基于BIM的地鐵信號設備維護管理系統設計

莫志剛，駱漢賓

（華中科技大學 土木工程及力學學院， 武漢 430074）

地鐵運營階段，對設備進行科學、合理的管理和維護，是信號系統可靠度、可用度、可維修度和安全度（RAMS）的保障[1-3]。目前，地鐵信號設備維護管理方法相對比較落后，且各設備維護系統間缺乏有效的關聯分析，故障分析難度較大，不能形成高效的設備監測維護和調度管理平臺，不利于全面掌握相關設備狀態，影響在途運行狀態整體監測和設備的日常維修維護。信號系統故障診斷主要難點在于以下4個方面：

（1）信號系統故障發生時定位困難，檢修效率低下；

（2）現場數據來源復雜，操作不規范，信息反饋不及時；

（3）執行層與決策層之間信息傳遞時效慢，造成維修指令失控；

（4）設備檔案數據量龐大，缺少有效工具進行單點高效調用與二次檔案存儲。

本文針對以上4個問題，設計基于BIM的地鐵信號設備維護管理系統（簡稱：信號設備維護管理系統）。創建信號設備BIM[4]三維數據庫，調用系統監控設備故障信息，設定數據交換接口，建立信號設備維修管理系統，基于數據分析等技術，進行設備故障定位、預警、預測分析、質量分析、趨勢分析等，設備維修人員通過系統的設備故障預警[5-7]功能，在地鐵三維模型中查看信號設備預警信息、設備檔案、維修記錄等內容，系統根據維修人員崗位職責進行派單維修，記錄維修過程，待故障解除后，系統實現設備維修歷史回放，檔案再錄入等功能，最終輔助設備維護人員通過系統積累的設備維護數據庫，優化設備維修機制，提高設備維護質量。

1 信號設備維護管理系統架構

1.1 系統架構

信號設備維護管理系統為分布式系統，安裝于線路控制中心，以南寧地鐵信號為例，系統架構如圖1所示。

圖1 基于BIM的地鐵信號設備維護管理系統架構示意圖

1.1.1 用戶層

用戶層為用戶提供簡潔的用戶界面，根據用戶的管理角色，設計不同的權限?？紤]到作業的實際需求，用戶可利用移動設備遠程登錄。

1.1.2 應用層

應用層包括模型管理、故障事件錄入、監控預警、RAMS管理、故障分析報告、短信平臺管理、應急備件管理、應急故障處理等主要應用模塊。

（1）模型管理：根據需求，創建信號系統三維BIM模型，作為設備故障數據、平臺圖形數據、設備維修數據等的數據載體，具備原始數據存儲、再編輯，中間數據緩存等功能；同時將設備檔案，維修保養計劃、記錄等電子文檔進行配對綁定，為用戶提供完整的設備數據。

（2）故障事件錄入：當設備監控系統發出故障提示信息后，根據設備的故障提示信息，選擇設備故障類別，記錄設備故障發生的時間、處理過程、設備運行歷史檔案等信息，同時，在故障事件錄入中附帶添加BIM模型及設備的檔案，使用戶層能較全面地解讀設備故障事件。

（3）監控預警：采用Web Service接口，調取信號設備監控系統的設備運行關鍵數據，當信號設備發生故障后，根據系統間的接口協議，發送提示預警信息及設備故障信息，系統根據故障信號設備通信地址，將接收的設備預警信息和故障信息與BIM模型對應，一并推送給用戶界面，為用戶提供具有BIM模型定位功能的設備監控預警，提高故障定位效率和預警信息偵查效率。

（4）RAMS管理：用戶利用信號設備監控預警功能和故障錄入功能，增補RAMS評價數據，根據信號設備的RAMS后評價結果，BIM模型對RAMS關聯指標進行記錄，根據用戶需求，進行預防性信息反饋，用戶可調用故障維修數據庫，查看有關詳細數據（系統干擾事件、保養事件、故障檢修事件、環境變化事件、運維要求變化事件）等，便于運營維護人員識別信號設備可能影響RAMS評價結果的因素，評估整體設備性能，輔助運營維護人員進行設備優化，提高設備RAMS評價效果。

（5）故障分析報告：利用RAMS后評價結果，系統自動進行初步的設備故障分析，并向用戶推送。

（6）應急備件管理：創建虛擬的信號設備資產管理BIM數據模型，根據不同信號設備的備件要求，實時顯示主要設備整（配）件備件庫存，劃定預警值，當備件數量低于預警值后，系統主動推送預警信息給用戶層，進行填補備件。

（7）應用故障處理：建立故障處理專家數據庫，按設備或故障現象分類，將技術專家處理故障的經驗、方法，通過系統進行積累和固化，故障發生時相關人員按標準流程對故障進行判斷和初步的原因分析。

應急故障處理過程由故障處理流程圖、故障指揮流程圖和交互式互動功能組成，技術專家可根據經驗對各類故障處理的流程不斷優化或升級，通過流程分支的形式形成系統與用戶的互動，便于快速直觀地判斷故障原因和處理故障。

（8）短信平臺管理：接入短信網關，實現設備故障、事故救援、干部動態、問題庫等信息通過手機短信（標準模版）發送，系統提供一體化的專用移動終端，主要應用于應急指揮、設備檢修、作業卡控、設備管理等方面。

1.1.3 平臺層

平臺層主要包含應用支撐平臺和數據庫支撐平臺。應用支撐平臺以平臺軟件和服務為核心，用戶通過對應的編程模型和API建立應用和發布，應用支撐平臺包括數據接口、數據交換、數據整合、門戶系統、目錄與權限管理、系統管理，數據庫支撐平臺主要包括專家數據庫、BIM模型數據庫、設備監控數據庫、故障維修數據庫、資產管理數據庫。

1.1.4 基礎設施層

基礎設施層主要由服務器、網絡、存儲設備等構成，通過維護網絡與各設備集中站、停車場、車輛段站機進行通信；同時通過信號紅網和藍網與DCS、ATC接口，獲取相關維護信息；通過維護網與ATS維護工作站接口，獲取ATS相關維護息。

1.1.5 感知層

感知層用于實時監測軌道交通信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因，指導設備維護。

1.2 系統數據庫設計

采用Oracle數據庫，為系統提供數據存儲、維護和檢索功能，數據邏輯架構分為3層。

（1）頂層：數據應用層，為信息使用者提供服務；

（2）中間層：數據處理層，根據需要進行信息處理；

（3）底層：數據基礎層，收集相關的原始數據。

1.3 系統實現

系統Web端使用Java作為主要開發語言，以Javascript+HTML的形式渲染呈現前端頁面，并結合Javascript程序與Unity player插件，實現BIM模型的操作與展示。開發環境基于Windows,系統應用服務器搭建在Linux環境下，使用Eclipse與Visual Studio2017 作為系統集成開發工具（IDE，Integrated Device Electronics）。

IOS端主要開發語言為Objective-C，IDE使用蘋果官方為開發者定制的Xcode 9，開發系統環境基于Mac osx。

Android端主要開發語言為Java，使用Android Studio，Android Studio 作為IDE，基于IntelliJ IDEA，類似 Eclipse ADT，Android Studio 提供了集成的 Android 開發工具用于開發和調試，開發環境基于Windows操作系統。

信號設備維護管理系統基于B/S架構，采用Java語言開發，采用Web Service接口實現各系統間的信息交互，使用Oracle數據庫構建各個數據庫，包括設備監控數據庫、BIM模型數據庫、故障維修數據庫、資產管理數據庫、專家數據庫。采用Spring jdbc 和Hibernate技術，在保證數據庫操作靈活性的前提下，使用數據緩存來提升數據的查詢效率。在系統服務后臺調取數據庫數據資源后，利用開放的J2EE結合JSP 與Java script的方法對圖形用戶層進行渲染，呈現數據資源，結合Java script程序與Unity player插件的交互，實現BIM模型的操作與展示。

2 信號設備維護管理系統組成

信號設備維護管理系統主要由信號設備狀態綜合采集監測子系統、信號設備智能分析子系統、可視化信息子系統和綜合維護管理子系統組成。

2.1 綜合采集監測子系統

主要負責信息的采集和監測，采集和監測機柜、采集模塊、車站服務器、道岔、信號機、計軸、電源屏、外電網、UPS、屏蔽門、聯鎖等設備的狀態信息。

2.2 智能分析子系統

信號設備智能分析子系統對采集的各項開關量、模擬量及報警數據進行分析、歸納，為現場信號維護人員提供及時有效的診斷信息，能夠簡化維修流程或直接定位故障位置，幫助信號工迅速發現故障點，并快速處理，從而縮短維修時間，提高維修水平和維修效率。同時，針對車站監測的信息資源進行數據挖掘和智能分析，結合系統中各類實時信息和歷史信息，進行設備趨勢預警和預防性維修警示，從而為維護人員提供科學的維護依據。

2.3 基于BIM技術的可視化信息子系統

基于3D建模技術，為信號設備創建基于BIM的可視化信息子系統[2]，實現對故障設備的快速定位和設備屬性查詢，并可以將每次故障事件關鍵信息記錄下來，和故障處理報告相互關聯。

（1）設備竣工交付階段

創建與現場實際工程相匹配的信號設備三維模型，同時根據運維單位的資產管理要求，對信號設備三維模型進行編碼，使BIM模型數據庫和資產管理數據庫進行關聯，根據應用層用戶的資產檢索、定位等需求，實現信號設備在三維模型中的快速檢索定位，同時讀取信號設備三維模型上附著的資產管理信息。

（2）設備維護管理階段

對設備的技術圖紙進行管理，結合生產、故障、安全風險信息，實現設備綜合信息查詢。并且設備信息和圖形化界面結合，可以直觀地在圖形界面上點擊調閱設備生命周期內的臺賬屬性、器材列表、歷史報警列表、歷史問題庫、歷史巡檢記錄、歷史流轉記錄、采集曲線等動態履歷信息。系統提供了3D仿真展示的界面，還原設備實際使用場景及各類狀態指示燈。

（3）車地一體實時顯示

在傳統站場圖中加入車次號、關鍵設備狀態等數據，建立車地一體、信息完備的運行站場圖，使維護人員在設備維護及故障處理時掌握更全面的信息。

（4）室內外設備一體化圖形顯示

為了便于維護，室內外信號設備狀態基于圖形化方式進行展示，在一個界面中可綜合展示地面信號設備、車載信號設備、電源等設備狀態。室內外設備狀態圖形主界面，如圖2所示。

圖2 室內外設備狀態圖形主界面

（5）信號設備故障診斷及定位

信號設備綜合運維系統通過對現場模擬量、開關量及報警數據的采集提供源數據給智能分析子系統，智能分析子系統依托預先設計的故障診斷邏輯策略對源數據進行智能分析與故障診斷，通過不同類型的故障邏輯分析方法可以對不同的故障進行分層的故障診斷。信號設備故障診斷及定位界面，如圖3所示。

圖3 信號設備故障診斷及定位界面

（6）設備故障維修

對于一些通用性強的故障維修方法，將其作為故障發生后的故障維修建議列出，以供用戶查看，通過這種方式，可以縮短維修人員分析問題的時間，并且也更有針對性。信號設備故障維護，如圖4所示。

圖4 信號設備故障維護

（7）采集信息關聯查看

將單個設備關聯的所有模擬量、開關量一起呈現出來，可以完整地了解該設備的整體運行情況，同時當故障發生時，還可以在一個顯示界面中查看需要查看的所有和故障相關的模擬量及開關量變化情況。

（8）應急指揮流程

建立故障處理專家數據庫，按設備或故障現象分類，將技術專家處理故障的經驗、方法，通過系統進行積累和固化，故障發生時相關人員按標準流程對故障進行判斷和初步的原因分析。

應急故障處理過程由故障處理流程圖、故障指揮流程圖和交互式互動功能組成，技術專家可根據經驗對各類故障處理的流程不斷優化或升級，通過流程分支的形式形成系統與用戶的互動，便于快速直觀地判斷故障原因和處理故障。

（9）信號系統應急備品、工具查詢

系統提供應急備品及工具的查詢功能，從應急備品臺賬中根據車間工區、車站、備品分類、備品狀態（備品缺失、完全匹配、備品過量）、規格型號、設備廠家進行查詢。

2.4 綜合維護管理子系統

系統提供一系列管理工具，包括應急指揮、安全風險源管理、標準化作業管理、設備管理、無紙化辦公等。為設備維修維護的全過程提供支持。涵蓋全生命周期設備管理、生產維修管理、應急指揮、安全風險管理、質量管理等工作環節。同時可以為無紙化辦公提供信息化平臺支持。

3 數據庫之間的信息交互流程

3.1 資產管理數據庫與BIM模型數據庫的信息交互流程

竣工交付階段創建與現場實際工程相匹配的信號設備三維模型，同時根據運維單位的資產管理要求，對信號設備三維模型進行編碼，使BIM模型數據庫和資產管理數據庫進行關聯，根據應用層用戶的資產檢索、定位等需求，實現信號設備在三維模型中的快速檢索定位，同時讀取信號設備三維模型上附著的資產管理信息。資產管理數據庫與BIM模型數據庫的信息交互及流程，如圖5、圖6所示。

圖5 資產管理數據庫與BIM模型數據庫的信息交互流

圖6 資產管理數據庫與BIM模型數據庫的信息交互流程圖

3.2 信號設備監控數據庫與BIM模型數據庫的信息交互流程

設備監控過程中由于線路設備多、設備監測指標多，不利于現場維護人員快速定位到關聯的信號設備；通過BIM模型數據庫與實際的信號設備及監控數據進行關聯，制定標準的數據傳輸協議，利用信號設備的RAMS[5-9]后評價結構，將BIM模型的點位與監控系統相互對應，將監測預警數據實時調用給BIM模型數據庫，根據信號設備RAMS后評價結果，動態監控信號設備運行狀態。設備監控數據庫與BIM模型數據庫的信息交互及流程，如圖7、圖8所示。

圖7 設備監控數據庫與BIM模型數據庫的信息交互

圖8 設備監控數據庫與BIM模型數據庫的信息交互流程圖

4 結束語

創建信號設備BIM三維虛擬模型，運用數據庫技術對數據進行存儲管理，設定數據交換接口，實現信號設備維護數據與BIM三維數據交互，從而設計基于BIM的設備維修管理系統架構。該系統架構具有真實的地鐵信號系統維護場景、交互性強、操作簡單等特點，在南寧地鐵、昆明地鐵、深圳地鐵信號系統中得到應用，效果良好，彌補了傳統信號系統數據龐大、不易解讀的不足，對于優化信號系統架構、提高系統運用效率具有重要意義。

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