基于BIM技術的鋼軌伸縮調節器運維管理研究

饒志強 常惠 李益晨 趙玉林

[摘?要]?我國大跨度橋上的梁端鋼軌伸縮調節器及梁縫處抬軌裝置區域的軌道結構極易出現病害，通過對建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術在高速鐵路鋼軌伸縮調節器工程中的應用進行深入探討和研究，將調節器健康監測與BIM技術相結合，提出基于BIM的調節器監測方法。利用邊緣計算對數據進行前置處理，采用層次化設計，將各個功能域與BIM的各個層并行結合，建立普適安全鏈條關聯模型，對數據進行鏈域和全域的分析。在此基礎上，根據COBie標準建立竣工交付信息模型來集成與傳遞數據，將鋼軌伸縮調節器與BIM承載的建設和管理信息無縫轉移到運維階段，實現對鋼軌伸縮調節器的實時評估預警及智慧決策的協同管理，為將來智能運維奠定基礎。

[關鍵詞]?鋼軌伸縮調節器;BIM;邊緣計算;COBie標準;智能運維

[中圖分類號]?U 213.6??[文獻標志碼]?A??[文章編號]?1005-0310（2020）02-0001-07

Research on Operation and Maintenance Management of Rail Telescopic Regulator Based on BIM Technology

Rao Zhiqiang1， Chang Hui2， Li Yichen1， Zhao Yulin2

（1. College of Urban Rail Transit and Logistics， Beijing Union University， Beijing 100101， China; 2. Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering， Beijing Union University， Beijing 100101， China）

Abstract： The regional track structure of the beam-end telescopic

regulator on the long-span bridge and the rail-lifting device at the beam joint in China is prone to disease. Through the in-depth discussion and research on the application of Building Information Model （BIM） technology in the high-speed railway rail telescopic regulator project， combining the regulator health monitoring with BIM technology， a BIM-based regulator monitoring method was proposed. It uses edge computing to pre-process the data， adopts a hierarchical design， combines each functional domain with each layer of BIM in parallel， establishes a universal security chain association model， and conducts chain domain and global domain analysis of the data. Based on this， an as-built delivery information model is established to integrate and transfer data according to the COBie standard. It seamlessly transfers the construction and management process information of the rail telescopic regulator and BIM to the operation and maintenance stage. In this way， the real-time assessment and early warning of the rail telescopic regulator and the coordinated management of intelligent decision-making are realized， laying the foundation for future intelligent operation and maintenance.

Keywords： Rail telescopic regulator; BIM; Edge calculation; COBie standard; Intelligent operation and maintenance

[收稿日期]?2019-12-23

[基金項目]?北京聯合大學科研項目“鋼軌缺陷檢測與預警體系研究”（12213991929010114）。

[作者簡介]?饒志強（1976—），男，湖北武漢人，北京聯合大學城市軌道交通與物流學院副教授，博士，主要研究方向為列車控制系統;常惠（1995—），女，山東濰坊人，北京聯合大學北京市信息服務工程重點實驗室碩士研究生，主要研究方向為軌道交通安全;李益晨（1995—），男，陜西渭南人，北京聯合大學城市軌道交通與物流學院碩士研究生，主要研究方向為軌道交通安全;趙玉林（1994—），男，江西贛州人，北京聯合大學北京市信息服務工程重點實驗室碩士研究生，主要研究方向為軌道交通安全。E-mail：rao_hua1@163.com

0?引言

BIM技術在工程設計、施工、運維等方面的迅速應用，進一步展現了BIM技術在工程項目中的實際價值。目前，基于BIM的鐵路工程全生命周期管理技術的研究還處于起步階段。盧祝清[1]和張雪才[2-3]提出了基于BIM的鐵路工程建設管理的技術路線。魏州泉[4-5]提出了基于BIM的鐵路橋隧工程建設管理的技術框架。王永義等[6]研發了面向鐵路工程施工管理的BIM系統平臺。徐博[7]以鐵路隧道專業工點設計為例，進行了BIM正向設計應用驗證。在鐵路線路的實際運維中，對軌道結構狀態的監測是實施鐵路運維管理的重要環節，也是保障鐵路安全運營的重要方法。

鋼軌伸縮調節器是鐵路軌道結構的重要設備部件，常用在跨度相對較大的鐵路橋梁，主要為了緩解因溫差引起的鐵路軌道與軌枕之間縱向應力變化的問題。隨著我國高速鐵路的快速發展，對鐵路環境的要求越來越苛刻，大量鋼軌伸縮調節器應用于高速鐵路線路中的特殊環境路段，一定程度上改善了鐵路的安全狀況。相對于無縫線路，鐵路伸縮調節器所處的位置決定了其處于鐵路安全維護的薄弱環節，對其在運維期間進行的檢測養護問題，成了保障鐵路安全運營的重要挑戰[8]。將BIM技術引入鐵路運維管理之中，尤其是鋼軌伸縮調節器方面，不僅能夠監測鋼軌伸縮調節器的使用狀態，更能及時發現處于異常狀態的設備，以便更早地處理可能遇到的事件，提高運維管理的效率，保障鐵路線路的安全運營，使鋼軌伸縮調節區域內部透明化[9]。

針對以上問題，本文以鋼軌伸縮調節器為切入點，將BIM技術應用在健康監測上，提出基于BIM的鋼軌伸縮調節器運維管理模式，利用BIM技術對調節器進行編碼，將監測的數據利用邊緣計算進行前置處理，通過實例對調節器的普適安全鏈條關聯模型進行分析，建立基于BIM的鋼軌伸縮調節器運營管理流程，實現對鋼軌伸縮調節器的實時評估預警及智慧決策的協同管理。在此基礎上，將橋梁鋼軌的健康監測數據收集到微數據中心，以伸縮器監測數據為代表組成一條鏈，把鏈擴展之后形成譜，構建基于BIM平臺的全國高鐵線路的大跨橋梁伸縮調節器的監測網，實現全生命周期的智能運維，從而保持高速鐵路的正常穩定運行。

1?基于BIM的調節器監測方法

針對目前軌道基礎設施全生命周期數據標準不統一、運行狀態預測預警要素和模型簡單、維護決策科學性和智能化水平不足以及運行維護管理系統功能單一等問題，本文研究建立基于BIM的調節器健康監測運維管理系統，實現調節器全生命周期運行維護數據的標準化與融合，結合BIM模型對其健康狀況進行直觀、形象、生動和醒目的展示，大大提高調節器健康監管和運營的可視化和可操作性。本文重點解決鐵路軌道全生命周期性能演化規律及運行維護協同決策機制的關鍵問題，攻克全生命周期綜合效益最大化的運行維護決策技術，促進鋼軌伸縮調節器安全綜合性能的提升。利用BIM技術可以融合鐵路運維方面的各種信息，實現鐵路伸縮調節器的安全運維管理。

1.1?實時數據的監測

基于BIM技術的調節器監測管理主要包括橋梁結構監測模型和線路監測模型，實現從設計、施工到運維管理的整個生命周期的全過程監測，能夠及時從參數化和可視化的兩個角度反映設備的運行狀態，便于在整個過程中的管理與監管。線路監測模型是對橋梁結構監測的總結與升級，能夠將線路上眾多或者多條線路上的需要監測的設備設施整合到同一個系統里面，便于從整體上進行監測管理。

利用BIM技術將鋼軌伸縮調節器構件進行編碼，將調節器構件建設與運維交換信息分為6個單元，如圖1所示，包括基本軌、尖軌、大墊板、軌撐、導向卡（或導向軌撐）及連接零件。每個單元包含9類信息，分別為身份信息ID、定位信息LI、幾何信息GI、技術信息TI、組織角色RL、項目信息PI、生產信息MF、資產信息AM和運維信息FM。

在伸縮調節器的BIM模型中，以結構樹的形式將設備及其構成的部件進行整合，既可以對設備整體進行性能分析，也可以對部件進行損耗分析。通過可視化管理以及動態展示，可以直觀明了地對設備設施進行三維展示。在現場對調節器幾何尺寸的調整難度較大，借助BIM技術可以在平臺上模擬查找最適合的調整尺寸，從而對調節器逐組進行精測精調。

1.2?利用邊緣計算對數據前置處理

由于鋼軌伸縮調節器監測數據量較大，所以在建立普適安全鏈條關聯模型時，首先須采用各種算法和技術對實時監測數據進行處理，如表1所示;然后利用邊緣計算的各個功能域與BIM的各個層并行結合，進行層次化設計。

依托設備現場的信息采集傳感器裝備，對信息狀態進行分類采集;隨后根據邊緣算法對數據進行分析和智能化處理，更好地支撐橋梁與鋼軌各項監測數據的實時智能化處理與執行;同時，將橋梁鋼軌的健康監測數據收集到微數據中心，對設備的各個部件進行狀態損耗分析，并及時對內部磨損進行預警處理，依托服務全生命周期，對達到服務要求年限的設備進行及時更換或系統升級，減少設備危險源的產生。BIM技術的可視化管理，提高運維管理效率，使鋼軌伸縮調節區域內部透明化，實現調節器全生命周期運行維護數據的標準化與融合。

1.3?監測數據分析

對于大跨度橋梁的軌道系統監測，將調節器的伸縮量、連續梁梁縫、動態輪軌力以及軌溫作為監測的主要對象。不過調節器幾何尺寸調整難度較大，借助BIM技術可以在平臺上模擬查找最適合的調整尺寸，對調節器逐組進行精測精調。其中，調節器精調后軌道安全監測參數情況[8]如表2所示。

從實際的監測數據可以看出，精調后的各監測參數均在安全限值之內，列車運行狀態穩定，精調前后對比顯示該調節器左高低的最大值由

3.88 mm變為-3.82 mm，高低、軌向平順性并未改善，但是其余檢測項目及調節器前后連續梁區段的線路狀態較為穩定，數據也表明橫向伸縮器在大跨橋梁應用效果較好，適合溫差較大的環境。

通過BIM平臺可以聯通現場實時監測數據，實現BIM模型與現場監測數據的安全、加密傳輸，可實時采集前端鋼軌伸縮調節器運營過程中的相關數據。

1.4?普適安全鏈條關聯模型

鋼軌伸縮調節器普適安全理念是依據我國高速鐵路里程的快速增加以及鐵路橋梁的普遍應用的實際需求，在繼承傳統安全理論的基礎上，以高速鐵路的鋼軌伸縮調節器的運營管理為研究背景，通過分析調節器，將設計、施工、運維整個生命過程的各個部分整合起來，對各個要素間的互動關系和相互影響條件進行分析，辨識系統中可能出現的危險源，提高系統運行安全質量與可靠性，保證整個高速線路的安全運轉。以成貴線鴨池河特大橋為例，共鋪設4組鋼軌伸縮調節器（1#，2#，3#，4#），各組為串聯結構。假設有1組調節器發生故障，其余3組正常，說明鴨池河大橋整個鏈域出現故障，需要采取措施進行排查，其中0代表無故障，1代表有故障，鋼軌伸縮調節器的鏈域分析如圖2所示，鋼軌伸縮調節器的全域分析如圖3所示。

定義整條高速鐵路的調節器監測數據為該條線路的運營安全鏈條，利用安全銜接模式建立定量化的安全風險因素分析體系，結合大數據、智能交通技術，形成多維度安全風險數據鏈條，找準多種關鍵安全風險因素之間的鋼軌病害的聯動關系，挖掘多維度（如并發安全隱患）條件下安全風險因素的精準映射關系。以鋼軌伸縮調節器為一條鏈，鏈條上所有環節之間都具有較高耦合度，其因果聯系可以利用A→B的安全銜接模式建立定量化的因素分析體系，隨著大數據以及智能裝備的不斷完善，形成安全數據鏈條，將處理完的數據進行普適計算，并最終利用BIM技術進行可視化。

2?基于BIM的調節器健康監測運維管理

2.1?運維管理流程

在運營和維護階段，對設備維修管理需要一個完整的BIM模型，而目前很難將BIM模型轉移到設計和施工部門進行高效的運營和維護，這主要是因為各參與方對BIM的作用和理解不同，信息及文檔的編碼標準也存在較大差異，且缺乏相應的信息交付標準。針對上述問題，本文利用COBie（Construction Operations Building Information Exchange，建設運營建筑信息交換）標準在建筑領域的應用[10]，明確鋼軌伸縮調節器建設與運維信息交換的內容，彌補傳統運維方式的不足，創建基于BIM的鋼軌伸縮調節器運維管理流程，如圖4所示。

2.2?模型架構

按照BIM調節器運維信息模型的功能要求和設計原則，核心技術是以Revit為二次開發的平臺。模型的總體架構設計按照完整性和一致性的原則，包括采集層、數據層、平臺層和應用層

4部分，如圖5所示。

1） 采集層是對現場監測數據的收集，包括材料性能監測數據、環境監測數據、外部荷載監測數據以及結構幾何形狀監測數據等。主要收集方法是手動輸入和系統集成，可以通過監視傳感器將無法在線收集的動態監視數據手動輸入到系統數據存儲中;同時，在線監控系統也可以通過無線或有線網絡連接到系統。

2） 數據層是對結構化和安全數據（例如業務數據和基于所收集數據的樣本數據）的管理，主要包括業務數據、BIM數據、多媒體數據和運行管理數據。其中，業務數據包括各種功能和靜態監測數據;BIM數據包括樣本數據和設備樣本數據;多媒體數據包括本地照片、視頻、文檔和語音數據等;運行管理數據包括服務記錄、數據庫、用戶權限管理數據等。

3） 平臺層是整個系統的信息支持平臺，是基于Revit平臺的二次開發。Revit平臺管理的共享性和高效性為整個系統平臺的開發提供了技術支持。同時，通過集成Revit平臺的模型管理技術和附加技術，可以創建三維視覺健康監控平臺。

4） 應用層是用戶可以直觀地感覺和操作的界面平臺，包含系統管理和功能應用程序兩個模塊，應用層是最終用戶與系統的功能模塊進行交互的平臺。

2.3?功能設計

依據監測信息的可視化需求，系統的功能模塊可分為基礎信息、可視化管理、實時監測、智能巡檢、診斷與預測、養護維修、檔案資料管理和系統管理8個模塊。基于BIM技術的健康運維管理先進理念，設計鋼軌伸縮調節器運維信息模型各部分的主要功能，如表3所示。

2.4?監測數據可視化

由于監測指標的多樣性，導致鋼軌伸縮調節器健康監測的每個指標可獲得大量信息，從業人員難以較好地理解這些監測數據，因此，需要將監測數據可視化。為了將在線監測的數據與BIM模型綁定，結合監測數據具有數據量大、數據類型多且復雜的特點，將模型進行輕量化處理再導入系統，監測數據可視化流程如圖6所示。

首先，通過安裝在鐵路軌道上的各種傳感器，收集與伸縮調節器健康監測相關的數據，并連接到數據采集儀，然后將處理過的數據傳輸到DTU（Data Transfer Unit）上，將收集到的監測數據發送到服務器，用戶可以通過訪問服務器得到監測的健康數據。同時，BIM技術與Web瀏覽器的顯示端結合在一起，把被監測鋼軌伸縮器的BIM模型輕量化之后導入系統中，前端界面是在系統中使用HTML5編程構建的，用戶可訪問服務器以檢索數據，通過上位機界面實現鋼軌伸縮調節器的健康監測。

2.5?基于BIM的智能運維決策

BIM技術通過實時智能系統捕獲實時監管和監視信息，利用數據采集技術和傳感器系統遠程高效的傳輸技術可實時監視，并在感應系統的相關部分進行相應的監管，如圖7所示。

圖7?調節器實時感知與傳輸系統的數據信息分類

Fig.7?Data classification of the real-time sensing and transmission system of the regulator

在BIM平臺界面中，可以查看與控制器每個組件相對應的監視設備和監視信息，了解荷載、環境、整體響應以及對結構的局部響應，提供數據支持并預測安全風險。健康監管和監視的最終目標是使用數據進行實時分析評估和智能預警，并輔助管理人員進行相關的決策。利用BIM平臺對鋼軌伸縮調節器的實際運營情況進行可視化，并且對監測數據進行透明化，快速尋找BIM建模系統以加快決策制定的速度。通過構建不同等級的安全預警和應急決策的數據庫，實現基于BIM和調節器健康監測信息的實時獲取、可視化和應急預警決策，建立系統全域層面（非案例層面）的安全風險預警機制，并提供決策支持、風險預測、安全風險的科學控制與管理等。

3?結束語

針對調節器運維階段的健康監測管理，將BIM技術應用在動態監測中，依靠信息資源共享平臺，實現對調節器的智能安全運維管理。

1） 利用BIM技術對調節器構件進行編碼，實現調節器的精測精調，利用邊緣算法對數據進行前置處理，并結合實例對調節器進行普適安全鏈條關聯分析，為高速線路的安全運轉提供理論支撐。

2） 將調節器健康監測的數據信息與BIM模型綁定，結合Revit平臺實現模型架構設計，對模型進行輕量化處理，實現監測信息的三維可視化。

3） 通過BIM平臺推送報警指令對數據進行實時的監督，這使得數據的獲取更加便利，大大提高了信息的利用率，為管理決策提供充分的數據支持。

BIM技術與調節器的安全運維相結合，改善了運維階段信息的組織和管理方式，提高查詢效率。未來將針對多條線路調節器的安全運維，設計更輕量化的模型解決數據量大的問題，加快數據實時傳輸的效率，繼而形成以調節器為點、某一高速鐵路為線、全國高速鐵路為面的全生命周期的智能運維和安全預警管理，為今后修訂高鐵技術新標準提供支持和參考。

[參考文獻]

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[10]?王華興.基于IFC標準的水電站機電設備維修管理平臺開發研究[D].天津：天津大學，2016.

（責任編輯?白麗媛）