吳強(qiáng) 楊小恒

摘? 要：針對(duì)我國(guó)目前鐵路道岔采用傳統(tǒng)運(yùn)維管理方法存在的問(wèn)題，對(duì)道岔運(yùn)維技術(shù)路線、道岔數(shù)據(jù)傳遞流程、道岔運(yùn)維平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行研究分析，建立了基于BIM技術(shù)的道岔三維可視化智能運(yùn)維管理平臺(tái)。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)道岔三維展示、道岔測(cè)量、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護(hù)、運(yùn)維管理等幾方面功能進(jìn)行了論述，旨在為鐵路道岔設(shè)備運(yùn)維提供新思路，提高道岔運(yùn)維效率及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：道岔；BIM技術(shù)；智能維護(hù)管理平臺(tái)；三維展示

中圖分類號(hào)：TP39? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）07-0120-04

Abstract： Aiming at the problems existing in the traditional operation and maintenance management method of railway turnout in China， the technical route of turnout operation and maintenance， turnout data transfer process and the structure of turnout operation and maintenance platform are studied and analyzed， and a 3D visual intelligent operation and maintenance management platform of turnout based on BIM technology is established. Through practical verification， the functions of turnout 3D display， turnout measurement， data management， data maintenance， operation and maintenance management are discussed， aiming to provide new ideas for the operation and maintenance of railway turnout equipment and improve the efficiency and quality of turnout operation and maintenance.

Keywords： turnout; BIM technology; intelligent maintenance management platform; 3D display

0? 引? 言

道岔作為鐵路軌道的重要組成，其工作狀態(tài)是否良好至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)嚴(yán)重影響鐵路的安全運(yùn)行，做好道岔的日常維護(hù)工作就顯得尤為重要。實(shí)際維護(hù)工作中，要對(duì)道岔所有緊固件進(jìn)行檢查，在專項(xiàng)整治中，需測(cè)量并記錄鐵路道岔設(shè)備的開(kāi)程、缺口鎖閉量及尖軌的竄動(dòng)量等參數(shù)，定期檢查和調(diào)整護(hù)輪軌的間隔尺寸。傳統(tǒng)上鐵路道岔運(yùn)維人員通過(guò)查詢二維圖紙來(lái)掌握道岔相關(guān)參數(shù)信息，維護(hù)中遇到技術(shù)問(wèn)題時(shí)技術(shù)咨詢較為困難且不直觀，道岔日常維護(hù)信息依靠人工填錄紙質(zhì)表格形成臺(tái)賬。傳統(tǒng)方法增加了維護(hù)人員和歸檔人員的工作量，工作效率低下，且容易引起操作、記錄錯(cuò)誤?；贐IM技術(shù)對(duì)道岔進(jìn)行三維建模，以三維視圖形式對(duì)道岔重要部位立體展示，道岔故障時(shí)對(duì)故障現(xiàn)象自動(dòng)記錄并對(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行提示，同時(shí)給出指導(dǎo)測(cè)量、整治、維修的方法?；贐IM技術(shù)的道岔運(yùn)維平臺(tái)可將道岔空間信息、技術(shù)參數(shù)信息整合起來(lái)，充分發(fā)揮空間定位和數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)勢(shì)，合理制定運(yùn)維、管理、維護(hù)計(jì)劃，對(duì)提高道岔運(yùn)維系統(tǒng)智能化具有重要意義[1，2]。

1? 研究路線

該課題的技術(shù)路線圖如圖1所示。首先通過(guò)對(duì)道岔運(yùn)維相關(guān)背景、國(guó)內(nèi)外BIM應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，為道岔運(yùn)維平臺(tái)的建立奠定理論基礎(chǔ)，其次對(duì)鐵路道岔運(yùn)維管理工作現(xiàn)狀及存在問(wèn)題進(jìn)行分析，研究BIM應(yīng)用于道岔運(yùn)維工作的必要性和可行性，接著對(duì)基于BIM技術(shù)的運(yùn)維管理方案進(jìn)行分析，論證方案及平臺(tái)架構(gòu)的可行性，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)所研發(fā)的道岔運(yùn)維平臺(tái)各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。基于BIM技術(shù)的三維可視化道岔運(yùn)維平臺(tái)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包含BIM模型輕量化及交互渲染技術(shù)、BIM 與 GIS 融合集成技術(shù)、BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、VR、5G等先進(jìn)技術(shù)的融合技術(shù)、多源異構(gòu)模型數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化技術(shù)等。

2? 數(shù)據(jù)分析流程

由于道岔設(shè)備的復(fù)雜性，一種道岔病害表現(xiàn)可能由不同的原因造成，整治的方法也不同，需要針對(duì)關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如造成頂鐵縫隙過(guò)寬的原因，需要依據(jù)基本軌框架尺寸變形情況、尖軌爬行與否、頂鐵縫隙數(shù)據(jù)三項(xiàng)綜合分析判斷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析經(jīng)驗(yàn)，研究道岔測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)與病害成因之間的關(guān)系，以現(xiàn)場(chǎng)既有驗(yàn)收檢測(cè)數(shù)據(jù)為輸入源，綜合分析數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，給出成因分析和整治建議。通過(guò)測(cè)量工具并結(jié)合傳感器對(duì)道岔狀態(tài)進(jìn)行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理板卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及特征提取再傳動(dòng)至道岔運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)及故障決策，道岔數(shù)據(jù)分析流程圖如圖2所示。

3? 運(yùn)維平臺(tái)架構(gòu)

基于BIM技術(shù)的道岔運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用于道岔運(yùn)維階段，通過(guò)該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)鐵路道岔綜合展示、運(yùn)維管理和可視化監(jiān)測(cè)等功能。平臺(tái)宜采用云部署，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境，以保證各項(xiàng)功能模塊可以靈活擴(kuò)展及快速響應(yīng)。同時(shí)道岔運(yùn)維平臺(tái)還需具有數(shù)據(jù)加密、權(quán)限控制等安全防護(hù)技術(shù)，保證平臺(tái)安全可靠運(yùn)行。

平臺(tái)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，各層的操作模塊相對(duì)獨(dú)立[3，4]。圖3為道岔運(yùn)維平臺(tái)架構(gòu)框圖。

用戶層：相關(guān)運(yùn)維人員可以通過(guò)手機(jī)終端或者PC終端等訪問(wèn)平臺(tái)并進(jìn)行相關(guān)功能操作。

應(yīng)用層：應(yīng)用層為運(yùn)維人員提供相關(guān)運(yùn)維功能模塊，包括資產(chǎn)管理、狀態(tài)查詢、運(yùn)維管理、報(bào)警查詢、故障管理、智能分析等應(yīng)用。

平臺(tái)層：該層以平臺(tái)服務(wù)和中間件為中心，包括模型，時(shí)序數(shù)據(jù)、身份認(rèn)證等，結(jié)合服務(wù)總線為運(yùn)維平臺(tái)提供一個(gè)支持信息訪問(wèn)、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層利用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存放與道岔運(yùn)維有關(guān)的設(shè)備信息、安裝信息、資產(chǎn)信息、維保信息、用戶信息等。

基礎(chǔ)設(shè)施層：該層為道岔運(yùn)維平臺(tái)提供硬件及軟件支撐，硬件設(shè)備包括服務(wù)器、交換機(jī)、無(wú)線設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信設(shè)備等，軟件部分包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、以及相關(guān)中間件。

4? 運(yùn)維平臺(tái)功能驗(yàn)證

以合肥站道岔為運(yùn)維對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)的道岔運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。具體功能如下所述。

4.1? 道岔三維展示

道岔運(yùn)維平臺(tái)以BIM三維圖形作為展示方式，用戶可以根據(jù)所選道岔規(guī)格型號(hào)，加載對(duì)應(yīng)的BIM模型，并以標(biāo)注線、立體標(biāo)簽等方式顯示道岔相關(guān)運(yùn)維數(shù)據(jù)。通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)以及快速定位方式可以實(shí)現(xiàn)道岔真實(shí)模型的全方位觀測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到的道岔數(shù)據(jù)超出規(guī)定值時(shí)，BIM子模型標(biāo)識(shí)為紅色，并顯示故障類型，對(duì)運(yùn)維人員給予提示，圖4為密貼檢查器示意圖。

4.2? 道岔測(cè)量

道岔測(cè)量是道岔維護(hù)工作的重要內(nèi)容。在三維模型上，以圖標(biāo)的方式標(biāo)注所檢查項(xiàng)目測(cè)量點(diǎn)，不同的檢查項(xiàng)目采用不同的圖標(biāo)。進(jìn)行測(cè)算時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)在文本框顯示，為了避免人為原因引起的測(cè)量失誤或者當(dāng)運(yùn)維人員不了解具體測(cè)量方法時(shí)，可以通過(guò)點(diǎn)擊“測(cè)量方法”按鈕，顯示當(dāng)前檢查項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法及測(cè)量步驟，對(duì)測(cè)量人員進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)。圖5為框架尺寸測(cè)量示意圖，直基本軌處的標(biāo)簽代表標(biāo)準(zhǔn)值，區(qū)基本軌處標(biāo)簽代表測(cè)量值，標(biāo)注線表示測(cè)量位置，標(biāo)注線上的標(biāo)簽代表差值。

4.3? 數(shù)據(jù)管理

通過(guò)PC終端或者手機(jī)終端可以實(shí)現(xiàn)道岔運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)錄入、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。運(yùn)維人員可通過(guò)靈活多樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，包括頁(yè)面錄入、Excel表格導(dǎo)入、移動(dòng)端數(shù)據(jù)導(dǎo)入等；道岔運(yùn)維平臺(tái)提供歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線查看功能，可以對(duì)各檢查項(xiàng)目、測(cè)量點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，并進(jìn)行曲線繪制，便于運(yùn)維人員對(duì)道岔狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判；運(yùn)維平臺(tái)提供數(shù)據(jù)分析功能，可以自動(dòng)完成測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的比較，形成分析報(bào)告，如果數(shù)據(jù)異常則會(huì)指明道岔可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提供詳細(xì)的解決方案，指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，并可以按照現(xiàn)場(chǎng)模板對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出。圖6所示為道岔測(cè)量點(diǎn)記錄及歷史曲線查看界面。

4.4? 數(shù)據(jù)維護(hù)

為了適應(yīng)不同站點(diǎn)道岔信息及運(yùn)維人員信息的變化，運(yùn)維平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)維護(hù)功可以實(shí)現(xiàn)道岔數(shù)據(jù)以及用戶數(shù)據(jù)和站點(diǎn)信息的維護(hù)管理，道岔數(shù)據(jù)維護(hù)功能通過(guò)道岔新增、道岔刪除、道岔信息編輯實(shí)現(xiàn)道岔信息的變更。用戶數(shù)據(jù)維護(hù)可以對(duì)用戶進(jìn)行增、刪、改、查，分配角色和權(quán)限；平臺(tái)設(shè)置系統(tǒng)管理員、段/車間/工區(qū)級(jí)管理員、數(shù)據(jù)操作員、查看用戶等角色。平臺(tái)還可以對(duì)用戶的管理層級(jí)進(jìn)行維護(hù)，平臺(tái)初步設(shè)定的管理層級(jí)分為段、車間、工區(qū)三級(jí)。站點(diǎn)管理可以實(shí)現(xiàn)車站信息的增、刪、改、查功能。

4.5? 運(yùn)維管理

基于BIM的道岔運(yùn)維平臺(tái)具有報(bào)警事件管理功能，運(yùn)維人員可以根據(jù)報(bào)警事件，對(duì)故障進(jìn)行定位查詢，實(shí)時(shí)派工，對(duì)道岔進(jìn)行維護(hù)；相關(guān)人員通過(guò)BIM運(yùn)維平臺(tái)根據(jù)運(yùn)維任務(wù)填寫工單，進(jìn)一步明確運(yùn)維任務(wù)，經(jīng)運(yùn)維負(fù)責(zé)人審核批準(zhǔn)后運(yùn)維人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。道岔運(yùn)維完成后，需通過(guò)道岔運(yùn)維平臺(tái)對(duì)本次運(yùn)維事項(xiàng)建立相應(yīng)的臺(tái)賬，內(nèi)容包括：維護(hù)對(duì)象、維護(hù)時(shí)間、維護(hù)人員、故障類型等，方便后期查詢[5]。

4.6? 其他功能及移動(dòng)終端

道岔運(yùn)維平臺(tái)除了上述功能外，還包括設(shè)置圖層、平臺(tái)維護(hù)、基礎(chǔ)操作、資產(chǎn)管理等功能模塊?？梢愿鶕?jù)使用人員要求對(duì)具體功能模塊進(jìn)行配置。手機(jī)移動(dòng)終端APP可以與運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)手機(jī)移動(dòng)終端APP也可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、歷史數(shù)據(jù)查詢、運(yùn)維管理等功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體情況或者測(cè)量問(wèn)題可以通過(guò)上傳照片和拍攝照片的方式進(jìn)行記錄。APP端首次使用，或系統(tǒng)信息更新時(shí)，需生成初始化文件。圖7為手機(jī)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)錄入示例[6]。

4.7? 運(yùn)維平臺(tái)安全問(wèn)題

BIM 技術(shù)核心是數(shù)據(jù)，重要數(shù)據(jù)一旦存儲(chǔ)、傳遞和管理發(fā)生安全問(wèn)題，將造成嚴(yán)重后果。運(yùn)維平臺(tái)相關(guān)安全問(wèn)題包括通信網(wǎng)絡(luò)安全、區(qū)域邊界安全、計(jì)算機(jī)環(huán)境安全、管理中心安全、云計(jì)算安全、移動(dòng)接入安全等。首先要保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及服務(wù)器等硬件設(shè)備安全可靠運(yùn)行，其次要建立防火墻防止病毒及木馬程序入侵，還需建立安全管理制度對(duì)管理人員或操作人員執(zhí)行的日常管理操作建立操作規(guī)程，形成由安全策略、管理制度、操作規(guī)程、記錄表單等構(gòu)成的全面的安全管理制度體系，保證運(yùn)維平臺(tái)的可靠安全運(yùn)行。

5? 結(jié)? 論

鐵路道岔是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，故障率較高，為了保證列車運(yùn)行的安全可靠性，道岔的健康狀態(tài)管理至關(guān)重要，運(yùn)維階段是鐵路建設(shè)周期中最長(zhǎng)的一個(gè)階段，運(yùn)維成本在整個(gè)鐵路生命周期中占比最大，需要耗費(fèi)極大的財(cái)力、人力以及物力。另一方面，我國(guó)鐵路采用封閉運(yùn)行的管理模式，現(xiàn)有運(yùn)維手段無(wú)法及時(shí)、全面的了解道岔的健康狀態(tài)。采用基于BIM技術(shù)的道岔運(yùn)維平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)維方法具有高效便捷、失誤率低的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)鐵路設(shè)備運(yùn)維發(fā)展的趨勢(shì)。論文對(duì)基于BIM技術(shù)的道岔三維可視化運(yùn)維管理平臺(tái)技術(shù)路線、數(shù)據(jù)傳輸流程、平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行了論述，并結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證了道岔三維展示、道岔測(cè)量、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)維護(hù)、運(yùn)維管理等主要功能模塊的功能，所建立的道岔運(yùn)維平臺(tái)已在實(shí)際中得以應(yīng)用并取得了良好的效果，對(duì)推動(dòng)鐵路設(shè)備運(yùn)維智能化具有積極的意義。

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作者簡(jiǎn)介：吳強(qiáng)（1989—），男，漢族，山西孝義人，工程師，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，研究方向：鐵道信號(hào)方向。