基于車輛結(jié)構(gòu)化搭建數(shù)字化車輛三維建模研究

孫睿 戴杰

摘 要：數(shù)字雙胞胎技術(shù)是時(shí)下適用于車輛數(shù)據(jù)管理的最理想數(shù)據(jù)管理模式，通過三維建模實(shí)現(xiàn)車輛整體外觀到各個(gè)系統(tǒng)模塊的零件組成的虛擬化展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字車輛模型與真實(shí)車輛一一對應(yīng)，將真實(shí)世界的車輛映射到了計(jì)算機(jī)世界之中。在數(shù)字車輛模型中預(yù)留接口并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、維保數(shù)據(jù)的采集）進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整映射。系統(tǒng)將各類數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)分類規(guī)則的與虛擬車輛構(gòu)型組成進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)數(shù)字車輛對車輛全生命周期數(shù)據(jù)的管理。

關(guān)鍵詞：數(shù)字車輛;全生命周期;三維建模

地鐵車輛在運(yùn)營維護(hù)過程中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式來看，傳統(tǒng)的文字加表格式的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，較為單調(diào)，無法進(jìn)行生動地展示數(shù)據(jù)與車輛部件的關(guān)聯(lián)性。結(jié)合數(shù)字雙胞胎技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的運(yùn)用及圖形與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)綁定，建立覆蓋車輛運(yùn)營全生命周期的三維數(shù)字車輛，使得車輛運(yùn)維數(shù)據(jù)更加形象、生動。

1 數(shù)字車輛提出的背景

隨著軌道市場的蓬勃發(fā)展，軌道交通方式也逐漸成為了人們交通的首選。目前在城市軌道交通車輛運(yùn)營維護(hù)中，無論是車輛的檢修、架修、大修還是健康診斷的管理，都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，多數(shù)地鐵運(yùn)營商仍然按照獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行車輛健康診斷、檢修、架大修的管理，數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)嚴(yán)重，且由于數(shù)據(jù)管理要求，分類不同造成車輛運(yùn)維各模塊數(shù)據(jù)難以對接，即使各階段管理都有信息化的支撐，數(shù)據(jù)的查詢、對接應(yīng)用也極為困難，難以支撐車輛運(yùn)維全生命周期數(shù)據(jù)的分析運(yùn)用，無法發(fā)揮數(shù)據(jù)應(yīng)有的價(jià)值，在此條件下，車輛狀態(tài)修將成為空中樓閣。如何對車輛運(yùn)營過程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、分析以及車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)管理是目前面臨的主要問題。

2 數(shù)字車輛對車輛運(yùn)維管理的意義

數(shù)字車輛可以有效的解決數(shù)據(jù)分類混亂，模塊對接困難等一系列問題。數(shù)字車輛可以有效對接檢修、健康診斷、架大修，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分類，從而使運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)可利用。數(shù)字車輛的基礎(chǔ)是車輛運(yùn)維全生命周期數(shù)據(jù)分類管理和通用構(gòu)型的梳理構(gòu)建，車輛通用數(shù)據(jù)構(gòu)型的建立為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理打下基礎(chǔ)。通過對車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型的研究與應(yīng)用可以有效整合車輛運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)管理，結(jié)構(gòu)化、分層管理數(shù)據(jù)，可以有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活查詢、調(diào)用，關(guān)聯(lián)，分析，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。

針對車輛運(yùn)維管理現(xiàn)狀，該技術(shù)的研究運(yùn)用有助于：

（1）為車輛全生命周期數(shù)據(jù)管理打好基礎(chǔ)，通過搭建數(shù)字車輛構(gòu)型作為數(shù)據(jù)分類管理模型，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)和應(yīng)用，發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，支撐車輛維保計(jì)劃修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

（2）通過數(shù)字車輛構(gòu)型與車輛健康診斷、檢修、架大修作業(yè)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，形象、生動地展示車輛維保作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以有效輔助工藝培訓(xùn)及現(xiàn)場作業(yè)。

（3）通過數(shù)字車輛模型與車輛狀態(tài)管理及健康診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，運(yùn)用數(shù)字化車輛實(shí)時(shí)展示車輛健康狀態(tài)，起到目視化展示、警示作用。

（4）可以實(shí)現(xiàn)車輛履歷的一體化管理，通過與車間檢修、架大修模塊對接，將車輛檢修、架大修維保履歷數(shù)據(jù)自動綁定到數(shù)字車輛，可以快速便捷地進(jìn)行履歷查詢。

（5）車輛關(guān)鍵部件健康趨勢管理與預(yù)警：根據(jù)車輛檢修、架修反饋數(shù)據(jù)，形成車輛關(guān)鍵部件參數(shù)趨勢，并在三維模型中進(jìn)行展示，對不符合正常趨勢的參數(shù)進(jìn)行高亮異常提示，起到預(yù)警作用。

（6）以更加生動形成的方式展示車輛維保的學(xué)習(xí)資料和培訓(xùn)內(nèi)容，可以更加便利、高效地開展車輛維保培訓(xùn)。

3 數(shù)字車輛主要實(shí)現(xiàn)方式

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊的創(chuàng)建、編輯、預(yù)覽以及系統(tǒng)信息的管理，包含用戶登錄、數(shù)據(jù)模塊維護(hù)（描述性信息模塊、程序性信息模塊、維修計(jì)劃性信息模塊、故障類信息模塊、圖解零部件目錄模塊）、圖形/多媒體信息的制作、數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可伸縮性和靈活性，本系統(tǒng)將采用數(shù)據(jù)層、管理層與應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)來組織，如下圖所示，這樣各層之間相對獨(dú)立，耦合性弱，可以單獨(dú)更新各模塊。應(yīng)用層可以充分使用現(xiàn)有軟件系統(tǒng)及產(chǎn)品，以減少軟件開發(fā)費(fèi)用，減少開發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 建立通用型車輛構(gòu)型

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，梳理健康診斷、檢修、架大修管理過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及維保工藝管理特點(diǎn)，建立適用于車輛全生命周期管理的車輛構(gòu)型，通過構(gòu)型進(jìn)行車輛維保全生命周期數(shù)據(jù)的分類關(guān)聯(lián)管理。

車輛管理構(gòu)型按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)、模塊、部件、子部件進(jìn)行分級分類，車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型將涵蓋車輛健康診斷、檢修、架大修涉及的所有系統(tǒng)、子系統(tǒng)、模塊、部件、子部件，并合并共同項(xiàng)點(diǎn)。

車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型建立后將運(yùn)用地鐵運(yùn)營公司現(xiàn)有的檢修履歷、健康診斷模擬數(shù)據(jù)及智能運(yùn)維平臺（架大修模塊）進(jìn)行模擬驗(yàn)證，驗(yàn)證車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型的有效性、適用性，識別存在的問題點(diǎn)，并進(jìn)行針對性的改進(jìn)，通過多批次的驗(yàn)證確保構(gòu)型的功能。

3.3 根據(jù)車輛通用數(shù)據(jù)分類構(gòu)型建設(shè)數(shù)字車輛

基于信息化系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型，根據(jù)車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型及地鐵車輛三維圖紙進(jìn)行車輛部件的三維建模，嚴(yán)格按照車輛通用數(shù)據(jù)分類管理構(gòu)型進(jìn)行車輛三維建模部件的層級管理（車號、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、模塊、部件）及組成，最終形成完整的車輛三維數(shù)字化模型。

建立統(tǒng)一編碼規(guī)則對地鐵車輛所有組成部件進(jìn)行唯一編碼管理，唯一編碼與車號進(jìn)行綁定。通過唯一編碼與車號進(jìn)行數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，綁定對應(yīng)車號的車輛運(yùn)維數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)通過數(shù)字車輛對車輛運(yùn)維數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用。

4 數(shù)字車輛在各個(gè)系統(tǒng)上的應(yīng)用

4.1 數(shù)字車輛與架修管理的對接應(yīng)用

通過數(shù)字車輛在架修管理平臺上的架設(shè)，可以進(jìn)行地鐵車輛模型的模擬運(yùn)用，由于數(shù)字車輛模型不參與數(shù)據(jù)的存儲管理，在數(shù)字車輛模型的試用過程中并不會產(chǎn)生對數(shù)據(jù)的影響。數(shù)字車輛的架設(shè)，需要綁定架修平臺的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)字車輛對維保數(shù)據(jù)的直接調(diào)用。

數(shù)字車輛對車輛相關(guān)重要部件健康趨勢監(jiān)測及預(yù)警功能需要在系統(tǒng)上建立關(guān)鍵部件尺寸監(jiān)測統(tǒng)計(jì)功能，自動調(diào)用車輛每次維保過程中，現(xiàn)場員工反饋的關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)，并按照特定的方法生成車輛關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)列表。數(shù)字車輛通過調(diào)用關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)形成關(guān)鍵部件健康趨勢圖，并對超出健康度正常范圍及預(yù)測即將超出正常范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。

車輛架修維保技術(shù)與數(shù)字車輛的關(guān)聯(lián)依賴于對車輛架修技術(shù)管理要求的梳理，按照數(shù)字車輛構(gòu)型層級進(jìn)行技術(shù)管理內(nèi)容的切分，并按照數(shù)字車輛構(gòu)型的最小單位進(jìn)行技術(shù)內(nèi)容與數(shù)字車輛構(gòu)型組成部分的關(guān)系綁定，建立綁定關(guān)系后，可以通過選擇或點(diǎn)擊數(shù)字車輛中特定的層次內(nèi)容查看維保技術(shù)要求內(nèi)容，為維保管理提供便利。

4.2 數(shù)字車輛與健康診斷的對接應(yīng)用

一旦車輛狀態(tài)監(jiān)控與健康診斷軟硬件開始推行，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析運(yùn)用平臺的搭建。并且前期智能維保平臺預(yù)留了健康診斷、車輛檢修模塊對接接口，一旦部署，可以實(shí)現(xiàn)模塊與數(shù)字車輛的快速對接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字車輛對健康診斷數(shù)據(jù)的調(diào)用。

車輛狀態(tài)監(jiān)控與健康診斷數(shù)據(jù)是對車輛部分關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)控，將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，數(shù)字車輛根據(jù)數(shù)據(jù)值的波動判定車輛健康狀態(tài)，并對出現(xiàn)的異常部件進(jìn)行高亮顯示，對管理人員進(jìn)行警示。

4.3 數(shù)字車輛與檢修管理的對接應(yīng)用

數(shù)字車輛與檢修工藝、物料相關(guān)聯(lián)后，車輛檢修作業(yè)需要更換物料會在數(shù)字車輛上輔助顯示。在車輛檢修過程中發(fā)現(xiàn)故障后，在系統(tǒng)中輸入故障。系統(tǒng)會根據(jù)車輛檢修工藝要求，將作業(yè)過程中需要更換的物料在數(shù)字車輛上進(jìn)行顯示，起到提示作用，輔助現(xiàn)場作業(yè)人員開展檢修作業(yè)。

數(shù)字車輛將架修管理、健康診斷、檢修管理有機(jī)組合起來，一旦平臺完成搭建，將實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)營的全生命周期數(shù)據(jù)管理，并通過數(shù)字車輛模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類和特性化展示，達(dá)到如下效果：

（1）形成車輛運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)管理。通過數(shù)字車輛與車輛狀態(tài)監(jiān)控與健康診斷、檢修、架大修模板的數(shù)據(jù)對接，數(shù)字車輛實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)管理，由于所有數(shù)據(jù)信息與數(shù)字車輛構(gòu)型組成綁定，可以選擇或點(diǎn)擊構(gòu)型項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)信息的查詢，快捷、方便、生動地管理車輛運(yùn)營全生命周期數(shù)據(jù)。

（2）通過對車輛檢修、架大修問題點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車輛健康度排序管理，并通過車輛展示對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生在各部件上的故障數(shù)量，點(diǎn)擊部件可直接進(jìn)行故障內(nèi)容查看。

（3）通過車輛健康度、車輛檢修完成情況數(shù)據(jù)引用，進(jìn)行車輛可用性判定排序，輔助派車管理。

5 總結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通以車輛為中心的資產(chǎn)管理也逐漸走向信息化、智能化。車輛維保管理將由故障修逐步向狀態(tài)修管理邁進(jìn)，狀態(tài)修的實(shí)現(xiàn)將依賴大量狀態(tài)數(shù)據(jù)及維保數(shù)據(jù)的管理和運(yùn)用（包括車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、架修數(shù)據(jù)、大修數(shù)據(jù)等），數(shù)字車輛將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，讓這些數(shù)據(jù)逐步成為不可分割的整體，并促使維保管理模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過大量的數(shù)據(jù)及算法分析模型的運(yùn)用支撐工藝、作業(yè)管理的不斷優(yōu)化改進(jìn)，為狀態(tài)修的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

作者簡介：孫睿（1978— ），男，漢族，江蘇沭陽人，副高，研究方向：地鐵車輛運(yùn)營管理;戴杰（1990— ），男，漢族，江蘇漣水人，中級工程師，研究方向：車輛電氣技術(shù)管理。