關鍵詞：鐵路通信；數字孿生；BIM；維護管理；iTwin服務

 

　　中圖分類號：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

 

 

　　2013年，中國鐵路總公司明確將BIM技術作為鐵路工程建設信息化的主要技術發展方向[1]，并為此主導成立了鐵路BIM聯盟，強調“加快BIM技術的推廣和應用，切實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、智能算法等多學科的集成技術[3]，可以在虛擬空間再現通信維護工區場景，并通過采集設施設備的實時數據，連接物理世界和數字世界[4]，從而實現對物理實體的理解、分析和優化。

 

　　鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎設施、線路、各類通信設備的運用、檢修和管理。傳統的維護管理模式維護成本高、效率低，已逐漸無法適應隨著我國鐵路運營里程逐年增長所帶來的通信維護需求。加之鐵路通信專業系統復雜、集成度高、專業接口眾多、與行車安全密切相關，這就對維護質量、維護效率、應急響應速度及職工技能等各個方面都提出了更加嚴格的要求。

 

 

　　我國鐵路通信維護管理手段尚處于“信息化”技術應用的發展階段，數字化、可視化、大數據等技術仍處于探索階段。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、周期性地進行設備檢修工作，缺少對設備信息的跟蹤和應用，無法實現狀態評估、預警等功能，容易出現設備過修、欠修等狀況。此外，設備維護質量受作業人員技術水平的影響，易發生漏檢、錯檢等情況。目前，業內使用的通信維護系統只解決了通信維護管理的局部問題，功能較為單一，數字化、智能化程度不高，與用戶需求切合不夠緊密。

 

　　2011年3月，美國空軍研究實驗室做了題目為“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin（基于狀態的維護、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，實現戰斗機維護的數字化。緊接著，美國通用電氣公司（美國先進制造戰略的主要推手），以及德國西門子公司（德國工業4.0的代表企業）將數字孿生技術視為戰略級技術儲備并開展了相關的課題研究，文獻[6]~[8]分別從產品的設計、制造、運維等多個方面，探索和分析了數字孿生技術，將它用作連接物理世界和數字世界的橋梁。隨后，中國也開始了對數字孿生技術的研究及應用。文獻[4]、[9]分別對數字孿生技術在鐵路動車組運維管理、車站運營管理中的需求進行了分析，確定了數字孿生技術在鐵路運維工作中應用的可行性及優勢。

 

　　BIM作為信息載體，能夠將鐵路工程實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、運維等各階段的業務隔離，實現工程數據的全過程、一體化應用。近年來，隨著計算機硬件設備和軟件技術的快速發展，BIM技術逐步從實驗室走向了工程實踐。中國鐵路BIM聯盟建立了鐵路BIM標準體系框架，編制并發布了《鐵路BIM信息分類和編碼標準》等11項標準和指南，組織了較大規模的BIM試點工程，這些都極大的推動了BIM技術在數字化鐵路中的應用。京沈客專完成了站前多專業BIM協同設計[10]；青島鐵路四電BIM試點項目開展了以四電為主的全專業BIM應用，實現了鐵路IFC、IFD標準的應用和驗證[11]；在工程建設方面，京張高鐵在全球首次全線采用BIM技術，從原材管理、混凝土拌制、運輸養護，到內業資料整理，實現全生命周期的信息化管理[12]?？梢钥闯?，目前的BIM試點主要聚焦在設計階段，然而，BIM技術實施的最大受益應在運營維護階段，設計和建設期產生的海量信息，在漫長的運維階段價值顯著[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、智能化運營維護延伸[14,15]，并借助數字孿生技術，利用多源數據實現BIM模型的動態更新，從而釋放數字化數據的價值。

 

　　綜上，研究以BIM和數字孿生技術的實景維護系統，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，結合三維BIM模型、二維圖紙以及鐵路通信實時狀態參數，研究并設計了鐵路通信實景維護系統，旨在提高鐵路通信維護的數字化、可視化、智能化能力。

 

 

　　數字孿生，就是根據物理世界的實體對象，創建一個數字版的“克隆體”。這個“克隆體”，也被稱為“數字孿生體”，它被虛擬的創建在信息化平臺上。相比于設計圖紙，數字孿生體可實現對實體對象的動態仿真[16]。它將實體對象的物理模型、實時狀態以及外界環境條件，都復現在“孿生體”上，數據種類繁多，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，是實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]。前端主要包含用戶的交互式界面，以及各種數據的采集、驗證、分析和展示等。后端包括業務邏輯處理，數據持久化存儲。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣，任務種類繁多，場景復雜，因此不同的職能部門可能需要不同的前端設備以滿足自身的工作需要。

 

　　為了增加系統的可擴展性，使其能夠滿足多種前端設備所需的不同開發及運行環境，且不影響與后端的正常通信，本系統采用RESTful架構風格，在前端程序和后端程序之間增加了一個服務層，用以實現前后端分離，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，系統可將不同業務以模塊化、組件化的形式進行封裝，并根據實際情況，選擇最優的模塊組裝方式，向不同對象提供精準的業務服務。圖1為鐵路通信實景維護系統總體架構示意圖。

 

 

 

　　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程中的實時信息以及在檢修過程中產生的設備維護數據；（2）數據存儲：針對系統中體量龐大的多源異構數據進行持久化存儲。

 

　　在數據采集過程中，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，可以通過網管、監測等運維支撐管理系統，對通信設備設施、網絡資源、維護管理過程等數據進行實時收集，包括設備的工作狀態、外部環境條件等；在設備檢修過程中，可以利用手持終端對設備條形碼、二維碼進行掃描，或利用RFID（RadioFrequencyIdentification，無線射頻識別）等技術進行維修對象信息的識別，例如通過掃描機柜前端的二維碼圖像，查詢機柜板件信息、槽位信息和相鄰節點網絡情況等。采集到的數據需要按照相關設備、系統的接口要求，提取所需的數據，完成格式轉換和數據清洗，最后傳輸至本系統數據庫中進行存儲。介于鐵路本身的特性，可以通過現場總線、工業以太網、以太網、無線局域網等，構建多協議、多類型融合的信息傳輸網絡[2]，實現系統間的數據傳輸。

 

　　數據庫的設計需要兼顧iTwin服務中的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、字典數據、人員數據等。SQLite是一款開源的小型嵌入式數據庫，體量小、占用系統資源少、獨立性高、可移植性強[18]，為了方便模型文件的讀取，系統選擇SQLite數據庫存儲BIM數據。其他非三維數據選擇SQLServer數據庫進行存儲，它對關系型數據和結構化數據的存儲更有優勢[19]。

 

 

　　應用層主要完成通信維護系統中各業務模塊的邏輯處理，模塊的請求和數據通過WebApi服務的形式對外發布，供表現層調用，同時通過ADO.Net數據庫訪問接口技術與數據庫服務器進行交互。

 

　　應用層的設計需要考慮預留外部系統數據接入口，接入的數據經過識別、轉換和整合，存入數據庫。通過對數據層中的多源異構數據進行融合，并通過特征提取、聚類分析、深度學習等人工智能算法，對融合信息進行數據分析和處理，快速定位故障位置，預測故障發生概率，為最佳維護作業時間及維護周期的制定提供參考依據，從而優化維護作業流程、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。

 

 

　　表示層位于三層架構的最上層，與用戶直接接觸，在通信實景維護系統中即為瀏覽器頁面，包括線路展示頁、BIM實景頁、設備維護頁、資源管理頁、應急查詢頁及員工培訓頁等。旨在實現鐵路通信設備從微觀到宏觀信息的多層次可視化，為設備維護管理提供設備維護、設備定位、應急查詢等一鍵式綜合信息查詢及處理功能[20]，提高鐵路通信維護工作的智能化、數字化水平。

 

　　表示層通過接口獲取應用層輸出的成果信息。由于業務邏輯算法主要集中在應用層，減輕了表示層的運算壓力，使其能夠更專注于頁面的渲染能力和展示效果。在BIM實景頁，基于3D可視化和交互技術，通過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、實時工作狀態、端口連接關系等信息。此外，在設計表示層時，必須考慮不同用戶的工作性質及操作習慣，引入模塊化、組件化的開發思想和設計模式，降低模塊間的耦合性，實現表示層功能的可插拔式設計。

 

 

　　iTwin服務是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）開源開發體系為核心，集成了Bentley在數字模型建立、過程協作、資產管理等方面的相關技術，提供了豐富的數字化服務。iTwin服務集成BIM設計工具和多源數字化工程內容，在3D模型的基礎上，可實現數字孿生的“4D可視化”，即根據項目/資產時間線記錄工程變更信息。根據iTwin服務，本系統研究設計了鐵路通信BIM實景模塊，以支持通信基礎設施在運維階段的數字孿生應用?；趇Twin服務的BIM實景架構如圖2所示。

 

 

 

　　在設計期，橋梁及房建專業的設計結果多以實體形態為設計標準，與之相比，通信專業的設計更加關注設備的邏輯關系而非設備實體本身。此外，精細度越高的模型，體量越大，渲染時間越長，導致在與建模平臺交互時，系統過載，操作緩慢。因此，設計期的模型可以不必過分關注模型的真實度、精細度，能夠示意設計對象即可。但在運維期，由于通信設備廠家眾多，設備外形、功能參差不齊，相應地，維護作業方法也各有不同，這無異于增加了維護作業人員的工作難度。為了充分利用數字孿生設備“所見即所得”的特點，保證運維工作直觀、準確地開展，細化生產管理，維護期的模型構建需要盡可能保證模型的真實性，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。為了提高數字資產創建和交互過程中的規范性和準確性，今年4月，國鐵集團工管中心發布了《關于開展鐵路數字工程認證試點工作的通知》，擬依托酒額鐵路、西十鐵路開展數字工程認證試點工作，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，在創建鐵路通信專業BIM族庫時，應當符合鐵路BIM聯盟制定的鐵路BIM標準體系框架，并包含鐵路IFC、IFD等標準內容。

 

 

　　為了方便BIM模型的展示及應用，使用戶不必在每個客戶端都安裝體量龐大且不易上手的專業建模軟件，可以選擇通過WebGL技術對3D模型在網頁上進行渲染瀏覽，這就需要對構建的數字孿生BIM模型進行格式轉換。

 

　　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類似于一個“數據銀行”，通過它可以將項目過程中的數據記錄下來，使數據可追溯、可信賴。每個bim文件都相當于一個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系。iTwin平臺通過對bim文件進行讀取、解析和渲染，即可實現系統的三維可視化需求。此外，iModelBank通過對bim文件的分布式存儲和變更集同步，使用戶能夠在iTwin平臺上訪問任意版本的模型文件，并可對比查看各版本間的差異。

 

 

　　通信專業屬于鐵路下游專業，設施設備通常需要搭載在其他專業的模型上，如線路、橋梁、隧道、房屋等，在此情況下，如需真實反映通信實體本身的構造信息、連接狀態以及空間位置等，往往就會使得BIM模型體量龐大，在直接加載時，導致服務器負載過重，畫面渲染時間長，拉伸、旋轉等操作極為卡頓，無法正常使用。

 

　　iTwin.js是一套基于WebGL行業3D繪圖標準的開源技術，可以用它實現BIM模型、地圖數據、實景數據融合渲染的三維可視化需求，定義數字孿生業務以及開發應用程序。iTwin.js的可視化功能對于處理大量數據具有高度可伸縮性，在用于前端顯示場景模型時，會通過算法進行模型的輕量化處理，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：首先查詢指定信息模型的瓦片樹；然后根據顯示參數使用LOD（LevelofDetails，多細節層次）等算法進行信息裁剪，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隊列；最后從iTwin服務的iModelBank中加載這些瓦片數據，并通過WebGL實現前端模型場景的渲染。其中，LOD算法是根據模型的節點在顯示環境中所處的位置和重要度，來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]。

 

 

　　基于數字孿生技術的鐵路通信實景維護系統，通過創建通信實體的BIM模型，感知設備現場實時信息，將工程數據、實景數據和物聯網數據融合起來，形成動態持續更新的數字孿生體?；趯底謱\生體的分析和應用，實現BIM實景展示、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。

 

 

 

　　基于iTwin服務的BIM實景模塊可實現通信維護實景的三維展示，距離、面/體積的測量，線纜路徑漫游，模型移動等功能。并在關鍵系統、設備的BIM模型上，根據用戶的崗位和權限，有選擇地多維度顯示對應物理實體的工作狀態、技術參數、維護歷史、檢修進度等信息。通過設備實時故障信息，以及對多源數據的智能分析，判斷故障發生的部位和可能原因，發生故障的系統和部件模型以高亮、閃爍、消息彈出等方式進行報警。三維模型也可直接關聯并定位至相關二維圖紙、應急管理辦法、設備維護作業指導書等技術文件。通信實景維護系統目前以酒額線為測試工程，圖4展示的是西十高鐵某通信機房的BIM實景。

　　圖4通信機房BIM實景

 

 

　　維護管理支持檢修工作計劃編制、作業派發、作業記錄的全過程管理，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體，構建BIM模型，立體展示倉庫的生產布局，為倉庫的布局管理提供實景參考。

 

　　根據設備狀況、維修項、維修天窗作業規定、法定節假日等信息，結合設備空間位置、所需技術力量、儀器儀表等條件，智能編制年、月度初步維護檢修工作計劃，管理人員可根據實際情況進行計劃調整。系統根據作業派發情況，通過BIM實景中設備模型高亮的方式，直觀展示所需維護的具體設備及其空間位置，并可關聯查看相關技術資料。圖6、圖7分別為儀器儀表管理和年度維修計劃展示。

 

 

 

 

　　鐵路通信維護管理工作按分級管理、逐級負責的要求，實行鐵路總公司、鐵路局、段三級管理，段、車間、工區（班組）三級維護[22]?；A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，還包含對通信網絡基礎數據、維修項、設備標準字典、設備廠家等維護基礎數據的管理，為系統實現各業務功能提供底層數據支撐。

 

 

　　以設備專業編碼為基礎，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行管理，建立設備信息檔案庫，匯集設備基本信息（技術參數）、技術履歷、技術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、維修任務派發提供幫助。

 

 

　　應急查詢包含應急預案、應急管理辦法等標準文件的電子化管理和快速查詢，指導應急事件的處置，并將備品備件、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可支配資源的相關信息，提高資源調配速度和應急指揮效率。

 

 

　　智能分析功能通過對系統內的多源異構數據進行篩選整合，基于特征提取、聚類分析、神經網絡等人工智能算法，實現對通信設備臺賬數據的深度挖掘與分析。如應用健康狀態評估模型，基于設備歷史運行狀態和實時工作參數，預測狀態參數的可能變化趨勢，當超出預警閾值時，在BIM實景中給予高亮閃爍預警。智能分析模塊通過設備故障分析、健康狀況分析、人員工作狀態分析等，為后續的維護維修決策提供參考，提高維護工作的針對性。

 

 

　　維護作用人員的技能水平是限制維護效率和維護質量的關鍵因素之一，為此本系統涵蓋了員工培訓模塊。通過對典型維修實例、典型事故案例、技術文件資料等內容的收集、歸納和總結，形成培訓課程，提升維護作業能力。

 

 

　　本文分析了數字孿生及BIM技術在鐵路通信運維管理中的應用，基于iTwin服務平臺，研究并設計了鐵路通信實景維護系統。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、詳盡的信息支撐和準確、可靠的決策依據，以期完善運營維護支撐體系，優化維護修程修制和生產組織，提高維護工作效率和維護質量，并為其他相關研究提供借鑒。

 

 

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