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基于數字孿生的鐵路通信實(shí)景維護系統研究

2024-04-29 來(lái)源: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 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、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刮锹,本文以BIM和數字孿
 
  摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎設施怖绑,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。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畴案,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、智能化程度咬芬,提高維護效率和維護質(zhì)量。
 
  關(guān)鍵詞:鐵路通信;數字孿生呵啊;BIM;維護管理佃姚;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,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”。數字孿生(DigitalTwin)作為一種充分利用模型砂碉、數據碟曲、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],從而實(shí)現對物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化迂账。
 
  鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎設施、線(xiàn)路繁墙、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,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)系統復雜叫乌、集成度高桩盲、專(zhuān)業(yè)接口眾多骇径、與行車(chē)安全密切相關(guān)票虎,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,數字化、可視化、大數據等技術(shù)仍處于探索階段颈代。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(jìn)行設備檢修工作诗羞,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,容易出現設備過(guò)修贺喝、欠修等狀況燥馏。此外,設備維護質(zhì)量受作業(yè)人員技術(shù)水平的影響,易發(fā)生漏檢谎砾、錯檢等情況。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,功能較為單一忙灼,數字化身害、智能化程度不高,與用戶(hù)需求切合不夠緊密。
 
  2011年3月桦罪,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嗦蜀,實(shí)現戰斗機維護的數字化呵糠。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、制造撞反、運維等多個(gè)方面,探索和分析了數字孿生技術(shù),將它用作連接物理世界和數字世界的橋梁叮盲。隨后,中國也開(kāi)始了對數字孿生技術(shù)的研究及應用喧噪。文獻[4]卜壕、[9]分別對數字孿生技術(shù)在鐵路動(dòng)車(chē)組運維管理掐抢、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。
 
  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歌织,打破設計技掏、施工、運維等各階段的業(yè)務(wù)隔離端壳,實(shí)現工程數據的全過(guò)程、一體化應用脏瞬。近年來(lái)始赌,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標準體系框架重贺,編制并發(fā)布了《鐵路BIM信息分類(lèi)和編碼標準》等11項標準和指南逃铜,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七膛。京沈客專(zhuān)完成了站前多專(zhuān)業(yè)BIM協(xié)同設計[10]齐新;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應用徐矩,實(shí)現了鐵路IFC、IFD標準的應用和驗證[11]植袍;在工程建設方面,京張高鐵在全球首次全線(xiàn)采用BIM技術(shù),從原材管理、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]染脉。可以看出萌蜀,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段乞娄,然而,BIM技術(shù)實(shí)施的最大受益應在運營(yíng)維護階段万观,設計和建設期產(chǎn)生的海量信息,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應用向數字化咏连、智能化運營(yíng)維護延伸[14,15],并借助數字孿生技術(shù)而昨,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)值兰的。
 
  綜上破停,研究以BIM和數字孿生技術(shù)的實(shí)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详汗。本文基于iTwin提供的數字孿生解決方案逛镶,結合三維BIM模型、二維圖紙以及鐵路通信實(shí)時(shí)狀態(tài)參數饼酱,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統,旨在提高鐵路通信維護的數字化尸疆、可視化、智能化能力。
 
  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,創(chuàng )建一個(gè)數字版的“克隆體”添履。這個(gè)“克隆體”,也被稱(chēng)為“數字孿生體”距误,它被虛擬的創(chuàng )建在信息化平臺上。相比于設計圖紙枕褂,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)體對象的物理模型材燃、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,接口復雜培尿。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稀轨,構建合理的系統架構,是實(shí)現運維階段數字孿生應用的基礎摧辣。
 
  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(hù)的交互式界面乾翔,以及各種數據的采集、驗證、分析和展示等茸宿。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,因此不同的職能部門(mén)可能需要不同的前端設備以滿(mǎn)足自身的工作需要旭寿。
 
  為了增加系統的可擴展性,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)境碱垛,且不影響與后端的正常通信,本系統采用RESTful架構風(fēng)格裙椭,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)現前后端分離赖涯,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),系統可將不同業(yè)務(wù)以模塊化寥只、組件化的形式進(jìn)行封裝,并根據實(shí)際情況,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式李根,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馅酪。

 
  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)行持久化存儲屹吁。
 
  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制职。在設備運行時(shí),可以通過(guò)網(wǎng)管、監測等運維支撐管理系統晃听,對通信設備設施、網(wǎng)絡(luò )資源、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集崇摄,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)程中谣旨,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,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喇喂,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,完成格式轉換和數據清洗彪笼,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)竖霸、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。
 
  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、設備維護數據蔼如、字典數據、人員數據等。SQLite是一款開(kāi)源的小型嵌入式數據庫,體量小肠牲、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裤浦,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(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]溅逃。
 
  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)布来惧,供表現層調用蝌枫,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羡财,接入的數據經(jīng)過(guò)識別刃爆、轉換和整合饭磕,存入數據庫。通過(guò)對數據層中的多源異構數據進(jìn)行融合几谐,并通過(guò)特征提取局劲、聚類(lèi)分析广柴、深度學(xué)習等人工智能算法,對融合信息進(jìn)行數據分析和處理仿扩,快速定位故障位置款瓜,預測故障發(fā)生概率送丰,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卤赔,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程胳惑、提高組織管理效率捕犬、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了牛。
 
  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)面侯繁,包括線(xiàn)路展示頁(yè)阶牙、BIM實(shí)景頁(yè)拴曲、設備維護頁(yè)、資源管理頁(yè)、應急查詢(xún)頁(yè)及員工培訓頁(yè)等脆翁。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、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]屠等,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蜻蒋。由于業(yè)務(wù)邏輯算法主要集中在應用層荞下,減輕了表示層的運算壓力,使其能夠更專(zhuān)注于頁(yè)面的渲染能力和展示效果乏梁。在BIM實(shí)景頁(yè)圾旨,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,展示其物理三維模型囱晴、空間位置胯绢、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、端口連接關(guān)系等信息。此外,在設計表示層時(shí)牵囤,必須考慮不同用戶(hù)的工作性質(zhì)及操作習慣遵湖,引入模塊化、組件化的開(kāi)發(fā)思想和設計模式,降低模塊間的耦合性隔躲,實(shí)現表示層功能的可插拔式設計惫氓。
 
  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)辩涝、iTwin.js(Web三維可視化技術(shù))開(kāi)源開(kāi)發(fā)體系為核心吆宗,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)启具,提供了豐富的數字化服務(wù)躯嫉。iTwin服務(wù)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(shí)現數字孿生的“4D可視化”华雷,即根據項目/資產(chǎn)時(shí)間線(xiàn)記錄工程變更信息呀净。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将借。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,與之相比阴应,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)體本身煮细。此外,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)苟穆,系統過(guò)載,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)度父森、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(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,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)渐肾,保證運維工作直觀(guān)姥勤、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,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屏箍。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弦讽,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、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没卸。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,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)行格式轉換顿锰。
 
  iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強大的模型格式轉換工具辆它,它可以將dgn、revit蹦玫、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”,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。iTwin平臺通過(guò)對bim文件進(jìn)行讀取夯辖、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,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)擒栖,設施設備通常需要搭載在其他專(zhuān)業(yè)的模型上绎儡,如線(xiàn)路轰网、橋梁、隧道请峡、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,在直接加載時(shí),導致服務(wù)器負載過(guò)重,畫(huà)面渲染時(shí)間長(cháng),拉伸、旋轉等操作極為卡頓硅充,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,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,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,多細節層次)等算法進(jìn)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(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)景的渲染妆俘。其中,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]畅累。
 
  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)景維護系統秃难,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)信息届慈,將工程數據、實(shí)景數據和物聯(lián)網(wǎng)數據融合起來(lái)碍岔,形成動(dòng)態(tài)持續更新的數字孿生體∏诶海基于對數字孿生體的分析和應用,實(shí)現BIM實(shí)景展示舆驶、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)纜路徑漫游棒卷,模型移動(dòng)等功能。并在關(guān)鍵系統萄撇、設備的BIM模型上蜘扫,根據用戶(hù)的崗位和權限独树,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褒谈,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爆宇、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)二維圖紙梳附、應急管理辦法隘截、設備維護作業(yè)指導書(shū)等技術(shù)文件感过。通信實(shí)景維護系統目前以酒額線(xiàn)為測試工程薪秘,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,還包含備品備件眼坏、儀器儀表和工器具的管控霞诲,并基于二維圖紙和物理實(shí)體夺克,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。
 
  根據設備狀況巴又、維修項诗鸭、維修天窗作業(yè)規定、法定節假日等信息,結合設備空間位置断菲、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)行計劃調整大咱。系統根據作業(yè)派發(fā)情況哥迈,通過(guò)BIM實(shí)景中設備模型高亮的方式盯串,直觀(guān)展示所需維護的具體設備及其空間位置胧华,并可關(guān)聯(lián)查看相關(guān)技術(shù)資料蝇狼。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
 
 ∧厶怠(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、鐵路局窖梁、段三級管理溅鞠,段、車(chē)間详拙、工區(班組)三級維護[22]⊥堆睿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、維修項维雇、設備標準字典噪馏、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。
 
 〈摺(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魔种,匯集設備基本信息(技術(shù)參數)彻秆、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帕告,形成一件一檔蕊连,為設備維護計劃編制、維修任務(wù)派發(fā)提供幫助贮匕。
 
  4.4應急管理模塊
 
  應急查詢(xún)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(xún)港排,指導應急事件的處置,并將備品備件功舀、儀器儀表嚣咕、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)分析罩音、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匹饥。如應用健康狀態(tài)評估模型球糊,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)設備故障分析惫搏、健康狀況分析、人員工作狀態(tài)分析等矫肘,為后續的維護維修決策提供參考,提高維護工作的針對性刊篮。
 
  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涌俘。通過(guò)對典型維修實(shí)例、典型事故案例蚌斑、技術(shù)文件資料等內容的收集、歸納和總結抢纹,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我纪,基于iTwin服務(wù)平臺,研究并設計了鐵路通信實(shí)景維護系統渤尸。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解阅,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,優(yōu)化維護修程修制和生產(chǎn)組織渗磅,提高維護工作效率和維護質(zhì)量,并為其他相關(guān)研究提供借鑒树碱。
 
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市場(chǎng)周刊
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

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

 
  摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎設施矮按,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闰袒,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)為核心瞻赶,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。系統基于iTwin服務(wù)碾阁,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)景展示势恋、維護管理、應急查詢(xún)、智能分析等功能模塊,將可視化實(shí)景啸滥、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、智能化程度秒呢,提高維護效率和維護質(zhì)量。
 
  關(guān)鍵詞:鐵路通信;數字孿生役呛;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年砰蠢,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]鞋诗,是構建數字鐵路的必然選擇”姻锁。數字孿生(DigitalTwin)作為一種充分利用模型砸捏、數據、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)景览露,并通過(guò)采集設施設備的實(shí)時(shí)數據镰迹,連接物理世界和數字世界[4]离唐,從而實(shí)現對物理實(shí)體的理解朗玩、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颅网、線(xiàn)路、各類(lèi)通信設備的運用、檢修和管理灿拗。傳統的維護管理模式維護成本高、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)的通信維護需求铛丐。加之鐵路通信專(zhuān)業(yè)系統復雜徒款、集成度高蔬透、專(zhuān)業(yè)接口眾多、與行車(chē)安全密切相關(guān),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盗尸。
 
  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,數字化、可視化、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、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,容易出現設備過(guò)修、欠修等狀況。此外,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。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、智能化程度不高靴苇,與用戶(hù)需求切合不夠緊密决帖。
 
  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),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),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]、[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。
 
  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、運維等各階段的業(yè)務(wù)隔離,實(shí)現工程數據的全過(guò)程龄涂、一體化應用。近年來(lái),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,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應用封豆,實(shí)現了鐵路IFC、IFD標準的應用和驗證[11];在工程建設方面姓斟,京張高鐵在全球首次全線(xiàn)采用BIM技術(shù),從原材管理、混凝土拌制、運輸養護污灿,到內業(yè)資料整理,實(shí)現全生命周期的信息化管理[12]。可以看出鸵贬,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段,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,在漫長(cháng)的運維階段價(jià)值顯著(zhù)[13]。因此具钥,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]堤彩,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。
 
  綜上,研究以BIM和數字孿生技術(shù)的實(shí)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摇疏,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,旨在提高鐵路通信維護的數字化、可視化困鸥、智能化能力。
 
  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,創(chuàng )建一個(gè)數字版的“克隆體”。這個(gè)“克隆體”,也被稱(chēng)為“數字孿生體”娃朦,它被虛擬的創(chuàng )建在信息化平臺上。相比于設計圖紙,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)體對象的物理模型薪妈、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)繁多酗侦,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已球,構建合理的系統架構,是實(shí)現運維階段數字孿生應用的基礎种辕。
 
  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(hù)的交互式界面,以及各種數據的采集、驗證侨艾、分析和展示等。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理婆誓,數據持久化存儲。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣堰串,任務(wù)種類(lèi)繁多,場(chǎng)景復雜均涨,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。
 
  為了增加系統的可擴展性,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)格逻恐,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)現前后端分離审室,形成表現層、應用層及數據層三層數字化系統架構哄糊。如此一來(lái),系統可將不同業(yè)務(wù)以模塊化辆干、組件化的形式進(jìn)行封裝,并根據實(shí)際情況游年,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式,向不同對象提供精準的業(yè)務(wù)服務(wù)啰掏。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,需要考慮現有設備芥吧、系統的數據采集及數據傳輸模式易薄。在設備運行時(shí),可以通過(guò)網(wǎng)管庇鸭、監測等運維支撐管理系統绘咱,對通信設備設施侠胜、網(wǎng)絡(luò )資源、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集淘城,包括設備的工作狀態(tài)、外部環(huán)境條件等驻谆;在設備檢修過(guò)程中诺贫,可以利用手持終端對設備條形碼、二維碼進(jìn)行掃描埋村,或利用RFID(RadioFrequencyIdentification预打,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典矫,查詢(xún)機柜板件信息、槽位信息和相鄰節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )情況等苫费。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,完成格式轉換和數據清洗坡倔,最后傳輸至本系統數據庫中進(jìn)行存儲晤垛。介于鐵路本身的特性腮特,可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)淹冰、以太網(wǎng)蒂胞、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等泣擒,構建多協(xié)議电奥、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誊抛。
 
  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,如工程項目數據俏橘、設備維護數據宅广、字典數據常挚、人員數據等邀窃。SQLite是一款開(kāi)源的小型嵌入式數據庫禀忌,體量小挺勿、占用系統資源少纸淮、獨立性高绊诲、可移植性強[18]灿里,為了方便模型文件的讀取够庙,系統選擇SQLite數據庫存儲BIM數據季牵。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]针史。
 
  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,供表現層調用炉峰,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亡榜,接入的數據經(jīng)過(guò)識別望遇、轉換和整合宇妇,存入數據庫忱叭。通過(guò)對數據層中的多源異構數據進(jìn)行融合检缩,并通過(guò)特征提取论熙、聚類(lèi)分析熊锭、深度學(xué)習等人工智能算法菌秘,對融合信息進(jìn)行數據分析和處理忽浓,快速定位故障位置,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棋枕,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程江滨、提高組織管理效率井辆、加強人員及設備的精細化管理碴厂,對鐵路通信維護工作的決策提供有力支撐阱墩。
 
  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)湾戳、BIM實(shí)景頁(yè)吉挎、設備維護頁(yè)、資源管理頁(yè)、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,為設備維護管理提供設備維護纷凸、設備定位沐虐、應急查詢(xún)等一鍵式綜合信息查詢(xún)及處理功能[20]趾代,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躺屁。由于業(yè)務(wù)邏輯算法主要集中在應用層瓢姻,減輕了表示層的運算壓力铐向,使其能夠更專(zhuān)注于頁(yè)面的渲染能力和展示效果四乱。在BIM實(shí)景頁(yè),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,展示其物理三維模型、空間位置、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)滴词、端口連接關(guān)系等信息疮丛。此外,在設計表示層時(shí)祖淌,必須考慮不同用戶(hù)的工作性質(zhì)及操作習慣艘嗤,引入模塊化渴肿、組件化的開(kāi)發(fā)思想和設計模式,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捕捂。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)體系為核心碎节,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),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,在3D模型的基礎上盈赃,可實(shí)現數字孿生的“4D可視化”况脆,即根據項目/資產(chǎn)時(shí)間線(xiàn)記錄工程變更信息皿淋。根據iTwin服務(wù),本系統研究設計了鐵路通信BIM實(shí)景模塊踩脓,以支持通信基礎設施在運維階段的數字孿生應用揖膜。基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構如圖2所示社醒。

  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。此外,精細度越高的模型宙枷,體量越大,渲染時(shí)間越長(cháng)莫瞬,導致在與建模平臺交互時(shí),系統過(guò)載币砂,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斧瞒。但在運維期,由于通信設備廠(chǎng)家眾多芝香,設備外形、功能參差不齊砚尽,相應地,維護作業(yè)方法也各有不同岖寞,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)展土居,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)性允便,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(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、西十鐵路開(kāi)展數字工程認證試點(diǎn)工作死姚,并以四電工程為先導,建立鐵路數字工程認證體系赞拼,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蛀恩、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)建模軟件朝蜘,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。
 
  iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強大的模型格式轉換工具耸袜,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”幸缕,通過(guò)它可以將項目過(guò)程中的數據記錄下來(lái),使數據可追溯东六、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也犯,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)行讀取跋件、解析和渲染,即可實(shí)現系統的三維可視化需求。此外彼硫,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代乃,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)路唠摹、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,在直接加載時(shí)宿崭,導致服務(wù)器負載過(guò)重,畫(huà)面渲染時(shí)間長(cháng),拉伸挑童、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)拗家,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垂睬,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)核漠,會(huì )通過(guò)算法進(jìn)行模型的輕量化處理,提高信息模型的流程性和可用性易震,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,多細節層次)等算法進(jìn)行信息裁剪拨小,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缤暇,并通過(guò)WebGL實(shí)現前端模型場(chǎng)景的渲染。其中,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鳖谈,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模型而柑,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邮屁】睿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分较。系統主要功能模塊如圖3所示骤凑。

 
  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)等功能莹宁。并在關(guān)鍵系統朦纫、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)度等信息记餐。通過(guò)設備實(shí)時(shí)故障信息湃渔,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)行報警栏蝙。三維模型也可直接關(guān)聯(lián)并定位至相關(guān)二維圖紙凫爱、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)景粹湃。
 
 
  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惰衬、作業(yè)派發(fā)满败、作業(yè)記錄的全過(guò)程管理茴萧,還包含備品備件昏段、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、維修項猬蕉、維修天窗作業(yè)規定擂找、法定節假日等信息吴攒,結合設備空間位置蜀撑、所需技術(shù)力量内贮、儀器儀表等條件踏拜,智能編制年坛善、月度初步維護檢修工作計劃总处,管理人員可根據實(shí)際情況進(jìn)行計劃調整。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)資料屉韧。圖6、圖7分別為儀器儀表管理和年度維修計劃展示钱反。

 
  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茂悟、逐級負責的要求秘噪,實(shí)行鐵路總公司湖员、鐵路局、段三級管理,段、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。
 
 ∮焦洹(2)設備履歷管理
 
  以設備專(zhuān)業(yè)編碼為基礎充屉,生命周期健康管理為目標朱监,對鐵路通信基礎設施設備重要件進(jìn)行管理鹃觉,建立設備信息檔案庫,匯集設備基本信息(技術(shù)參數)薇榨、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)包含應急預案咙恕、應急管理辦法等標準文件的電子化管理和快速查詢(xún)搂缎,指導應急事件的處置挺智,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(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,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、健康狀況分析爪锚、人員工作狀態(tài)分析等嚷堡,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、典型事故案例附观、技術(shù)文件資料等內容的收集莱衍、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见拴,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)維護支撐體系抒肯,優(yōu)化維護修程修制和生產(chǎn)組織斑宴,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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