關(guān)鍵詞：鐵路通信；數(shù)字孿生；BIM；維護(hù)管理；iTwin服務(wù)

 

　　中圖分類號(hào)：U282文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

 

　　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(shù)作為鐵路工程建設(shè)信息化的主要技術(shù)發(fā)展方向[1]，并為此主導(dǎo)成立了鐵路BIM聯(lián)盟，強(qiáng)調(diào)“加快BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用，切實(shí)抓好建設(shè)模型向運(yùn)維模型的移交和運(yùn)用[2]，是構(gòu)建數(shù)字鐵路的必然選擇”。數(shù)字孿生（DigitalTwin）作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、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(xiàn)通信維護(hù)工區(qū)場(chǎng)景，并通過采集設(shè)施設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，連接物理世界和數(shù)字世界[4]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化。

 

　　鐵路通信維護(hù)工作主要包含對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施、線路、各類通信設(shè)備的運(yùn)用、檢修和管理。傳統(tǒng)的維護(hù)管理模式維護(hù)成本高、效率低，已逐漸無法適應(yīng)隨著我國鐵路運(yùn)營里程逐年增長所帶來的通信維護(hù)需求。加之鐵路通信專業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高、專業(yè)接口眾多、與行車安全密切相關(guān)，這就對(duì)維護(hù)質(zhì)量、維護(hù)效率、應(yīng)急響應(yīng)速度及職工技能等各個(gè)方面都提出了更加嚴(yán)格的要求。

 

 

　　我國鐵路通信維護(hù)管理手段尚處于“信息化”技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展階段，數(shù)字化、可視化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)仍處于探索階段。鐵路通信維護(hù)仍然采用定期檢修和故障維修的模式，根據(jù)鐵路通信設(shè)備維護(hù)規(guī)范，按計(jì)劃、周期性地進(jìn)行設(shè)備檢修工作，缺少對(duì)設(shè)備信息的跟蹤和應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估、預(yù)警等功能，容易出現(xiàn)設(shè)備過修、欠修等狀況。此外，設(shè)備維護(hù)質(zhì)量受作業(yè)人員技術(shù)水平的影響，易發(fā)生漏檢、錯(cuò)檢等情況。目前，業(yè)內(nèi)使用的通信維護(hù)系統(tǒng)只解決了通信維護(hù)管理的局部問題，功能較為單一，數(shù)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(shí)驗(yàn)室做了題目為“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin（基于狀態(tài)的維護(hù)、結(jié)構(gòu)完整性及機(jī)身的數(shù)字孿生）”的演講[5]，首次明確提出了數(shù)字孿生（DigitalTwin）的概念，希望構(gòu)建戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)的數(shù)字化。緊接著，美國通用電氣公司（美國先進(jìn)制造戰(zhàn)略的主要推手），以及德國西門子公司（德國工業(yè)4.0的代表企業(yè)）將數(shù)字孿生技術(shù)視為戰(zhàn)略級(jí)技術(shù)儲(chǔ)備并開展了相關(guān)的課題研究，文獻(xiàn)[6]~[8]分別從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等多個(gè)方面，探索和分析了數(shù)字孿生技術(shù)，將它用作連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁。隨后，中國也開始了對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究及應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]、[9]分別對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在鐵路動(dòng)車組運(yùn)維管理、車站運(yùn)營管理中的需求進(jìn)行了分析，確定了數(shù)字孿生技術(shù)在鐵路運(yùn)維工作中應(yīng)用的可行性及優(yōu)勢(shì)。

 

　　BIM作為信息載體，能夠?qū)㈣F路工程實(shí)體全生命周期內(nèi)的有效信息都集成在統(tǒng)一的模型中，打破設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段的業(yè)務(wù)隔離，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的全過程、一體化應(yīng)用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，BIM技術(shù)逐步從實(shí)驗(yàn)室走向了工程實(shí)踐。中國鐵路BIM聯(lián)盟建立了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架，編制并發(fā)布了《鐵路BIM信息分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》等11項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和指南，組織了較大規(guī)模的BIM試點(diǎn)工程，這些都極大的推動(dòng)了BIM技術(shù)在數(shù)字化鐵路中的應(yīng)用。京沈客專完成了站前多專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)[10]；青島鐵路四電BIM試點(diǎn)項(xiàng)目開展了以四電為主的全專業(yè)BIM應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鐵路IFC、IFD標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和驗(yàn)證[11]；在工程建設(shè)方面，京張高鐵在全球首次全線采用BIM技術(shù)，從原材管理、混凝土拌制、運(yùn)輸養(yǎng)護(hù)，到內(nèi)業(yè)資料整理，實(shí)現(xiàn)全生命周期的信息化管理[12]?？梢钥闯?，目前的BIM試點(diǎn)主要聚焦在設(shè)計(jì)階段，然而，BIM技術(shù)實(shí)施的最大受益應(yīng)在運(yùn)營維護(hù)階段，設(shè)計(jì)和建設(shè)期產(chǎn)生的海量信息，在漫長的運(yùn)維階段價(jià)值顯著[13]。因此，迫切需要加速運(yùn)維階段的BIM研究，將BIM應(yīng)用向數(shù)字化、智能化運(yùn)營維護(hù)延伸[14,15]，并借助數(shù)字孿生技術(shù)，利用多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)BIM模型的動(dòng)態(tài)更新，從而釋放數(shù)字化數(shù)據(jù)的價(jià)值。

 

　　綜上，研究以BIM和數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)，是從根本上升級(jí)當(dāng)前鐵路通信維護(hù)模式的最佳方案。本文基于iTwin提供的數(shù)字孿生解決方案，結(jié)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(shù)，研究并設(shè)計(jì)了鐵路通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)，旨在提高鐵路通信維護(hù)的數(shù)字化、可視化、智能化能力。

 

 

　　數(shù)字孿生，就是根據(jù)物理世界的實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。這個(gè)“克隆體”，也被稱為“數(shù)字孿生體”，它被虛擬的創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上。相比于設(shè)計(jì)圖紙，數(shù)字孿生體可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真[16]。它將實(shí)體對(duì)象的物理模型、實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件，都復(fù)現(xiàn)在“孿生體”上，數(shù)據(jù)種類繁多，接口復(fù)雜。再加上設(shè)計(jì)及施工期數(shù)據(jù)的積累，鐵路通信運(yùn)維數(shù)據(jù)體系龐大，構(gòu)建合理的系統(tǒng)架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維階段數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)。

 

　　軟件系統(tǒng)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(shù)據(jù)的采集、驗(yàn)證、分析和展示等。后端包括業(yè)務(wù)邏輯處理，數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)。但鐵路通信維護(hù)管理工作涉及面廣，任務(wù)種類繁多，場(chǎng)景復(fù)雜，因此不同的職能部門可能需要不同的前端設(shè)備以滿足自身的工作需要。

 

　　為了增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使其能夠滿足多種前端設(shè)備所需的不同開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境，且不影響與后端的正常通信，本系統(tǒng)采用RESTful架構(gòu)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(xiàn)前后端分離，形成表現(xiàn)層、應(yīng)用層及數(shù)據(jù)層三層數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)。如此一來，系統(tǒng)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(jù)實(shí)際情況，選擇最優(yōu)的模塊組裝方式，向不同對(duì)象提供精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)服務(wù)。圖1為鐵路通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖。

 

 

 

　　數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)主要考慮兩部分內(nèi)容：（1）數(shù)據(jù)采集：包括通信設(shè)備在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)信息以及在檢修過程中產(chǎn)生的設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：針對(duì)系統(tǒng)中體量龐大的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。

 

　　在數(shù)據(jù)采集過程中，需要考慮現(xiàn)有設(shè)備、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸模式。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可以通過網(wǎng)管、監(jiān)測(cè)等運(yùn)維支撐管理系統(tǒng)，對(duì)通信設(shè)備設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源、維護(hù)管理過程等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，包括設(shè)備的工作狀態(tài)、外部環(huán)境條件等；在設(shè)備檢修過程中，可以利用手持終端對(duì)設(shè)備條形碼、二維碼進(jìn)行掃描，或利用RFID（RadioFrequencyIdentification，無線射頻識(shí)別）等技術(shù)進(jìn)行維修對(duì)象信息的識(shí)別，例如通過掃描機(jī)柜前端的二維碼圖像，查詢機(jī)柜板件信息、槽位信息和相鄰節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)情況等。采集到的數(shù)據(jù)需要按照相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的接口要求，提取所需的數(shù)據(jù)，完成格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)清洗，最后傳輸至本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)。介于鐵路本身的特性，可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等，構(gòu)建多協(xié)議、多類型融合的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)[2]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。

 

　　數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)需要兼顧iTwin服務(wù)中的BIM三維模型數(shù)據(jù)及其他非三維數(shù)據(jù)，如工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)、字典數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)等。SQLite是一款開源的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，體量小、占用系統(tǒng)資源少、獨(dú)立性高、可移植性強(qiáng)[18]，為了方便模型文件的讀取，系統(tǒng)選擇SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)。其他非三維數(shù)據(jù)選擇SQLServer數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，它對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)更有優(yōu)勢(shì)[19]。

 

 

　　應(yīng)用層主要完成通信維護(hù)系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)模塊的邏輯處理，模塊的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)通過WebApi服務(wù)的形式對(duì)外發(fā)布，供表現(xiàn)層調(diào)用，同時(shí)通過ADO.Net數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行交互。

 

　　應(yīng)用層的設(shè)計(jì)需要考慮預(yù)留外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入口，接入的數(shù)據(jù)經(jīng)過識(shí)別、轉(zhuǎn)換和整合，存入數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)數(shù)據(jù)層中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并通過特征提取、聚類分析、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，對(duì)融合信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，快速定位故障位置，預(yù)測(cè)故障發(fā)生概率，為最佳維護(hù)作業(yè)時(shí)間及維護(hù)周期的制定提供參考依據(jù)，從而優(yōu)化維護(hù)作業(yè)流程、提高組織管理效率、加強(qiáng)人員及設(shè)備的精細(xì)化管理，對(duì)鐵路通信維護(hù)工作的決策提供有力支撐。

 

 

　　表示層位于三層架構(gòu)的最上層，與用戶直接接觸，在通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)中即為瀏覽器頁面，包括線路展示頁、BIM實(shí)景頁、設(shè)備維護(hù)頁、資源管理頁、應(yīng)急查詢頁及員工培訓(xùn)頁等。旨在實(shí)現(xiàn)鐵路通信設(shè)備從微觀到宏觀信息的多層次可視化，為設(shè)備維護(hù)管理提供設(shè)備維護(hù)、設(shè)備定位、應(yīng)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(hù)工作的智能化、數(shù)字化水平。

 

　　表示層通過接口獲取應(yīng)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(yīng)用層，減輕了表示層的運(yùn)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(shí)景頁，基于3D可視化和交互技術(shù)，通過通信設(shè)施設(shè)備的數(shù)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)、端口連接關(guān)系等信息。此外，在設(shè)計(jì)表示層時(shí)，必須考慮不同用戶的工作性質(zhì)及操作習(xí)慣，引入模塊化、組件化的開發(fā)思想和設(shè)計(jì)模式，降低模塊間的耦合性，實(shí)現(xiàn)表示層功能的可插拔式設(shè)計(jì)。

 

 

　　iTwin服務(wù)是Bentley公司基于數(shù)字孿生需求提出的數(shù)字孿生解決方案。它以iModelBridge（模型格式轉(zhuǎn)換）、iModelBank（模型存儲(chǔ)庫）、iTwin.js（Web三維可視化技術(shù)）開源開發(fā)體系為核心，集成了Bentley在數(shù)字模型建立、過程協(xié)作、資產(chǎn)管理等方面的相關(guān)技術(shù)，提供了豐富的數(shù)字化服務(wù)。iTwin服務(wù)集成BIM設(shè)計(jì)工具和多源數(shù)字化工程內(nèi)容，在3D模型的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的“4D可視化”，即根據(jù)項(xiàng)目/資產(chǎn)時(shí)間線記錄工程變更信息。根據(jù)iTwin服務(wù)，本系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)了鐵路通信BIM實(shí)景模塊，以支持通信基礎(chǔ)設(shè)施在運(yùn)維階段的數(shù)字孿生應(yīng)用?；趇Twin服務(wù)的BIM實(shí)景架構(gòu)如圖2所示。

 

 

 

　　在設(shè)計(jì)期，橋梁及房建專業(yè)的設(shè)計(jì)結(jié)果多以實(shí)體形態(tài)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與之相比，通信專業(yè)的設(shè)計(jì)更加關(guān)注設(shè)備的邏輯關(guān)系而非設(shè)備實(shí)體本身。此外，精細(xì)度越高的模型，體量越大，渲染時(shí)間越長，導(dǎo)致在與建模平臺(tái)交互時(shí)，系統(tǒng)過載，操作緩慢。因此，設(shè)計(jì)期的模型可以不必過分關(guān)注模型的真實(shí)度、精細(xì)度，能夠示意設(shè)計(jì)對(duì)象即可。但在運(yùn)維期，由于通信設(shè)備廠家眾多，設(shè)備外形、功能參差不齊，相應(yīng)地，維護(hù)作業(yè)方法也各有不同，這無異于增加了維護(hù)作業(yè)人員的工作難度。為了充分利用數(shù)字孿生設(shè)備“所見即所得”的特點(diǎn)，保證運(yùn)維工作直觀、準(zhǔn)確地開展，細(xì)化生產(chǎn)管理，維護(hù)期的模型構(gòu)建需要盡可能保證模型的真實(shí)性，細(xì)化至設(shè)備端口級(jí)別。

 

　　“數(shù)字孿生鐵路”概念的出現(xiàn)，對(duì)鐵路工程的數(shù)字化程度提出了更高的要求。為了提高數(shù)字資產(chǎn)創(chuàng)建和交互過程中的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，今年4月，國鐵集團(tuán)工管中心發(fā)布了《關(guān)于開展鐵路數(shù)字工程認(rèn)證試點(diǎn)工作的通知》，擬依托酒額鐵路、西十鐵路開展數(shù)字工程認(rèn)證試點(diǎn)工作，并以四電工程為先導(dǎo)，建立鐵路數(shù)字工程認(rèn)證體系，其中就包括了對(duì)四電工程BIM模型的檢驗(yàn)檢測(cè)工作。因此，在創(chuàng)建鐵路通信專業(yè)BIM族庫時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合鐵路BIM聯(lián)盟制定的鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架，并包含鐵路IFC、IFD等標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。

 

 

　　為了方便BIM模型的展示及應(yīng)用，使用戶不必在每個(gè)客戶端都安裝體量龐大且不易上手的專業(yè)建模軟件，可以選擇通過WebGL技術(shù)對(duì)3D模型在網(wǎng)頁上進(jìn)行渲染瀏覽，這就需要對(duì)構(gòu)建的數(shù)字孿生BIM模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

 

　　iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強(qiáng)大的模型格式轉(zhuǎn)換工具，它可以將dgn、revit、cad、ifc等多種類型的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的bim格式文件，并存儲(chǔ)在iModelBank中。iModelBridge類似于一個(gè)“數(shù)據(jù)銀行”，通過它可以將項(xiàng)目過程中的數(shù)據(jù)記錄下來，使數(shù)據(jù)可追溯、可信賴。每個(gè)bim文件都相當(dāng)于一個(gè)SQLite文件型數(shù)據(jù)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(shè)備模型間的空間耦合約束關(guān)系。iTwin平臺(tái)通過對(duì)bim文件進(jìn)行讀取、解析和渲染，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維可視化需求。此外，iModelBank通過對(duì)bim文件的分布式存儲(chǔ)和變更集同步，使用戶能夠在iTwin平臺(tái)上訪問任意版本的模型文件，并可對(duì)比查看各版本間的差異。

 

 

　　通信專業(yè)屬于鐵路下游專業(yè)，設(shè)施設(shè)備通常需要搭載在其他專業(yè)的模型上，如線路、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(gòu)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(dǎo)致服務(wù)器負(fù)載過重，畫面渲染時(shí)間長，拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作極為卡頓，無法正常使用。

 

　　iTwin.js是一套基于WebGL行業(yè)3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)的開源技術(shù)，可以用它實(shí)現(xiàn)BIM模型、地圖數(shù)據(jù)、實(shí)景數(shù)據(jù)融合渲染的三維可視化需求，定義數(shù)字孿生業(yè)務(wù)以及開發(fā)應(yīng)用程序。iTwin.js的可視化功能對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)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：首先查詢指定信息模型的瓦片樹；然后根據(jù)顯示參數(shù)使用LOD（LevelofDetails，多細(xì)節(jié)層次）等算法進(jìn)行信息裁剪，以確定當(dāng)前需要請(qǐng)求加載的瓦片，并將這些請(qǐng)求放入異步任務(wù)隊(duì)列；最后從iTwin服務(wù)的iModelBank中加載這些瓦片數(shù)據(jù)，并通過WebGL實(shí)現(xiàn)前端模型場(chǎng)景的渲染。其中，LOD算法是根據(jù)模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)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(shù)和細(xì)節(jié)數(shù)，從而獲得高效率的渲染計(jì)算[21]。

 

 

　　基于數(shù)字孿生技術(shù)的鐵路通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)，通過創(chuàng)建通信實(shí)體的BIM模型，感知設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，將工程數(shù)據(jù)、實(shí)景數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合起來，形成動(dòng)態(tài)持續(xù)更新的數(shù)字孿生體。基于對(duì)數(shù)字孿生體的分析和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)BIM實(shí)景展示、設(shè)備智能維護(hù)、智能分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示。

 

 

 

　　基于iTwin服務(wù)的BIM實(shí)景模塊可實(shí)現(xiàn)通信維護(hù)實(shí)景的三維展示，距離、面/體積的測(cè)量，線纜路徑漫游，模型移動(dòng)等功能。并在關(guān)鍵系統(tǒng)、設(shè)備的BIM模型上，根據(jù)用戶的崗位和權(quán)限，有選擇地多維度顯示對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的工作狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)、維護(hù)歷史、檢修進(jìn)度等信息。通過設(shè)備實(shí)時(shí)故障信息，以及對(duì)多源數(shù)據(jù)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(tǒng)和部件模型以高亮、閃爍、消息彈出等方式進(jìn)行報(bào)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(yīng)急管理辦法、設(shè)備維護(hù)作業(yè)指導(dǎo)書等技術(shù)文件。通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)目前以酒額線為測(cè)試工程，圖4展示的是西十高鐵某通信機(jī)房的BIM實(shí)景。

　　圖4通信機(jī)房BIM實(shí)景

 

 

　　維護(hù)管理支持檢修工作計(jì)劃編制、作業(yè)派發(fā)、作業(yè)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(shí)體，構(gòu)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(jù)設(shè)備狀況、維修項(xiàng)、維修天窗作業(yè)規(guī)定、法定節(jié)假日等信息，結(jié)合設(shè)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(hù)檢修工作計(jì)劃，管理人員可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)劃調(diào)整。系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)派發(fā)情況，通過BIM實(shí)景中設(shè)備模型高亮的方式，直觀展示所需維護(hù)的具體設(shè)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(jì)劃展示。

 

 

 

 

　　鐵路通信維護(hù)管理工作按分級(jí)管理、逐級(jí)負(fù)責(zé)的要求，實(shí)行鐵路總公司、鐵路局、段三級(jí)管理，段、車間、工區(qū)（班組）三級(jí)維護(hù)[22]?；A(chǔ)數(shù)據(jù)管理中可以構(gòu)建符合維護(hù)規(guī)則的組織架構(gòu)、人員配置和權(quán)限管控，還包含對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、維修項(xiàng)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)字典、設(shè)備廠家等維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能提供底層數(shù)據(jù)支撐。

 

 

　　以設(shè)備專業(yè)編碼為基礎(chǔ)，生命周期健康管理為目標(biāo)，對(duì)鐵路通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備重要件進(jìn)行管理，建立設(shè)備信息檔案庫，匯集設(shè)備基本信息（技術(shù)參數(shù)）、技術(shù)履歷、技術(shù)資料及設(shè)備模型等全生命周期要素?cái)?shù)據(jù)，形成一件一檔，為設(shè)備維護(hù)計(jì)劃編制、維修任務(wù)派發(fā)提供幫助。

 

 

　　應(yīng)急查詢包含應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急管理辦法等標(biāo)準(zhǔn)文件的電子化管理和快速查詢，指導(dǎo)應(yīng)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(bào)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(guān)信息，提高資源調(diào)配速度和應(yīng)急指揮效率。

 

 

　　智能分析功能通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整合，基于特征提取、聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)的深度挖掘與分析。如應(yīng)用健康狀態(tài)評(píng)估模型，基于設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)工作參數(shù)，預(yù)測(cè)狀態(tài)參數(shù)的可能變化趨勢(shì)，當(dāng)超出預(yù)警閾值時(shí)，在BIM實(shí)景中給予高亮閃爍預(yù)警。智能分析模塊通過設(shè)備故障分析、健康狀況分析、人員工作狀態(tài)分析等，為后續(xù)的維護(hù)維修決策提供參考，提高維護(hù)工作的針對(duì)性。

 

 

　　維護(hù)作用人員的技能水平是限制維護(hù)效率和維護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，為此本系統(tǒng)涵蓋了員工培訓(xùn)模塊。通過對(duì)典型維修實(shí)例、典型事故案例、技術(shù)文件資料等內(nèi)容的收集、歸納和總結(jié)，形成培訓(xùn)課程，提升維護(hù)作業(yè)能力。

 

 

　　本文分析了數(shù)字孿生及BIM技術(shù)在鐵路通信運(yùn)維管理中的應(yīng)用，基于iTwin服務(wù)平臺(tái)，研究并設(shè)計(jì)了鐵路通信實(shí)景維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)嘗試將數(shù)字孿生體應(yīng)用于鐵路通信的日常維護(hù)管理工作中，以實(shí)景方式展示維護(hù)內(nèi)容，盡可能地為通信維護(hù)管理工作提供直觀、詳盡的信息支撐和準(zhǔn)確、可靠的決策依據(jù)，以期完善運(yùn)營維護(hù)支撐體系，優(yōu)化維護(hù)修程修制和生產(chǎn)組織，提高維護(hù)工作效率和維護(hù)質(zhì)量，并為其他相關(guān)研究提供借鑒。

 

 

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