趙 波，彭建平，王小偉，彭 華，周明星，周開磊

（1.成都鐵安科技有限責任公司，四川成都 610091；2.西南交通大學，四川成都 610031；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

動車組是鐵路旅客運輸?shù)母咚龠\載工具，動車組的運用維修工作是鐵路運輸?shù)闹匾M成部分，其維修質量直接關系到旅客生命財產(chǎn)安全和企業(yè)經(jīng)濟效益[1]。2017年國鐵集團先后發(fā)文，對全路大數(shù)據(jù)應用實施提出總體方案，高速鐵路動車組運維信息化及大數(shù)據(jù)分析應用工作全面展開[2]。目前動車組檢修基地普遍存在以下問題：①過多的信息系統(tǒng)造成現(xiàn)場檢修作業(yè)信息重復錄入、信息交叉的情況較多，信息孤島現(xiàn)象日益突出；②數(shù)據(jù)量大、類型多樣、存儲成本高、管理耗材大，運營管理單位內動車組配屬持續(xù)增加，車型種類增多。

針對上述問題，提高動車組檢修基地的數(shù)字化程度，實現(xiàn)設備設施的智能運維已經(jīng)成為必然趨勢。近年來數(shù)字孿生可視化技術逐漸興起，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）設計理念在包括軌道交通、電站、水利、車間、工業(yè)機器人等的多個行業(yè)得到了探索應用[3-6]。本文針對某動車組檢修基地，基于ThingJS-X 平臺，結合BIM 設計理念展開動車組數(shù)字化檢修基地技術的探索研究，以實現(xiàn)對動車段的數(shù)字化改造。

1 動車組數(shù)字化檢修基地技術路線

動車組數(shù)字可視化檢修基地的搭建主要包括檢修基地可視化、數(shù)字化驅動、數(shù)字化動態(tài)大屏3 個層次（圖1）。檢修基地可視化包括對動車段的場景再現(xiàn)和設備設施的BIM 模型搭建，主要利用了3DMax、Rhino、SolidWorks、CAD 等可視化工具。通過CAD 圖紙與現(xiàn)場調研等方式，對動車檢修基地的場景及其所有檢測設備設施進行等比例真實還原，為動車組數(shù)字化檢修基地的建立提供信息載體。數(shù)據(jù)化驅動環(huán)節(jié)利用ThingJS-X 數(shù)字孿生基礎工具CampusBuilder 對所有模型進行整合搭建，根據(jù)檢修基地的規(guī)范對各個設備進行布局，對基地內配屬的設備設施進行命名，做好設備管理和信息統(tǒng)籌的基礎工作，并基于此編寫ThingJS數(shù)據(jù)代碼驅動檢測設備，實現(xiàn)動車組檢修的全流程動態(tài)仿真，以虛實結合的方式輸出演示視頻。數(shù)字化動態(tài)大屏是在以上工作的基礎上利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，對動車所內部所有設備設施（如配屬車輛、檢修檢測設備、生產(chǎn)物料、供電設施、排水設施）、對作業(yè)人員工作動態(tài)進行數(shù)據(jù)采集和匯總，通過后臺數(shù)據(jù)分析與模型形成映射，實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的實時聯(lián)動，確保多源信息準確、實時、可靠的獲取與傳輸。

圖1 動車組數(shù)字化檢修基地技術路線

2 關鍵技術

通過前期的技術路線評估與探索，在ThingJS-X 平臺進行模型的數(shù)字化開發(fā)，主要采用3DMax 設計軟件建立模型。經(jīng)前期的效果優(yōu)化后，通過開發(fā)平臺的模型上傳插件將模型上傳至云端，然后由CampusBuilder將各個模型按圖布局，最終由ThingJS 完成所有模型的數(shù)字化開發(fā)。

2.1 大型模型的建立

在可視化方案開展前期需采集建模所需的信息，對設備、建筑、限界等的尺寸數(shù)量級進行準確預估和把握，通過實地調研、搜集行業(yè)標準規(guī)范、圖紙、圖片、原稿等相關信息，按要求1∶1 設計模型。制作的模型完整反映其外觀，并在保證視覺效果和功能展示的前提下，進行有效的輕量化處理，減少面數(shù)、貼圖、材質等信息，盡量以較小的數(shù)據(jù)量達到可視化呈現(xiàn)的效果[7]。由于模型數(shù)據(jù)量龐大，對計算機的圖形顯示處理能力提出了嚴峻考驗，為保證數(shù)字化開發(fā)的流暢性，對于大型模型可通過以下方法建立。

（1）合理拆分：對于結構復雜、尺寸較大、在場景中占比較大的模型，可對其進行合理分解、分部搭建（圖2）。該方式可以對相同的重復部件進行實例化，以便于修改和再利用，提高同類型場景搭建的效率。

圖2 大型模型的分部搭建

（2）輕量化：不同的領域BIM 模型，精細程度也不盡相同[8-9]?？赏ㄟ^專業(yè)的面簡化工具Polygon Cruncher，對復雜模型的表面進行輕量化處理（圖3）。當模型特別復雜時，直接利用模型，一方面后期開發(fā)平臺的承載能力有限（受模型大小、面數(shù)的限制），另一方面通過減面工具會致使大部分特征丟失。遵循“刪繁就簡”的原則，對模型進行重構，既要體現(xiàn)模型的總體外觀特征、細節(jié)，又能在后期的光影、動畫效果中呈現(xiàn)具體功能，并在后期的優(yōu)化中不斷對所需模型的細節(jié)進行優(yōu)化迭代。

圖3 模型輕量化

（3）坐標準確：可視化模型作為最基礎的信息載體，除了幾何特征、視覺效果之外，其坐標的設置和調整在后期的開發(fā)設計、流程制定中也非常重要。通常將工作表面設置在地面上，坐標原點調整至對稱幾何的中心，有利于在軟件中的搭建和對齊。對于復雜程度較大的裝配體，可將基礎部件用簡單幾何體代替，后期再將簡單幾何體替換為裝配體部件。

（4）效果真實：通過對模型添加材質、貼圖和正確的動畫，可以提高真實還原程度，該過程與模型的建立相輔相成，共同決定一個場景的視覺效果。動車組檢修所涉及到的大多數(shù)模型需要根據(jù)基本原理、檢測流程制作正確的動畫?？梢酝ㄟ^添加關鍵幀動畫或者骨骼綁定的方法制作作業(yè)人員、檢測機器人的運動。通過改變紋理坐標，可以實現(xiàn)動態(tài)效果的UV 紋理動畫，如洗車間噴水、閃動的光、流動的射線等，以此來展示更加真實的外部效果。

2.2 數(shù)字孿生技術

2.2.1 BIM 模型動作控制技術

（1）BIM 模型尋跡運動：①在CampusBuilder 軟件中建立一系列標記點，類似于鐵路線路上的信標，預先指定動車組的運行路徑；②按動車組編組形式完成動車組的搭建；③利用列車蛇行運動的特點，通過代碼實現(xiàn)動車組沿線路運行的動畫效果（圖4）。

圖4 動車組尋跡運動

（2）BIM 模型的流水線設計：多數(shù)模型的機構動畫、紋理動畫和骨骼動畫都可以在3DMax 中預先制作好，并通過插件上傳至平臺。在開發(fā)階段可控制設備的平面運動，以及控制模型動畫播放的時間、循環(huán)次數(shù)，并且可以對相同模型的不同狀態(tài)效果按需替換，最終按照設計規(guī)范實現(xiàn)數(shù)字化流水線運轉。

2.2.2 數(shù)據(jù)驅動技術

完成整體場景搭建后，結合物聯(lián)網(wǎng)技術獲取動車組檢修基地內的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，包含基建、設備設施等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的映射關系，從而反映出真實設備的運行狀態(tài)。本文利用數(shù)字孿生技術，對繁多的信息進行整合分析，開發(fā)出一套數(shù)字化智慧系統(tǒng)，實現(xiàn)了動車組檢修檢查的智能運維。

3 動車組數(shù)字化檢修基地案例開發(fā)

3.1 場景預覽

構建檢修基地內包括入段線、洗車線、牽引變電所、一級修綜合檢測棚、檢查庫、臨修庫、設備設施、辦公區(qū)等場景元素，以直觀預覽其生產(chǎn)作業(yè)布局（圖5、圖6）。該方式可使作業(yè)人員與來訪人員快速了解掌握動車檢修基地結構布局，同時通過虛實結合的方式進一步加深印象。

圖5 一級修綜合檢測棚

圖6 動車組檢修基地俯瞰

3.2 數(shù)據(jù)驅動

由CampusBuilder 將所有模型進行布局和命名，作為數(shù)字化開發(fā)的載體。在此基礎上，結合采集到的車號信息、設備檢測動態(tài)等信息對相關車組和檢測設備進行驅動，實現(xiàn)現(xiàn)場的虛擬仿真作業(yè)，也可以按照檢修規(guī)程實現(xiàn)流水線作業(yè)設計。該方式一方面可實現(xiàn)動車組檢修基地內所有物理場景的三維數(shù)字化改造，使現(xiàn)實場景得到真實再現(xiàn)；另一方面也非常有利于動車段內部展開作業(yè)人員的培訓（圖7）。

圖7 動車組檢查庫實例

3.3 設備智能運維

動車組數(shù)字化檢修基地的建設，通過BIM 可視化+數(shù)字孿生技術達到所見即所得的效果，以實現(xiàn)設備設施智能運維的方式，逐漸在動車組檢修基地的實踐中得應用。

動車組智能運維綜合監(jiān)測數(shù)字大屏包括：檢查庫作業(yè)計劃、作業(yè)完成統(tǒng)計、今日故障數(shù)量統(tǒng)計、今日故障處理情況、實時故障報警、設備狀態(tài)、人員考勤狀態(tài)等信息，另外可以通過視角重置、檢查庫、設備展示、行走模型等方式對動車組檢修基地進行概覽，對檢測設備的運行情況和檢測數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)（圖8）。

圖8 動車組智能運維綜合監(jiān)測數(shù)字大屏

動車組檢測設備智能管理數(shù)字大屏包括：設備信息、設備動態(tài)信息、設備故障報警、設備運行參數(shù)、設備視頻監(jiān)控等（圖9）。

圖9 動車組檢測設備智能管理數(shù)字大屏

4 結束語

本文利用3DMax、BIM 可視化設計軟件和CampusBuilder 建立了某動車組檢修基地的真實場景，通過數(shù)字孿生技術在ThingJS-X 平臺上實現(xiàn)設備設施與數(shù)據(jù)模型的一一映射，真實還原現(xiàn)場運行狀況，開展檢修工藝結構化研究，探索數(shù)字化和智能化技術在動車組智能運維中的應用，以期提高設備設施智能運維管理水平與動車組檢出效率。