高鐵動車組數字化檢修工藝結構化技術研究

趙 波，彭建平，王小偉，彭 華，周明星，周開磊

（1.成都鐵安科技有限責任公司，四川成都 610091；2.西南交通大學，四川成都 610031；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

動車組是鐵路旅客運輸的高速運載工具，動車組的運用維修工作是鐵路運輸的重要組成部分，其維修質量直接關系到旅客生命財產安全和企業經濟效益[1]。2017年國鐵集團先后發文，對全路大數據應用實施提出總體方案，高速鐵路動車組運維信息化及大數據分析應用工作全面展開[2]。目前動車組檢修基地普遍存在以下問題：①過多的信息系統造成現場檢修作業信息重復錄入、信息交叉的情況較多，信息孤島現象日益突出；②數據量大、類型多樣、存儲成本高、管理耗材大，運營管理單位內動車組配屬持續增加，車型種類增多。

針對上述問題，提高動車組檢修基地的數字化程度，實現設備設施的智能運維已經成為必然趨勢。近年來數字孿生可視化技術逐漸興起，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）設計理念在包括軌道交通、電站、水利、車間、工業機器人等的多個行業得到了探索應用[3-6]。本文針對某動車組檢修基地，基于ThingJS-X 平臺，結合BIM 設計理念展開動車組數字化檢修基地技術的探索研究，以實現對動車段的數字化改造。

1 動車組數字化檢修基地技術路線

動車組數字可視化檢修基地的搭建主要包括檢修基地可視化、數字化驅動、數字化動態大屏3 個層次（圖1）。檢修基地可視化包括對動車段的場景再現和設備設施的BIM 模型搭建，主要利用了3DMax、Rhino、SolidWorks、CAD 等可視化工具。通過CAD 圖紙與現場調研等方式，對動車檢修基地的場景及其所有檢測設備設施進行等比例真實還原，為動車組數字化檢修基地的建立提供信息載體。數據化驅動環節利用ThingJS-X 數字孿生基礎工具CampusBuilder 對所有模型進行整合搭建，根據檢修基地的規范對各個設備進行布局，對基地內配屬的設備設施進行命名，做好設備管理和信息統籌的基礎工作，并基于此編寫ThingJS數據代碼驅動檢測設備，實現動車組檢修的全流程動態仿真，以虛實結合的方式輸出演示視頻。數字化動態大屏是在以上工作的基礎上利用工業物聯網，對動車所內部所有設備設施（如配屬車輛、檢修檢測設備、生產物料、供電設施、排水設施）、對作業人員工作動態進行數據采集和匯總，通過后臺數據分析與模型形成映射，實現生產過程信息的實時聯動，確保多源信息準確、實時、可靠的獲取與傳輸。

圖1 動車組數字化檢修基地技術路線

2 關鍵技術

通過前期的技術路線評估與探索，在ThingJS-X 平臺進行模型的數字化開發，主要采用3DMax 設計軟件建立模型。經前期的效果優化后，通過開發平臺的模型上傳插件將模型上傳至云端，然后由CampusBuilder將各個模型按圖布局，最終由ThingJS 完成所有模型的數字化開發。

2.1 大型模型的建立

在可視化方案開展前期需采集建模所需的信息，對設備、建筑、限界等的尺寸數量級進行準確預估和把握，通過實地調研、搜集行業標準規范、圖紙、圖片、原稿等相關信息，按要求1∶1 設計模型。制作的模型完整反映其外觀，并在保證視覺效果和功能展示的前提下，進行有效的輕量化處理，減少面數、貼圖、材質等信息，盡量以較小的數據量達到可視化呈現的效果[7]。由于模型數據量龐大，對計算機的圖形顯示處理能力提出了嚴峻考驗，為保證數字化開發的流暢性，對于大型模型可通過以下方法建立。

（1）合理拆分：對于結構復雜、尺寸較大、在場景中占比較大的模型，可對其進行合理分解、分部搭建（圖2）。該方式可以對相同的重復部件進行實例化，以便于修改和再利用，提高同類型場景搭建的效率。

圖2 大型模型的分部搭建

（2）輕量化：不同的領域BIM 模型，精細程度也不盡相同[8-9]。可通過專業的面簡化工具Polygon Cruncher，對復雜模型的表面進行輕量化處理（圖3）。當模型特別復雜時，直接利用模型，一方面后期開發平臺的承載能力有限（受模型大小、面數的限制），另一方面通過減面工具會致使大部分特征丟失。遵循“刪繁就簡”的原則，對模型進行重構，既要體現模型的總體外觀特征、細節，又能在后期的光影、動畫效果中呈現具體功能，并在后期的優化中不斷對所需模型的細節進行優化迭代。

圖3 模型輕量化

（3）坐標準確：可視化模型作為最基礎的信息載體，除了幾何特征、視覺效果之外，其坐標的設置和調整在后期的開發設計、流程制定中也非常重要。通常將工作表面設置在地面上，坐標原點調整至對稱幾何的中心，有利于在軟件中的搭建和對齊。對于復雜程度較大的裝配體，可將基礎部件用簡單幾何體代替，后期再將簡單幾何體替換為裝配體部件。

（4）效果真實：通過對模型添加材質、貼圖和正確的動畫，可以提高真實還原程度，該過程與模型的建立相輔相成，共同決定一個場景的視覺效果。動車組檢修所涉及到的大多數模型需要根據基本原理、檢測流程制作正確的動畫?？梢酝ㄟ^添加關鍵幀動畫或者骨骼綁定的方法制作作業人員、檢測機器人的運動。通過改變紋理坐標，可以實現動態效果的UV 紋理動畫，如洗車間噴水、閃動的光、流動的射線等，以此來展示更加真實的外部效果。

2.2 數字孿生技術

2.2.1 BIM 模型動作控制技術

（1）BIM 模型尋跡運動：①在CampusBuilder 軟件中建立一系列標記點，類似于鐵路線路上的信標，預先指定動車組的運行路徑；②按動車組編組形式完成動車組的搭建；③利用列車蛇行運動的特點，通過代碼實現動車組沿線路運行的動畫效果（圖4）。

圖4 動車組尋跡運動

（2）BIM 模型的流水線設計：多數模型的機構動畫、紋理動畫和骨骼動畫都可以在3DMax 中預先制作好，并通過插件上傳至平臺。在開發階段可控制設備的平面運動，以及控制模型動畫播放的時間、循環次數，并且可以對相同模型的不同狀態效果按需替換，最終按照設計規范實現數字化流水線運轉。

2.2.2 數據驅動技術

完成整體場景搭建后，結合物聯網技術獲取動車組檢修基地內的實時狀態數據，包含基建、設備設施等，實現數據與模型的映射關系，從而反映出真實設備的運行狀態。本文利用數字孿生技術，對繁多的信息進行整合分析，開發出一套數字化智慧系統，實現了動車組檢修檢查的智能運維。

3 動車組數字化檢修基地案例開發

3.1 場景預覽

構建檢修基地內包括入段線、洗車線、牽引變電所、一級修綜合檢測棚、檢查庫、臨修庫、設備設施、辦公區等場景元素，以直觀預覽其生產作業布局（圖5、圖6）。該方式可使作業人員與來訪人員快速了解掌握動車檢修基地結構布局，同時通過虛實結合的方式進一步加深印象。

圖5 一級修綜合檢測棚

圖6 動車組檢修基地俯瞰

3.2 數據驅動

由CampusBuilder 將所有模型進行布局和命名，作為數字化開發的載體。在此基礎上，結合采集到的車號信息、設備檢測動態等信息對相關車組和檢測設備進行驅動，實現現場的虛擬仿真作業，也可以按照檢修規程實現流水線作業設計。該方式一方面可實現動車組檢修基地內所有物理場景的三維數字化改造，使現實場景得到真實再現；另一方面也非常有利于動車段內部展開作業人員的培訓（圖7）。

圖7 動車組檢查庫實例

3.3 設備智能運維

動車組數字化檢修基地的建設，通過BIM 可視化+數字孿生技術達到所見即所得的效果，以實現設備設施智能運維的方式，逐漸在動車組檢修基地的實踐中得應用。

動車組智能運維綜合監測數字大屏包括：檢查庫作業計劃、作業完成統計、今日故障數量統計、今日故障處理情況、實時故障報警、設備狀態、人員考勤狀態等信息，另外可以通過視角重置、檢查庫、設備展示、行走模型等方式對動車組檢修基地進行概覽，對檢測設備的運行情況和檢測數據實時呈現（圖8）。

圖8 動車組智能運維綜合監測數字大屏

動車組檢測設備智能管理數字大屏包括：設備信息、設備動態信息、設備故障報警、設備運行參數、設備視頻監控等（圖9）。

圖9 動車組檢測設備智能管理數字大屏

4 結束語

本文利用3DMax、BIM 可視化設計軟件和CampusBuilder 建立了某動車組檢修基地的真實場景，通過數字孿生技術在ThingJS-X 平臺上實現設備設施與數據模型的一一映射，真實還原現場運行狀況，開展檢修工藝結構化研究，探索數字化和智能化技術在動車組智能運維中的應用，以期提高設備設施智能運維管理水平與動車組檢出效率。