基于數(shù)字孿生的鐵路通信實景維護系統(tǒng)研究
2024-04-29 來源:軌道交通工程信息化國家重點實驗室(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(chǔ)設(shè)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(shè)備運維狀況,通過直觀、多維度的數(shù)據(jù)信息輔助維護決策,本文以BIM和數(shù)字孿
摘要:鐵路通信是鐵路工程的重要基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備運維狀況,通過直觀、多維度的數(shù)據(jù)信息輔助維護決策,本文以BIM和數(shù)字孿生技術(shù)為核心,采用RESTful架構(gòu)風(fēng)格和組件化設(shè)計模式,提出鐵路通信實景維護系統(tǒng)總體架構(gòu)。系統(tǒng)基于iTwin服務(wù),探討了通信專業(yè)運維期模型的構(gòu)建、模型格式的轉(zhuǎn)換及輕量化展示等問題,構(gòu)建了BIM實景架構(gòu),最終實現(xiàn)鐵路通信實體的數(shù)字化應(yīng)用。設(shè)計了BIM實景展示、維護管理、應(yīng)急查詢、智能分析等功能模塊,將可視化實景、多源數(shù)據(jù)采集融合與通信專業(yè)維護工作相結(jié)合,提升鐵路通信維護工作的數(shù)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(shù)字孿生;BIM;維護管理;iTwin服務(wù)
中圖分類號:U282文獻標(biāo)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(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,強調(diào)“加快BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用,切實抓好建設(shè)模型向運維模型的移交和運用[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)通信維護工區(qū)場景,并通過采集設(shè)施設(shè)備的實時數(shù)據(jù),連接物理世界和數(shù)字世界[4],從而實現(xiàn)對物理實體的理解、分析和優(yōu)化。
鐵路通信維護工作主要包含對通信基礎(chǔ)設(shè)施、線路、各類通信設(shè)備的運用、檢修和管理。傳統(tǒng)的維護管理模式維護成本高、效率低,已逐漸無法適應(yīng)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(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),這就對維護質(zhì)量、維護效率、應(yīng)急響應(yīng)速度及職工技能等各個方面都提出了更加嚴(yán)格的要求。
1現(xiàn)狀
我國鐵路通信維護管理手段尚處于“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)備維護規(guī)范,按計劃、周期性地進行設(shè)備檢修工作,缺少對設(shè)備信息的跟蹤和應(yīng)用,無法實現(xiàn)狀態(tài)評估、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(nèi)使用的通信維護系統(tǒng)只解決了通信維護管理的局部問題,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,美國空軍研究實驗室做了題目為“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin(基于狀態(tài)的維護、結(jié)構(gòu)完整性及機身的數(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)斗機數(shù)字孿生體,實現(xiàn)戰(zhàn)斗機維護的數(shù)字化。緊接著,美國通用電氣公司(美國先進制造戰(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)略級技術(shù)儲備并開展了相關(guān)的課題研究,文獻[6]~[8]分別從產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運維等多個方面,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,中國也開始了對數(shù)字孿生技術(shù)的研究及應(yīng)用。文獻[4]、[9]分別對數(shù)字孿生技術(shù)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(shù)字孿生技術(shù)在鐵路運維工作中應(yīng)用的可行性及優(yōu)勢。
BIM作為信息載體,能夠?qū)㈣F路工程實體全生命周期內(nèi)的有效信息都集成在統(tǒng)一的模型中,打破設(shè)計、施工、運維等各階段的業(yè)務(wù)隔離,實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的全過程、一體化應(yīng)用。近年來,隨著計算機硬件設(shè)備和軟件技術(shù)的快速發(fā)展,BIM技術(shù)逐步從實驗室走向了工程實踐。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項標(biāo)準(zhǔn)和指南,組織了較大規(guī)模的BIM試點工程,這些都極大的推動了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[10];青島鐵路四電BIM試點項目開展了以四電為主的全專業(yè)BIM應(yīng)用,實現(xiàn)了鐵路IFC、IFD標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和驗證[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、運輸養(yǎng)護,到內(nèi)業(yè)資料整理,實現(xiàn)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(shè)計階段,然而,BIM技術(shù)實施的最大受益應(yīng)在運營維護階段,設(shè)計和建設(shè)期產(chǎn)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(yīng)用向數(shù)字化、智能化運營維護延伸[14,15],并借助數(shù)字孿生技術(shù),利用多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)BIM模型的動態(tài)更新,從而釋放數(shù)字化數(shù)據(jù)的價值。
綜上,研究以BIM和數(shù)字孿生技術(shù)的實景維護系統(tǒng),是從根本上升級當(dāng)前鐵路通信維護模式的最佳方案。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時狀態(tài)參數(shù),研究并設(shè)計了鐵路通信實景維護系統(tǒng),旨在提高鐵路通信維護的數(shù)字化、可視化、智能化能力。
2系統(tǒng)總體架構(gòu)
數(shù)字孿生,就是根據(jù)物理世界的實體對象,創(chuàng)建一個數(shù)字版的“克隆體”。這個“克隆體”,也被稱為“數(shù)字孿生體”,它被虛擬的創(chuàng)建在信息化平臺上。相比于設(shè)計圖紙,數(shù)字孿生體可實現(xiàn)對實體對象的動態(tài)仿真[16]。它將實體對象的物理模型、實時狀態(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)計及施工期數(shù)據(jù)的積累,鐵路通信運維數(shù)據(jù)體系龐大,構(gòu)建合理的系統(tǒng)架構(gòu),是實現(xiàn)運維階段數(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。但鐵路通信維護管理工作涉及面廣,任務(wù)種類繁多,場景復(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服務(wù)層,用以實現(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、組件化的形式進行封裝,并根據(jù)實際情況,選擇最優(yōu)的模塊組裝方式,向不同對象提供精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)服務(wù)。圖1為鐵路通信實景維護系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖。
圖1鐵路通信實景維護系統(tǒng)總體架構(gòu)
2.1數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層設(shè)計主要考慮兩部分內(nèi)容:(1)數(shù)據(jù)采集:包括通信設(shè)備在運行過程中的實時信息以及在檢修過程中產(chǎn)生的設(shè)備維護數(shù)據(jù);(2)數(shù)據(jù)存儲:針對系統(tǒng)中體量龐大的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行持久化存儲。
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)備運行時,可以通過網(wǎng)管、監(jiān)測等運維支撐管理系統(tǒng),對通信設(shè)備設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)資源、維護管理過程等數(shù)據(jù)進行實時收集,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設(shè)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(shù)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(jié)點網(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)庫中進行存儲。介于鐵路本身的特性,可以通過現(xiàn)場總線、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],實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)庫的設(shè)計需要兼顧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),如工程項目數(shù)據(jù)、設(shè)備維護數(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、獨立性高、可移植性強[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BIM數(shù)據(jù)。其他非三維數(shù)據(jù)選擇SQLServer數(shù)據(jù)庫進行存儲,它對關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲更有優(yōu)勢[19]。
2.2應(yīng)用層
應(yīng)用層主要完成通信維護系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)模塊的邏輯處理,模塊的請求和數(shù)據(jù)通過WebApi服務(wù)的形式對外發(fā)布,供表現(xiàn)層調(diào)用,同時通過ADO.Net數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行交互。
應(yīng)用層的設(shè)計需要考慮預(yù)留外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入口,接入的數(shù)據(jù)經(jīng)過識別、轉(zhuǎn)換和整合,存入數(shù)據(jù)庫。通過對數(shù)據(jù)層中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合,并通過特征提取、聚類分析、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法,對融合信息進行數(shù)據(jù)分析和處理,快速定位故障位置,預(yù)測故障發(fā)生概率,為最佳維護作業(yè)時間及維護周期的制定提供參考依據(jù),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(shè)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。
2.3表示層
表示層位于三層架構(gòu)的最上層,與用戶直接接觸,在通信實景維護系統(tǒng)中即為瀏覽器頁面,包括線路展示頁、BIM實景頁、設(shè)備維護頁、資源管理頁、應(yīng)急查詢頁及員工培訓(xùn)頁等。旨在實現(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)備維護管理提供設(shè)備維護、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(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、實時工作狀態(tài)、端口連接關(guān)系等信息。此外,在設(shè)計表示層時,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)計模式,降低模塊間的耦合性,實現(xiàn)表示層功能的可插拔式設(shè)計。
3基于iTwin服務(wù)的BIM實景架構(gòu)
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,可實現(xiàn)數(shù)字孿生的“4D可視化”,即根據(jù)項目/資產(chǎn)時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)計了鐵路通信BIM實景模塊,以支持通信基礎(chǔ)設(shè)施在運維階段的數(shù)字孿生應(yīng)用?;趇Twin服務(wù)的BIM實景架構(gòu)如圖2所示。
圖2基于iTwin服務(wù)的BIM實景架構(gòu)
3.1BIM模型構(gòu)建
在設(shè)計期,橋梁及房建專業(yè)的設(shè)計結(jié)果多以實體形態(tài)為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),與之相比,通信專業(yè)的設(shè)計更加關(guān)注設(shè)備的邏輯關(guān)系而非設(shè)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(dǎo)致在與建模平臺交互時,系統(tǒng)過載,操作緩慢。因此,設(shè)計期的模型可以不必過分關(guān)注模型的真實度、精細度,能夠示意設(shè)計對象即可。但在運維期,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,維護作業(yè)方法也各有不同,這無異于增加了維護作業(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,保證運維工作直觀、準(zhǔn)確地開展,細化生產(chǎn)管理,維護期的模型構(gòu)建需要盡可能保證模型的真實性,細化至設(shè)備端口級別。
“數(shù)字孿生鐵路”概念的出現(xiàn),對鐵路工程的數(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)建鐵路通信專業(yè)BIM族庫時,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。
3.2模型轉(zhuǎn)換
為了方便BIM模型的展示及應(yīng)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(yè)建模軟件,可以選擇通過WebGL技術(shù)對3D模型在網(wǎng)頁上進行渲染瀏覽,這就需要對構(gòu)建的數(shù)字孿生BIM模型進行格式轉(zhuǎn)換。
iModelBridge是Bentley公司提供的一套功能強大的模型格式轉(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,并存儲在iModelBank中。iModelBridge類似于一個“數(shù)據(jù)銀行”,通過它可以將項目過程中的數(shù)據(jù)記錄下來,使數(shù)據(jù)可追溯、可信賴。每個bim文件都相當(dāng)于一個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平臺通過對bim文件進行讀取、解析和渲染,即可實現(xiàn)系統(tǒng)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。
3.3模型展示
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,如需真實反映通信實體本身的構(gòu)造信息、連接狀態(tài)以及空間位置等,往往就會使得BIM模型體量龐大,在直接加載時,導(dǎo)致服務(wù)器負載過重,畫面渲染時間長,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),可以用它實現(xiàn)BIM模型、地圖數(shù)據(jù)、實景數(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(jù)顯示參數(shù)使用LOD(LevelofDetails,多細節(jié)層次)等算法進行信息裁剪,以確定當(dāng)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(shù)據(jù),并通過WebGL實現(xiàn)前端模型場景的渲染。其中,LOD算法是根據(jù)模型的節(jié)點在顯示環(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)和細節(jié)數(shù),從而獲得高效率的渲染計算[21]。
4功能模塊設(shè)計及應(yīng)用
基于數(shù)字孿生技術(shù)的鐵路通信實景維護系統(tǒng),通過創(chuàng)建通信實體的BIM模型,感知設(shè)備現(xiàn)場實時信息,將工程數(shù)據(jù)、實景數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合起來,形成動態(tài)持續(xù)更新的數(shù)字孿生體?;趯?shù)字孿生體的分析和應(yīng)用,實現(xiàn)BIM實景展示、設(shè)備智能維護、智能分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示。
圖3通信實景維護系統(tǒng)功能模塊
4.1BIM實景展示模塊
基于iTwin服務(wù)的BIM實景模塊可實現(xiàn)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(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應(yīng)物理實體的工作狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)、維護歷史、檢修進度等信息。通過設(shè)備實時故障信息,以及對多源數(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(yīng)急管理辦法、設(shè)備維護作業(yè)指導(dǎo)書等技術(shù)文件。通信實景維護系統(tǒng)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
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(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景參考。
根據(jù)設(shè)備狀況、維修項、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、月度初步維護檢修工作計劃,管理人員可根據(jù)實際情況進行計劃調(diào)整。系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)派發(fā)情況,通過BIM實景中設(shè)備模型高亮的方式,直觀展示所需維護的具體設(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(chǔ)數(shù)據(jù)管理
鐵路通信維護管理工作按分級管理、逐級負責(zé)的要求,實行鐵路總公司、鐵路局、段三級管理,段、車間、工區(qū)(班組)三級維護[22]?;A(chǔ)數(shù)據(jù)管理中可以構(gòu)建符合維護規(guī)則的組織架構(gòu)、人員配置和權(quán)限管控,還包含對通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、維修項、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)字典、設(shè)備廠家等維護基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理,為系統(tǒng)實現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能提供底層數(shù)據(jù)支撐。
?。?)設(shè)備履歷管理
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),對鐵路通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備重要件進行管理,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數(shù)據(jù),形成一件一檔,為設(shè)備維護計劃編制、維修任務(wù)派發(fā)提供幫助。
4.4應(yīng)急管理模塊
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。
4.5智能分析模塊
智能分析功能通過對系統(tǒng)內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行篩選整合,基于特征提取、聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法,實現(xiàn)對通信設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)的深度挖掘與分析。如應(yīng)用健康狀態(tài)評估模型,基于設(shè)備歷史運行狀態(tài)和實時工作參數(shù),預(yù)測狀態(tài)參數(shù)的可能變化趨勢,當(dāng)超出預(yù)警閾值時,在BIM實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)的維護維修決策提供參考,提高維護工作的針對性。
4.6員工培訓(xùn)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(tǒng)涵蓋了員工培訓(xùn)模塊。通過對典型維修實例、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,提升維護作業(yè)能力。
5結(jié)語
本文分析了數(shù)字孿生及BIM技術(shù)在鐵路通信運維管理中的應(yīng)用,基于iTwin服務(wù)平臺,研究并設(shè)計了鐵路通信實景維護系統(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管理工作中,以實景方式展示維護內(nèi)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(zhǔn)確、可靠的決策依據(jù),以期完善運營維護支撐體系,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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關(guān)鍵詞:技術(shù)與方案
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