基于數(shù)字模型的重載鐵路工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理

代春平

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081

鐵路建設(shè)和運(yùn)營涉及設(shè)計、施工、運(yùn)維等多個單位，經(jīng)歷勘察設(shè)計、部件制造、現(xiàn)場施工、運(yùn)維養(yǎng)護(hù)等多個階段，而各單位在各階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)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(tǒng)［1］對設(shè)備的材質(zhì)、類型、生產(chǎn)廠家、上線時間等基本信息進(jìn)行管理，但對于設(shè)備的精細(xì)化管理需求尚不能滿足，而設(shè)備精細(xì)化管理對于設(shè)備的智能運(yùn)維和全壽命周期管理至關(guān)重要。重載鐵路工務(wù)設(shè)備在運(yùn)維階段產(chǎn)生了動態(tài)檢測數(shù)據(jù)、人工檢查數(shù)據(jù)、施工維修數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)很多以紙質(zhì)化和電子版相結(jié)合的方式存貯，由此造成數(shù)據(jù)碎片化、孤島化，共享困難。

國家能源集團(tuán)在十四五發(fā)展規(guī)劃中明確提出圍繞智能運(yùn)維、智能管理等方向開展系統(tǒng)規(guī)劃研究，構(gòu)造智慧重載鐵路技術(shù)體系［2-3］。國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司為推動朔黃重載鐵路工務(wù)設(shè)備的智能化運(yùn)維，采用大數(shù)據(jù)存儲、BIM（Building Information Modeling）和GIS（Geography Information System）等技術(shù)構(gòu)建了工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)，為設(shè)備智能運(yùn)維和精細(xì)化管理提供支撐平臺。工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)包括設(shè)備數(shù)字模型建立、設(shè)備資產(chǎn)管理、設(shè)備狀態(tài)評估等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、施工與運(yùn)維各階段數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，并通過一橋一檔、一隧一檔、一岔一檔的精細(xì)化管理，全面實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備數(shù)字化管理。

1 工務(wù)設(shè)備數(shù)字模型

建立模型首先需要制定設(shè)備及構(gòu)件分類編碼規(guī)則，根據(jù)編碼規(guī)則為每類設(shè)備及構(gòu)件創(chuàng)建唯一編碼；再依托設(shè)備及構(gòu)件屬性信息建立橋梁、隧道的BIM和線路設(shè)備的單體模型；然后將編碼與模型中的構(gòu)件一一關(guān)聯(lián)。該系統(tǒng)使用GIS將橋隧三維數(shù)字模型和線路設(shè)備單體模型關(guān)聯(lián)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(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備全壽命周期的數(shù)據(jù)信息綜合展示和應(yīng)用。

1.1 設(shè)備分類編碼規(guī)則

工務(wù)設(shè)備分類編碼具有唯一性，每個編碼對應(yīng)一個設(shè)施設(shè)備或構(gòu)件。參照GB/T 37486—2019《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備分類與代碼》、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、TB/T 2966—1999《鐵路運(yùn)輸設(shè)備分類與代碼基本規(guī)定》等，工務(wù)設(shè)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(yùn)管方式代碼、11位位置代碼、1位長短鏈代碼、12位設(shè)施設(shè)備代碼、4位序號代碼。其中設(shè)施設(shè)備代碼按照工務(wù)專業(yè)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(shù)字型代碼。

第一層為專業(yè)代碼，第二層至第六層根據(jù)各系統(tǒng)特點(diǎn)按專業(yè)屬性逐層細(xì)分。第二層按照設(shè)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(hù)柵欄、08道口等；第三層按照設(shè)備子類劃分，第四、五、六層按照結(jié)構(gòu)、型號、部件劃分。同一層級相同設(shè)施設(shè)備采用4位數(shù)字代碼，從0001至9999編號。其中，線路設(shè)備中同一層級相同設(shè)施設(shè)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(shè)備單體模型建立

為了實(shí)現(xiàn)線路設(shè)備單體模型與二維矢量圖無縫切換展示，本系統(tǒng)使用ArcGIS平臺建立工務(wù)設(shè)備單體數(shù)字模型。按照最小單位構(gòu)建原則，對線路設(shè)備中鋼軌、軌枕、道岔、道床等進(jìn)行部件拆解，形成基礎(chǔ)構(gòu)件庫。鋼軌以25 m為最小單位形成單體構(gòu)件；曲線段軌道根據(jù)長度、半徑和轉(zhuǎn)向角計算出彎曲程度，再根據(jù)曲線起止點(diǎn)的經(jīng)緯度換算具體位置形成單體構(gòu)件；軌枕按木枕、混凝土枕等不同類型分別形成單體構(gòu)件；股道按根通過有效長度和起止點(diǎn)經(jīng)緯度計算形成單體構(gòu)件；道岔按基本軌、尖軌、轍叉、接頭、墊板扣件、護(hù)軌、翼軌、心軌構(gòu)建單體構(gòu)件；道床按10 m形成單體構(gòu)件，包括側(cè)溝、道砟、邊坡、路肩；路基按10 m形成單體構(gòu)件，包括路堤、護(hù)坡、路塹、天溝等，如遇排水井等獨(dú)立設(shè)施，則直接作為單體構(gòu)件；對于車站，先將站內(nèi)鋼軌、軌枕、道床等進(jìn)行單體構(gòu)件設(shè)計，再組合成車站組件。

每個單體構(gòu)件都有自己的唯一設(shè)備分類編碼，通過這些編碼將構(gòu)件與系統(tǒng)中的設(shè)備屬性數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)使用ArcGIS平臺構(gòu)建工務(wù)設(shè)備單體構(gòu)件，形成單體構(gòu)件庫，并將每類構(gòu)件信息與地理信息關(guān)聯(lián)，形成單體構(gòu)件的二維矢量圖。工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)會通過GIS綜合展示這些單體構(gòu)件及相關(guān)信息。道岔設(shè)備單體模型如圖1所示。

圖1 道岔設(shè)備單體模型

1.3 橋隧設(shè)備數(shù)字模型建立

我國2013年成立了鐵路BIM聯(lián)盟，積極推動BIM在鐵路行業(yè)的應(yīng)用。聯(lián)盟成員單位從BIM標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范、平臺技術(shù)等方面深入研究和實(shí)踐應(yīng)用。聯(lián)盟已發(fā)布鐵路建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)等16項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)、信息語義標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)包括資源標(biāo)準(zhǔn)、行為標(biāo)準(zhǔn)、交付標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)已在京張高速鐵路線橋隧設(shè)計、施工階段全面使用，并將設(shè)計和施工信息通過BIM融合管理。

依據(jù)TB/T 10183—2021《鐵路工程信息模型統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、BIM運(yùn)維交付標(biāo)準(zhǔn)和BIM運(yùn)維接口標(biāo)準(zhǔn)建立橋梁和隧道運(yùn)維模型庫。模型庫分為基礎(chǔ)構(gòu)件庫、組合構(gòu)件庫和模板構(gòu)件庫。基礎(chǔ)構(gòu)件庫為不可拆分的零部件庫；組合構(gòu)件庫為由零部件拼接組裝的構(gòu)件庫；模板構(gòu)件庫可根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)值自定義零部件，從而快速建模。

本系統(tǒng)使用SuperMap引擎［4］實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備橋梁、隧道的BIM設(shè)計和發(fā)布，采用AutoDesk CIVIL 3D［5］、AutoDesk Revit［6］等進(jìn)行BIM構(gòu)件信息的無損接入，實(shí)現(xiàn)百萬個BIM構(gòu)件實(shí)時加載，通過LOD技術(shù)、輕量化處理和三維緩存對BIM性能進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)橋梁和隧道BIM在應(yīng)用過程中的高效加載。使用SuperMap實(shí)現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)的無縫銜接。

系統(tǒng)采用SuperMap軟件對BIM與傾斜攝影模型的空間坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該軟件同步支持模型數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)功能。一方面通過傾斜攝影技術(shù)批量構(gòu)建橋隧設(shè)備的表面模型并作為底圖使用；另一方面通過BIM構(gòu)件信息生成橋梁、隧道的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化分析和建模。

2 工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)功能

以設(shè)備及構(gòu)件為核心建立設(shè)備全壽命周期履歷，結(jié)合灰色預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對設(shè)備故障進(jìn)行診斷分析，對狀態(tài)變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。工務(wù)設(shè)備運(yùn)維全壽命周期如圖2所示。

圖2 工務(wù)設(shè)備運(yùn)維全壽命周期

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)將設(shè)備的基礎(chǔ)臺賬、履歷、狀態(tài)、維修、病害等設(shè)備信息與線路通過總質(zhì)量進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)分析。從交付運(yùn)營到檢測檢查、從養(yǎng)護(hù)維修到更換下線對設(shè)備全周期進(jìn)行分析評估。

2.2 設(shè)備臺賬管理

重載鐵路工務(wù)設(shè)備屬性數(shù)據(jù)是全壽命周期管理的基礎(chǔ)。根據(jù)工務(wù)設(shè)備的分類編碼規(guī)則，對線路設(shè)備、橋梁及附屬設(shè)備、隧道及附屬設(shè)備、涵渠設(shè)備、路基本體及附屬設(shè)備屬性等進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的批量新增、查詢、修改、刪除等功能。系統(tǒng)還可以關(guān)聯(lián)施工和維修信息，自動化新增和變更設(shè)備信息。為了提高設(shè)備臺賬管理的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)依據(jù)校驗(yàn)規(guī)則對新增或變更的設(shè)備屬性信息自動化校驗(yàn)，同時對設(shè)備及屬性信息的變更進(jìn)行多級審核。以下以道岔、橋梁設(shè)備管理為例進(jìn)行說明。

1）道岔設(shè)備管理

首先根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用GIS技術(shù)建立道岔單體模型。具體構(gòu)件主要包括尖軌、基本軌、導(dǎo)軌、心軌、翼軌等；扣件系統(tǒng)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(shù)、鋪設(shè)間距等?；诘啦碓O(shè)備單體模型直觀展示道岔設(shè)備屬性信息、道岔病害信息、綜合分析結(jié)果、維修作業(yè)情況等內(nèi)容，形成道岔設(shè)備“一張圖”精細(xì)化管理。

2）橋隧設(shè)備

根據(jù)橋隧及附屬設(shè)備的屬性信息，以橋隧BIM為載體，將橋隧設(shè)備設(shè)計信息、履歷信息、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場影像資料等信息有效集成。從時間序列到空間維度實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的動態(tài)更新和可視化展示，并自動生成分析報告，有利于管理和運(yùn)維人員全面獲取相關(guān)信息，及時了解現(xiàn)場情況。

2.3 設(shè)備履歷管理

設(shè)備履歷管理將每個設(shè)備或構(gòu)件的全壽命周期信息關(guān)聯(lián)，提供工務(wù)設(shè)備的日常人工檢查巡檢、動態(tài)檢測、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備維修等生產(chǎn)作業(yè)信息的管理和展示。結(jié)合工務(wù)設(shè)備基本屬性，設(shè)備病害、設(shè)備狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備從上線到更換的全壽命履歷綜合分析。通過選中相應(yīng)里程的設(shè)備，按時間倒序展示設(shè)備的各種日常維護(hù)、施工、檢測檢查履歷數(shù)據(jù)，可詳細(xì)查看不同類型數(shù)據(jù)，展示設(shè)備履歷詳情及綜合分析結(jié)果，以及設(shè)備狀態(tài)、屬性、圖紙附件等信息。無縫線路設(shè)備履歷管理信息如圖4所示。

圖4 無縫線路設(shè)備履歷管理信息

2.4 設(shè)備圖管理

根據(jù)重載鐵路線路上相關(guān)設(shè)備的臺賬數(shù)據(jù)，實(shí)時動態(tài)計算、繪制生成線路綜合圖，實(shí)現(xiàn)線路設(shè)備在圖表上的數(shù)字化展示。車站配線圖中包括道岔、信號機(jī)、道口、圓管涵、框架涵等設(shè)備。依據(jù)比例尺、指向標(biāo)、圖例及設(shè)備的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)車站配線圖的實(shí)時繪制，為站內(nèi)工務(wù)設(shè)備的維修、列車機(jī)動調(diào)度或線路故障狀態(tài)下列車靈活運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

2.5 設(shè)備病害管理

重載鐵路工務(wù)設(shè)備病害類型復(fù)雜多樣。根據(jù)工程類別和各類工程設(shè)備病害影響安全的程度，確定分析評價指標(biāo)，對工務(wù)設(shè)備病害數(shù)據(jù)分類分級管理。工務(wù)設(shè)備病害分為線路、軌道結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道、路基五類。設(shè)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(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)維修；Ⅲ級為高級病害，繼續(xù)發(fā)展會影響行車安全，建議在規(guī)定時間內(nèi)安排維修整治；Ⅳ級為嚴(yán)重病害，影響行車安全，應(yīng)在24 h內(nèi)利用天窗或申請臨時封鎖進(jìn)行整修；Ⅴ級為限速病害，涉及行車安全，應(yīng)立即限速或封鎖相關(guān)區(qū)段，由工隊(duì)管理人員到現(xiàn)場檢查整修。

根據(jù)設(shè)備病害分類分級管理規(guī)范，建立工務(wù)設(shè)備病害字典，利用線路、橋梁、隧道、路基等工程相關(guān)設(shè)備靜態(tài)監(jiān)測、動態(tài)檢測、人工檢查的病害信息，構(gòu)建重載鐵路工務(wù)設(shè)備病害庫，提供設(shè)備病害的統(tǒng)計對比，實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備病害發(fā)展趨勢預(yù)測。

2.6 設(shè)備全壽命綜合分析

通過對重載鐵路工務(wù)設(shè)備的臺賬、履歷、設(shè)備圖、病害進(jìn)行綜合管理，為工務(wù)設(shè)備的全壽命綜合分析提供數(shù)據(jù)支持。

工務(wù)設(shè)備全壽命綜合分析使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，對線路、橋梁、隧道等工程設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評估和變化趨勢預(yù)測。充分利用運(yùn)維階段檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析設(shè)備狀態(tài)演化規(guī)律，采用灰度預(yù)測、模糊層次評價等方法，構(gòu)建大型養(yǎng)路機(jī)械搗固質(zhì)保期模型，實(shí)現(xiàn)軌道質(zhì)量狀態(tài)預(yù)測?；谕ㄟ^總質(zhì)量、含水率等數(shù)據(jù)建立臟污指數(shù)的主要影響因素與預(yù)測模型。將動態(tài)檢測的軌道幾何、短波沖擊、軌道部件傷損、輪軌關(guān)系等數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法綜合評估道岔狀態(tài)，揭示不同參數(shù)間的關(guān)系，預(yù)測道岔狀態(tài)演變趨勢。應(yīng)用多源數(shù)據(jù)對橋梁各構(gòu)件進(jìn)行分析，預(yù)測橋梁疲勞壽命。以雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)和人工巡檢數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以劣化評定標(biāo)準(zhǔn)為判斷準(zhǔn)則，利用層次分析法對隧道區(qū)段狀態(tài)進(jìn)行評估，為隧道維修決策的制定提供依據(jù)。

2.7 設(shè)備資產(chǎn)管理

依據(jù)重載鐵路工務(wù)設(shè)備精細(xì)化管理數(shù)據(jù)和設(shè)備全壽命綜合分析結(jié)果，按照重載鐵路工務(wù)設(shè)備資產(chǎn)的統(tǒng)計規(guī)則，按線路區(qū)段、設(shè)備類型（線路、車站、橋梁、隧道、涵洞等）對工務(wù)設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行多維度統(tǒng)計分析，并自動生成系列匯總報表。同時，系統(tǒng)按每個自然年進(jìn)行匯總結(jié)算，自動生成統(tǒng)計報表后，本年度統(tǒng)計報表數(shù)據(jù)不再變更。

3 工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)應(yīng)用

重載鐵路工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)已在國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司部署實(shí)施。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(shè)備編碼關(guān)聯(lián)相關(guān)設(shè)備的臺賬信息、設(shè)備狀態(tài)、養(yǎng)護(hù)維修、病害、施工維修作業(yè)歷史信息等，為該公司及其下屬分公司提供便捷服務(wù)。利用數(shù)據(jù)和圖形結(jié)合的方式，將設(shè)備單體的病害詳情、實(shí)時狀態(tài)、臺賬詳情、檢修作業(yè)、設(shè)備更換等信息關(guān)聯(lián)，進(jìn)行時空分析和多維度展示，分公司已通過該系統(tǒng)對線路進(jìn)行精細(xì)化管理。

應(yīng)用BIM建立的朔黃鐵路橋隧三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)橋隧結(jié)構(gòu)的檢查信息、監(jiān)測信息、維修作業(yè)歷史信息、當(dāng)前狀態(tài)信息、病害分布信息的自動關(guān)聯(lián)、分類檢索和統(tǒng)計分析。系統(tǒng)提供的橋隧BIM三維結(jié)構(gòu)、設(shè)備臺賬信息、GIS空間信息、橋隧涵信息等數(shù)據(jù)，通過BIM多層次技術(shù)，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(shè)備狀態(tài)評估與預(yù)測，直觀呈現(xiàn)橋隧服役狀態(tài)，有利于重載鐵路橋隧設(shè)備養(yǎng)護(hù)、維修和管理決策的科學(xué)制定。系統(tǒng)已為分公司橋梁工隊(duì)上線檢查橋梁病害、評估橋梁狀態(tài)提供了高效服務(wù)。橋梁設(shè)備信息綜合展示見圖5。

圖5 橋梁設(shè)備信息綜合展示

4 結(jié)論與建議

1）重載鐵路工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工務(wù)設(shè)備從設(shè)計、施工、運(yùn)維到最終下線全壽命過程管理信息的統(tǒng)一存儲，全面實(shí)現(xiàn)了以設(shè)備為核心的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，為設(shè)備狀態(tài)評價、變化趨勢預(yù)測提供了統(tǒng)一、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2）系統(tǒng)采用BIM和GIS建立橋梁、隧道和線路設(shè)備的單體模型，實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備三維可視化展示和設(shè)備構(gòu)件級的精細(xì)化管理。對設(shè)備基礎(chǔ)屬性、狀態(tài)檢測、養(yǎng)護(hù)維修全壽命周期數(shù)據(jù)的綜合分析，大大提高重載鐵路工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用水平，提升了朔黃重載鐵路工務(wù)設(shè)備整體運(yùn)維智能化水平。

3）系統(tǒng)提供了設(shè)備屬性、履歷、綜合圖等管理功能和設(shè)備信息統(tǒng)計分析功能，為國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司、分公司和各工隊(duì)提供了完備的設(shè)備管理和信息共享。設(shè)備信息與檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，建立設(shè)備病害庫，并結(jié)合病害整治相關(guān)信息，為工務(wù)設(shè)備健康狀態(tài)評估提供高效便捷服務(wù)。

4）系統(tǒng)結(jié)合灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對設(shè)備狀態(tài)、使用壽命進(jìn)行綜合評估，輔助維修決策的制定，推動重載鐵路工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修從周期修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。