基于數字模型的重載鐵路工務設備全壽命周期管理

代春平

中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081

鐵路建設和運營涉及設計、施工、運維等多個單位，經歷勘察設計、部件制造、現場施工、運維養護等多個階段，而各單位在各階段產生的數據進行獨立存貯，信息傳遞方式單一。我國鐵路主要使用PWMIS（Permanent Way Management Information System）系統［1］對設備的材質、類型、生產廠家、上線時間等基本信息進行管理，但對于設備的精細化管理需求尚不能滿足，而設備精細化管理對于設備的智能運維和全壽命周期管理至關重要。重載鐵路工務設備在運維階段產生了動態檢測數據、人工檢查數據、施工維修數據等，這些數據很多以紙質化和電子版相結合的方式存貯，由此造成數據碎片化、孤島化，共享困難。

國家能源集團在十四五發展規劃中明確提出圍繞智能運維、智能管理等方向開展系統規劃研究，構造智慧重載鐵路技術體系［2-3］。國能朔黃鐵路發展有限責任公司為推動朔黃重載鐵路工務設備的智能化運維，采用大數據存儲、BIM（Building Information Modeling）和GIS（Geography Information System）等技術構建了工務設備全壽命周期管理系統，為設備智能運維和精細化管理提供支撐平臺。工務設備全壽命周期管理系統包括設備數字模型建立、設備資產管理、設備狀態評估等內容，實現設計、施工與運維各階段數據資產管理，并通過一橋一檔、一隧一檔、一岔一檔的精細化管理，全面實現工務設備數字化管理。

1 工務設備數字模型

建立模型首先需要制定設備及構件分類編碼規則，根據編碼規則為每類設備及構件創建唯一編碼；再依托設備及構件屬性信息建立橋梁、隧道的BIM和線路設備的單體模型；然后將編碼與模型中的構件一一關聯。該系統使用GIS將橋隧三維數字模型和線路設備單體模型關聯展示，將二維矢量圖放大到一定比例時無縫切換至模型展示界面，實現工務設備全壽命周期的數據信息綜合展示和應用。

1.1 設備分類編碼規則

工務設備分類編碼具有唯一性，每個編碼對應一個設施設備或構件。參照GB/T 37486—2019《城市軌道交通設施設備分類與代碼》、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》、TB/T 2966—1999《鐵路運輸設備分類與代碼基本規定》等，工務設備分類編碼為組合碼，由9部分42位代碼組成。其包括5位單位代碼、4位線路代碼、2位行別代碼、2位線別代碼、1位運管方式代碼、11位位置代碼、1位長短鏈代碼、12位設施設備代碼、4位序號代碼。其中設施設備代碼按照工務專業屬性，逐層劃分編制代碼，共分6層，每層從01到99按順序編2位數字型代碼。

第一層為專業代碼，第二層至第六層根據各系統特點按專業屬性逐層細分。第二層按照設備類別劃分，01軌道、02道岔、03橋梁、04涵洞、05隧道、06路基、07防護柵欄、08道口等；第三層按照設備子類劃分，第四、五、六層按照結構、型號、部件劃分。同一層級相同設施設備采用4位數字代碼，從0001至9999編號。其中，線路設備中同一層級相同設施設備按里程遞增編碼；一座橋涵不同孔跨或墩號按里程遞增編碼；一座隧道圍巖級別分段按里程遞增編碼。

1.2 線路設備單體模型建立

為了實現線路設備單體模型與二維矢量圖無縫切換展示，本系統使用ArcGIS平臺建立工務設備單體數字模型。按照最小單位構建原則，對線路設備中鋼軌、軌枕、道岔、道床等進行部件拆解，形成基礎構件庫。鋼軌以25 m為最小單位形成單體構件；曲線段軌道根據長度、半徑和轉向角計算出彎曲程度，再根據曲線起止點的經緯度換算具體位置形成單體構件；軌枕按木枕、混凝土枕等不同類型分別形成單體構件；股道按根通過有效長度和起止點經緯度計算形成單體構件；道岔按基本軌、尖軌、轍叉、接頭、墊板扣件、護軌、翼軌、心軌構建單體構件；道床按10 m形成單體構件，包括側溝、道砟、邊坡、路肩；路基按10 m形成單體構件，包括路堤、護坡、路塹、天溝等，如遇排水井等獨立設施，則直接作為單體構件；對于車站，先將站內鋼軌、軌枕、道床等進行單體構件設計，再組合成車站組件。

每個單體構件都有自己的唯一設備分類編碼，通過這些編碼將構件與系統中的設備屬性數據、設備維修數據建立關聯。系統使用ArcGIS平臺構建工務設備單體構件，形成單體構件庫，并將每類構件信息與地理信息關聯，形成單體構件的二維矢量圖。工務設備全壽命周期管理系統會通過GIS綜合展示這些單體構件及相關信息。道岔設備單體模型如圖1所示。

圖1 道岔設備單體模型

1.3 橋隧設備數字模型建立

我國2013年成立了鐵路BIM聯盟，積極推動BIM在鐵路行業的應用。聯盟成員單位從BIM標準、接口規范、平臺技術等方面深入研究和實踐應用。聯盟已發布鐵路建設技術標準、實施標準等16項標準。技術標準包括數據存儲標準、信息語義標準、信息傳遞標準；實施標準包括資源標準、行為標準、交付標準、協同標準。這些標準已在京張高速鐵路線橋隧設計、施工階段全面使用，并將設計和施工信息通過BIM融合管理。

依據TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統一標準》、BIM運維交付標準和BIM運維接口標準建立橋梁和隧道運維模型庫。模型庫分為基礎構件庫、組合構件庫和模板構件庫?；A構件庫為不可拆分的零部件庫；組合構件庫為由零部件拼接組裝的構件庫；模板構件庫可根據用戶設定的參數值自定義零部件，從而快速建模。

本系統使用SuperMap引擎［4］實現工務設備橋梁、隧道的BIM設計和發布，采用AutoDesk CIVIL 3D［5］、AutoDesk Revit［6］等進行BIM構件信息的無損接入，實現百萬個BIM構件實時加載，通過LOD技術、輕量化處理和三維緩存對BIM性能進行優化，從而實現橋梁和隧道BIM在應用過程中的高效加載。使用SuperMap實現BIM和GIS數據的無縫銜接。

系統采用SuperMap軟件對BIM與傾斜攝影模型的空間坐標進行轉換，該軟件同步支持模型數據的配準功能。一方面通過傾斜攝影技術批量構建橋隧設備的表面模型并作為底圖使用；另一方面通過BIM構件信息生成橋梁、隧道的結構，實現數據的精準化分析和建模。

2 工務設備全壽命周期管理系統功能

以設備及構件為核心建立設備全壽命周期履歷，結合灰色預測、神經網絡等技術對設備故障進行診斷分析，對狀態變化趨勢進行預測。工務設備運維全壽命周期如圖2所示。

圖2 工務設備運維全壽命周期

2.1 系統功能設計

工務設備全壽命周期管理系統功能架構如圖3所示。

圖3 工務設備全壽命周期管理系統功能架構

系統將設備的基礎臺賬、履歷、狀態、維修、病害等設備信息與線路通過總質量進行深度關聯分析。從交付運營到檢測檢查、從養護維修到更換下線對設備全周期進行分析評估。

2.2 設備臺賬管理

重載鐵路工務設備屬性數據是全壽命周期管理的基礎。根據工務設備的分類編碼規則，對線路設備、橋梁及附屬設備、隧道及附屬設備、涵渠設備、路基本體及附屬設備屬性等進行管理，實現設備信息的批量新增、查詢、修改、刪除等功能。系統還可以關聯施工和維修信息，自動化新增和變更設備信息。為了提高設備臺賬管理的準確性，系統依據校驗規則對新增或變更的設備屬性信息自動化校驗，同時對設備及屬性信息的變更進行多級審核。以下以道岔、橋梁設備管理為例進行說明。

1）道岔設備管理

首先根據道岔結構參數，使用GIS技術建立道岔單體模型。具體構件主要包括尖軌、基本軌、導軌、心軌、翼軌等；扣件系統主要包括螺栓、彈條、墊板、軌距塊等；軌枕主要包括軌枕型號、根數、鋪設間距等?；诘啦碓O備單體模型直觀展示道岔設備屬性信息、道岔病害信息、綜合分析結果、維修作業情況等內容，形成道岔設備“一張圖”精細化管理。

2）橋隧設備

根據橋隧及附屬設備的屬性信息，以橋隧BIM為載體，將橋隧設備設計信息、履歷信息、檢測監測數據、現場影像資料等信息有效集成。從時間序列到空間維度實現設備信息的動態更新和可視化展示，并自動生成分析報告，有利于管理和運維人員全面獲取相關信息，及時了解現場情況。

2.3 設備履歷管理

設備履歷管理將每個設備或構件的全壽命周期信息關聯，提供工務設備的日常人工檢查巡檢、動態檢測、設備保養、設備維修等生產作業信息的管理和展示。結合工務設備基本屬性，設備病害、設備狀態等信息，實現設備從上線到更換的全壽命履歷綜合分析。通過選中相應里程的設備，按時間倒序展示設備的各種日常維護、施工、檢測檢查履歷數據，可詳細查看不同類型數據，展示設備履歷詳情及綜合分析結果，以及設備狀態、屬性、圖紙附件等信息。無縫線路設備履歷管理信息如圖4所示。

圖4 無縫線路設備履歷管理信息

2.4 設備圖管理

根據重載鐵路線路上相關設備的臺賬數據，實時動態計算、繪制生成線路綜合圖，實現線路設備在圖表上的數字化展示。車站配線圖中包括道岔、信號機、道口、圓管涵、框架涵等設備。依據比例尺、指向標、圖例及設備的相關信息，實現車站配線圖的實時繪制，為站內工務設備的維修、列車機動調度或線路故障狀態下列車靈活運行提供技術支撐。

2.5 設備病害管理

重載鐵路工務設備病害類型復雜多樣。根據工程類別和各類工程設備病害影響安全的程度，確定分析評價指標，對工務設備病害數據分類分級管理。工務設備病害分為線路、軌道結構、橋梁、隧道、路基五類。設備病害級別分為五級：Ⅰ級為低級病害，需日常檢查觀測；Ⅱ級為中級病害，建議進行日常養護維修；Ⅲ級為高級病害，繼續發展會影響行車安全，建議在規定時間內安排維修整治；Ⅳ級為嚴重病害，影響行車安全，應在24 h內利用天窗或申請臨時封鎖進行整修；Ⅴ級為限速病害，涉及行車安全，應立即限速或封鎖相關區段，由工隊管理人員到現場檢查整修。

根據設備病害分類分級管理規范，建立工務設備病害字典，利用線路、橋梁、隧道、路基等工程相關設備靜態監測、動態檢測、人工檢查的病害信息，構建重載鐵路工務設備病害庫，提供設備病害的統計對比，實現工務設備病害發展趨勢預測。

2.6 設備全壽命綜合分析

通過對重載鐵路工務設備的臺賬、履歷、設備圖、病害進行綜合管理，為工務設備的全壽命綜合分析提供數據支持。

工務設備全壽命綜合分析使用神經網絡等算法，對線路、橋梁、隧道等工程設備進行狀態評估和變化趨勢預測。充分利用運維階段檢測監測數據，分析設備狀態演化規律，采用灰度預測、模糊層次評價等方法，構建大型養路機械搗固質保期模型，實現軌道質量狀態預測。基于通過總質量、含水率等數據建立臟污指數的主要影響因素與預測模型。將動態檢測的軌道幾何、短波沖擊、軌道部件傷損、輪軌關系等數據作為輸入參數，采用神經網絡算法綜合評估道岔狀態，揭示不同參數間的關系，預測道岔狀態演變趨勢。應用多源數據對橋梁各構件進行分析，預測橋梁疲勞壽命。以雷達檢測數據和人工巡檢數據為基礎，以劣化評定標準為判斷準則，利用層次分析法對隧道區段狀態進行評估，為隧道維修決策的制定提供依據。

2.7 設備資產管理

依據重載鐵路工務設備精細化管理數據和設備全壽命綜合分析結果，按照重載鐵路工務設備資產的統計規則，按線路區段、設備類型（線路、車站、橋梁、隧道、涵洞等）對工務設備資產進行多維度統計分析，并自動生成系列匯總報表。同時，系統按每個自然年進行匯總結算，自動生成統計報表后，本年度統計報表數據不再變更。

3 工務設備全壽命周期管理系統應用

重載鐵路工務設備全壽命周期管理系統已在國能朔黃鐵路發展有限責任公司部署實施。系統實現了線路、橋梁、隧道、涵洞、路基的正視、俯視和單體逐級展示，并通過設備編碼關聯相關設備的臺賬信息、設備狀態、養護維修、病害、施工維修作業歷史信息等，為該公司及其下屬分公司提供便捷服務。利用數據和圖形結合的方式，將設備單體的病害詳情、實時狀態、臺賬詳情、檢修作業、設備更換等信息關聯，進行時空分析和多維度展示，分公司已通過該系統對線路進行精細化管理。

應用BIM建立的朔黃鐵路橋隧三維實體模型，實現橋隧結構的檢查信息、監測信息、維修作業歷史信息、當前狀態信息、病害分布信息的自動關聯、分類檢索和統計分析。系統提供的橋隧BIM三維結構、設備臺賬信息、GIS空間信息、橋隧涵信息等數據，通過BIM多層次技術，完成橋隧BIM與地圖的融合，提供橋隧三維立體直觀展示、橋隧自動巡游等多種功能。通過對橋隧設備狀態評估與預測，直觀呈現橋隧服役狀態，有利于重載鐵路橋隧設備養護、維修和管理決策的科學制定。系統已為分公司橋梁工隊上線檢查橋梁病害、評估橋梁狀態提供了高效服務。橋梁設備信息綜合展示見圖5。

圖5 橋梁設備信息綜合展示

4 結論與建議

1）重載鐵路工務設備全壽命周期管理系統大數據存儲技術實現了工務設備從設計、施工、運維到最終下線全壽命過程管理信息的統一存儲，全面實現了以設備為核心的數據資產管理，為設備狀態評價、變化趨勢預測提供了統一、高質量的數據服務。

2）系統采用BIM和GIS建立橋梁、隧道和線路設備的單體模型，實現工務設備三維可視化展示和設備構件級的精細化管理。對設備基礎屬性、狀態檢測、養護維修全壽命周期數據的綜合分析，大大提高重載鐵路工務設備數據管理和應用水平，提升了朔黃重載鐵路工務設備整體運維智能化水平。

3）系統提供了設備屬性、履歷、綜合圖等管理功能和設備信息統計分析功能，為國能朔黃鐵路發展有限責任公司、分公司和各工隊提供了完備的設備管理和信息共享。設備信息與檢測監測數據結合，建立設備病害庫，并結合病害整治相關信息，為工務設備健康狀態評估提供高效便捷服務。

4）系統結合灰色模型、神經網絡等技術，對設備狀態、使用壽命進行綜合評估，輔助維修決策的制定，推動重載鐵路工務設備養護維修從周期修向狀態修轉變。