張健豐 范景祥 劉明薦 姚雪琴 宋培城

(中國鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司, 200072, 上?！蔚谝蛔髡? 高級(jí)工程師)

城市軌道交通作為一個(gè)多專業(yè)協(xié)同、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的龐大復(fù)雜體系,是新科技集成應(yīng)用和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。利用5G技術(shù)、BIM(建筑信息模型)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、大數(shù)據(jù)、人工智能和云計(jì)算等蓬勃發(fā)展的新技術(shù)賦能傳統(tǒng)軌道交通運(yùn)維業(yè)務(wù),構(gòu)建上海超大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)維“智慧大腦”,是提升上海軌道交通運(yùn)維效能與效益的重要手段,也是未來城市軌道交通運(yùn)維發(fā)展的新趨勢(shì)和新動(dòng)能。

在我國一些重要工程項(xiàng)目中,BIM+數(shù)字孿生技術(shù)僅有探索性的研究。文獻(xiàn)[1]在武漢火神山醫(yī)院工程項(xiàng)目的建設(shè)過程中,提出數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療建筑全生命周期中使用的技術(shù)路線。文獻(xiàn)[2]將BIM+數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于裝配式城市軌道交通工程預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理,以實(shí)現(xiàn)實(shí)體生產(chǎn)與虛擬施工的信息交互,并對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。文獻(xiàn)[3]以雄安市民服務(wù)中心項(xiàng)目為例,通過整合BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)通信、云計(jì)算和IoT等信息技術(shù)的集成應(yīng)用,全面提高了建設(shè)單位和施工單位的建造管理能力。文獻(xiàn)[4]結(jié)合 GIS(地理信息系統(tǒng))+BIM 技術(shù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)和研發(fā)了基于3D WebGIS軟件的軌道交通工程建造管理系統(tǒng),并依托西安地鐵8號(hào)線試點(diǎn)工程進(jìn)行應(yīng)用,有效提高了多方參與的項(xiàng)目管理質(zhì)量,為軌道交通工程信息化提供技術(shù)參考。文獻(xiàn)[5]基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通建造管控應(yīng)用,提出城市軌道交通建造管控的數(shù)字孿生架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建造管控模式,并將該研究成果成功應(yīng)用于深圳地鐵14號(hào)線。

通過上述研究可以看出,BIM+數(shù)字孿生技術(shù)除在基建工程中的應(yīng)用外,在城市軌道交通中的研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段,缺少針對(duì)性的理論基礎(chǔ)研究?，F(xiàn)階段,數(shù)字孿生技術(shù)的研究熱點(diǎn)是結(jié)合BIM、GIS和IoT等技術(shù),建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生環(huán)境。本文基于BIM技術(shù)建立數(shù)字孿生仿真系統(tǒng),開發(fā)數(shù)字孿生平臺(tái)用于展示有限元模型,并與相關(guān)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí),開展了基于數(shù)字孿生技術(shù)與專業(yè)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并結(jié)合有限元數(shù)值模擬對(duì)鋼軌各階段的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真與實(shí)時(shí)監(jiān)控,進(jìn)而研究鋼軌的受力情況及其內(nèi)部狀態(tài)。本文研究可為城市軌道交通鋼軌服役性能長期發(fā)展規(guī)律與實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)指導(dǎo),助力城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)。

1 基于BIM的數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)

數(shù)字孿生技術(shù)綜合了現(xiàn)代科技的物聯(lián)網(wǎng)感知、大數(shù)據(jù)計(jì)算、仿真建模等現(xiàn)代信息技術(shù),借由軟件定義功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間的展示,以及故障診斷、運(yùn)行及狀態(tài)預(yù)測(cè)和行為決策等功能,實(shí)現(xiàn)了賽博空間與物理空間的交互映射。數(shù)字孿生技術(shù)原理示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)原理示意圖

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是一種貫穿于工程項(xiàng)目全生命周期的技術(shù)方法,基于工程項(xiàng)目的詳細(xì)信息,其可以建造一個(gè)或多個(gè)3D數(shù)字模型。BIM模型中的信息不僅包含了模型的幾何信息,還包含了模型的結(jié)構(gòu)分析、材料屬性等屬性信息。BIM模型是信息的載體,也是一個(gè)使各專業(yè)信息共通的平臺(tái)。

信息管理(數(shù)據(jù)庫)是BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì),BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾何信息及屬性信息(物理參數(shù)、結(jié)構(gòu)等)的3D數(shù)字化表達(dá),其由3D模型與模型上的信息組成[6]。信息與對(duì)應(yīng)的3D模型相關(guān)聯(lián),伴隨著模型精細(xì)度的不斷深化為維護(hù)單位服務(wù)。

根據(jù)地鐵工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)信息,所建立的車軌實(shí)體BIM模型如圖2所示。基于BIM模型的3D可視化車站場(chǎng)景,能夠與真實(shí)的車站建筑和實(shí)際設(shè)備點(diǎn)位一一對(duì)應(yīng),實(shí)體場(chǎng)景模型包含地面層、站廳層、站臺(tái)層及各層配套的子系統(tǒng)設(shè)備,支持全局查看(車站整體)及單層查看(某一區(qū)間)。

圖2 車軌實(shí)體BIM模型

1.2 數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)

綜合考慮系統(tǒng)更新維護(hù)開發(fā)及用戶需求,城市軌道交通孿生系統(tǒng)平臺(tái)選用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式進(jìn)行搭建,相較于C/S(客戶端/服務(wù)器)模式而言,B/S模式可以避免C/S模式帶來的開發(fā)時(shí)間長、成本費(fèi)用高、兼容性一般、升級(jí)更新困難等潛在問題,對(duì)用戶的計(jì)算機(jī)軟硬件要求也更低。數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層3層架構(gòu)。數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

注:HTTP為超文本傳輸協(xié)議。

數(shù)據(jù)層主要包括各類BIM模型轉(zhuǎn)換文件、工程資料文件、軌道設(shè)備物理屬性數(shù)據(jù)及其他業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)訪問接口和數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)響應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)出的交互請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬等數(shù)據(jù)訪問與傳遞操作。

業(yè)務(wù)邏輯層位于數(shù)據(jù)層和表示層之間,主要提供各類數(shù)據(jù)和功能業(yè)務(wù)接口,是實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的邏輯載體。

表示層在平臺(tái)架構(gòu)的最頂層,與用戶直接接觸,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入與輸出,為用戶提供BIM平臺(tái)的訪問、加載模型與展示等服務(wù)。

2 數(shù)字孿生平臺(tái)與數(shù)值分析軟件參數(shù)交互

BIM中的物理模型不能夠直接轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析模型,導(dǎo)致其不能真正發(fā)揮物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型雙向鏈接的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也制約著運(yùn)維方在鋼軌維護(hù)方面的工作效率。采用Revit軟件進(jìn)行BIM建模時(shí),由于數(shù)值分析軟件能夠撰寫命令流代碼文件,而數(shù)字孿生平臺(tái)中的3D模型又自帶相關(guān)屬性參數(shù),因此可以將數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)快速傳遞給有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)更換。

以彈性支座上的有限連續(xù)梁作為計(jì)算模型,應(yīng)用有限元方法對(duì)鋼軌強(qiáng)度(采用60 kg/m的鋼軌)進(jìn)行力學(xué)分析,可求得節(jié)點(diǎn)彎矩及支點(diǎn)反力,還能清晰地觀察到每個(gè)作用點(diǎn)的位移情況。該方法對(duì)解決鋼軌強(qiáng)度計(jì)算中的一些特殊問題(如變截面、變跨距、支撐彈性不均勻等)具有明顯的優(yōu)越性。

有限元模型中的鋼軌截面是通過Revit軟件和有限元軟件相互配合建立的。劃分截面網(wǎng)格后,將截面形式形成自定義的截面文件,讀入已定義的截面文件,鋼軌的單元類型選用BEAM188,模型的單元數(shù)目根據(jù)軌枕間距來確定,軌枕為混凝土Ⅲ型軌枕,軌枕間距為0.6 m,即彈簧單元的間距為0.6 m,彈簧單元采用combine14單元模擬。鋼軌有限元模型如圖4所示。在有限元模型中,為了避免邊緣效應(yīng)的影響,將車輪荷載作用于鋼軌中間部位,而不是作用在鋼軌兩端。鋼軌兩端的約束條件為垂直鋼軌鋪設(shè)方向約束,每隔0.6 m設(shè)1個(gè)彈簧約束。

a) 二維斷面圖

將數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)中的模型相關(guān)幾何信息與屬性信息讀取至數(shù)值分析軟件代碼中,并替換相關(guān)參數(shù),進(jìn)而完成數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)與數(shù)值軟件參數(shù)的交互。

3 工程應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)布置

以上海軌道交通7號(hào)線潘廣路站—?jiǎng)⑿姓緟^(qū)間為例,對(duì)在役鋼軌斷裂病害狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)測(cè)試。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局示意圖如圖5所示。監(jiān)測(cè)設(shè)備以均流線方式將所需監(jiān)測(cè)的鋼軌分割成多個(gè)不同的區(qū)間,在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的中心位置處安裝監(jiān)測(cè)終端設(shè)備,對(duì)該區(qū)間的鋼軌狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。管理設(shè)備與監(jiān)測(cè)終端形成一組裝置,最多可支持32個(gè)設(shè)備一組。管理設(shè)備同時(shí)承擔(dān)單個(gè)軌枕兩側(cè)2個(gè)區(qū)間的鋼軌斷裂監(jiān)測(cè)任務(wù)。設(shè)備的供電線路采用載波通信的技術(shù)方法,實(shí)線監(jiān)測(cè)終端與管理設(shè)備的通信鏈路。管理設(shè)備與中心服務(wù)器可以通過多種方式進(jìn)行通信,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字孿生仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局示意圖

監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電電源采用太陽能或90～240 V交流電,室外設(shè)備溫度為-40～+85 ℃;相對(duì)濕度不大于95%;海拔高度不大于3 500 m;監(jiān)測(cè)終端功耗不大于8 W/臺(tái),管理器功耗不大于12 W/臺(tái);系統(tǒng)可靠性誤報(bào)(漏報(bào))率≤5%;系統(tǒng)設(shè)備的平均無故障工作時(shí)間≥20 000 h。監(jiān)測(cè)設(shè)備與鋼軌檢測(cè)線的安裝推薦采用脹釘方式進(jìn)行連接,在鋼軌軌腰螺栓孔中心線上測(cè)量定位,用專業(yè)鉆孔機(jī)鉆φ19 mm的孔。

監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè),具有監(jiān)測(cè)區(qū)間列車占用、出清顯示等功能。此外,監(jiān)測(cè)設(shè)備還具有鋼軌斷軌監(jiān)測(cè)、及時(shí)報(bào)警等功能,并能夠通過內(nèi)部專業(yè)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)信息傳輸至數(shù)字孿生仿真平臺(tái)。鋼軌變形狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件截圖如圖6所示。

圖6 鋼軌變形狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件截圖

3.2 數(shù)字孿生仿真平臺(tái)

使用Three.js 3D圖形引擎加載導(dǎo)出JSON軌道模型,整體車站數(shù)字孿生仿真模型軟件截圖如圖7所示。將JSON模型中的構(gòu)件屬性信息與幾何數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)建筑信息模型的Web端展示。在數(shù)字孿生仿真平臺(tái)中,基于ID(身份標(biāo)識(shí)號(hào))信息對(duì)模型構(gòu)件的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了3D模型與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)查詢與分析功能。

圖7 整體車站數(shù)字孿生仿真模型軟件截圖

3.3 數(shù)值仿真結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

鋼軌斷裂一般是由多個(gè)因素綜合引起的。由于作用于鋼軌上的力比較復(fù)雜,具有較強(qiáng)的重復(fù)性和隨機(jī)性,鋼軌易發(fā)生斷裂。本文以行車輪緣作用作為鋼軌受力荷載,將軌道簡(jiǎn)化為彈性支座上的有限連續(xù)梁,應(yīng)用有限元方法對(duì)鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)分析。由監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)得的軌頭應(yīng)力之和為253.4 MPa,軌底應(yīng)力之和為279.7 MPa。

鋼軌的彈性模量為210 GPa,兩根鋼軌對(duì)豎直中軸線的慣性矩為1 048 cm4,泊松比為0.3,鋼軌的密度為7.85×103kg/m3,彈簧剛度為3×104kN/m?？刂戚唽?duì)在單個(gè)軌枕兩側(cè)的最不利狀態(tài),采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算,計(jì)算結(jié)果軟件截圖如圖8所示。由圖8可知,平均鋼軌變形約為0.51 mm,將其與軌枕兩側(cè)鋼軌斷裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果(見圖6)進(jìn)行對(duì)比可知,由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的平均鋼軌變形約為0.48 mm,二者變形誤差≤5%,在允許范圍之內(nèi),驗(yàn)證了數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)平臺(tái)的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖8 有限元計(jì)算結(jié)果軟件截圖

4 結(jié)語

本文建立了基于BIM技術(shù)的B/S架構(gòu)數(shù)字孿生仿真平臺(tái),依托城市軌道交通工程項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)布置,并結(jié)合有限元數(shù)值分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼軌斷裂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析?；跀?shù)字孿生仿真平臺(tái)及專業(yè)化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)字孿生映射和模型計(jì)算等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備狀態(tài)的提前預(yù)判,進(jìn)而減少故障的發(fā)生,優(yōu)化城市軌道交通的運(yùn)營效率。

通過孿生數(shù)字仿真平臺(tái)讀取監(jiān)測(cè)設(shè)備的鋼軌承受荷載數(shù)據(jù),將軌道簡(jiǎn)化為彈性支座上的有限連續(xù)梁進(jìn)行有限元計(jì)算,實(shí)時(shí)進(jìn)行鋼軌狀態(tài)分析及健康狀態(tài)評(píng)估,預(yù)測(cè)鋼軌服役性能長期發(fā)展規(guī)律與實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn),助力城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)。