劉珍珍

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

鐵路運維是行車安全的重要保障，運維期作為建設(shè)期的延伸，在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期中的持續(xù)時間最長[1]。我國鐵路運營情況復(fù)雜且當(dāng)前已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展時期，信號專業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大[2]，數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求迫切，然而信號運維管理在與設(shè)計、建造、施工階段的縱向比較和與行車、通信設(shè)備的橫向比較中，其平臺統(tǒng)一程度和信息化、智能化程度都存在差距[3]。鐵路信號信息系統(tǒng)體系繁雜，且多采用分級部署模式，數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，因此，在構(gòu)建一體化運維平臺過程中，缺乏數(shù)據(jù)融合的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和載體成為首要突出問題。BIM技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是全生命周期管理的重要載體和技術(shù)手段[4]。

從2013年起，以BIM為核心的鐵路信息化建設(shè)迅速展開，中國鐵路BIM聯(lián)盟先后頒布數(shù)據(jù)存儲、模型精度、交付精度等系列標(biāo)準(zhǔn)，李茂蛟等[5-10]在鐵路工程設(shè)計、施工階段的信息集成和應(yīng)用設(shè)計方面進(jìn)行了深入研究，在國鐵集團(tuán)工程管理中心的推動下以鐵路工程管理平臺為依托的建設(shè)期應(yīng)用日趨成熟，邁入2.0時代[11-13]。工程建設(shè)期的數(shù)字化轉(zhuǎn)型推動運維管理方式的變革，從2017年起，BIM技術(shù)應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向運維，解亞龍等[14]研究基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)交付運維方案；王志華等[3、15-18]深入剖析現(xiàn)狀和需求并提出基于BIM的鐵路綜合運維管理平臺架構(gòu)方案和應(yīng)用方法。但由于運維管理存在體系龐大、專業(yè)性強(qiáng)、分工細(xì)化的特點，各專業(yè)實施和應(yīng)用還處于起步階段，BIM標(biāo)準(zhǔn)中運維階段模型和屬性信息描述也存在不全面的情況。

面對上述信息化環(huán)境和設(shè)備運維的業(yè)務(wù)特點，將BIM技術(shù)作為運維階段設(shè)備設(shè)施管理的基礎(chǔ)，延續(xù)其基于模型的數(shù)據(jù)交付和管理方案，在已有學(xué)者建立的運維平臺體系的基礎(chǔ)上，深入分析模型交付與命名規(guī)則、模型組織結(jié)構(gòu)、模型幾何精度、數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，豐富和擴(kuò)展當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)體系，最后給出運維階段模型與數(shù)據(jù)集成方案。以期利用BIM作為底層支撐技術(shù)，解決數(shù)據(jù)共享難題，推動信號大數(shù)據(jù)運維乃至一體化綜合運維管理平臺的建設(shè)。

1 模型交付與管理

目前，以智慧京張、數(shù)字鄭萬高鐵為代表的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，BIM技術(shù)貫穿始終，積累數(shù)萬個模型。鐵路工程信息模型的價值在于信息的自由流動和傳遞，設(shè)計建設(shè)期向運維期交付模型，需保障信息的完整性和模型的可用性。信號專業(yè)竣工交付工作是在設(shè)備經(jīng)過聯(lián)鎖試驗驗收合格并開通使用之后進(jìn)行，需將在用、應(yīng)急倒換設(shè)備和修訂完善的工程竣工資料移交電務(wù)段，設(shè)備開通后全天時不間斷運行，因此，交付的資料和模型需準(zhǔn)確有序的投入運營生產(chǎn)。為保證交付的模型更精準(zhǔn)對接運維管理，提高模型的拆解速度，從竣工模型的交付原則、交付結(jié)構(gòu)、命名規(guī)則、精度要求四個方面進(jìn)行規(guī)劃和明確。

1.1 模型交付原則

鐵路工程點多線長，模型文件達(dá)千兆級別，傳輸和運用十分困難，并將產(chǎn)生大量冗余信息和冗余成本，因此，模型交付需以站、中繼站、調(diào)度樓等為工程單元分解模型，交付工程單元的總裝模型。在模型格式方面，項目參與方所使用的工具可能不同，但在鐵路BIM聯(lián)盟的推進(jìn)下，以Bentley、Revit為主建模工具得到統(tǒng)一，交付的總裝模型支持skp、revt、dgn等格式。ifc格式作為信息交換標(biāo)準(zhǔn)具有兼容性強(qiáng)和去差異化的特點，一方面，建模工具具備將模型轉(zhuǎn)換為ifc格式存儲的條件；另一方面，運維階段模型不再以建模工具和模型族庫的形式服務(wù)用戶，而是依托GIS技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用，現(xiàn)階段較流行的Treejs、Cesuim、Unity等BIM引擎均支持加載ifc格式模型，因此，模型應(yīng)按照ifc格式進(jìn)行交付運維。

1.2 模型組織結(jié)構(gòu)

工程單元總裝模型對于設(shè)備運維是難以利用的，需拆解到設(shè)備或構(gòu)件級，再與動靜態(tài)信息關(guān)聯(lián)并建立檔案。當(dāng)前《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》中涉及了模型拆分組合的規(guī)定，但缺少信號專業(yè)相關(guān)說明，參照其一般規(guī)定，根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，總結(jié)信號模型的組織結(jié)構(gòu)劃分原則。

信號專業(yè)模型結(jié)構(gòu)與工務(wù)、電力、房建等專業(yè)相比存在特殊性，其管轄設(shè)備分布于鐵路沿線，分布不均衡且系統(tǒng)性強(qiáng)，不能簡單地以物理結(jié)構(gòu)分解定義劃分原則。信號專業(yè)在建設(shè)過程中以工點作為工程結(jié)構(gòu)分解的工程單元，一般將車站或具有獨立功能的信號場所作為1個工點，同時這也是運維管理的區(qū)域劃分的基本單元。因此，模型組織結(jié)構(gòu)以工程單元為基礎(chǔ)，再結(jié)合信號專業(yè)以系統(tǒng)為單位建設(shè)維護(hù)的特點，建立專業(yè)-工程單元-信號系統(tǒng)(設(shè)備單元)-設(shè)備四級樹結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由于篇幅限制列出部分設(shè)備級樹結(jié)構(gòu)。將模型按照從整體到局部的原則進(jìn)行拆分，直到構(gòu)件層級，并根據(jù)可獨立維修更換的原則劃分最小單元。

圖1 模型結(jié)構(gòu)劃分

1.3 模型命名規(guī)則

信號專業(yè)設(shè)備在室內(nèi)室外均有所分布，大量模型要能夠?qū)哟畏置鞯慕M織，需要結(jié)構(gòu)清晰編碼唯一的方式命名。模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了文件命名總體原則，但粒度僅劃分到工程單元級，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的命名規(guī)則并結(jié)合設(shè)備模型組織結(jié)構(gòu)，提出信號專業(yè)設(shè)備級模型命名方法。對信號專業(yè)室內(nèi)、室外設(shè)備分別命名：室內(nèi)文件命名由專業(yè)、工程單元名稱、設(shè)備名稱、安裝建筑名稱、安裝房間、安裝位置依次組成，相鄰代碼之間采用“##”進(jìn)行分割，例如，信號##清河站##繼電器##信號樓##機(jī)械室##1P(排)2J(架)；室外文件命名由專業(yè)、中心里程、工程單元名稱、設(shè)備名稱、安裝位置依次組成，相鄰代碼之間采用“##”進(jìn)行分割，例如，信號##K23+575##清河站##信號機(jī)##XII。

1.4 模型交付精度

BIM模型在規(guī)劃—預(yù)可研—可研—設(shè)計—施工5個階段得到不斷深入細(xì)化，模型本身及其搭載的信息越來越完善和豐富，因此，在運維階段的有效利用才能真正體現(xiàn)其全生命周期跟蹤的意義和價值。2017年鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的CRBIM 1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》中規(guī)定了LOD3.5施工圖設(shè)計階段的幾何精度，但還未發(fā)布運維階段的精度標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過對信號專業(yè)運維模型業(yè)務(wù)應(yīng)用的研究和驗證，對運維階段模型的幾何精度要求進(jìn)行補(bǔ)充，主要遵循的原則為：符合檢修維修的最小設(shè)備粒度要求；滿足設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計的要求；滿足可視化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的要求等。運維階段的幾何精度通用要求包括：在既有模型的基礎(chǔ)上建立主要設(shè)備模型，體現(xiàn)設(shè)備的外形輪廓，添加本階段所需的模型詳細(xì)參數(shù)，模型參數(shù)完整并預(yù)留信息擴(kuò)展接口，提高模型可用性，并用實際尺寸創(chuàng)建模型。設(shè)備的其他個性化要求如表1所示，由于篇幅限制列出部分設(shè)備幾何精度要求。

表1 運維階段信號專業(yè)設(shè)備幾何精度要求

2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息研究

信息是BIM技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)三維模型的關(guān)鍵，BIM以模型承載設(shè)備設(shè)施的物理特征、功能特性，能更好地支持項目決策，便于優(yōu)化顯示項目的價值[19]。BIM的數(shù)據(jù)庫從項目規(guī)劃階段就已開始建立，數(shù)據(jù)和信息伴隨工程的推進(jìn)不斷被完善和豐富，工程管理平臺站在建設(shè)施工的角度，建立站后四電工程統(tǒng)一管理應(yīng)用，將基礎(chǔ)設(shè)施的參與方維度信息和生產(chǎn)設(shè)計施工階段的信息統(tǒng)一收集管理。在既有設(shè)計施工階段數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過分析運維階段的管理流程，討論運維階段的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，同時也是對CRBIM 1009—2017《鐵路工程信息交換模板編制指南(試行)》的補(bǔ)充和完善。

2.1 業(yè)務(wù)分析

電務(wù)專業(yè)設(shè)備維護(hù)工作實行鐵路局—電務(wù)段分級管理，電務(wù)段實行段—車間—工區(qū)三級管理。維護(hù)工作的基礎(chǔ)是計劃管理，以計劃編制—審批—執(zhí)行—反饋的閉環(huán)管理流程覆蓋各個級別的維修、日常檢查、故障處理工作，其維護(hù)工作流程如圖2所示，主要包括以下4個方面。

圖2 信號專業(yè)維修作業(yè)流程

(1)計劃管理。電務(wù)段負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)備質(zhì)量狀況、年度重點工作組織編制年(月)度維修工作計劃和器材入所修計劃，經(jīng)電務(wù)部審核下發(fā)至車間。車間根據(jù)月計劃結(jié)合維修過程中的遺留問題，組織編制周計劃、天窗計劃、日計劃，經(jīng)電務(wù)段—電務(wù)部兩級審核下發(fā)至工區(qū)。

(2)維修作業(yè)實施。車間組織維修天窗實施方案，獲得電務(wù)段審批后組織計劃派工，組織工區(qū)開展現(xiàn)場作業(yè)，同時把握作業(yè)進(jìn)展情況，掌握設(shè)備問題和缺陷。

(3)設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)。電務(wù)部門定期編制和審核信號設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)，包括信號技術(shù)履歷簿數(shù)據(jù)、設(shè)備入所檢修數(shù)據(jù)、LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和STP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4)動態(tài)數(shù)據(jù)分析。車間和工區(qū)不間斷調(diào)閱分析信號系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，掌握設(shè)備編號情況，分析異常變化和報警，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和劣化趨勢。主要涉及各類行車類信號系統(tǒng)和集中監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 信號專業(yè)運維階段數(shù)據(jù)信息

設(shè)備全生命周期的跟蹤需涵蓋生產(chǎn)、設(shè)計、施工和運維4個階段。信號專業(yè)設(shè)備在設(shè)計和施工階段歸口站后四電工程統(tǒng)一管理，采集基本參數(shù)、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品合格證和檢驗檢測資料、設(shè)計施工圖、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、物資清單、工點信息、安裝調(diào)試等信息。

工程竣工交付過程中，這些信息依據(jù)交付精度標(biāo)準(zhǔn)移交運維。運維單位首先補(bǔ)充運維階段的基本信息，錄入單位信息，并按照以系統(tǒng)為單元維護(hù)的特點錄入所屬信號系統(tǒng)信息。通過業(yè)務(wù)分析，這一階段會經(jīng)歷日常養(yǎng)護(hù)、集中檢修、入所檢驗、中修、大修、故障應(yīng)急處理等過程，產(chǎn)生的信息主要闡明在這些過程中信號設(shè)備的檢修計劃和檢修記錄。此外，密切關(guān)注設(shè)備運行過程反饋的動態(tài)參數(shù)和曲線，也是電務(wù)每天的重點工作，根據(jù)動態(tài)參數(shù)的變化判斷設(shè)備運行狀態(tài)，排除隱患帶來的故障風(fēng)險。因此，將運維階段數(shù)據(jù)分為基本信息、檢修維護(hù)信息、生產(chǎn)作業(yè)信息、運行動態(tài)信息四個大類，分級分類和信息內(nèi)容如圖3所示。

圖3 運維階段數(shù)據(jù)信息

3 模型與數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

通過上述模型與數(shù)據(jù)格式的定義和規(guī)范，構(gòu)建模型與數(shù)據(jù)集成管理應(yīng)用。在運維階段，設(shè)備的數(shù)據(jù)是實時的，隨著運輸生產(chǎn)而不斷產(chǎn)生和動態(tài)變化，以Revit等建模工具進(jìn)行屬性集成的方式無法滿足這一階段數(shù)據(jù)存儲和展現(xiàn)的需要。設(shè)計以BIM模型集成到基于地理信息系統(tǒng)的設(shè)備管理平臺軟件體系結(jié)構(gòu)，可以做到廣度與細(xì)節(jié)兼顧，模型以輕量化和瓦片化的方式逐級加載[20]，并允許模型單元以低幾何精度和高信息深度存在，滿足數(shù)據(jù)集成的同時，使應(yīng)用加載速度更快。

3.1 模型管理

在設(shè)備管理平臺中，模型以文件的形式進(jìn)行存儲和讀取，根據(jù)上述模型交付和組織原則，分解工程單元的總裝模型，提取設(shè)備級別的模型信息進(jìn)行管理。模型庫管理模塊如圖4所示，采用四級模型組織結(jié)構(gòu)，管理設(shè)備及其部件器材的模型信息，為每個設(shè)備模型分配唯一編碼，作為模型與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的標(biāo)志。

圖4 模型庫管理模塊

3.2 運維可視化應(yīng)用

以B/S架構(gòu)實現(xiàn)運維數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，采用Cesium作為支撐框架，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建車站三維可視化場景，管理設(shè)備全生命周期各階段數(shù)據(jù)。以模型為出發(fā)點，建立線路結(jié)構(gòu)(工程單元)、管理層級(運維單位)、設(shè)備、所在位置、歸屬系統(tǒng)、作業(yè)計劃、運行動態(tài)之間的聯(lián)系，達(dá)到歸一化存儲和可視化呈現(xiàn)的目的。站在運維單位的角度，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)組織原則將設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性分類，組成管理層級—線路結(jié)構(gòu)—信號系統(tǒng)—設(shè)備四層樹狀結(jié)構(gòu)，并統(tǒng)一管理設(shè)備出廠信息、安裝信息、檢修維護(hù)信息、動態(tài)數(shù)據(jù)等。

目前，系統(tǒng)通過組織整理電子化臺賬、提供信息采集用戶界面、與其他系統(tǒng)接口等方式收集數(shù)據(jù)，建立設(shè)備檔案。研發(fā)的庫爾勒I場三維可視化場景如圖5所示，三維場景還原站場布局，展示設(shè)備出廠和維修作業(yè)等靜態(tài)數(shù)據(jù)。對于動態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用BIM與二維平面圖相結(jié)合的展示方式：室外設(shè)備分布面積廣、設(shè)備分散且傳統(tǒng)信號平面圖的適用度高，繼續(xù)沿用二維平面圖的方式(二維站場綜合顯示應(yīng)用普遍這里不再舉例)；室內(nèi)設(shè)備，機(jī)柜/組合架結(jié)構(gòu)緊湊，布線隱蔽且復(fù)雜，采用BIM模型方式展示，室內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)如圖6所示。

圖5 庫爾勒I場三維可視化場景

圖6 室內(nèi)運行狀態(tài)三維可視化場景

4 結(jié)語

基于BIM的鐵路運維管理平臺建設(shè)已進(jìn)入實際研發(fā)階段，平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完備性直接影響數(shù)據(jù)利用率，進(jìn)一步影響智能分析的準(zhǔn)確率。在運維管理平臺建設(shè)的課題研究基礎(chǔ)上，立足于信號專業(yè)，提出總裝模型分解的模型組織結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型命名規(guī)則，并通過分析電務(wù)運維管理過程，歸納信號專業(yè)運維階段數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，擴(kuò)充了《鐵路工程信息交換模板》?；谝陨险撌?，建立以模型為核心的數(shù)據(jù)歸一化存儲和展示應(yīng)用，通過Cesium引擎框架及BIM與GIS融合技術(shù)，形成三維可視化場景，建立四級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹，并給出模型與數(shù)據(jù)集成應(yīng)用開發(fā)案例。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和集成共享為運維管理平臺夯實了基礎(chǔ)，同時設(shè)備健康評估、故障預(yù)警、智能維修技術(shù)也正在開展研究，隨著三維可視化技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控手段和數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)的高速發(fā)展，相信平臺將更加智能和高效，更好地為供電工一體化維修服務(wù)。