BIM技術在軌道交通車輛全壽命周期管理中的應用研究

和杉劍

（天津濱海新區軌道交通投資發展有限公司，天津 300400）

建筑信息模型（BIM）[1]技術是應用于工程全生命周期管理的數據化工具，通過整合項目相關信息的參數模型，在項目設計、建設和運維的全生命周期中進行展示和應用，相關參與人員充分理解各種建筑信息，從而進行高效的決策。BIM技術的提出始于20世紀末的美國[2]，在國內，一些大型項目也先后應用了BIM技術，如水利工程中的南水北調工程[3]、鐵路工程的橋梁設計[4]、客運專線線路設計項目等。在軌道交通工程建設中，BIM技術的應用還處于初始階段，主要解決管線的安裝空間、檢修空間[5]等問題。

BIM技術應用于軌道交通車輛全生命周期的設計、生產制造和運維管理才剛剛開始[6]。車輛BIM技術應用最終實現目標是通過建設網頁端及移動端網絡系統，實現對車輛項目“規劃–設計–采購–物流–生產制造–試驗–交付–調試–驗收和運維”全生命周期進行管理，對項目執行階段的各項數據進行采集、匯總、分析挖掘，實現標準化、規范化、精細化、信息化管理。國內地鐵公司的主要關注點為車輛設計、制造和運維的管理，軌道交通車輛的最終用戶關注于車輛的生產制造質量和后期運維管理的方便性。

本文旨在從BIM技術在全壽命周期中應實現的目標出發，提出BIM技術在車輛全壽命周期各階段的應用范圍和內容，并對建設單位關注的車輛制造過程質量控制和車輛運維數據的收集和處理提出了具體方案。

1 車輛BIM技術分析

實現BIM技術在所在行業各階段、各專業間的協同應用是未來研究的重點[7],目前，國內在建的軌道交通線路運用BIM技術的基本構想是：建設單位建立BIM 應用協同管理平臺[8-9]，分專業建立專業平臺或先分專業建立BIM平臺再接入BIM應用協同管理平臺，涉及的基本專業如圖1所示。

1.1 車輛BIM技術實現目標分析

圖1 軌道交通BIM涉及的主要專業系統

BIM技術應用于軌道交通車輛的全壽命周期管理中應實現的目標如下。

1.1.1 同步共享性目標

通過車輛BIM平臺接入并應用于建設單位BIM協同平臺，將車輛設計、生產階段的信息及產生的相關資料實時上傳至協同平臺中，實現與建設單位BIM協同平臺同步與共享，保證建設單位查看項目進度等信息的實時性，完成項目全階段的管理監控、驗收整改、檔案資料歸集等工作。車輛制造廠家對數據模型的同步性、完整性和真實性負責。

1.1.2 動態管理目標

嚴格執行建設單位的相關管理辦法，如 “二維碼管理辦法”等，目的是實現設備材料“到貨-進場檢驗-安裝-調試-驗收-移交”各階段的動態管理。

1.1.3 安全控制目標

在設計和生產初期梳理安全風險點，與生產組織設計進行對比、分析、糾偏，及時將安全隱患和防護措施錄入系統中，提高生產現場安全管理水平，及時與車間生產人員進行技術、安全交底。

1.1.4 質量控制目標

提高生產質量監控力度、質量管理水平、一次性驗收合格率。利用車輛BIM平臺對材料和設備的質量品質、主要生產過程等進行監控管理，及時將材料設備檢測情況、生產質量信息及質量驗收報告等資料錄入系統中，發現問題及時反饋。

1.1.5 進度控制目標

項目初期制定詳細工作計劃和進度計劃，減少設計生產過程的返工，優化生產安排，與進度目標進行實時分析，同時建設單位及時跟蹤項目的進度情況，完成項目進度目標控制。

1.1.6 運維目標

利用BIM技術提供車輛及部件的詳細信息平臺，支持模型屬性的更新維護，提供分類顯示、查詢統計。

利用用戶現場車輛運行數據，實現對產品運行狀態的實時采集及監控，對采集的產品數據進行匯總、建模、分析、展現，達到對車輛故障診斷、狀態預測和修程指導等運營維護的目標。

1.2 車輛BIM技術框架分析

為了實現車輛BIM技術的目標，建立的BIM技術框架如圖2所示。

圖2 車輛BIM系統框架圖

1.2.1 車輛廠實施的內容及方式

（1）設計：車輛廠將設計圖紙、檢查資料、生產制造資料及相關文件數據通過車輛BIM平臺，自動生成信息文件同步實時上傳至建設單位BIM協同平臺，將項目各階段數據與模型關聯。

（2）物料采購：車輛廠根據總體生產組織設計梳理出所有設備材料的到貨計劃，自動生成采購信息并導入車輛BIM平臺中，再同步實時傳至建設單位BIM協同平臺，實現制造階段對設備材料的控制。

（3）生產制造：車輛廠在完成設計后制定生產計劃并組織生產，同步實時上傳至車輛BIM平臺和建設單位BIM協同平臺，實現動態跟蹤可視化施工組織設計的實施情況，在生產過程中，建設單位通過車輛BIM平臺對生產進行實時監控。

（4）物流：車輛廠生成設備材料的物流信息，實時同步上傳至車輛BIM平臺和建設單位BIM協同平臺。同時，通過對二維碼技術的應用，將設備材料信息錄入車輛BIM平臺，全程實時監控設備材料“到貨-進場檢驗-安裝-調試-驗收-移交”的全過程跟蹤管理。

（5）主要部件二維碼：車輛廠現場管理人員通過掃描二維碼，錄入現場的材料設備實時狀態（出庫、入庫、安裝、進場、出廠），建設單位人員通過車輛BIM平臺獲取現場材料使用情況。檢修或維保人員在質量檢測過程中通過掃描二維碼，錄入質量檢測信息，如果出現質量問題，通過調用前期的跟蹤信息找出問題原因并確定相關解決方案。

1.2.2 用戶現場的實施內容及方式

（1）調試、驗收：應用車輛數據分析系統自動記錄車輛各期間的調試信息。通過遠程信息控制導入到車輛BIM平臺，同時，通過BIM接口同步實時錄入建設單位BIM協同平臺中，通過二維碼的信息記錄每列車的驗收相關情況。

（2）運維：車輛廠應用車輛BIM平臺及時了解地鐵車輛使用情況、維修記錄等，對地鐵項目在使用過程中進行能耗分析和節能控制，并對地鐵運營管理情況進行實時監控，從而實現可視化、智能化管理。

2 車輛制造質量與BIM技術

車輛廠運用車輛BIM平臺使質量管理貫穿于整個項目中，包括原材料、設施設備及備品備件進場，設計生產全過程的質量控制管理。質量控制過程主要分為：項目實施前質量控制、項目實施過程中質量控制和后期項目試驗驗收質量控制。利用BIM模型可視化、可模擬性和協同性為設計生產過程提供技術上的支持，保證車輛設計、生產質量的提高。

車輛的質量控制技術涵蓋影響車輛生產制造的各個階段，主要包括設備材料進場控制、圖紙質量控制、車間加工工藝、現場組裝工藝及后期試驗和整改的控制等。質量管理控制的技術流程，如圖3所示。

3 車輛運維與BIM技術

車輛數據分析系統是指導車輛運維的有效手段，系統實時收集運營車輛的運行狀態和故障數據，并通過專門的分析處理軟件，對車輛大量歷史數據進行挖掘，實現列車故障預測、相關故障處置智能指導、修程智能指導。系統通過BIM接口接入建設單位BIM協同平臺，結構如圖4所示。

圖3 質量管理控制技術流程圖

圖4 車輛數據分析系統結構圖

車輛數據分析系統分析的數據為車輛的試運行和運營數據，主要來源于列車的多功能車輛總線（MVB）、以太網和離線檢修。

3.1 MVB數據

MVB為列車網絡的一部分，其傳輸的數據主要是牽引輔助系統及制動系統的狀態、故障信息，以及列車控制和管理系統（TCMS）的列車基本運行狀態信息。其中，系統狀態數據傳輸內容覆蓋了列車基本運行狀態信息及列車所有關鍵子系統主要運行狀態監測點信息。基本運行狀態信息主要包括列車車號、列車運行模式、列車運行站點位置、牽引或制動指令模式、列車行駛速度、牽引制動級位、運行時間等。從MVB通道采集數據的子系統主要有牽引輔助系統、制動系統等。系統狀態信息包括系統通信狀態、受電弓升降狀態、報警狀態、各關鍵電路的旁路狀態、緊急制動狀態等。主要子系統的狀態信息如表1所示。

表1 狀態信息例舉

3.2 以太網絡數據

該部分數據從車輛以太網獲取，包括車門系統、空調系統、乘客信息系統（PIS）、火警系統、弓網關系在線檢測系統、走行部監測系統、蓄電池在線監測系統以及其它模塊的狀態信息，故障數據等。

將MVB數據和以太網數據根據其用途分為以下幾類：（1）與車輛運行安全相關的數據，如牽引制動狀態、總風壓力等；（2）與列車運行質量相關的數據，如空調溫度、開關按鈕的操作等；（3）與列車運行狀態相關的數據，如列車速度、載客量等；（4）與車輛維修維護決策相關的數據，如轉向架軸箱軸承等關鍵部位的振動溫度、繼電器動作次數等。

3.3 離線檢修數據

離線檢修數據包括日檢、周檢、架修以及架大修等檢修過程中的故障及維修信息，既包括檢修時發現列車異常現象的記錄，又包括維修的具體內容。需要將列車故障描述和維修規范化，建立完善的故障字典，為列車大數據分析提供基礎數據。

4 結束語

2011年住房和城鄉建設部印發的《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》對促進BIM技術在國內的發展具有重要而深遠的意義，目前，BIM技術應用于軌道交通車輛全壽命周期還處于探索和研究階段。本文主要從建設的角度分析了車輛BIM技術應實現的目標，并根據目標提出了車輛BIM技術的系統框架，著重對建設單位關注的車輛生產質量控制和運營維修數據進行了詳細的探討，為BIM技術在軌道交通車輛的應用提供參考。