基于BIM+GIS技術的高鐵動車運用所數字孿生關鍵技術研究

韓亮亮

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

BIM(建筑信息模型)技術，是在CAD等技術基礎上發展起來的多維模型信息集成技術，是對工程物理特征和功能特性信息的數字化承載和可視化表達，具有可視化、仿真性等優勢[1-5]。GIS(地理信息系統)技術是以航測遙感測繪信息數據為基礎，進行大范圍基礎地形模型的管理，適合大體量、大場景模型的瀏覽展示。BIM與GIS技術融合可實現大場景和精細構件的一體化管理，從而滿足工程設計、施工、運營全生命周期應用管理需求[6-10]。

近年來，隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能、BIM、GIS等信息技術快速發展，鐵路行業基本形成了鐵路BIM標準為指導、工程應用為核心的實施體系，并開始向數字化、智能化轉型發展。BIM+GIS技術的應用需求也不局限于鐵路工程數字化表達，更多地要求與鐵路建設管理與運營維護深度融合，開展全生命周期仿真模擬，實現物理世界與數字世界數據交互融合，因此，數字孿生技術被提及和研究應用。數字孿生技術作為一種充分利用模型、數據、智能分析并集成多學科的技術，是通過創建與物理實體對應的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據分析，為物理實體增加或擴展新的能力[11-15]。

動車運用所作為高速鐵路運輸網絡中的重要組成部分，主要承擔動車組存放、整備和臨修作業，其運維管理信息化水平與高速鐵路高效、安全運營息息相關。近年來，隨著動車組開行數量增加、密度增大，傳統運維管理模式和缺乏交互的信息化手段已無法適應現代化運維管理需求[16-20]。因此，提出基于BIM+GIS技術開展動車運用所數字孿生關鍵技術研究，為動車運用所智能運維研究提供重要技術支撐。

2 動車運用所數字孿生技術架構

基于SuperMap GIS(超圖GIS)軟件SuperMap iObject組件開發，利用該組件提供的接口通過空間數據引擎SuperMap SDX訪問空間模型數據庫，利用ADO.NET訪問后臺業務數據庫。總體技術架構如圖1所示，共分為4層，分別介紹如下。

(1)基礎設施層

該層主要包括計算機網絡及相關數據庫存儲服務器等。

(2)數據層

該層主要包括后臺業務數據庫、BIM+GIS模型數據庫及動畫模型數據庫。

(3)服務層

主要包括ADO.Net數據訪問組件及SDX數據訪問組件，與數據庫實現交互。

(4)應用層

具體業務功能在該層實現，主要包括動車運用所三維場景的視圖操作(包括模型瀏覽、圖層控制、興趣視角管理等)，屬性查詢，數據庫監控驅動等可視化功能以及設備運營監控、虛擬培訓等業務功能。

圖1 動車運用所數字孿生總體技術架構

3 動車運用所數字孿生模型構建

3.1 BIM+GIS模型數據庫創建

基于達索3D EXPERIENCE平臺，依據鐵路BIM標準，建立動車運用所全專業BIM模型，定義模型IFC分類和屬性信息，并開展設計、施工階段深化設計及應用，補充完善模型信息，形成竣工模型。然后，利用模型格式轉換插件，將竣工BIM模型利用達索3dxml原生格式移交至SuperMap GIS軟件，避免模型幾何和屬性信息丟失，并在SuperMap GIS軟件對模型數據進行實例化、多細節層次和輕量化處理：實例化處理是針對幾何形狀相同的模型，抽象其示例，儲存在內存中，減少內存空間的占用；多細節層次是根據模型在顯示環境中所處的位置和重要度，決定模型渲染的資源分配，降低非重要模型面數和細節度，從而獲得高效率的渲染運算；輕量化處理是根據BIM模型的語義信息，對模型的某些骨架進行刪除或簡化，達到通過減少數據量提高渲染效率的目的。最后，將經過實例化處理、多細節層次處理和輕量化處理的UDB數據進行切片緩存操作，進一步優化三維場景加載及顯示效率，滿足動車運用所三維可視化場景的快速搭建及流暢運行。同時加載三維地形數據，進而完成BIM+GIS模型數據庫創建，為動車運用所數字孿生研究提供基礎模型數據。具體創建流程如圖2所示。

圖2 BIM+GIS模型數據庫創建流程

通過創建BIM+GIS模型數據庫，形成動車運用所三維可視化場景，如圖3所示。

圖3 動車運用所三維可視化場景

3.2 動作模型構建

動車運用所動作模型主要包括位移類、轉動類、紋理替換類和骨骼類4類動作模型。動作模型數據制作過程如圖4所示，具體如下。

圖4 動作模型數據制作過程

(1)動作模型動畫制作及描述信息添加。其中，位移類、轉動類和紋理替換類動作模型通過DAE格式導入3D max軟件進行相應線性動作、轉動動作和紋理替換動作定義，并在描述信息字段中添加模型ID編號和數據集名稱信息(通過DAE格式導入3D max軟件中的模型屬性信息已經丟失，在描述信息字段添加信息是便于第(4)步中模型屬性信息的檢索完善)；骨骼類動作模型直接在3D max軟件中創建人員骨骼模型，并進行人體骨骼動作定義。

(2)動作模型整合至SuperMap GIS三維場景。其中，在3D max軟件制作完成的位移類、轉動類和紋理替換類動作模型，通過SGM模型格式轉換插件導入SuperMap GIS三維場景對應新建的KML圖層；在3D max軟件制作完成的骨骼類動作模型，通過Mesh模型格式轉換插件導入SuperMap GIS三維場景對應新建的KML圖層。

(3)動作模型動作控制。根據實際業務需求，位移類動作模型設定物理實體的運動路徑并定義動作持續時間，以實現模型的位移動作控制；轉動類動作模型設置轉動角度并定義動作持續時間，以控制模型的轉動動作控制；紋理替換類動作模型修改Mesh面的紋理屬性，以實現模型的信號指示變化；骨骼類動作模型設定人員的行走路徑并定義動作持續時間，以實現人體動作控制。

(4)動作模型屬性信息添加完善。其中，位移類、轉動類和紋理替換類動作模型因初始導入3Dmax軟件會出現屬性信息丟失，需通過二次開發的屬性鏈接程序添加完整屬性信息；骨骼類動作模型屬性信息從業務數據庫中讀取并添加顯示。

通過上述過程制作完成的位移類、轉動類、紋理替換類和骨骼類動作模型，既包含模型靜態幾何和屬性信息，也包含模型的實時動作和動態屬性信息，可以真實反映相應物理實體的狀態特性，即為數字孿生模型。

位移類、轉動類、紋理替換類和骨骼類動作模型典型示例如圖5所示。

圖5 動作模型數據制作過程

4 動車運用所業務數據庫構建

動車運用所業務數據庫主要是存儲通過數據采集、數據傳輸、數據集成與分析過程獲得的與動車運用所運營管理業務相關的結構化及非結構化數據。其中，各類業務表是實現數字孿生模型實時驅動的基礎數據，主要包括實時狀態記錄表(Operation_Record表)和歷史數據表(SaveDataHis表)。Operation_Record表用于動車運用所設備設施運行狀態的實時驅動，SaveDataHis表主要用于動車運用所設備設施初始狀態的設置。以動車運用所檢查庫安全聯鎖及作業評價系統為例，闡述Operation_Record表和SaveDataHis表的具體定義。

表1給出了Operation_Record表數據結構，用于安全聯鎖及作業評價系統相關設備設施運行狀態的實時驅動。其中，SysType為系統類型字段，字段值為0(安全聯鎖)，1(作業評價)，2(車號識別)；Operation為操作內容字段，如SysType字段值為安全聯鎖，則代表開合閘操作，如SysType字段值為作業評價，則代表開始或結束巡更點刷卡，如SysType字段值為車號識別，則代表進出動車組；Station為庫內股道名稱字段，記錄了動作發生的股道編號；Details為詳細信息字段，如SysType字段值為安全聯鎖，則記錄工作卡編號，如SysType字段值為作業評價，則記錄巡更棒編號，如SysType字段值為車號識別，則記錄動車組車號。

表1 Operation_Record表數據結構

表2給出了SaveDataHis表數據結構用于安全聯鎖及作業評價系統相關設備設施初始狀態的設置。SaveDataHis表記錄值的具體含義如表3所示。

表2 SaveDataHis表數據結構

表3 SaveDataHis表記錄值具體含義

5 動車運用所數據庫關聯驅動

通過C#和SuperMap iObjects開發組件開發業務數據驅動控制程序，實現業務數據庫中業務數據的規則讀取，確保業務數據與數字孿生模型動作具有匹配映射關系。并通過“ALTER DATABASE SET ENABLE_BROKER”語句啟動業務數據庫監控程序，當業務數據庫中的業務數據發生變化時，SqlDependency會自動觸發OnChange事件來通知客戶端應用程序，如果判定為正常信號，則模型數據庫中的數字孿生模型發生相應動作，實時映射物理實體的運行狀態。數據庫關聯驅動流程如圖6所示。

圖6 數據庫關聯驅動流程

6 動車運用所數字孿生應用

通過上述過程搭建動車運用所數字孿生系統，并基于該系統支撐相關具體運維管理應用，包括動車運用所三維場景的視圖操作(包括模型瀏覽、圖層控制、空間量算、興趣視角管理等)，屬性查詢，數據庫監控驅動等可視化應用以及設備運營監控、虛擬培訓、設備管理等業務應用。相較傳統運維管理模式，利用數字化、智能化手段，打破動車運用所傳統分散運維管理，消除信息孤島，實現信息共享，提供設備設施屬性及維修養護信息快捷查詢、報表數據自動統計分析、故障智能診斷及精確定位、狀態智能預警與健康管理等綜合可視化信息服務，極大提高運維管理效率，節約人力資源，提質增效，推動鐵路動車段(所)智能化轉型發展。典型應用示例如圖7所示。

圖7 動車運用所數字孿生典型應用

7 結語

數字孿生作為一種充分利用模型、數據、智能分析并集成多學科的技術，是打造數字化、網絡化、智能化鐵路的關鍵技術。基于BIM+GIS技術，依托SuperMap GIS軟件開展了動車運用所數字孿生關鍵技術系統性研究，建立了動車運用所數字孿生總體技術架構，包括基礎設施層、數據層、服務層和應用層。提出了動車運用所數字孿生模型及業務數據庫的構建方法和流程，并建立了模型數據庫與業務數據庫的關聯驅動，實現了模型數據與業務數據的映射交互。最后，給出了動車運用所數字孿生典型應用，包括三維場景的視圖操作，屬性查詢，數據庫監控驅動等可視化應用及設備運營監控、虛擬培訓、設備管理等業務應用，凸顯了數字孿生技術在動車運用所運維管理中的應用價值。為基于數字孿生技術開展動車運用所智能運維研究，以提升動車運用所運維管理水平提供了重要技術支撐。