鐵路信號運維階段BIM模型交付及數(shù)據(jù)標準研究

劉珍珍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

鐵路運維是行車安全的重要保障，運維期作為建設期的延伸，在鐵路基礎設施全生命周期中的持續(xù)時間最長[1]。我國鐵路運營情況復雜且當前已進入高質量發(fā)展時期，信號專業(yè)規(guī)模不斷擴大[2]，數(shù)字化轉型需求迫切，然而信號運維管理在與設計、建造、施工階段的縱向比較和與行車、通信設備的橫向比較中，其平臺統(tǒng)一程度和信息化、智能化程度都存在差距[3]。鐵路信號信息系統(tǒng)體系繁雜，且多采用分級部署模式，數(shù)據(jù)資源標準不統(tǒng)一，因此，在構建一體化運維平臺過程中，缺乏數(shù)據(jù)融合的統(tǒng)一標準和載體成為首要突出問題。BIM技術在基礎設施領域應用廣泛，是全生命周期管理的重要載體和技術手段[4]。

從2013年起，以BIM為核心的鐵路信息化建設迅速展開，中國鐵路BIM聯(lián)盟先后頒布數(shù)據(jù)存儲、模型精度、交付精度等系列標準，李茂蛟等[5-10]在鐵路工程設計、施工階段的信息集成和應用設計方面進行了深入研究，在國鐵集團工程管理中心的推動下以鐵路工程管理平臺為依托的建設期應用日趨成熟，邁入2.0時代[11-13]。工程建設期的數(shù)字化轉型推動運維管理方式的變革，從2017年起，BIM技術應用逐漸轉向運維，解亞龍等[14]研究基礎設施數(shù)據(jù)交付運維方案；王志華等[3、15-18]深入剖析現(xiàn)狀和需求并提出基于BIM的鐵路綜合運維管理平臺架構方案和應用方法。但由于運維管理存在體系龐大、專業(yè)性強、分工細化的特點，各專業(yè)實施和應用還處于起步階段，BIM標準中運維階段模型和屬性信息描述也存在不全面的情況。

面對上述信息化環(huán)境和設備運維的業(yè)務特點，將BIM技術作為運維階段設備設施管理的基礎，延續(xù)其基于模型的數(shù)據(jù)交付和管理方案，在已有學者建立的運維平臺體系的基礎上，深入分析模型交付與命名規(guī)則、模型組織結構、模型幾何精度、數(shù)據(jù)信息標準等內(nèi)容，豐富和擴展當前標準體系，最后給出運維階段模型與數(shù)據(jù)集成方案。以期利用BIM作為底層支撐技術，解決數(shù)據(jù)共享難題，推動信號大數(shù)據(jù)運維乃至一體化綜合運維管理平臺的建設。

1 模型交付與管理

目前，以智慧京張、數(shù)字鄭萬高鐵為代表的鐵路基礎設施建設中，BIM技術貫穿始終，積累數(shù)萬個模型。鐵路工程信息模型的價值在于信息的自由流動和傳遞，設計建設期向運維期交付模型，需保障信息的完整性和模型的可用性。信號專業(yè)竣工交付工作是在設備經(jīng)過聯(lián)鎖試驗驗收合格并開通使用之后進行，需將在用、應急倒換設備和修訂完善的工程竣工資料移交電務段，設備開通后全天時不間斷運行，因此，交付的資料和模型需準確有序的投入運營生產(chǎn)。為保證交付的模型更精準對接運維管理，提高模型的拆解速度，從竣工模型的交付原則、交付結構、命名規(guī)則、精度要求四個方面進行規(guī)劃和明確。

1.1 模型交付原則

鐵路工程點多線長，模型文件達千兆級別，傳輸和運用十分困難，并將產(chǎn)生大量冗余信息和冗余成本，因此，模型交付需以站、中繼站、調度樓等為工程單元分解模型，交付工程單元的總裝模型。在模型格式方面，項目參與方所使用的工具可能不同，但在鐵路BIM聯(lián)盟的推進下，以Bentley、Revit為主建模工具得到統(tǒng)一，交付的總裝模型支持skp、revt、dgn等格式。ifc格式作為信息交換標準具有兼容性強和去差異化的特點，一方面，建模工具具備將模型轉換為ifc格式存儲的條件；另一方面，運維階段模型不再以建模工具和模型族庫的形式服務用戶，而是依托GIS技術開發(fā)業(yè)務應用，現(xiàn)階段較流行的Treejs、Cesuim、Unity等BIM引擎均支持加載ifc格式模型，因此，模型應按照ifc格式進行交付運維。

1.2 模型組織結構

工程單元總裝模型對于設備運維是難以利用的，需拆解到設備或構件級，再與動靜態(tài)信息關聯(lián)并建立檔案。當前《鐵路工程信息模型表達標準》中涉及了模型拆分組合的規(guī)定，但缺少信號專業(yè)相關說明，參照其一般規(guī)定，根據(jù)應用經(jīng)驗，總結信號模型的組織結構劃分原則。

信號專業(yè)模型結構與工務、電力、房建等專業(yè)相比存在特殊性，其管轄設備分布于鐵路沿線，分布不均衡且系統(tǒng)性強，不能簡單地以物理結構分解定義劃分原則。信號專業(yè)在建設過程中以工點作為工程結構分解的工程單元，一般將車站或具有獨立功能的信號場所作為1個工點，同時這也是運維管理的區(qū)域劃分的基本單元。因此，模型組織結構以工程單元為基礎，再結合信號專業(yè)以系統(tǒng)為單位建設維護的特點，建立專業(yè)-工程單元-信號系統(tǒng)(設備單元)-設備四級樹結構，如圖1所示，由于篇幅限制列出部分設備級樹結構。將模型按照從整體到局部的原則進行拆分，直到構件層級，并根據(jù)可獨立維修更換的原則劃分最小單元。

圖1 模型結構劃分

1.3 模型命名規(guī)則

信號專業(yè)設備在室內(nèi)室外均有所分布，大量模型要能夠層次分明的組織，需要結構清晰編碼唯一的方式命名。模型表達標準中規(guī)定了文件命名總體原則，但粒度僅劃分到工程單元級，根據(jù)標準的命名規(guī)則并結合設備模型組織結構，提出信號專業(yè)設備級模型命名方法。對信號專業(yè)室內(nèi)、室外設備分別命名：室內(nèi)文件命名由專業(yè)、工程單元名稱、設備名稱、安裝建筑名稱、安裝房間、安裝位置依次組成，相鄰代碼之間采用“##”進行分割，例如，信號##清河站##繼電器##信號樓##機械室##1P(排)2J(架)；室外文件命名由專業(yè)、中心里程、工程單元名稱、設備名稱、安裝位置依次組成，相鄰代碼之間采用“##”進行分割，例如，信號##K23+575##清河站##信號機##XII。

1.4 模型交付精度

BIM模型在規(guī)劃—預可研—可研—設計—施工5個階段得到不斷深入細化，模型本身及其搭載的信息越來越完善和豐富，因此，在運維階段的有效利用才能真正體現(xiàn)其全生命周期跟蹤的意義和價值。2017年鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的CRBIM 1004—2017《鐵路工程信息模型交付精度標準(1.0版)》中規(guī)定了LOD3.5施工圖設計階段的幾何精度，但還未發(fā)布運維階段的精度標準。因此，通過對信號專業(yè)運維模型業(yè)務應用的研究和驗證，對運維階段模型的幾何精度要求進行補充，主要遵循的原則為：符合檢修維修的最小設備粒度要求；滿足設備數(shù)量統(tǒng)計的要求；滿足可視化、設備狀態(tài)監(jiān)測的要求等。運維階段的幾何精度通用要求包括：在既有模型的基礎上建立主要設備模型，體現(xiàn)設備的外形輪廓，添加本階段所需的模型詳細參數(shù)，模型參數(shù)完整并預留信息擴展接口，提高模型可用性，并用實際尺寸創(chuàng)建模型。設備的其他個性化要求如表1所示，由于篇幅限制列出部分設備幾何精度要求。

表1 運維階段信號專業(yè)設備幾何精度要求

2 數(shù)據(jù)標準信息研究

信息是BIM技術區(qū)別于傳統(tǒng)三維模型的關鍵，BIM以模型承載設備設施的物理特征、功能特性，能更好地支持項目決策，便于優(yōu)化顯示項目的價值[19]。BIM的數(shù)據(jù)庫從項目規(guī)劃階段就已開始建立，數(shù)據(jù)和信息伴隨工程的推進不斷被完善和豐富，工程管理平臺站在建設施工的角度，建立站后四電工程統(tǒng)一管理應用，將基礎設施的參與方維度信息和生產(chǎn)設計施工階段的信息統(tǒng)一收集管理。在既有設計施工階段數(shù)據(jù)的基礎上，通過分析運維階段的管理流程，討論運維階段的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，同時也是對CRBIM 1009—2017《鐵路工程信息交換模板編制指南(試行)》的補充和完善。

2.1 業(yè)務分析

電務專業(yè)設備維護工作實行鐵路局—電務段分級管理，電務段實行段—車間—工區(qū)三級管理。維護工作的基礎是計劃管理，以計劃編制—審批—執(zhí)行—反饋的閉環(huán)管理流程覆蓋各個級別的維修、日常檢查、故障處理工作，其維護工作流程如圖2所示，主要包括以下4個方面。

圖2 信號專業(yè)維修作業(yè)流程

(1)計劃管理。電務段負責根據(jù)設備質量狀況、年度重點工作組織編制年(月)度維修工作計劃和器材入所修計劃，經(jīng)電務部審核下發(fā)至車間。車間根據(jù)月計劃結合維修過程中的遺留問題，組織編制周計劃、天窗計劃、日計劃，經(jīng)電務段—電務部兩級審核下發(fā)至工區(qū)。

(2)維修作業(yè)實施。車間組織維修天窗實施方案，獲得電務段審批后組織計劃派工，組織工區(qū)開展現(xiàn)場作業(yè)，同時把握作業(yè)進展情況，掌握設備問題和缺陷。

(3)設備技術數(shù)據(jù)。電務部門定期編制和審核信號設備技術數(shù)據(jù)，包括信號技術履歷簿數(shù)據(jù)、設備入所檢修數(shù)據(jù)、LKJ基礎數(shù)據(jù)和STP基礎數(shù)據(jù)。

(4)動態(tài)數(shù)據(jù)分析。車間和工區(qū)不間斷調閱分析信號系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，掌握設備編號情況，分析異常變化和報警，提前發(fā)現(xiàn)設備隱患和劣化趨勢。主要涉及各類行車類信號系統(tǒng)和集中監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 信號專業(yè)運維階段數(shù)據(jù)信息

設備全生命周期的跟蹤需涵蓋生產(chǎn)、設計、施工和運維4個階段。信號專業(yè)設備在設計和施工階段歸口站后四電工程統(tǒng)一管理，采集基本參數(shù)、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品合格證和檢驗檢測資料、設計施工圖、參數(shù)標準、物資清單、工點信息、安裝調試等信息。

工程竣工交付過程中，這些信息依據(jù)交付精度標準移交運維。運維單位首先補充運維階段的基本信息，錄入單位信息，并按照以系統(tǒng)為單元維護的特點錄入所屬信號系統(tǒng)信息。通過業(yè)務分析，這一階段會經(jīng)歷日常養(yǎng)護、集中檢修、入所檢驗、中修、大修、故障應急處理等過程，產(chǎn)生的信息主要闡明在這些過程中信號設備的檢修計劃和檢修記錄。此外，密切關注設備運行過程反饋的動態(tài)參數(shù)和曲線，也是電務每天的重點工作，根據(jù)動態(tài)參數(shù)的變化判斷設備運行狀態(tài)，排除隱患帶來的故障風險。因此，將運維階段數(shù)據(jù)分為基本信息、檢修維護信息、生產(chǎn)作業(yè)信息、運行動態(tài)信息四個大類，分級分類和信息內(nèi)容如圖3所示。

圖3 運維階段數(shù)據(jù)信息

3 模型與數(shù)據(jù)集成應用

通過上述模型與數(shù)據(jù)格式的定義和規(guī)范，構建模型與數(shù)據(jù)集成管理應用。在運維階段，設備的數(shù)據(jù)是實時的，隨著運輸生產(chǎn)而不斷產(chǎn)生和動態(tài)變化，以Revit等建模工具進行屬性集成的方式無法滿足這一階段數(shù)據(jù)存儲和展現(xiàn)的需要。設計以BIM模型集成到基于地理信息系統(tǒng)的設備管理平臺軟件體系結構，可以做到廣度與細節(jié)兼顧，模型以輕量化和瓦片化的方式逐級加載[20]，并允許模型單元以低幾何精度和高信息深度存在，滿足數(shù)據(jù)集成的同時，使應用加載速度更快。

3.1 模型管理

在設備管理平臺中，模型以文件的形式進行存儲和讀取，根據(jù)上述模型交付和組織原則，分解工程單元的總裝模型，提取設備級別的模型信息進行管理。模型庫管理模塊如圖4所示，采用四級模型組織結構，管理設備及其部件器材的模型信息，為每個設備模型分配唯一編碼，作為模型與數(shù)據(jù)關聯(lián)的標志。

圖4 模型庫管理模塊

3.2 運維可視化應用

以B/S架構實現(xiàn)運維數(shù)據(jù)管理應用，采用Cesium作為支撐框架，結合數(shù)據(jù)庫技術，構建車站三維可視化場景，管理設備全生命周期各階段數(shù)據(jù)。以模型為出發(fā)點，建立線路結構(工程單元)、管理層級(運維單位)、設備、所在位置、歸屬系統(tǒng)、作業(yè)計劃、運行動態(tài)之間的聯(lián)系，達到歸一化存儲和可視化呈現(xiàn)的目的。站在運維單位的角度，根據(jù)模型結構組織原則將設備進行系統(tǒng)性分類，組成管理層級—線路結構—信號系統(tǒng)—設備四層樹狀結構，并統(tǒng)一管理設備出廠信息、安裝信息、檢修維護信息、動態(tài)數(shù)據(jù)等。

目前，系統(tǒng)通過組織整理電子化臺賬、提供信息采集用戶界面、與其他系統(tǒng)接口等方式收集數(shù)據(jù)，建立設備檔案。研發(fā)的庫爾勒I場三維可視化場景如圖5所示，三維場景還原站場布局，展示設備出廠和維修作業(yè)等靜態(tài)數(shù)據(jù)。對于動態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用BIM與二維平面圖相結合的展示方式：室外設備分布面積廣、設備分散且傳統(tǒng)信號平面圖的適用度高，繼續(xù)沿用二維平面圖的方式(二維站場綜合顯示應用普遍這里不再舉例)；室內(nèi)設備，機柜/組合架結構緊湊，布線隱蔽且復雜，采用BIM模型方式展示，室內(nèi)設備運行狀態(tài)如圖6所示。

圖5 庫爾勒I場三維可視化場景

圖6 室內(nèi)運行狀態(tài)三維可視化場景

4 結語

基于BIM的鐵路運維管理平臺建設已進入實際研發(fā)階段，平臺數(shù)據(jù)結構的合理性和基礎數(shù)據(jù)的完備性直接影響數(shù)據(jù)利用率，進一步影響智能分析的準確率。在運維管理平臺建設的課題研究基礎上，立足于信號專業(yè)，提出總裝模型分解的模型組織結構和設備模型命名規(guī)則，并通過分析電務運維管理過程，歸納信號專業(yè)運維階段數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，擴充了《鐵路工程信息交換模板》?；谝陨险撌觯⒁阅Ｐ蜑楹诵牡臄?shù)據(jù)歸一化存儲和展示應用，通過Cesium引擎框架及BIM與GIS融合技術，形成三維可視化場景，建立四級數(shù)據(jù)結構樹，并給出模型與數(shù)據(jù)集成應用開發(fā)案例。

數(shù)據(jù)標準的統(tǒng)一和集成共享為運維管理平臺夯實了基礎，同時設備健康評估、故障預警、智能維修技術也正在開展研究，隨著三維可視化技術、設備監(jiān)控手段和數(shù)據(jù)分析處理技術的高速發(fā)展，相信平臺將更加智能和高效，更好地為供電工一體化維修服務。