莫志剛，駱漢賓

（華中科技大學(xué) 土木工程及力學(xué)學(xué)院， 武漢 430074）

地鐵運營階段，對設(shè)備進行科學(xué)、合理的管理和維護，是信號系統(tǒng)可靠度、可用度、可維修度和安全度（RAMS）的保障[1-3]。目前，地鐵信號設(shè)備維護管理方法相對比較落后，且各設(shè)備維護系統(tǒng)間缺乏有效的關(guān)聯(lián)分析，故障分析難度較大，不能形成高效的設(shè)備監(jiān)測維護和調(diào)度管理平臺，不利于全面掌握相關(guān)設(shè)備狀態(tài)，影響在途運行狀態(tài)整體監(jiān)測和設(shè)備的日常維修維護。信號系統(tǒng)故障診斷主要難點在于以下4個方面：

（1）信號系統(tǒng)故障發(fā)生時定位困難，檢修效率低下；

（2）現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，操作不規(guī)范，信息反饋不及時；

（3）執(zhí)行層與決策層之間信息傳遞時效慢，造成維修指令失控；

（4）設(shè)備檔案數(shù)據(jù)量龐大，缺少有效工具進行單點高效調(diào)用與二次檔案存儲。

本文針對以上4個問題，設(shè)計基于BIM的地鐵信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)（簡稱：信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)）。創(chuàng)建信號設(shè)備BIM[4]三維數(shù)據(jù)庫，調(diào)用系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備故障信息，設(shè)定數(shù)據(jù)交換接口，建立信號設(shè)備維修管理系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，進行設(shè)備故障定位、預(yù)警、預(yù)測分析、質(zhì)量分析、趨勢分析等，設(shè)備維修人員通過系統(tǒng)的設(shè)備故障預(yù)警[5-7]功能，在地鐵三維模型中查看信號設(shè)備預(yù)警信息、設(shè)備檔案、維修記錄等內(nèi)容，系統(tǒng)根據(jù)維修人員崗位職責(zé)進行派單維修，記錄維修過程，待故障解除后，系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備維修歷史回放，檔案再錄入等功能，最終輔助設(shè)備維護人員通過系統(tǒng)積累的設(shè)備維護數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化設(shè)備維修機制，提高設(shè)備維護質(zhì)量。

1 信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，安裝于線路控制中心，以南寧地鐵信號為例，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于BIM的地鐵信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.1.1 用戶層

用戶層為用戶提供簡潔的用戶界面，根據(jù)用戶的管理角色，設(shè)計不同的權(quán)限。考慮到作業(yè)的實際需求，用戶可利用移動設(shè)備遠程登錄。

1.1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括模型管理、故障事件錄入、監(jiān)控預(yù)警、RAMS管理、故障分析報告、短信平臺管理、應(yīng)急備件管理、應(yīng)急故障處理等主要應(yīng)用模塊。

（1）模型管理：根據(jù)需求，創(chuàng)建信號系統(tǒng)三維BIM模型，作為設(shè)備故障數(shù)據(jù)、平臺圖形數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)載體，具備原始數(shù)據(jù)存儲、再編輯，中間數(shù)據(jù)緩存等功能；同時將設(shè)備檔案，維修保養(yǎng)計劃、記錄等電子文檔進行配對綁定，為用戶提供完整的設(shè)備數(shù)據(jù)。

（2）故障事件錄入：當(dāng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出故障提示信息后，根據(jù)設(shè)備的故障提示信息，選擇設(shè)備故障類別，記錄設(shè)備故障發(fā)生的時間、處理過程、設(shè)備運行歷史檔案等信息，同時，在故障事件錄入中附帶添加BIM模型及設(shè)備的檔案，使用戶層能較全面地解讀設(shè)備故障事件。

（3）監(jiān)控預(yù)警：采用Web Service接口，調(diào)取信號設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備運行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)信號設(shè)備發(fā)生故障后，根據(jù)系統(tǒng)間的接口協(xié)議，發(fā)送提示預(yù)警信息及設(shè)備故障信息，系統(tǒng)根據(jù)故障信號設(shè)備通信地址，將接收的設(shè)備預(yù)警信息和故障信息與BIM模型對應(yīng)，一并推送給用戶界面，為用戶提供具有BIM模型定位功能的設(shè)備監(jiān)控預(yù)警，提高故障定位效率和預(yù)警信息偵查效率。

（4）RAMS管理：用戶利用信號設(shè)備監(jiān)控預(yù)警功能和故障錄入功能，增補RAMS評價數(shù)據(jù)，根據(jù)信號設(shè)備的RAMS后評價結(jié)果，BIM模型對RAMS關(guān)聯(lián)指標(biāo)進行記錄，根據(jù)用戶需求，進行預(yù)防性信息反饋，用戶可調(diào)用故障維修數(shù)據(jù)庫，查看有關(guān)詳細數(shù)據(jù)（系統(tǒng)干擾事件、保養(yǎng)事件、故障檢修事件、環(huán)境變化事件、運維要求變化事件）等，便于運營維護人員識別信號設(shè)備可能影響RAMS評價結(jié)果的因素，評估整體設(shè)備性能，輔助運營維護人員進行設(shè)備優(yōu)化，提高設(shè)備RAMS評價效果。

（5）故障分析報告：利用RAMS后評價結(jié)果，系統(tǒng)自動進行初步的設(shè)備故障分析，并向用戶推送。

（6）應(yīng)急備件管理：創(chuàng)建虛擬的信號設(shè)備資產(chǎn)管理BIM數(shù)據(jù)模型，根據(jù)不同信號設(shè)備的備件要求，實時顯示主要設(shè)備整（配）件備件庫存，劃定預(yù)警值，當(dāng)備件數(shù)量低于預(yù)警值后，系統(tǒng)主動推送預(yù)警信息給用戶層，進行填補備件。

（7）應(yīng)用故障處理：建立故障處理專家數(shù)據(jù)庫，按設(shè)備或故障現(xiàn)象分類，將技術(shù)專家處理故障的經(jīng)驗、方法，通過系統(tǒng)進行積累和固化，故障發(fā)生時相關(guān)人員按標(biāo)準(zhǔn)流程對故障進行判斷和初步的原因分析。

應(yīng)急故障處理過程由故障處理流程圖、故障指揮流程圖和交互式互動功能組成，技術(shù)專家可根據(jù)經(jīng)驗對各類故障處理的流程不斷優(yōu)化或升級，通過流程分支的形式形成系統(tǒng)與用戶的互動，便于快速直觀地判斷故障原因和處理故障。

（8）短信平臺管理：接入短信網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)設(shè)備故障、事故救援、干部動態(tài)、問題庫等信息通過手機短信（標(biāo)準(zhǔn)模版）發(fā)送，系統(tǒng)提供一體化的專用移動終端，主要應(yīng)用于應(yīng)急指揮、設(shè)備檢修、作業(yè)卡控、設(shè)備管理等方面。

1.1.3 平臺層

平臺層主要包含應(yīng)用支撐平臺和數(shù)據(jù)庫支撐平臺。應(yīng)用支撐平臺以平臺軟件和服務(wù)為核心，用戶通過對應(yīng)的編程模型和API建立應(yīng)用和發(fā)布，應(yīng)用支撐平臺包括數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)整合、門戶系統(tǒng)、目錄與權(quán)限管理、系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)庫支撐平臺主要包括專家數(shù)據(jù)庫、BIM模型數(shù)據(jù)庫、設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、故障維修數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫。

1.1.4 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備等構(gòu)成，通過維護網(wǎng)絡(luò)與各設(shè)備集中站、停車場、車輛段站機進行通信；同時通過信號紅網(wǎng)和藍網(wǎng)與DCS、ATC接口，獲取相關(guān)維護信息；通過維護網(wǎng)與ATS維護工作站接口，獲取ATS相關(guān)維護息。

1.1.5 感知層

感知層用于實時監(jiān)測軌道交通信號設(shè)備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、分析信號設(shè)備故障原因，指導(dǎo)設(shè)備維護。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

采用Oracle數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲、維護和檢索功能，數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)分為3層。

（1）頂層：數(shù)據(jù)應(yīng)用層，為信息使用者提供服務(wù)；

（2）中間層：數(shù)據(jù)處理層，根據(jù)需要進行信息處理；

（3）底層：數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層，收集相關(guān)的原始數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)Web端使用Java作為主要開發(fā)語言，以Javascript+HTML的形式渲染呈現(xiàn)前端頁面，并結(jié)合Javascript程序與Unity player插件，實現(xiàn)BIM模型的操作與展示。開發(fā)環(huán)境基于Windows,系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器搭建在Linux環(huán)境下，使用Eclipse與Visual Studio2017 作為系統(tǒng)集成開發(fā)工具（IDE，Integrated Device Electronics）。

IOS端主要開發(fā)語言為Objective-C，IDE使用蘋果官方為開發(fā)者定制的Xcode 9，開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境基于Mac osx。

Android端主要開發(fā)語言為Java，使用Android Studio，Android Studio 作為IDE，基于IntelliJ IDEA，類似 Eclipse ADT，Android Studio 提供了集成的 Android 開發(fā)工具用于開發(fā)和調(diào)試，開發(fā)環(huán)境基于Windows操作系統(tǒng)。

信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，采用Java語言開發(fā)，采用Web Service接口實現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息交互，使用Oracle數(shù)據(jù)庫構(gòu)建各個數(shù)據(jù)庫，包括設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、BIM模型數(shù)據(jù)庫、故障維修數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、專家數(shù)據(jù)庫。采用Spring jdbc 和Hibernate技術(shù)，在保證數(shù)據(jù)庫操作靈活性的前提下，使用數(shù)據(jù)緩存來提升數(shù)據(jù)的查詢效率。在系統(tǒng)服務(wù)后臺調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)資源后，利用開放的J2EE結(jié)合JSP 與Java script的方法對圖形用戶層進行渲染，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)資源，結(jié)合Java script程序與Unity player插件的交互，實現(xiàn)BIM模型的操作與展示。

2 信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)組成

信號設(shè)備維護管理系統(tǒng)主要由信號設(shè)備狀態(tài)綜合采集監(jiān)測子系統(tǒng)、信號設(shè)備智能分析子系統(tǒng)、可視化信息子系統(tǒng)和綜合維護管理子系統(tǒng)組成。

2.1 綜合采集監(jiān)測子系統(tǒng)

主要負責(zé)信息的采集和監(jiān)測，采集和監(jiān)測機柜、采集模塊、車站服務(wù)器、道岔、信號機、計軸、電源屏、外電網(wǎng)、UPS、屏蔽門、聯(lián)鎖等設(shè)備的狀態(tài)信息。

2.2 智能分析子系統(tǒng)

信號設(shè)備智能分析子系統(tǒng)對采集的各項開關(guān)量、模擬量及報警數(shù)據(jù)進行分析、歸納，為現(xiàn)場信號維護人員提供及時有效的診斷信息，能夠簡化維修流程或直接定位故障位置，幫助信號工迅速發(fā)現(xiàn)故障點，并快速處理，從而縮短維修時間，提高維修水平和維修效率。同時，針對車站監(jiān)測的信息資源進行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，結(jié)合系統(tǒng)中各類實時信息和歷史信息，進行設(shè)備趨勢預(yù)警和預(yù)防性維修警示，從而為維護人員提供科學(xué)的維護依據(jù)。

2.3 基于BIM技術(shù)的可視化信息子系統(tǒng)

基于3D建模技術(shù)，為信號設(shè)備創(chuàng)建基于BIM的可視化信息子系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)對故障設(shè)備的快速定位和設(shè)備屬性查詢，并可以將每次故障事件關(guān)鍵信息記錄下來，和故障處理報告相互關(guān)聯(lián)。

（1）設(shè)備竣工交付階段

創(chuàng)建與現(xiàn)場實際工程相匹配的信號設(shè)備三維模型，同時根據(jù)運維單位的資產(chǎn)管理要求，對信號設(shè)備三維模型進行編碼，使BIM模型數(shù)據(jù)庫和資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，根據(jù)應(yīng)用層用戶的資產(chǎn)檢索、定位等需求，實現(xiàn)信號設(shè)備在三維模型中的快速檢索定位，同時讀取信號設(shè)備三維模型上附著的資產(chǎn)管理信息。

（2）設(shè)備維護管理階段

對設(shè)備的技術(shù)圖紙進行管理，結(jié)合生產(chǎn)、故障、安全風(fēng)險信息，實現(xiàn)設(shè)備綜合信息查詢。并且設(shè)備信息和圖形化界面結(jié)合，可以直觀地在圖形界面上點擊調(diào)閱設(shè)備生命周期內(nèi)的臺賬屬性、器材列表、歷史報警列表、歷史問題庫、歷史巡檢記錄、歷史流轉(zhuǎn)記錄、采集曲線等動態(tài)履歷信息。系統(tǒng)提供了3D仿真展示的界面，還原設(shè)備實際使用場景及各類狀態(tài)指示燈。

（3）車地一體實時顯示

在傳統(tǒng)站場圖中加入車次號、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，建立車地一體、信息完備的運行站場圖，使維護人員在設(shè)備維護及故障處理時掌握更全面的信息。

（4）室內(nèi)外設(shè)備一體化圖形顯示

為了便于維護，室內(nèi)外信號設(shè)備狀態(tài)基于圖形化方式進行展示，在一個界面中可綜合展示地面信號設(shè)備、車載信號設(shè)備、電源等設(shè)備狀態(tài)。室內(nèi)外設(shè)備狀態(tài)圖形主界面，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)外設(shè)備狀態(tài)圖形主界面

（5）信號設(shè)備故障診斷及定位

信號設(shè)備綜合運維系統(tǒng)通過對現(xiàn)場模擬量、開關(guān)量及報警數(shù)據(jù)的采集提供源數(shù)據(jù)給智能分析子系統(tǒng)，智能分析子系統(tǒng)依托預(yù)先設(shè)計的故障診斷邏輯策略對源數(shù)據(jù)進行智能分析與故障診斷，通過不同類型的故障邏輯分析方法可以對不同的故障進行分層的故障診斷。信號設(shè)備故障診斷及定位界面，如圖3所示。

圖3 信號設(shè)備故障診斷及定位界面

（6）設(shè)備故障維修

對于一些通用性強的故障維修方法，將其作為故障發(fā)生后的故障維修建議列出，以供用戶查看，通過這種方式，可以縮短維修人員分析問題的時間，并且也更有針對性。信號設(shè)備故障維護，如圖4所示。

圖4 信號設(shè)備故障維護

（7）采集信息關(guān)聯(lián)查看

將單個設(shè)備關(guān)聯(lián)的所有模擬量、開關(guān)量一起呈現(xiàn)出來，可以完整地了解該設(shè)備的整體運行情況，同時當(dāng)故障發(fā)生時，還可以在一個顯示界面中查看需要查看的所有和故障相關(guān)的模擬量及開關(guān)量變化情況。

（8）應(yīng)急指揮流程

建立故障處理專家數(shù)據(jù)庫，按設(shè)備或故障現(xiàn)象分類，將技術(shù)專家處理故障的經(jīng)驗、方法，通過系統(tǒng)進行積累和固化，故障發(fā)生時相關(guān)人員按標(biāo)準(zhǔn)流程對故障進行判斷和初步的原因分析。

應(yīng)急故障處理過程由故障處理流程圖、故障指揮流程圖和交互式互動功能組成，技術(shù)專家可根據(jù)經(jīng)驗對各類故障處理的流程不斷優(yōu)化或升級，通過流程分支的形式形成系統(tǒng)與用戶的互動，便于快速直觀地判斷故障原因和處理故障。

（9）信號系統(tǒng)應(yīng)急備品、工具查詢

系統(tǒng)提供應(yīng)急備品及工具的查詢功能，從應(yīng)急備品臺賬中根據(jù)車間工區(qū)、車站、備品分類、備品狀態(tài)（備品缺失、完全匹配、備品過量）、規(guī)格型號、設(shè)備廠家進行查詢。

2.4 綜合維護管理子系統(tǒng)

系統(tǒng)提供一系列管理工具，包括應(yīng)急指揮、安全風(fēng)險源管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理、設(shè)備管理、無紙化辦公等。為設(shè)備維修維護的全過程提供支持。涵蓋全生命周期設(shè)備管理、生產(chǎn)維修管理、應(yīng)急指揮、安全風(fēng)險管理、質(zhì)量管理等工作環(huán)節(jié)。同時可以為無紙化辦公提供信息化平臺支持。

3 數(shù)據(jù)庫之間的信息交互流程

3.1 資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互流程

竣工交付階段創(chuàng)建與現(xiàn)場實際工程相匹配的信號設(shè)備三維模型，同時根據(jù)運維單位的資產(chǎn)管理要求，對信號設(shè)備三維模型進行編碼，使BIM模型數(shù)據(jù)庫和資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，根據(jù)應(yīng)用層用戶的資產(chǎn)檢索、定位等需求，實現(xiàn)信號設(shè)備在三維模型中的快速檢索定位，同時讀取信號設(shè)備三維模型上附著的資產(chǎn)管理信息。資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互及流程，如圖5、圖6所示。

圖5 資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互流

圖6 資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互流程圖

3.2 信號設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互流程

設(shè)備監(jiān)控過程中由于線路設(shè)備多、設(shè)備監(jiān)測指標(biāo)多，不利于現(xiàn)場維護人員快速定位到關(guān)聯(lián)的信號設(shè)備；通過BIM模型數(shù)據(jù)庫與實際的信號設(shè)備及監(jiān)控數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，制定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，利用信號設(shè)備的RAMS[5-9]后評價結(jié)構(gòu)，將BIM模型的點位與監(jiān)控系統(tǒng)相互對應(yīng)，將監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)實時調(diào)用給BIM模型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)信號設(shè)備RAMS后評價結(jié)果，動態(tài)監(jiān)控信號設(shè)備運行狀態(tài)。設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互及流程，如圖7、圖8所示。

圖7 設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互

圖8 設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)庫與BIM模型數(shù)據(jù)庫的信息交互流程圖

4 結(jié)束語

創(chuàng)建信號設(shè)備BIM三維虛擬模型，運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進行存儲管理，設(shè)定數(shù)據(jù)交換接口，實現(xiàn)信號設(shè)備維護數(shù)據(jù)與BIM三維數(shù)據(jù)交互，從而設(shè)計基于BIM的設(shè)備維修管理系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)具有真實的地鐵信號系統(tǒng)維護場景、交互性強、操作簡單等特點，在南寧地鐵、昆明地鐵、深圳地鐵信號系統(tǒng)中得到應(yīng)用，效果良好，彌補了傳統(tǒng)信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐大、不易解讀的不足，對于優(yōu)化信號系統(tǒng)架構(gòu)、提高系統(tǒng)運用效率具有重要意義。

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