實(shí)景展示、維護管理、應急查詢(xún)、智能分析等功能模塊,將可視化實(shí)景、多源數據采集融合與通信專(zhuān)業(yè)維護工作相結合该抒,提升鐵路通信維護工作的數字化旬城、智能化程度,提高維護效率和維護質(zhì)量。
 
  關(guān)鍵詞:鐵路通信;數字孿生;BIM;維護管理;iTwin服務(wù)
 
  中圖分類(lèi)號:U282文獻標識碼:A文章編號:
 
  ResearchonLiveMaintenanceSystemforRailwayCommunication
 
  BasedonDigitalTwin
 
  Abstract:RailwayCommunicationisanessentialinfrastructureofrailway,whichisanimportanttooltoensurethesafetyandimproveefficiencyofrailwaytransportation.Inordertofacilitatethecommunicationmaintenancepersonneltofullybeawareoftheequipmentoperationandmaintenancestatus,throughintuitiveandmulti-dimensionalinformationtoassistmaintenancedecision-making,thispapertookBIManddigitaltwinasthecoretechnology,adoptedRESTfularchitecturestyleandcomponentdesignmode,andputforwardtheoverallarchitectureofRailwayCommunicationrealscenemaintenancesystem.BasedoniTwinservice,thesystemdiscussedsomeissuesoftheoperationandmaintenanceperiod,aboutthemodelconstruction,conversionandlightweightdisplay,constructedtheBIMlivearchitecture,andfinallyrealizedthedigitalapplicationofRailwayCommunicationentity.Additionally,thissystemdesignedBIMlivedisplay,maintenancemanagement,emergencyquery,intelligentanalysisandotherfunctionalmodules,andcombinedvisualrealscene,multi-sourcedataacquisitionandfusionwiththeprofessionalmaintenanceofcommunication,soastoimprovethedigitalizationandintelligenceofRailwayCommunicationmaintenance,improvethemaintenanceefficiencyandquality.
 
  Keywords:railwaycommunication;digitaltwin;BIM;maintenancemanagement;iTwinservice
 
  0引言
 
  2013年揣囚,中國鐵路總公司明確將BIM技術(shù)作為鐵路工程建設信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向[1]萨赁,并為此主導成立了鐵路BIM聯(lián)盟,強調“加快BIM技術(shù)的推廣和應用,切實(shí)抓好建設模型向運維模型的移交和運用[2],是構建數字鐵路的必然選擇”。數字孿生(DigitalTwin)作為一種充分利用模型、數據童春、智能算法等多學(xué)科的集成技術(shù)[3]禽忧,可以在虛擬空間再現通信維護工區場(chǎng)景,并通過(guò)采集設施設備的實(shí)時(shí)數據,連接物理世界和數字世界[4],從而實(shí)現對物理實(shí)體的理解重歌、分析和優(yōu)化。
 
  鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎設施、線(xiàn)路、各類(lèi)通信設備的運用、檢修和管理。傳統的維護管理模式維護成本高、效率低桐扒,已逐漸無(wú)法適應隨著(zhù)我國鐵路運營(yíng)里程逐年增長(cháng)所帶來(lái)的通信維護需求座姊。加之鐵路通信專(zhuān)業(yè)系統復雜、集成度高、專(zhuān)業(yè)接口眾多、與行車(chē)安全密切相關(guān)鹿磕,這就對維護質(zhì)量、維護效率、應急響應速度及職工技能等各個(gè)方面都提出了更加嚴格的要求。
 
  1現狀
 
  我國鐵路通信維護管理手段尚處于“信息化”技術(shù)應用的發(fā)展階段进登,數字化、可視化曲掰、大數據等技術(shù)仍處于探索階段。鐵路通信維護仍然采用定期檢修和故障維修的模式,根據鐵路通信設備維護規范,按計劃镇肛、周期性地進(jìn)行設備檢修工作,缺少對設備信息的跟蹤和應用,無(wú)法實(shí)現狀態(tài)評估、預警等功能茧搭,容易出現設備過(guò)修、欠修等狀況。此外面哥,設備維護質(zhì)量受作業(yè)人員技術(shù)水平的影響,易發(fā)生漏檢、錯檢等情況切轨。目前,業(yè)內使用的通信維護系統只解決了通信維護管理的局部問(wèn)題,功能較為單一,數字化剃则、智能化程度不高,與用戶(hù)需求切合不夠緊密。
 
  2011年3月,美國空軍研究實(shí)驗室做了題目為“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin(基于狀態(tài)的維護、結構完整性及機身的數字孿生)”的演講[5],首次明確提出了數字孿生(DigitalTwin)的概念,希望構建戰斗機數字孿生體,實(shí)現戰斗機維護的數字化。緊接著(zhù)埋酬,美國通用電氣公司(美國先進(jìn)制造戰略的主要推手),以及德國西門(mén)子公司(德國工業(yè)4.0的代表企業(yè))將數字孿生技術(shù)視為戰略級技術(shù)儲備并開(kāi)展了相關(guān)的課題研究,文獻[6]~[8]分別從產(chǎn)品的設計、制造、運維等多個(gè)方面,探索和分析了數字孿生技術(shù)贩懈,將它用作連接物理世界和數字世界的橋梁。隨后,中國也開(kāi)始了對數字孿生技術(shù)的研究及應用泵中。文獻[4]、[9]分別對數字孿生技術(shù)在鐵路動(dòng)車(chē)組運維管理、車(chē)站運營(yíng)管理中的需求進(jìn)行了分析,確定了數字孿生技術(shù)在鐵路運維工作中應用的可行性及優(yōu)勢憨黔。
 
  BIM作為信息載體,能夠將鐵路工程實(shí)體全生命周期內的有效信息都集成在統一的模型中,打破設計、施工站伙、運維等各階段的業(yè)務(wù)隔離,實(shí)現工程數據的全過(guò)程叮肋、一體化應用。近年來(lái)询件,隨著(zhù)計算機硬件設備和軟件技術(shù)的快速發(fā)展,BIM技術(shù)逐步從實(shí)驗室走向了工程實(shí)踐。中國鐵路BIM聯(lián)盟建立了鐵路BIM標準體系框架,編制并發(fā)布了《鐵路BIM信息分類(lèi)和編碼標準》等11項標準和指南剔辐,組織了較大規模的BIM試點(diǎn)工程,這些都極大的推動(dòng)了BIM技術(shù)在數字化鐵路中的應用。京沈客專(zhuān)完成了站前多專(zhuān)業(yè)BIM協(xié)同設計[10];青島鐵路四電BIM試點(diǎn)項目開(kāi)展了以四電為主的全專(zhuān)業(yè)BIM應用,實(shí)現了鐵路IFC陷舅、IFD標準的應用和驗證[11];在工程建設方面宋欺,京張高鐵在全球首次全線(xiàn)采用BIM技術(shù),從原材管理缸逃、混凝土拌制、運輸養護,到內業(yè)資料整理,實(shí)現全生命周期的信息化管理[12]》裳拢可以看出,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段铛嘱,然而纠脚,BIM技術(shù)實(shí)施的最大受益應在運營(yíng)維護階段,設計和建設期產(chǎn)生的海量信息荚虚,在漫長(cháng)的運維階段價(jià)值顯著(zhù)[13]。因此吁系,迫切需要加速運維階段的BIM研究,將BIM應用向數字化、智能化運營(yíng)維護延伸[14,15],并借助數字孿生技術(shù),利用多源數據實(shí)現BIM模型的動(dòng)態(tài)更新,從而釋放數字化數據的價(jià)值茴迁。
 
  綜上,研究以BIM和數字孿生技術(shù)的實(shí)景維護系統毡证,是從根本上升級當前鐵路通信維護模式的最佳方案。本文基于iTwin提供的數字孿生解決方案李狼,結合三維BIM模型她粮、二維圖紙以及鐵路通信實(shí)時(shí)狀態(tài)參數,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統玫芦,旨在提高鐵路通信維護的數字化庞湃、可視化窍钧、智能化能力钧沟。
 
  2系統總體架構
 
  數字孿生,就是根據物理世界的實(shí)體對象段悴,創(chuàng )建一個(gè)數字版的“克隆體”。這個(gè)“克隆體”亚茬,也被稱(chēng)為“數字孿生體”,它被虛擬的創(chuàng )建在信息化平臺上管宵。相比于設計圖紙埃脏,數字孿生體可實(shí)現對實(shí)體對象的動(dòng)態(tài)仿真[16]。它將實(shí)體對象的物理模型、實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件,都復現在“孿生體”上,數據種類(lèi)繁多吆你,接口復雜蟹陨。再加上設計及施工期數據的積累悼枫,鐵路通信運維數據體系龐大妥权,構建合理的系統架構岔呜,是實(shí)現運維階段數字孿生應用的基礎。
 
  軟件系統通常分為前端和后端兩大部分[17]圣猎。前端主要包含用戶(hù)的交互式界面洞味,以及各種數據的采集李确、驗證最爬、分析和展示等入篮。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理译荞,數據持久化存儲肾寡。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣驱偿,任務(wù)種類(lèi)繁多榛开,場(chǎng)景復雜吉恍,因此不同的職能部門(mén)可能需要不同的前端設備以滿(mǎn)足自身的工作需要还最。
 
  為了增加系統的可擴展性掀嚼,使其能夠滿(mǎn)足多種前端設備所需的不同開(kāi)發(fā)及運行環(huán)境,且不影響與后端的正常通信,本系統采用RESTful架構風(fēng)格,在前端程序和后端程序之間增加了一個(gè)服務(wù)層橙藐,用以實(shí)現前后端分離,形成表現層、應用層及數據層三層數字化系統架構。如此一來(lái)高每,系統可將不同業(yè)務(wù)以模塊化妒治、組件化的形式進(jìn)行封裝烤句,并根據實(shí)際情況娶耍,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式条稍,向不同對象提供精準的業(yè)務(wù)服務(wù)工殖。圖1為鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構示意圖。

 
  圖1鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構
 
  2.1數據層
 
  數據層設計主要考慮兩部分內容:(1)數據采集:包括通信設備在運行過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息以及在檢修過(guò)程中產(chǎn)生的設備維護數據;(2)數據存儲:針對系統中體量龐大的多源異構數據進(jìn)行持久化存儲呜即。
 
  在數據采集過(guò)程中,需要考慮現有設備、系統的數據采集及數據傳輸模式。在設備運行時(shí)匕伶,可以通過(guò)網(wǎng)管值舌、監測等運維支撐管理系統,對通信設備設施须斥、網(wǎng)絡(luò )資源碑云、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集箍鼓,包括設備的工作狀態(tài)、外部環(huán)境條件等;在設備檢修過(guò)程中,可以利用手持終端對設備條形碼、二維碼進(jìn)行掃描谐鼎,或利用RFID(RadioFrequencyIdentification蓝爪,無(wú)線(xiàn)射頻識別)等技術(shù)進(jìn)行維修對象信息的識別看疙,例如通過(guò)掃描機柜前端的二維碼圖像碴厂,查詢(xún)機柜板件信息、槽位信息和相鄰節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )情況等。采集到的數據需要按照相關(guān)設備、系統的接口要求,提取所需的數據促驶,完成格式轉換和數據清洗,最后傳輸至本系統數據庫中進(jìn)行存儲。介于鐵路本身的特性,可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)具被、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等,構建多協(xié)議、多類(lèi)型融合的信息傳輸網(wǎng)絡(luò )[2],實(shí)現系統間的數據傳輸券犁。
 
  數據庫的設計需要兼顧iTwin服務(wù)中的BIM三維模型數據及其他非三維數據,如工程項目數據、設備維護數據吩症、字典數據哑回、人員數據等。SQLite是一款開(kāi)源的小型嵌入式數據庫筒主,體量小、占用系統資源少光总、獨立性高砰琢、可移植性強[18],為了方便模型文件的讀取常遂,系統選擇SQLite數據庫存儲BIM數據酷卖。其他非三維數據選擇SQLServer數據庫進(jìn)行存儲,它對關(guān)系型數據和結構化數據的存儲更有優(yōu)勢[19]。
 
  2.2應用層
 
  應用層主要完成通信維護系統中各業(yè)務(wù)模塊的邏輯處理,模塊的請求和數據通過(guò)WebApi服務(wù)的形式對外發(fā)布姓赤,供表現層調用,同時(shí)通過(guò)ADO.Net數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口技術(shù)與數據庫服務(wù)器進(jìn)行交互。
 
  應用層的設計需要考慮預留外部系統數據接入口摄息,接入的數據經(jīng)過(guò)識別臭觉、轉換和整合,存入數據庫弦途。通過(guò)對數據層中的多源異構數據進(jìn)行融合,并通過(guò)特征提取童监、聚類(lèi)分析零勃、深度學(xué)習等人工智能算法,對融合信息進(jìn)行數據分析和處理留满,快速定位故障位置,預測故障發(fā)生概率淀歇,為最佳維護作業(yè)時(shí)間及維護周期的制定提供參考依據连载,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程、提高組織管理效率、加強人員及設備的精細化管理,對鐵路通信維護工作的決策提供有力支撐恰日。
 
  2.3表示層
 
  表示層位于三層架構的最上層痒钝,與用戶(hù)直接接觸,在通信實(shí)景維護系統中即為瀏覽器頁(yè)面陡鹃,包括線(xiàn)路展示頁(yè)、BIM實(shí)景頁(yè)番又、設備維護頁(yè)、資源管理頁(yè)仆铅、應急查詢(xún)頁(yè)及員工培訓頁(yè)等幔憋。旨在實(shí)現鐵路通信設備從微觀(guān)到宏觀(guān)信息的多層次可視化,為設備維護管理提供設備維護假丧、設備定位、應急查詢(xún)等一鍵式綜合信息查詢(xún)及處理功能[20]余塔,提高鐵路通信維護工作的智能化、數字化水平制顺。
 
  表示層通過(guò)接口獲取應用層輸出的成果信息忍坷。由于業(yè)務(wù)邏輯算法主要集中在應用層,減輕了表示層的運算壓力然评,使其能夠更專(zhuān)注于頁(yè)面的渲染能力和展示效果。在BIM實(shí)景頁(yè)盐碱,基于3D可視化和交互技術(shù),通過(guò)通信設施設備的數字孿生體嘶炭,展示其物理三維模型、空間位置纠徘、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、端口連接關(guān)系等信息巴俯。此外,在設計表示層時(shí),必須考慮不同用戶(hù)的工作性質(zhì)及操作習慣,引入模塊化、組件化的開(kāi)發(fā)思想和設計模式聘贴,降低模塊間的耦合性,實(shí)現表示層功能的可插拔式設計厅地。
 
  3基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構
 
  iTwin服務(wù)是Bentley公司基于數字孿生需求提出的數字孿生解決方案。它以iModelBridge(模型格式轉換)、iModelBank(模型存儲庫)、iTwin.js(Web三維可視化技術(shù))開(kāi)源開(kāi)發(fā)體系為核心,集成了Bentley在數字模型建立、過(guò)程協(xié)作、資產(chǎn)管理等方面的相關(guān)技術(shù)坚惧,提供了豐富的數字化服務(wù)。iTwin服務(wù)集成BIM設計工具和多源數字化工程內容缤缝,在3D模型的基礎上,可實(shí)現數字孿生的“4D可視化”闭荸,即根據項目/資產(chǎn)時(shí)間線(xiàn)記錄工程變更信息。根據iTwin服務(wù)苛败,本系統研究設計了鐵路通信BIM實(shí)景模塊,以支持通信基礎設施在運維階段的數字孿生應用厂汗。基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構如圖2所示。

 
  圖2基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構
 
  3.1BIM模型構建
 
  在設計期,橋梁及房建專(zhuān)業(yè)的設計結果多以實(shí)體形態(tài)為設計標準,與之相比,通信專(zhuān)業(yè)的設計更加關(guān)注設備的邏輯關(guān)系而非設備實(shí)體本身淫肋。此外,精細度越高的模型,體量越大浩习,渲染時(shí)間越長(cháng),導致在與建模平臺交互時(shí),系統過(guò)載酌妖,操作緩慢。因此,設計期的模型可以不必過(guò)分關(guān)注模型的真實(shí)度、精細度,能夠示意設計對象即可烛芬。但在運維期,由于通信設備廠(chǎng)家眾多,設備外形蕴轨、功能參差不齊,相應地,維護作業(yè)方法也各有不同,這無(wú)異于增加了維護作業(yè)人員的工作難度。為了充分利用數字孿生設備“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn),保證運維工作直觀(guān)抗滥、準確地開(kāi)展,細化生產(chǎn)管理,維護期的模型構建需要盡可能保證模型的真實(shí)性粉绘,細化至設備端口級別。
 
  “數字孿生鐵路”概念的出現磅崭,對鐵路工程的數字化程度提出了更高的要求。為了提高數字資產(chǎn)創(chuàng )建和交互過(guò)程中的規范性和準確性,今年4月妙毫,國鐵集團工管中心發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展鐵路數字工程認證試點(diǎn)工作的通知》,擬依托酒額鐵路贰筹、西十鐵路開(kāi)展數字工程認證試點(diǎn)工作,并以四電工程為先導,建立鐵路數字工程認證體系糖追,其中就包括了對四電工程BIM模型的檢驗檢測工作。因此,在創(chuàng )建鐵路通信專(zhuān)業(yè)BIM族庫時(shí),應當符合鐵路BIM聯(lián)盟制定的鐵路BIM標準體系框架,并包含鐵路IFC、IFD等標準內容。
 
  3.2模型轉換
 
  為了方便BIM模型的展示及應用,使用戶(hù)不必在每個(gè)客戶(hù)端都安裝體量龐大且不易上手的專(zhuān)業(yè)建模軟件祭玉,可以選擇通過(guò)WebGL技術(shù)對3D模型在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行渲染瀏覽,這就需要對構建的數字孿生BIM模型進(jìn)行格式轉換口箭。
 
  iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強大的模型格式轉換工具,它可以將dgn、revit、cad冲杀、ifc等多種類(lèi)型的數據格式轉換成統一的bim格式文件,并存儲在iModelBank中。iModelBridge類(lèi)似于一個(gè)“數據銀行”仔戈,通過(guò)它可以將項目過(guò)程中的數據記錄下來(lái),使數據可追溯、可信賴(lài)。每個(gè)bim文件都相當于一個(gè)SQLite文件型數據庫囤梯,能夠最大限度的保留模型的幾何信息與非幾何屬性,以及各設備模型間的空間耦合約束關(guān)系。iTwin平臺通過(guò)對bim文件進(jìn)行讀取肆捕、解析和渲染,即可實(shí)現系統的三維可視化需求。此外,iModelBank通過(guò)對bim文件的分布式存儲和變更集同步烧锋,使用戶(hù)能夠在iTwin平臺上訪(fǎng)問(wèn)任意版本的模型文件,并可對比查看各版本間的差異。
 
  3.3模型展示
 
  通信專(zhuān)業(yè)屬于鐵路下游專(zhuān)業(yè)圃副,設施設備通常需要搭載在其他專(zhuān)業(yè)的模型上,如線(xiàn)路、橋梁、隧道跪悼、房屋等之沦,在此情況下决圣,如需真實(shí)反映通信實(shí)體本身的構造信息、連接狀態(tài)以及空間位置等,往往就會(huì )使得BIM模型體量龐大,在直接加載時(shí),導致服務(wù)器負載過(guò)重县昂,畫(huà)面渲染時(shí)間長(cháng),拉伸、旋轉等操作極為卡頓,無(wú)法正常使用。
 
  iTwin.js是一套基于WebGL行業(yè)3D繪圖標準的開(kāi)源技術(shù),可以用它實(shí)現BIM模型、地圖數據、實(shí)景數據融合渲染的三維可視化需求欢瞪,定義數字孿生業(yè)務(wù)以及開(kāi)發(fā)應用程序。iTwin.js的可視化功能對于處理大量數據具有高度可伸縮性,在用于前端顯示場(chǎng)景模型時(shí),會(huì )通過(guò)算法進(jìn)行模型的輕量化處理郊框,提高信息模型的流程性和可用性,保證前端的渲染速度。具體流程為:首先查詢(xún)指定信息模型的瓦片樹(shù);然后根據顯示參數使用LOD(LevelofDetails滋箫,多細節層次)等算法進(jìn)行信息裁剪沼绞,以確定當前需要請求加載的瓦片,并將這些請求放入異步任務(wù)隊列;最后從iTwin服務(wù)的iModelBank中加載這些瓦片數據,并通過(guò)WebGL實(shí)現前端模型場(chǎng)景的渲染。其中杜恰,LOD算法是根據模型的節點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度,來(lái)決定物體渲染的資源分配,降低非重要物體的面數和細節數,從而獲得高效率的渲染計算[21]。
 
  4功能模塊設計及應用
 
  基于數字孿生技術(shù)的鐵路通信實(shí)景維護系統,通過(guò)創(chuàng )建通信實(shí)體的BIM模型,感知設備現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息孕索,將工程數據凌停、實(shí)景數據和物聯(lián)網(wǎng)數據融合起來(lái)忱壤,形成動(dòng)態(tài)持續更新的數字孿生體农肌±寰伲基于對數字孿生體的分析和應用,實(shí)現BIM實(shí)景展示、設備智能維護挂滓、智能分析預警等功能栽惶。系統主要功能模塊如圖3所示媒埃。

 
  圖3通信實(shí)景維護系統功能模塊
 
  4.1BIM實(shí)景展示模塊
 
  基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景模塊可實(shí)現通信維護實(shí)景的三維展示,距離、面/體積的測量,線(xiàn)纜路徑漫游,模型移動(dòng)等功能。并在關(guān)鍵系統能盈、設備的BIM模型上拴驮,根據用戶(hù)的崗位和權限,有選擇地多維度顯示對應物理實(shí)體的工作狀態(tài)、技術(shù)參數鲜映、維護歷史池粘、檢修進(jìn)度等信息。通過(guò)設備實(shí)時(shí)故障信息,以及對多源數據的智能分析,判斷故障發(fā)生的部位和可能原因胁澳,發(fā)生故障的系統和部件模型以高亮贞绳、閃爍、消息彈出等方式進(jìn)行報警。三維模型也可直接關(guān)聯(lián)并定位至相關(guān)二維圖紙乾爆、應急管理辦法、設備維護作業(yè)指導書(shū)等技術(shù)文件。通信實(shí)景維護系統目前以酒額線(xiàn)為測試工程多望,圖4展示的是西十高鐵某通信機房的BIM實(shí)景锉墓。

  圖4通信機房BIM實(shí)景
 
  4.2維護管理模塊
 
  維護管理支持檢修工作計劃編制、作業(yè)派發(fā)、作業(yè)記錄的全過(guò)程管理,還包含備品備件、儀器儀表和工器具的管控,并基于二維圖紙和物理實(shí)體,構建BIM模型,立體展示倉庫的生產(chǎn)布局,為倉庫的布局管理提供實(shí)景參考。
 
  根據設備狀況莫切、維修項、維修天窗作業(yè)規定、法定節假日等信息,結合設備空間位置、所需技術(shù)力量、儀器儀表等條件,智能編制年、月度初步維護檢修工作計劃,管理人員可根據實(shí)際情況進(jìn)行計劃調整琢喷。系統根據作業(yè)派發(fā)情況,通過(guò)BIM實(shí)景中設備模型高亮的方式,直觀(guān)展示所需維護的具體設備及其空間位置炮姑,并可關(guān)聯(lián)查看相關(guān)技術(shù)資料级案。圖6、圖7分別為儀器儀表管理和年度維修計劃展示。
 
  圖6儀器儀表管理

  圖7年度維修計劃
 
  4.3資源管理模塊
 
 〕氨尽(1)基礎數據管理
 
  鐵路通信維護管理工作按分級管理嚣潜、逐級負責的要求,實(shí)行鐵路總公司、鐵路局、段三級管理窗嘱,段蛋昙、車(chē)間、工區(班組)三級維護[22]。基礎數據管理中可以構建符合維護規則的組織架構、人員配置和權限管控,還包含對通信網(wǎng)絡(luò )基礎數據、維修項、設備標準字典、設備廠(chǎng)家等維護基礎數據的管理,為系統實(shí)現各業(yè)務(wù)功能提供底層數據支撐。
 
  (2)設備履歷管理
 
  以設備專(zhuān)業(yè)編碼為基礎,生命周期健康管理為目標,對鐵路通信基礎設施設備重要件進(jìn)行管理,建立設備信息檔案庫,匯集設備基本信息(技術(shù)參數)、技術(shù)履歷、技術(shù)資料及設備模型等全生命周期要素數據,形成一件一檔,為設備維護計劃編制、維修任務(wù)派發(fā)提供幫助。
 
  4.4應急管理模塊
 
  應急查詢(xún)包含應急預案台谊、應急管理辦法等標準文件的電子化管理和快速查詢(xún)径露,指導應急事件的處置,并將備品備件盯廊、儀器儀表、工器具、人力資源等以報表的形式展示,方便通信維管理人員在緊急情況下快速獲取各類(lèi)可支配資源的相關(guān)信息,提高資源調配速度和應急指揮效率。
 
  4.5智能分析模塊
 
  智能分析功能通過(guò)對系統內的多源異構數據進(jìn)行篩選整合蝶您,基于特征提取、聚類(lèi)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等人工智能算法,實(shí)現對通信設備臺賬數據的深度挖掘與分析。如應用健康狀態(tài)評估模型,基于設備歷史運行狀態(tài)和實(shí)時(shí)工作參數,預測狀態(tài)參數的可能變化趨勢,當超出預警閾值時(shí),在BIM實(shí)景中給予高亮閃爍預警。智能分析模塊通過(guò)設備故障分析、健康狀況分析、人員工作狀態(tài)分析等,為后續的維護維修決策提供參考,提高維護工作的針對性鼓乱。
 
  4.6員工培訓模塊
 
  維護作用人員的技能水平是限制維護效率和維護質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,為此本系統涵蓋了員工培訓模塊。通過(guò)對典型維修實(shí)例、典型事故案例、技術(shù)文件資料等內容的收集、歸納和總結,形成培訓課程,提升維護作業(yè)能力。
 
  5結語(yǔ)
 
  本文分析了數字孿生及BIM技術(shù)在鐵路通信運維管理中的應用,基于iTwin服務(wù)平臺,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統。該系統嘗試將數字孿生體應用于鐵路通信的日常維護管理工作中,以實(shí)景方式展示維護內容,盡可能地為通信維護管理工作提供直觀(guān)、詳盡的信息支撐和準確、可靠的決策依據,以期完善運營(yíng)維護支撐體系胯咳,優(yōu)化維護修程修制和生產(chǎn)組織锤扣,提高維護工作效率和維護質(zhì)量,并為其他相關(guān)研究提供借鑒程帕。
 
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市場(chǎng)周刊
2024-04
出刊日期:2024-04
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總481期
出刊日期:(2014 07 08)
出刊周期:每周
 
 
 
 

基于數字孿生的鐵路通信實(shí)景維護系統研究

  摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎設施捶倦,是保障鐵路運輸安全、提高效率的重要工具。為方便通信維護人員全面掌握設備運維狀況,通過(guò)直觀(guān)、多維度的數據信息輔助維護決策,本文以BIM和數字孿生技術(shù)為核心,采用RESTful架構風(fēng)格和組件化設計模式,提出鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構超棚。系統基于iTwin服務(wù),探討了通信專(zhuān)業(yè)運維期模型的構建、模型格式的轉換及輕量化展示等問(wèn)題,構建了BIM實(shí)景架構,最終實(shí)現鐵路通信實(shí)體的數字化應用。設計了BIM實(shí)景展示、維護管理、應急查詢(xún)、智能分析等功能模塊,將可視化實(shí)景、多源數據采集融合與通信專(zhuān)業(yè)維護工作相結合,提升鐵路通信維護工作的數字化、智能化程度,提高維護效率和維護質(zhì)量。

 
  關(guān)鍵詞:鐵路通信;數字孿生;BIM;維護管理;iTwin服務(wù)
 
  中圖分類(lèi)號:U282文獻標識碼:A文章編號:
 
  ResearchonLiveMaintenanceSystemforRailwayCommunication
 
  BasedonDigitalTwin
 
  Abstract:RailwayCommunicationisanessentialinfrastructureofrailway,whichisanimportanttooltoensurethesafetyandimproveefficiencyofrailwaytransportation.Inordertofacilitatethecommunicationmaintenancepersonneltofullybeawareoftheequipmentoperationandmaintenancestatus,throughintuitiveandmulti-dimensionalinformationtoassistmaintenancedecision-making,thispapertookBIManddigitaltwinasthecoretechnology,adoptedRESTfularchitecturestyleandcomponentdesignmode,andputforwardtheoverallarchitectureofRailwayCommunicationrealscenemaintenancesystem.BasedoniTwinservice,thesystemdiscussedsomeissuesoftheoperationandmaintenanceperiod,aboutthemodelconstruction,conversionandlightweightdisplay,constructedtheBIMlivearchitecture,andfinallyrealizedthedigitalapplicationofRailwayCommunicationentity.Additionally,thissystemdesignedBIMlivedisplay,maintenancemanagement,emergencyquery,intelligentanalysisandotherfunctionalmodules,andcombinedvisualrealscene,multi-sourcedataacquisitionandfusionwiththeprofessionalmaintenanceofcommunication,soastoimprovethedigitalizationandintelligenceofRailwayCommunicationmaintenance,improvethemaintenanceefficiencyandquality.
 
  Keywords:railwaycommunication;digitaltwin;BIM;maintenancemanagement;iTwinservice
 
  0引言
 
  2013年绘证,中國鐵路總公司明確將BIM技術(shù)作為鐵路工程建設信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向[1],并為此主導成立了鐵路BIM聯(lián)盟,強調“加快BIM技術(shù)的推廣和應用,切實(shí)抓好建設模型向運維模型的移交和運用[2],是構建數字鐵路的必然選擇”牌烹。數字孿生(DigitalTwin)作為一種充分利用模型、數據秫腿、智能算法等多學(xué)科的集成技術(shù)[3],可以在虛擬空間再現通信維護工區場(chǎng)景,并通過(guò)采集設施設備的實(shí)時(shí)數據,連接物理世界和數字世界[4]心潦,從而實(shí)現對物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化浩悉。
 
  鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎設施、線(xiàn)路、各類(lèi)通信設備的運用荔毕、檢修和管理。傳統的維護管理模式維護成本高越玷、效率低,已逐漸無(wú)法適應隨著(zhù)我國鐵路運營(yíng)里程逐年增長(cháng)所帶來(lái)的通信維護需求。加之鐵路通信專(zhuān)業(yè)系統復雜含茁、集成度高、專(zhuān)業(yè)接口眾多啡氢、與行車(chē)安全密切相關(guān),這就對維護質(zhì)量稠歉、維護效率、應急響應速度及職工技能等各個(gè)方面都提出了更加嚴格的要求裹丽。
 
  1現狀
 
  我國鐵路通信維護管理手段尚處于“信息化”技術(shù)應用的發(fā)展階段鸳兽,數字化亡旱、可視化、大數據等技術(shù)仍處于探索階段挠说。鐵路通信維護仍然采用定期檢修和故障維修的模式,根據鐵路通信設備維護規范虎坠,按計劃、周期性地進(jìn)行設備檢修工作遂赠,缺少對設備信息的跟蹤和應用,無(wú)法實(shí)現狀態(tài)評估桨挂、預警等功能逞宇,容易出現設備過(guò)修、欠修等狀況尉利。此外员串,設備維護質(zhì)量受作業(yè)人員技術(shù)水平的影響,易發(fā)生漏檢湃望、錯檢等情況三坪。目前纲凰,業(yè)內使用的通信維護系統只解決了通信維護管理的局部問(wèn)題,功能較為單一蚁葬,數字化、智能化程度不高,與用戶(hù)需求切合不夠緊密。
 
  2011年3月,美國空軍研究實(shí)驗室做了題目為“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin(基于狀態(tài)的維護、結構完整性及機身的數字孿生)”的演講[5],首次明確提出了數字孿生(DigitalTwin)的概念算芯,希望構建戰斗機數字孿生體晓栗,實(shí)現戰斗機維護的數字化。緊接著(zhù),美國通用電氣公司(美國先進(jìn)制造戰略的主要推手),以及德國西門(mén)子公司(德國工業(yè)4.0的代表企業(yè))將數字孿生技術(shù)視為戰略級技術(shù)儲備并開(kāi)展了相關(guān)的課題研究,文獻[6]~[8]分別從產(chǎn)品的設計、制造批贴、運維等多個(gè)方面阶冈,探索和分析了數字孿生技術(shù)厘着,將它用作連接物理世界和數字世界的橋梁。隨后,中國也開(kāi)始了對數字孿生技術(shù)的研究及應用。文獻[4]晕斥、[9]分別對數字孿生技術(shù)在鐵路動(dòng)車(chē)組運維管理、車(chē)站運營(yíng)管理中的需求進(jìn)行了分析幽钢,確定了數字孿生技術(shù)在鐵路運維工作中應用的可行性及優(yōu)勢。
 
  BIM作為信息載體抵代,能夠將鐵路工程實(shí)體全生命周期內的有效信息都集成在統一的模型中,打破設計、施工、運維等各階段的業(yè)務(wù)隔離骗村,實(shí)現工程數據的全過(guò)程快欺、一體化應用冈在。近年來(lái)污淋,隨著(zhù)計算機硬件設備和軟件技術(shù)的快速發(fā)展再弊,BIM技術(shù)逐步從實(shí)驗室走向了工程實(shí)踐。中國鐵路BIM聯(lián)盟建立了鐵路BIM標準體系框架不皆,編制并發(fā)布了《鐵路BIM信息分類(lèi)和編碼標準》等11項標準和指南,組織了較大規模的BIM試點(diǎn)工程,這些都極大的推動(dòng)了BIM技術(shù)在數字化鐵路中的應用。京沈客專(zhuān)完成了站前多專(zhuān)業(yè)BIM協(xié)同設計[10];青島鐵路四電BIM試點(diǎn)項目開(kāi)展了以四電為主的全專(zhuān)業(yè)BIM應用勾吩,實(shí)現了鐵路IFC畸促、IFD標準的應用和驗證[11]屡以;在工程建設方面摩幔,京張高鐵在全球首次全線(xiàn)采用BIM技術(shù)秧风,從原材管理官脓、混凝土拌制掸校、運輸養護,到內業(yè)資料整理,實(shí)現全生命周期的信息化管理[12]绅踪。可以看出,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段牵观,然而,BIM技術(shù)實(shí)施的最大受益應在運營(yíng)維護階段,設計和建設期產(chǎn)生的海量信息俏吉,在漫長(cháng)的運維階段價(jià)值顯著(zhù)[13]。因此,迫切需要加速運維階段的BIM研究,將BIM應用向數字化、智能化運營(yíng)維護延伸[14,15],并借助數字孿生技術(shù)招惜,利用多源數據實(shí)現BIM模型的動(dòng)態(tài)更新玄柏,從而釋放數字化數據的價(jià)值优床。
 
  綜上慨亲,研究以BIM和數字孿生技術(shù)的實(shí)景維護系統幻碱,是從根本上升級當前鐵路通信維護模式的最佳方案叹放。本文基于iTwin提供的數字孿生解決方案伟葫,結合三維BIM模型、二維圖紙以及鐵路通信實(shí)時(shí)狀態(tài)參數,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統逆趣,旨在提高鐵路通信維護的數字化膛画、可視化、智能化能力虑凑。
 
  2系統總體架構
 
  數字孿生,就是根據物理世界的實(shí)體對象虾标,創(chuàng )建一個(gè)數字版的“克隆體”胧华。這個(gè)“克隆體”,也被稱(chēng)為“數字孿生體”,它被虛擬的創(chuàng )建在信息化平臺上余佛。相比于設計圖紙定歧,數字孿生體可實(shí)現對實(shí)體對象的動(dòng)態(tài)仿真[16]怔赤。它將實(shí)體對象的物理模型、實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件,都復現在“孿生體”上,數據種類(lèi)繁多,接口復雜。再加上設計及施工期數據的積累,鐵路通信運維數據體系龐大,構建合理的系統架構炼剥,是實(shí)現運維階段數字孿生應用的基礎吹害。
 
  軟件系統通常分為前端和后端兩大部分[17]雳灾。前端主要包含用戶(hù)的交互式界面唉箩,以及各種數據的采集、驗證落蝙、分析和展示等。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理,數據持久化存儲。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣,任務(wù)種類(lèi)繁多,場(chǎng)景復雜竿贪,因此不同的職能部門(mén)可能需要不同的前端設備以滿(mǎn)足自身的工作需要向甘。
 
  為了增加系統的可擴展性唱捣,使其能夠滿(mǎn)足多種前端設備所需的不同開(kāi)發(fā)及運行環(huán)境歉眷,且不影響與后端的正常通信,本系統采用RESTful架構風(fēng)格,在前端程序和后端程序之間增加了一個(gè)服務(wù)層,用以實(shí)現前后端分離,形成表現層、應用層及數據層三層數字化系統架構征懈。如此一來(lái),系統可將不同業(yè)務(wù)以模塊化、組件化的形式進(jìn)行封裝,并根據實(shí)際情況吐优,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式侮捷,向不同對象提供精準的業(yè)務(wù)服務(wù)。圖1為鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構示意圖。

 
  圖1鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構
 
  2.1數據層
 
  數據層設計主要考慮兩部分內容:(1)數據采集:包括通信設備在運行過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息以及在檢修過(guò)程中產(chǎn)生的設備維護數據;(2)數據存儲:針對系統中體量龐大的多源異構數據進(jìn)行持久化存儲。
 
  在數據采集過(guò)程中,需要考慮現有設備黑祖、系統的數據采集及數據傳輸模式赵椰。在設備運行時(shí),可以通過(guò)網(wǎng)管滥酥、監測等運維支撐管理系統,對通信設備設施割卖、網(wǎng)絡(luò )資源、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集城年,包括設備的工作狀態(tài)、外部環(huán)境條件等蝠骡;在設備檢修過(guò)程中,可以利用手持終端對設備條形碼、二維碼進(jìn)行掃描,或利用RFID(RadioFrequencyIdentification贡珊,無(wú)線(xiàn)射頻識別)等技術(shù)進(jìn)行維修對象信息的識別,例如通過(guò)掃描機柜前端的二維碼圖像,查詢(xún)機柜板件信息、槽位信息和相鄰節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )情況等粱负。采集到的數據需要按照相關(guān)設備、系統的接口要求醋禾,提取所需的數據,完成格式轉換和數據清洗吸心,最后傳輸至本系統數據庫中進(jìn)行存儲。介于鐵路本身的特性堂肚,可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)苹召、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等橡说,構建多協(xié)議、多類(lèi)型融合的信息傳輸網(wǎng)絡(luò )[2]庶崩,實(shí)現系統間的數據傳輸。
 
  數據庫的設計需要兼顧iTwin服務(wù)中的BIM三維模型數據及其他非三維數據,如工程項目數據、設備維護數據吓揪、字典數據、人員數據等默徘。SQLite是一款開(kāi)源的小型嵌入式數據庫,體量小、占用系統資源少湾美、獨立性高、可移植性強[18]蘸腾,為了方便模型文件的讀取,系統選擇SQLite數據庫存儲BIM數據刃纽。其他非三維數據選擇SQLServer數據庫進(jìn)行存儲,它對關(guān)系型數據和結構化數據的存儲更有優(yōu)勢[19]胯舷。
 
  2.2應用層
 
  應用層主要完成通信維護系統中各業(yè)務(wù)模塊的邏輯處理盈喘,模塊的請求和數據通過(guò)WebApi服務(wù)的形式對外發(fā)布,供表現層調用贰逾,同時(shí)通過(guò)ADO.Net數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口技術(shù)與數據庫服務(wù)器進(jìn)行交互笼糙。
 
  應用層的設計需要考慮預留外部系統數據接入口,接入的數據經(jīng)過(guò)識別容为、轉換和整合,存入數據庫。通過(guò)對數據層中的多源異構數據進(jìn)行融合躲积,并通過(guò)特征提取、聚類(lèi)分析、深度學(xué)習等人工智能算法界篷,對融合信息進(jìn)行數據分析和處理,快速定位故障位置腹备,預測故障發(fā)生概率,為最佳維護作業(yè)時(shí)間及維護周期的制定提供參考依據索廊,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程、提高組織管理效率、加強人員及設備的精細化管理求晶,對鐵路通信維護工作的決策提供有力支撐。
 
  2.3表示層
 
  表示層位于三層架構的最上層,與用戶(hù)直接接觸,在通信實(shí)景維護系統中即為瀏覽器頁(yè)面,包括線(xiàn)路展示頁(yè)苍磷、BIM實(shí)景頁(yè)、設備維護頁(yè)、資源管理頁(yè)昌崩、應急查詢(xún)頁(yè)及員工培訓頁(yè)等。旨在實(shí)現鐵路通信設備從微觀(guān)到宏觀(guān)信息的多層次可視化慨聪,為設備維護管理提供設備維護、設備定位、應急查詢(xún)等一鍵式綜合信息查詢(xún)及處理功能[20],提高鐵路通信維護工作的智能化、數字化水平。
 
  表示層通過(guò)接口獲取應用層輸出的成果信息诲敲。由于業(yè)務(wù)邏輯算法主要集中在應用層,減輕了表示層的運算壓力樱哼,使其能夠更專(zhuān)注于頁(yè)面的渲染能力和展示效果。在BIM實(shí)景頁(yè),基于3D可視化和交互技術(shù)颂鸿,通過(guò)通信設施設備的數字孿生體,展示其物理三維模型、空間位置、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)国象、端口連接關(guān)系等信息。此外,在設計表示層時(shí)寻僧,必須考慮不同用戶(hù)的工作性質(zhì)及操作習慣,引入模塊化、組件化的開(kāi)發(fā)思想和設計模式袜晌,降低模塊間的耦合性,實(shí)現表示層功能的可插拔式設計。
 
  3基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構
 
  iTwin服務(wù)是Bentley公司基于數字孿生需求提出的數字孿生解決方案。它以iModelBridge(模型格式轉換)、iModelBank(模型存儲庫)锌瓤、iTwin.js(Web三維可視化技術(shù))開(kāi)源開(kāi)發(fā)體系為核心,集成了Bentley在數字模型建立、過(guò)程協(xié)作穗慕、資產(chǎn)管理等方面的相關(guān)技術(shù),提供了豐富的數字化服務(wù)。iTwin服務(wù)集成BIM設計工具和多源數字化工程內容局嘁,在3D模型的基礎上,可實(shí)現數字孿生的“4D可視化”,即根據項目/資產(chǎn)時(shí)間線(xiàn)記錄工程變更信息蕴节。根據iTwin服務(wù),本系統研究設計了鐵路通信BIM實(shí)景模塊,以支持通信基礎設施在運維階段的數字孿生應用◇胺基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構如圖2所示。

 
  圖2基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構
 
  3.1BIM模型構建
 
  在設計期杂穷,橋梁及房建專(zhuān)業(yè)的設計結果多以實(shí)體形態(tài)為設計標準,與之相比,通信專(zhuān)業(yè)的設計更加關(guān)注設備的邏輯關(guān)系而非設備實(shí)體本身僧诚。此外抽谤,精細度越高的模型,體量越大,渲染時(shí)間越長(cháng),導致在與建模平臺交互時(shí)男梆,系統過(guò)載摩凛,操作緩慢。因此,設計期的模型可以不必過(guò)分關(guān)注模型的真實(shí)度、精細度,能夠示意設計對象即可驻右。但在運維期鄙颈,由于通信設備廠(chǎng)家眾多,設備外形、功能參差不齊,相應地,維護作業(yè)方法也各有不同胀垃,這無(wú)異于增加了維護作業(yè)人員的工作難度。為了充分利用數字孿生設備“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn),保證運維工作直觀(guān)、準確地開(kāi)展,細化生產(chǎn)管理勿她,維護期的模型構建需要盡可能保證模型的真實(shí)性,細化至設備端口級別。
 
  “數字孿生鐵路”概念的出現,對鐵路工程的數字化程度提出了更高的要求困乒。為了提高數字資產(chǎn)創(chuàng )建和交互過(guò)程中的規范性和準確性,今年4月,國鐵集團工管中心發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展鐵路數字工程認證試點(diǎn)工作的通知》,擬依托酒額鐵路袋励、西十鐵路開(kāi)展數字工程認證試點(diǎn)工作,并以四電工程為先導,建立鐵路數字工程認證體系,其中就包括了對四電工程BIM模型的檢驗檢測工作。因此,在創(chuàng )建鐵路通信專(zhuān)業(yè)BIM族庫時(shí)惯吕,應當符合鐵路BIM聯(lián)盟制定的鐵路BIM標準體系框架,并包含鐵路IFC、IFD等標準內容。
 
  3.2模型轉換
 
  為了方便BIM模型的展示及應用罚斗,使用戶(hù)不必在每個(gè)客戶(hù)端都安裝體量龐大且不易上手的專(zhuān)業(yè)建模軟件,可以選擇通過(guò)WebGL技術(shù)對3D模型在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行渲染瀏覽,這就需要對構建的數字孿生BIM模型進(jìn)行格式轉換尺锚。
 
  iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強大的模型格式轉換工具,它可以將dgn、revit、cad、ifc等多種類(lèi)型的數據格式轉換成統一的bim格式文件,并存儲在iModelBank中。iModelBridge類(lèi)似于一個(gè)“數據銀行”疚脐,通過(guò)它可以將項目過(guò)程中的數據記錄下來(lái),使數據可追溯、可信賴(lài)。每個(gè)bim文件都相當于一個(gè)SQLite文件型數據庫,能夠最大限度的保留模型的幾何信息與非幾何屬性,以及各設備模型間的空間耦合約束關(guān)系洋满。iTwin平臺通過(guò)對bim文件進(jìn)行讀取酱症、解析和渲染揉检,即可實(shí)現系統的三維可視化需求。此外,iModelBank通過(guò)對bim文件的分布式存儲和變更集同步,使用戶(hù)能夠在iTwin平臺上訪(fǎng)問(wèn)任意版本的模型文件,并可對比查看各版本間的差異。
 
  3.3模型展示
 
  通信專(zhuān)業(yè)屬于鐵路下游專(zhuān)業(yè),設施設備通常需要搭載在其他專(zhuān)業(yè)的模型上,如線(xiàn)路、橋梁、隧道、房屋等,在此情況下,如需真實(shí)反映通信實(shí)體本身的構造信息、連接狀態(tài)以及空間位置等,往往就會(huì )使得BIM模型體量龐大囱悴,在直接加載時(shí),導致服務(wù)器負載過(guò)重扒寄,畫(huà)面渲染時(shí)間長(cháng)涯冠,拉伸伤提、旋轉等操作極為卡頓驶赏,無(wú)法正常使用锁右。
 
  iTwin.js是一套基于WebGL行業(yè)3D繪圖標準的開(kāi)源技術(shù),可以用它實(shí)現BIM模型、地圖數據、實(shí)景數據融合渲染的三維可視化需求,定義數字孿生業(yè)務(wù)以及開(kāi)發(fā)應用程序。iTwin.js的可視化功能對于處理大量數據具有高度可伸縮性,在用于前端顯示場(chǎng)景模型時(shí)随象,會(huì )通過(guò)算法進(jìn)行模型的輕量化處理糟袁,提高信息模型的流程性和可用性弥虐,保證前端的渲染速度雅采。具體流程為:首先查詢(xún)指定信息模型的瓦片樹(shù)常柄;然后根據顯示參數使用LOD(LevelofDetails氯疆,多細節層次)等算法進(jìn)行信息裁剪每药,以確定當前需要請求加載的瓦片菌硅,并將這些請求放入異步任務(wù)隊列图仓;最后從iTwin服務(wù)的iModelBank中加載這些瓦片數據官槐,并通過(guò)WebGL實(shí)現前端模型場(chǎng)景的渲染裕再。其中砸抛,LOD算法是根據模型的節點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度谭泞,來(lái)決定物體渲染的資源分配廉级,降低非重要物體的面數和細節數横进,從而獲得高效率的渲染計算[21]月褥。
 
  4功能模塊設計及應用
 
  基于數字孿生技術(shù)的鐵路通信實(shí)景維護系統,通過(guò)創(chuàng )建通信實(shí)體的BIM模型,感知設備現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息,將工程數據、實(shí)景數據和物聯(lián)網(wǎng)數據融合起來(lái),形成動(dòng)態(tài)持續更新的數字孿生體。基于對數字孿生體的分析和應用,實(shí)現BIM實(shí)景展示、設備智能維護、智能分析預警等功能。系統主要功能模塊如圖3所示。

 
  圖3通信實(shí)景維護系統功能模塊
 
  4.1BIM實(shí)景展示模塊
 
  基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景模塊可實(shí)現通信維護實(shí)景的三維展示,距離、面/體積的測量,線(xiàn)纜路徑漫游,模型移動(dòng)等功能酷抚。并在關(guān)鍵系統凳忙、設備的BIM模型上,根據用戶(hù)的崗位和權限,有選擇地多維度顯示對應物理實(shí)體的工作狀態(tài)、技術(shù)參數、維護歷史、檢修進(jìn)度等信息。通過(guò)設備實(shí)時(shí)故障信息,以及對多源數據的智能分析,判斷故障發(fā)生的部位和可能原因,發(fā)生故障的系統和部件模型以高亮、閃爍、消息彈出等方式進(jìn)行報警。三維模型也可直接關(guān)聯(lián)并定位至相關(guān)二維圖紙、應急管理辦法、設備維護作業(yè)指導書(shū)等技術(shù)文件。通信實(shí)景維護系統目前以酒額線(xiàn)為測試工程,圖4展示的是西十高鐵某通信機房的BIM實(shí)景。

  圖4通信機房BIM實(shí)景
 
  4.2維護管理模塊
 
  維護管理支持檢修工作計劃編制、作業(yè)派發(fā)、作業(yè)記錄的全過(guò)程管理,還包含備品備件、儀器儀表和工器具的管控,并基于二維圖紙和物理實(shí)體,構建BIM模型,立體展示倉庫的生產(chǎn)布局,為倉庫的布局管理提供實(shí)景參考。
 
  根據設備狀況、維修項猛忙、維修天窗作業(yè)規定、法定節假日等信息,結合設備空間位置、所需技術(shù)力量、儀器儀表等條件,智能編制年、月度初步維護檢修工作計劃慈奔,管理人員可根據實(shí)際情況進(jìn)行計劃調整傻当。系統根據作業(yè)派發(fā)情況,通過(guò)BIM實(shí)景中設備模型高亮的方式,直觀(guān)展示所需維護的具體設備及其空間位置,并可關(guān)聯(lián)查看相關(guān)技術(shù)資料。圖6、圖7分別為儀器儀表管理和年度維修計劃展示。
 
  圖6儀器儀表管理

  圖7年度維修計劃
 
  4.3資源管理模塊
 
  (1)基礎數據管理
 
  鐵路通信維護管理工作按分級管理、逐級負責的要求,實(shí)行鐵路總公司、鐵路局、段三級管理猪孵,段、車(chē)間、工區(班組)三級維護[22]∑粤妫基礎數據管理中可以構建符合維護規則的組織架構、人員配置和權限管控,還包含對通信網(wǎng)絡(luò )基礎數據、維修項、設備標準字典祭芦、設備廠(chǎng)家等維護基礎數據的管理,為系統實(shí)現各業(yè)務(wù)功能提供底層數據支撐。
 
  (2)設備履歷管理
 
  以設備專(zhuān)業(yè)編碼為基礎,生命周期健康管理為目標,對鐵路通信基礎設施設備重要件進(jìn)行管理,建立設備信息檔案庫,匯集設備基本信息(技術(shù)參數)飞瓤、技術(shù)履歷、技術(shù)資料及設備模型等全生命周期要素數據,形成一件一檔,為設備維護計劃編制、維修任務(wù)派發(fā)提供幫助莱沛。
 
  4.4應急管理模塊
 
  應急查詢(xún)包含應急預案殖赏、應急管理辦法等標準文件的電子化管理和快速查詢(xún),指導應急事件的處置,并將備品備件、儀器儀表钩火、工器具、人力資源等以報表的形式展示,方便通信維管理人員在緊急情況下快速獲取各類(lèi)可支配資源的相關(guān)信息,提高資源調配速度和應急指揮效率。
 
  4.5智能分析模塊
 
  智能分析功能通過(guò)對系統內的多源異構數據進(jìn)行篩選整合,基于特征提取、聚類(lèi)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等人工智能算法略至,實(shí)現對通信設備臺賬數據的深度挖掘與分析。如應用健康狀態(tài)評估模型,基于設備歷史運行狀態(tài)和實(shí)時(shí)工作參數,預測狀態(tài)參數的可能變化趨勢,當超出預警閾值時(shí)锨耸,在BIM實(shí)景中給予高亮閃爍預警。智能分析模塊通過(guò)設備故障分析、健康狀況分析、人員工作狀態(tài)分析等归萝,為后續的維護維修決策提供參考,提高維護工作的針對性。
 
  4.6員工培訓模塊
 
  維護作用人員的技能水平是限制維護效率和維護質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,為此本系統涵蓋了員工培訓模塊。通過(guò)對典型維修實(shí)例、典型事故案例粉比、技術(shù)文件資料等內容的收集、歸納和總結,形成培訓課程抠楔,提升維護作業(yè)能力。
 
  5結語(yǔ)
 
  本文分析了數字孿生及BIM技術(shù)在鐵路通信運維管理中的應用拓酵,基于iTwin服務(wù)平臺,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統。該系統嘗試將數字孿生體應用于鐵路通信的日常維護管理工作中讽拌,以實(shí)景方式展示維護內容,盡可能地為通信維護管理工作提供直觀(guān)、詳盡的信息支撐和準確纬虾、可靠的決策依據,以期完善運營(yíng)維護支撐體系,優(yōu)化維護修程修制和生產(chǎn)組織则娇,提高維護工作效率和維護質(zhì)量,并為其他相關(guān)研究提供借鑒。
 
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