韓自力 馬戰(zhàn)國 谷牧 尹京 柴金飛 段培勇 司道林

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路線路設(shè)備智能運維是通過集成應(yīng)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，構(gòu)建線橋隧物理空間與數(shù)字信息空間協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng)，兩個空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同［1-3］，實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測、預(yù)警以及預(yù)防性狀態(tài)修理。線路設(shè)備數(shù)字化以及基于多源數(shù)據(jù)的線路設(shè)備狀態(tài)評估與運維決策是實現(xiàn)線路設(shè)備智能運維需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對線路設(shè)備智能運維關(guān)鍵技術(shù)開展了一些研究。文獻［4］提出了鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計平臺，建立協(xié)同共享數(shù)據(jù)庫，各專業(yè)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)同標準和專業(yè)數(shù)據(jù)標準開發(fā)BIM設(shè)計軟件。文獻［5］應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建施工過程安全信息模型，對4D施工過程進行數(shù)字化分析，可全面檢驗進度計劃、施工方案、設(shè)計缺陷等。文獻［6］綜合考慮設(shè)計、現(xiàn)狀及病害、養(yǎng)護維修等因素，提出了長大公路隧道結(jié)構(gòu)安全的評價指標以及分級標準。文獻［7］采用層次分析-模糊評判法對隧道的各個指標進行評估，并利用二級模糊判斷矩陣以及最大隸屬度原則確定隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)等級。

上述研究主要集中于新建鐵路的線路設(shè)備數(shù)字化，且融合多源數(shù)據(jù)開展既有鐵路線路設(shè)備狀態(tài)評價的研究較少。鑒于此，本文以朔黃鐵路線路設(shè)備運維為背景，提出了基于GIS、BIM+GIS的線路設(shè)備可視化以及全壽命周期管理技術(shù)，并以大數(shù)據(jù)分析為核心，探究建立了基于多源數(shù)據(jù)的線路設(shè)備狀態(tài)評價方法。

1 線路設(shè)備數(shù)字化與全壽命周期管理

應(yīng)用BIM、GIS等技術(shù)，將設(shè)備履歷、狀態(tài)、維修、病害等信息進行“一張圖”融合。包括設(shè)備臺賬、設(shè)備履歷、匯總報表、專題圖、春秋檢、設(shè)備病害字典、基礎(chǔ)信息等綜合管理，具有臺賬數(shù)據(jù)導(dǎo)入、統(tǒng)計分析、臺賬智能更新、病害智能分級分類、匯總報表自動生成、專題圖自動更新等功能，實現(xiàn)工務(wù)設(shè)備從上道、檢查/巡檢、維修、下道的全壽命周期閉環(huán)管理與三維可視化分析。

1.1 基于GIS線路設(shè)備全壽命周期管理

1）線路設(shè)備單體化

線路設(shè)備包括軌道、路基、道岔、橋隧等，分別按單元進行管理，各管理單元根據(jù)專業(yè)設(shè)備精細化管理要求，對單元進行單體化，如道岔可單體化為基本軌、尖軌、轍叉、軌枕、扣件等。軌道單元單體化為鋼軌、軌枕、扣件等。鋼軌按單根分左右股進行管理，長度為朔黃鐵路鋼軌實際長度。各結(jié)構(gòu)單元可關(guān)聯(lián)設(shè)備臺賬、屬性等信息，實現(xiàn)設(shè)備精細化管理。

利用GIS（Geographic Information System）地圖可開展重載鐵路線路設(shè)備及地理環(huán)境空間拓撲關(guān)系的綜合分析，實現(xiàn)線路設(shè)備數(shù)字化、可視化管理。為提升GIS設(shè)備地圖加載速度，線路模型（圖形單元）建模時需考慮一定的輕量化，分上下行分別建模，車站按實際道岔配線圖、股道圖建模，路基、支檔結(jié)構(gòu)需在GIS地圖上建模，并考慮與軌道模型的差異化展現(xiàn)。GIS地圖加載速度小于等于2 s，地圖比例尺最小500∶1，線路建模時按線路實際里程建模，里程定位偏差0.2 m。

通過GIS地圖將線路設(shè)備圖和設(shè)計、建造、運維、檢測等屬性數(shù)據(jù)庫信息關(guān)聯(lián)，可實現(xiàn)“圖-數(shù)”、“數(shù)-圖”交互與查詢統(tǒng)計分析。通過設(shè)備名稱可進行查詢統(tǒng)計設(shè)備的空間信息和屬性信息。通過地圖點擊、框選等方法進行設(shè)備選擇，根據(jù)運維管理需求顯示設(shè)備相關(guān)屬性信息。地圖定位時，將需要顯示的目標對象定位到當前視圖的中心位置，并將用戶的查詢結(jié)果在圖形上進行快速準確地顯示和定位。

2）設(shè)備臺賬、屬性、狀態(tài)的一張圖可視化管理

GIS系統(tǒng)中所涉及的數(shù)據(jù)可分為設(shè)備空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其中設(shè)備位置是線路設(shè)備對象的經(jīng)緯度坐標，幾何圖元描述設(shè)備的空間形狀，拓撲結(jié)構(gòu)為設(shè)備空間位置關(guān)系。屬性數(shù)據(jù)為臺賬數(shù)據(jù)和運維業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，見圖1。

圖1 基于GIS線路設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

建立線路設(shè)備統(tǒng)一的編碼規(guī)則，通過設(shè)備編碼關(guān)聯(lián)設(shè)備各類信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備臺賬、檢測監(jiān)測、病害、維修養(yǎng)護等，在地理圖形上可快速查詢線路設(shè)備臺賬信息、運維信息，實現(xiàn)資產(chǎn)圖形化管理。

設(shè)備臺賬屬性可進行新建、修改、刪除，技術(shù)臺賬、屬性按朔黃公司臺賬與屬性表編制。結(jié)合運維需求，可在GIS地圖展示不同的設(shè)備臺賬、屬性信息。如橋梁結(jié)構(gòu)包括設(shè)備名稱、固資信息、現(xiàn)場圖片、技術(shù)資料等。

設(shè)備健康狀態(tài)以及病害等信息可采用色階、彈窗等方式展示，病害信息除與單元設(shè)備關(guān)聯(lián)外，還與設(shè)備具體部件精準關(guān)聯(lián)。色階顯示分為三級：正常、黃色（二級病害）、紅色（三、四級病害）。

1.2 橋隧BIM+GIS三維可視化技術(shù)

應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)，可實現(xiàn)朔黃鐵路橋隧設(shè)備三維可視化“一張圖”管理。應(yīng)用BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，按照鐵路BIM標準，定義模型IFC分類和屬性信息，對既有橋隧進行三維模型的參數(shù)化快速建模［8］，整合橋隧結(jié)構(gòu)既有的全部數(shù)據(jù)信息，以3D可視化的形式，實現(xiàn)對既有橋隧的直觀展示和資料的綜合管理；而GIS可以完成橋隧構(gòu)筑物的地理位置及其空間信息分析，提高BIM模型的信息完備性。

1）基于Revit的橋隧參數(shù)化建模

根據(jù)朔黃鐵路橋隧分布特點，應(yīng)用Revit建模軟件，建立滿足不同運輸條件下典型橋隧BIM構(gòu)件庫，如T梁、箱梁、支座等標準化部件。通過構(gòu)件庫調(diào)用構(gòu)件模型，與線路平縱曲線關(guān)聯(lián)，快速搭建橋隧模型，實現(xiàn)典型橋隧成段落BIM快速建模。建模時需對構(gòu)件幾何尺寸進行規(guī)律性分析或提取，以構(gòu)建參數(shù)化的BIM模型，并對每種類型構(gòu)件包含的屬性信息進行歸集整理，形成BIM模型構(gòu)件屬性信息標準。應(yīng)用橋隧分類編碼，建立橋隧結(jié)構(gòu)樹狀組織關(guān)系，并與橋隧病害庫進行內(nèi)部關(guān)聯(lián)。

2）橋隧BIM+GIS融合與全壽命周期信息集成

橋隧設(shè)備全壽命周期管理依托SuperMap引擎實現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)的融合分析。在BIM數(shù)據(jù)融合與GIS數(shù)據(jù)匹配時，通常兩個數(shù)據(jù)使用不同的坐標系，需利用SuperMap平臺進行坐標系轉(zhuǎn)換操作，可利用模型數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換功能與配準功能，方便將工程坐標系下的BIM模型自動匹配到指定的坐標系［9］。將BIM模型所在區(qū)域的傾斜攝影模型進行鑲嵌壓平操作，實現(xiàn)傾斜攝影與BIM數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，一方面通過傾斜攝影技術(shù)可以批量構(gòu)建現(xiàn)實世界的表面模型，可以作為底圖使用；另一方面通過BIM數(shù)據(jù)生成橋隧結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更加精準化數(shù)據(jù)分析和建模。

通過制定編碼規(guī)則建立數(shù)據(jù)與設(shè)備構(gòu)件之間唯一關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于GIS+BIM的信息動態(tài)關(guān)聯(lián)展示，實現(xiàn)全壽命周期信息的可視化管理。主要業(yè)務(wù)功能包括：GIS場景展示、BIM模型可視化與信息（病害狀態(tài)、評估結(jié)果、運維計劃、設(shè)備臺賬）關(guān)聯(lián)展示、橋隧信息雙向查詢和快速定位、圖表自定義、信息欄屬性自定義等，見圖2。

圖2 基于BIM+GIS橋梁三維可視化管理

2 BIM+GIS輕量化技術(shù)

BIM模型集成了橋隧設(shè)備所有相關(guān)信息數(shù)據(jù)，各構(gòu)件不僅包含了三維模型的外觀，還儲存著大量的屬性數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)量級過大時，會導(dǎo)致顯示端運行卡頓［10］。采用以下幾種方法進行了橋隧BIM+GIS信息模型的輕量化。

1）內(nèi)部冗余數(shù)據(jù)刪減

BIM技術(shù)在橋隧設(shè)備設(shè)計、施工、運維各個階段，均會產(chǎn)生相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，且各階段對BIM模型的精細化程度與屬性信息要求不同。如在設(shè)計與施工階段，需要考慮梁體內(nèi)部鋼筋等部件。在運維生產(chǎn)中，在大多數(shù)情況下僅需要外部輪廓，對模型數(shù)據(jù)庫中的信息進行篩選，刪除冗余構(gòu)件及數(shù)據(jù)（顯示端中無需顯示的構(gòu)件）。

2）三角網(wǎng)格模型簡化

通過減少三角面的數(shù)量，在輕量化處理過程中要保持模型外觀特征，盡可能使BIM模型外觀與實際橋隧外觀一致［11］。

邊折疊方法是三角網(wǎng)絡(luò)模型簡化常用的算法之一，具有計算簡單、模型外觀幾何特征易保持等特點。對網(wǎng)格中折疊代價小的邊進行刪減，得到新頂點，再將與這條邊有關(guān)的頂點和三角面片刪除，實現(xiàn)簡化需求，見圖3。

圖3 基于邊折疊的三角網(wǎng)格簡化圖

3）相似圖元引用

對于某些圖元形態(tài)上相同的部件，在BIM建模時可采用相似圖元引用的方法，對線路軌枕、扣件外形完全相同的部件進行圖元合并處理，僅保留一個部件的信息，通過“引用+空間坐標”的方法構(gòu)建剩余相同的部件，能夠大幅縮減圖元數(shù)量，降低數(shù)據(jù)存儲空間，實現(xiàn)BIM模型輕量化。

4）LOD多細節(jié)層級模型

LOD（Level Of Detail）即細節(jié)層次模型，通過連續(xù)簡化模型，減少模型網(wǎng)格數(shù)量從而降低模型的復(fù)雜性，提高模型的繪制速度和顯示質(zhì)量。離散LOD將原模型進行預(yù)處理，根據(jù)展示要求建立多個層級簡化模型，采用模型可見性和模型與視點間距進行LOD多層級展示。查看整體模型時，對模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝飾進行剔除；用戶拉近視點距離時，顯示精度較高的精細模型，拉遠視點距離時，顯示精度較低的粗糙模型，提高模型加載與渲染速度。

3 線路設(shè)備智能運維決策關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大數(shù)據(jù)分析方法對比

大數(shù)據(jù)分析方法主要有貝葉斯分類、D-S證據(jù)理論、聚類分析、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，見表1。在大數(shù)據(jù)分析中一般會結(jié)合多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，構(gòu)建較為適宜的算法模型［12-13］。在線路設(shè)備狀態(tài)評價與運維決策中，由于線路設(shè)備部件多，影響因素多，主要采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、模糊層次分析等方法。

表1 大數(shù)據(jù)融合算法比較

重載鐵路線路設(shè)備智能運維需融合應(yīng)用大量的人工檢查、移動檢測、固定監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)，設(shè)備異常狀態(tài)下的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，給設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測預(yù)警分析帶來一定難度。首先建立線路設(shè)備仿真模型，分析各檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性及其對結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的影響規(guī)律，建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練集。然后應(yīng)用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，構(gòu)建融合多源數(shù)據(jù)的工務(wù)設(shè)備評估指標體系和數(shù)字化評估模型，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評估預(yù)測以及智能維修決策。線路設(shè)備運維決策包括軌道單元、鋼軌修理、大機清篩搗固、道岔、路基、橋隧狀態(tài)評估與運維決策等。本文以軌道單元狀態(tài)評價為例，建立了基于模糊層次評判法的軌道狀態(tài)評價模型和方法。

3.2 模糊層次分析法

模糊層次分析是將層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和模糊綜合評價法（Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE）相結(jié)合的一種評價方法。重載鐵路線路結(jié)構(gòu)部件多，各部件的評價方法不一致，且各個部件的影響因素不同，采用某一單項或幾項指標無法對這些復(fù)雜系統(tǒng)或問題進行全面整體評價。模糊層次分析首先結(jié)合線路設(shè)備狀態(tài)影響因素分析，構(gòu)建層次分析模型，采用AHP確定所有指標的權(quán)重；然后采用FCE評判，確定評價指標集以及隸屬度函數(shù)；最后結(jié)合模糊運算，得出設(shè)備狀態(tài)的評判結(jié)果。本文以軌道狀態(tài)評價為例，應(yīng)用模糊層次分析法，提出了重載鐵路軌道狀態(tài)評價模型與流程。

1）軌道狀態(tài)評估分析模型

AHP需對所要解決的問題進行層次梳理，建立層次結(jié)構(gòu)模型。層次結(jié)構(gòu)模型一般分為三層：目標層、準則層、指標層［14］。軌道狀態(tài)評價目標層為軌道狀態(tài)，結(jié)合軌道狀態(tài)影響因素分析，可分線路狀態(tài)、線路結(jié)構(gòu)、運營條件、環(huán)境條件四個準則層進行評價，每個準則層又分為不同的指標進行評價。共考慮21個指標，見圖4。

圖4 軌道狀態(tài)評價模型

軌道狀態(tài)評估模型評價指標集共有21個評價因素，可表示為E={E1，E2，…，E21}。一般而言，指標集中的指標因素可分為定量指標和定性指標，軌道狀態(tài)評價的21個指標均為定量指標，可根據(jù)線路設(shè)備檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價。

2）模糊綜合評判法

模糊綜合評判法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，多用于對事物進行綜合評價。運用FCE法進行評估時，需要將設(shè)備狀態(tài)的優(yōu)劣程度劃分為若干個等級，確定被評價對象和評價指標集［15-16］。采用合理的方法確定隸屬度函數(shù)，通過模糊合成運算，確定模糊評判的結(jié)果。

根據(jù)重載線路設(shè)備特點，將軌道狀態(tài)劃分為“優(yōu)良”“正?！薄白⒁狻比齻€等級。設(shè)評價語集U為軌道狀態(tài)評價等級的集合，則U=｛U1，U2，U3｝=｛優(yōu)良，正常，注意｝。

隸屬度函數(shù)可采用模糊分布法來確定，隸屬度函數(shù)是指評價指標E與評價等級U之間的函數(shù)關(guān)系，三角形隸屬函數(shù)圖形簡單、便于計算。因此本文采用三角形分布法建立一級指標與其相應(yīng)評估等級之間的隸屬度函數(shù)。

3）軌道狀態(tài)評估流程

分析軌道狀態(tài)的影響因素，應(yīng)用模糊層次分析方法，建立重載鐵路軌道狀態(tài)多層次模糊評判模型。評價分析流程如下：

①建立層次評價模型，確定評價指標集。共考慮21個指標進行評價。

②構(gòu)建判斷矩陣，確定評價指標權(quán)重向量。評判指標權(quán)重采用九標度法。由行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜乙约八伏S鐵路運維管理人員兩兩比較相對指標的重要程度來建立判斷矩陣，并進行一致性檢驗，確定權(quán)重向量。

③確定評語集。評價語集U=｛U1，U2，U3｝=｛優(yōu)良，正常，注意｝。

④確定隸屬度與評判矩陣。利用三角分布法確定各指標的隸屬度，逐個準則層構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。以準則層中的線路狀態(tài)為例，評價指標共有5個，分別為E1—E5，其構(gòu)建的評判矩陣為

對評判矩陣R1進行歸一化處理：

式中：r ij為評價指標Ei對評判等級Uj的隸屬度；m=3。

⑤模糊合成運算，確定評價綜合指標。分別將各準則層的模糊矩陣R與評價指標局部權(quán)重進行模糊合成運算，再結(jié)合各準則層指標權(quán)重矩陣，得出二級模糊評判矩陣。二級模糊評判矩陣中的最大項對應(yīng)的評價語集即為軌道狀態(tài)的整體評價結(jié)果。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用BIM、GIS等技術(shù)，將設(shè)備履歷、狀態(tài)、維修、病害等信息進行“一張圖”融合。包括對設(shè)備臺賬、設(shè)備履歷、匯總報表、基礎(chǔ)信息等綜合管理，實現(xiàn)線路設(shè)備從上道、檢查/巡檢、維修、下道的全壽命周期閉環(huán)管理。

2）基于SuperMap平臺，提出了重載鐵路橋隧BIM模型與三維GIS融合方法，通過制定編碼規(guī)則建立數(shù)據(jù)與設(shè)備構(gòu)件之間唯一關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于GIS+BIM的信息動態(tài)關(guān)聯(lián)展示，實現(xiàn)橋隧設(shè)備三維可視化管理。

3）為減小橋隧三維模型運行卡頓。研究應(yīng)用內(nèi)部冗余數(shù)據(jù)刪減、三角網(wǎng)格模型簡化、LOD多細節(jié)層級模型等輕量化技術(shù)，可提高橋隧三維BIM+GIS可視化展示的流暢性。

4）線路設(shè)備運維中積累了大量的人工檢查、移動檢測以及固定監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)，但設(shè)備異常狀態(tài)下的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，對設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測預(yù)警分析帶來一定難度。本文建立了基于“結(jié)構(gòu)仿真+大數(shù)據(jù)分析”的線路設(shè)備狀態(tài)評價方法，并以軌道狀態(tài)評價為例，應(yīng)用模糊層次分析法提出了重載軌道狀態(tài)評價模型與流程。