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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)所坯、多維度的數據信息輔助維護決策盅豁,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,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休雌,通過(guò)直觀(guān)喂酒、多維度的數據信息輔助維護決策昂需,本文以BIM和數字孿生技術(shù)為核心碱垃,采用RESTful架構風(fēng)格和組件化設計模式剿恨,提出鐵路通信實(shí)景維護系統總體架構罩缴。系統基于iTwin服務(wù)诊拦,探討了通信專(zhuān)業(yè)運維期模型的構建灶常、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)體的數字化應用寒锚。設計了BIM實(shí)景展示畔拢、維護管理宝辛、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)維護工作相結合藏础,提升鐵路通信維護工作的數字化借居、智能化程度狠怨,提高維護效率和維護質(zhì)量。
 
  關(guān)鍵詞:鐵路通信国裳;數字孿生趁仙;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,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]统湿,并為此主導成立了鐵路BIM聯(lián)盟珍剑,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、智能算法等多學(xué)科的集成技術(shù)[3]定桃,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。
 
  鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎設施盯漂、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,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、集成度高、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。
 
  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)展階段兢仰,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杉除,無(wú)法實(shí)現狀態(tài)評估茵沾、預警等功能,容易出現設備過(guò)修毅茎、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,數字化坑列、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),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)的課題研究岭妖,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)量戳,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、施工宫屠、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、一體化應用逃铜。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,實(shí)現了鐵路IFC荆执、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(xiàn)采用BIM技術(shù),從原材管理佩厚、混凝土拌制、運輸養護燕雁,到內業(yè)資料整理,實(shí)現全生命周期的信息化管理[12]〕尾剑可以看出,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段徐袱,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)生的海量信息勤裹,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應用向數字化抚垄、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)更新俭奕,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匣站。本文基于iTwin提供的數字孿生解決方案,結合三維BIM模型凛勿、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楼掀、可視化、智能化能力拙荞。
 
  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”耸捞,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。相比于設計圖紙费韭,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)體對象的物理模型勘汛、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)繁多埂陆,接口復雜深下。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贝泞,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钮药。
 
  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)的交互式界面碌卿,以及各種數據的采集、驗證、分析和展示等。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理,數據持久化存儲嗽冒。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣,任務(wù)種類(lèi)繁多淑趾,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)足自身的工作需要寞埠。
 
  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)境搞铃,且不影響與后端的正常通信,本系統采用RESTful架構風(fēng)格倡痛,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)現前后端分離碱垃,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、組件化的形式進(jìn)行封裝帕胆,并根據實(shí)際情況,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)。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)生的設備維護數據必泵;(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)程中峦阁,需要考慮現有設備缸药、系統的數據采集及數據傳輸模式悍己。在設備運行時(shí)灾而,可以通過(guò)網(wǎng)管禁偎、監測等運維支撐管理系統关炼,對通信設備設施狱掂、網(wǎng)絡(luò )資源辱矮、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集苦酱,包括設備的工作狀態(tài)赔嚎、外部環(huán)境條件等照窥;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)行掃描积瞒,或利用RFID(RadioFrequencyIdentification寝触,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。采集到的數據需要按照相關(guān)設備苏章、系統的接口要求闹伪,提取所需的數據躬存,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禀酱,可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)菜嵌、工業(yè)以太網(wǎng)憔儿、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等,構建多協(xié)議封锉、多類(lèi)型融合的信息傳輸網(wǎng)絡(luò )[2]专虎,實(shí)現系統間的數據傳輸昵济。
 
  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、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赡舶,體量小遥端、占用系統資源少、獨立性高搪脯、可移植性強[18]筏惕,為了方便模型文件的讀取黎撤,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]涌臭。
 
  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,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,接入的數據經(jīng)過(guò)識別天许、轉換和整合灭翔,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,并通過(guò)特征提取姚不、聚類(lèi)分析、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,快速定位故障位置,預測故障發(fā)生概率剩辟,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特幔,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程、提高組織管理效率衡听、加強人員及設備的精細化管理鸣剩,對鐵路通信維護工作的決策提供有力支撐尖蚪。
 
  2.3表示層
 
  表示層位于三層架構的最上層丁屎,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)、BIM實(shí)景頁(yè)、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)等叫惊。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平两,為設備維護管理提供設備維護、設備定位帅掘、應急查詢(xún)等一鍵式綜合信息查詢(xún)及處理功能[20]瞎饲,提高鐵路通信維護工作的智能化、數字化水平劣归。
 
  表示層通過(guò)接口獲取應用層輸出的成果信息虽钢。由于業(yè)務(wù)邏輯算法主要集中在應用層窘燎,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朴肺。在BIM實(shí)景頁(yè)标炭,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爬范,展示其物理三維模型、空間位置屹电、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、端口連接關(guān)系等信息捆拔。此外财搁,在設計表示層時(shí),必須考慮不同用戶(hù)的工作性質(zhì)及操作習慣叹卷,引入模塊化、組件化的開(kāi)發(fā)思想和設計模式咱谁,降低模塊間的耦合性厉亏,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)晨溯、iModelBank(模型存儲庫)庵锰、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在數字模型建立茁升、過(guò)程協(xié)作、資產(chǎn)管理等方面的相關(guān)技術(shù)州胳,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燥网,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。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。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
 
  在設計期祷熟,橋梁及房建專(zhuān)業(yè)的設計結果多以實(shí)體形態(tài)為設計標準旅萍,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)體本身调猎。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)涌筑,系統過(guò)載,操作緩慢伞剑。因此,設計期的模型可以不必過(guò)分關(guān)注模型的真實(shí)度袍睡、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,設備外形针炉、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)、準確地開(kāi)展工略,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)性喘落,細化至設備端口級別。
 
  “數字孿生鐵路”概念的出現滔蝉,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询辉,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》挚绳,擬依托酒額鐵路、西十鐵路開(kāi)展數字工程認證試點(diǎn)工作嘉竟,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卡颖。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等標準內容赃份。
 
  3.2模型轉換
 
  為了方便BIM模型的展示及應用蚂子,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)行渲染瀏覽绢彤,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抢子,它可以將dgn、revit、cad挑乓、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”霞险,通過(guò)它可以將項目過(guò)程中的數據記錄下來(lái),使數據可追溯见毒、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坦刀,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、解析和渲染叛溢,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潮针,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)的模型上蹦狂,如線(xiàn)路、橋梁、隧道、房屋等尼袁,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模型體量龐大透拂,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)陶朴,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、地圖數據祭犯、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默刚,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的痊。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)行信息裁剪领跛,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,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争碰,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)信息咏雌,將工程數據栏号、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)景展示亮航、設備智能維護涧架、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)等功能置侍。并在關(guān)鍵系統婶伊、設備的BIM模型上夕免,根據用戶(hù)的崗位和權限廓笨,有選擇地多維度顯示對應物理實(shí)體的工作狀態(tài)螃徐、技術(shù)參數光须、維護歷史涛漂、檢修進(jìn)度等信息曙搬。通過(guò)設備實(shí)時(shí)故障信息刻获,以及對多源數據的智能分析巩那,判斷故障發(fā)生的部位和可能原因暖眼,發(fā)生故障的系統和部件模型以高亮坏瞄、閃爍、消息彈出等方式進(jìn)行報警铡说。三維模型也可直接關(guān)聯(lián)并定位至相關(guān)二維圖紙伯帮、應急管理辦法柳爽、設備維護作業(yè)指導書(shū)等技術(shù)文件压恒。通信實(shí)景維護系統目前以酒額線(xiàn)為測試工程矾泄,圖4展示的是西十高鐵某通信機房的BIM實(shí)景驰觉。
 
 
  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肃刁,并基于二維圖紙和物理實(shí)體班挖,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)景參考嵌牺。
 
  根據設備狀況伤宁、維修項英品、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、儀器儀表等條件纸厉,智能編制年盅安、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。系統根據作業(yè)派發(fā)情況厘擂,通過(guò)BIM實(shí)景中設備模型高亮的方式脑拨,直觀(guān)展示所需維護的具體設備及其空間位置洒忧,并可關(guān)聯(lián)查看相關(guān)技術(shù)資料血洞。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,段、車(chē)間蕉妇、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 )基礎數據任汪、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。
 
 ◆婕簟(2)設備履歷管理
 
  以設備專(zhuān)業(yè)編碼為基礎绩皂,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)沃铣、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、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、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)行篩選整合毅俊,基于特征提取覆厦、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。
 
  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)明青、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,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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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

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柏腻,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武瘟。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,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”匾蚌。數字孿生(DigitalTwin)作為一種充分利用模型、數據、智能算法等多學(xué)科的集成技術(shù)[3]瘸孽,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)體的理解腺晾、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)路崖面、各類(lèi)通信設備的運用、檢修和管理贪婉。傳統的維護管理模式維護成本高、效率低锨咙,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、集成度高巧竖、專(zhuān)業(yè)接口眾多、與行車(chē)安全密切相關(guān)活毅,這就對維護質(zhì)量、維護效率印知、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、可視化控慈、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垒玲,按計劃能榆、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框舔,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、欠修等狀況惧腌。此外捞附,設備維護質(zhì)量受作業(yè)人員技術(shù)水平的影響,易發(fā)生漏檢坑雅、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,數字化噪芭、智能化程度不高围详,與用戶(hù)需求切合不夠緊密搂烁。
 
  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)的概念眠砾,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)品的設計笼裳、制造柴灯、運維等多個(gè)方面写拯,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)的研究及應用优膊。文獻[4]暗苦、[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)行了分析弹旷,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作為信息載體坟躯,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)隔離却汉,實(shí)現工程數據的全過(guò)程碉挠、一體化應用傅蹂。近年來(lái)许师,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)踐秘鳞。中國鐵路BIM聯(lián)盟建立了鐵路BIM標準體系框架阀脾,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)工程旱谐,這些都極大的推動(dòng)了BIM技術(shù)在數字化鐵路中的應用族奢。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應用焚虱,實(shí)現了鐵路IFC窖贤、IFD標準的應用和驗證[11]唉地;在工程建設方面图盖,京張高鐵在全球首次全線(xiàn)采用BIM技術(shù)栅组,從原材管理摔色、混凝土拌制、運輸養護,到內業(yè)資料整理灶鹦,實(shí)現全生命周期的信息化管理[12]盛媚。可以看出,目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設計階段郊片,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)生的海量信息纠屋,在漫長(cháng)的運維階段價(jià)值顯著(zhù)[13]挚惑。因此况鸣,迫切需要加速運維階段的BIM研究退盯,將BIM應用向數字化罚午、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)更新行嗤,從而釋放數字化數據的價(jià)值勋功。
 
  綜上符喝,研究以BIM和數字孿生技術(shù)的實(shí)景維護系統邻吞,是從根本上升級當前鐵路通信維護模式的最佳方案州叠。本文基于iTwin提供的數字孿生解決方案织岁,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)景維護系統溉潭,旨在提高鐵路通信維護的數字化豁惨、可視化、智能化能力喳服。
 
  2系統總體架構
 
  數字孿生,就是根據物理世界的實(shí)體對象感混,創(chuàng )建一個(gè)數字版的“克隆體”袭异。這個(gè)“克隆體”,也被稱(chēng)為“數字孿生體”,它被虛擬的創(chuàng )建在信息化平臺上羽嫡。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)體對象的物理模型崭别、實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件絮记,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腮池,鐵路通信運維數據體系龐大余舶,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。
 
  軟件系統通常分為前端和后端兩大部分[17]窜醉。前端主要包含用戶(hù)的交互式界面嫡澄,以及各種數據的采集、驗證嗜版、分析和展示等候殿。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理,數據持久化存儲习蛮。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣肛冶,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)足自身的工作需要还幅。
 
  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把沼,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,形成表現層址岛、應用層及數據層三層數字化系統架構愁拭。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)際情況夺认,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式茄敲,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,需要考慮現有設備敏瘾、系統的數據采集及數據傳輸模式鳄砸。在設備運行時(shí),可以通過(guò)網(wǎng)管乌奇、監測等運維支撐管理系統,對通信設備設施厕妖、網(wǎng)絡(luò )資源、維護管理過(guò)程等數據進(jìn)行實(shí)時(shí)收集察棘,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都许、二維碼進(jìn)行掃描,或利用RFID(RadioFrequencyIdentification雌秉,無(wú)線(xiàn)射頻識別)等技術(shù)進(jìn)行維修對象信息的識別彩届,例如通過(guò)掃描機柜前端的二維碼圖像,查詢(xún)機柜板件信息朴艰、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,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压储,可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)稀蟋、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等湾蔓,構建多協(xié)議、多類(lèi)型融合的信息傳輸網(wǎng)絡(luò )[2]祭询,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、設備維護數據又憨、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、占用系統資源少、獨立性高堰彻、可移植性強[18],為了方便模型文件的讀取喧半,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)行存儲膨俐,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)布碗殷,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)行交互缠通。
 
  應用層的設計需要考慮預留外部系統數據接入口佳励,接入的數據經(jīng)過(guò)識別、轉換和整合,存入數據庫扰楼。通過(guò)對數據層中的多源異構數據進(jìn)行融合,并通過(guò)特征提取肆良、聚類(lèi)分析、深度學(xué)習等人工智能算法,對融合信息進(jìn)行數據分析和處理韵大,快速定位故障位置,預測故障發(fā)生概率理逊,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,從而優(yōu)化維護作業(yè)流程嗽绑、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怜森。
 
  2.3表示層
 
  表示層位于三層架構的最上層寥闪,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)蜘欲、BIM實(shí)景頁(yè)、設備維護頁(yè)、資源管理頁(yè)懂衩、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叁幢,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]碾点,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。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,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),通過(guò)通信設施設備的數字孿生體帐要,展示其物理三維模型、空間位置、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)滞逼、端口連接關(guān)系等信息。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)及操作習慣扼善,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康嘉,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)、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)羹饰,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模型的基礎上您窒,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。根據iTwin服務(wù)残昔,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。基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景架構如圖2所示脉幢。

  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)為設計標準右测,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。此外闽但,精細度越高的模型裆夕,體量越大,渲染時(shí)間越長(cháng),導致在與建模平臺交互時(shí),系統過(guò)載手霎,操作緩慢咏瑟。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。但在運維期磅崭,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)人員的工作難度救赐。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)管理挨伯,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牌宜。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》,擬依托酒額鐵路净蚤、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)淘衙,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模型的展示及應用余素,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)行格式轉換椎瘟。
 
  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中差炮。iModelBridge類(lèi)似于一個(gè)“數據銀行”拐兼,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挑明,以及各設備模型間的空間耦合約束關(guān)系人芽。iTwin平臺通過(guò)對bim文件進(jìn)行讀取、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庵锰。
 
  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)以及空間位置等丑辖,往往就會(huì )使得BIM模型體量龐大塑荒,在直接加載時(shí)卓嫂,導致服務(wù)器負載過(guò)重湾美,畫(huà)面渲染時(shí)間長(cháng)页甘,拉伸喳杏、旋轉等操作極為卡頓黔绘,無(wú)法正常使用层擦。
 
  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烧论,在用于前端顯示場(chǎng)景模型時(shí)佑力,會(huì )通過(guò)算法進(jìn)行模型的輕量化處理缴馋,提高信息模型的流程性和可用性粒氧,保證前端的渲染速度贬蛙。具體流程為:首先查詢(xún)指定信息模型的瓦片樹(shù)伯终;然后根據顯示參數使用LOD(LevelofDetails损溶,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。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搁突,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]夏植。
 
  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)纜路徑漫游穆乌,模型移動(dòng)等功能俄精。并在關(guān)鍵系統荡担、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蟀瞧、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)景參考伦羹。
 
  根據設備狀況演顾、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、儀器儀表等條件仑妓,智能編制年拾点、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。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、段三級管理币酸,段、車(chē)間、工區(班組)三級維護[22]≈颍基礎數據管理中可以構建符合維護規則的組織架構恐梅、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、設備標準字典爽撒、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)履歷践宴、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)提供幫助栏怕。
 
  4.4應急管理模塊
 
  應急查詢(xún)包含應急預案牲痒、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、儀器儀表修其、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灌揩。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押啡。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帘瞭,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)鍵因素之一懒熙,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、典型事故案例桌肴、技術(shù)文件資料等內容的收集、歸納和總結,形成培訓課程咆畏,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决侈,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、可靠的決策依據膳算,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,提高維護工作效率和維護質(zhì)量欺劳,并為其他相關(guān)研究提供借鑒。
 
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