基于BIM的地鐵車輛設備智能運維管理系統設計

宋小廣 胡定玉 方宇 高家濤 丁亞琦

摘 要：針對地鐵車輛運維過程中存在的電氣設備信息數據不完整和檢修效率低等問題，設計一種基于BIM技術的地鐵車輛電氣設備智能運維管理系統。首先，利用Autodesk Revit建立地鐵車輛電氣設備模型。其次，建立電氣設備資產和運維數據庫，并設置數據交換的接口，實現車輛設備BIM數據庫與資產管理數據庫和運維數據庫的交互和維護，具有模型信息管理的功能。最后，基于模糊貝葉斯網絡理論和證據理論分析法建立電氣元件故障預警和診斷模塊，為檢修決策提供依據，實現智能檢修，達到對電氣設備運行維護的目的。

關鍵詞： BIM;地鐵車輛;電氣設備;智能運維

【Abstract】 Aiming at the problems of incomplete information data and low maintenance efficiency of electrical equipment in the operation and maintenance of metro vehicles， an intelligent operation and maintenance management system for electrical equipment of metro vehicles based on BIM technology is designed. Firstly， the electrical equipment model of metro vehicle is established by using Autodesk Review. Secondly， the database of electrical equipment assets and operation and maintenance is established， and the interface of data exchange is set up to realize the interaction and maintenance between vehicle equipment BIM database and asset management database and operation and maintenance database， therefore achieve the function of model information management. Finally， based on the fuzzy Bayesian network theory and evidence theory analysis method， a fault early warning and diagnosis module for electrical components is established， which provides a basis for maintenance decision-making， realizes intelligent maintenance， and achieves the purpose of operation and maintenance of electrical equipment.

【Key words】 ?BIM; metro vehicle; electrical equipment; intelligent operation and maintenance

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是設施物理和功能特征的數字表現[1]，在建筑工程的設計、建造和管理方面有著良好的應用。近年來，BIM技術已不僅限于建筑行業，在軌道交通領域也有著廣泛的應用。例如，在地鐵車站機電設備維修方面，李健[2]通過關聯建筑空間和機電設備間的邏輯關系，實現了智能化的地鐵機電設備維修;在地鐵車輛信號設備管理方面，莫志剛等人[3]通過使用車輛維護數據和BIM模型數據的交互，設計了效果良好的地鐵信號設備維護管理系統;在地鐵車輛全壽命管理方面，和杉劍[4]通過BIM技術對軌道交通車輛全壽命周期管理中的研究，提出了具體的車輛運行維護方法;在軌道交通項目管理應用方面，Homayouni等人[5]將BIM技術應用于工程項目，有效地完成了協同作業。施平望等人[6]基于BIM技術設計了項目協同平臺，在很大程度上提高了軌道交通項目管理的效率。

現今，地鐵車輛電氣檢修系統存在管理模式相對落后、檢修程序復雜等問題。為了提高電氣系統管理效率，實現電氣設備的快速檢修，亟需研究出一種新的地鐵電氣智能運維管理系統。本文基于BIM技術設計的運維管理系統，不僅給電

氣設備及電路做出三維可視化展示，提供完整的數據結構，而且使運行維護數據關聯于BIM模型，能夠對模糊故障和完全故障的BIM模型進行定位，達到故障預警和故障診斷的目的。

1 BIM技術簡介

BIM即建筑信息模型，是以三維數字為基礎，能夠集成建筑工程項目各種相關信息的數據模型。BIM技術的特點可闡釋分述如下。

（1）模型信息的完備性：BIM不僅能夠對工程對象的三維幾何信息和拓撲關系進行描述，而且能夠承載完整的工程信息等。因此，BIM技術能夠模擬逼真的環境，給使用者展現全面的信息，達到一目了然的效果。

（2）模型信息的關聯性：可以查看信息模型中的構件和設備的信息參數，并且兩者之間可以相互關聯。系統通過形成圖形和文檔的形式能夠對模型信息進行統計和分析，可以實現與數據庫關聯共享的效果。

（3）模型信息的一致性：模型信息在建筑生命周期的不同階段是一樣的，同一對象的幾何和規則等信息不需要多次輸入，而且還可以對其進行修改、維護和優化。

將該技術引入到地鐵車輛電氣設備的運維方面，使其優勢充分應用到各個層面，在增強對象可視化效果的同時，完善設備數據，并且提高檢修效率。

2 系統架構設計

該系統架構的組成部分為：用戶層、功能應用層、智能分析層、支持平臺層和基礎設施層等。其中，用戶層主要涉及到某地鐵公司列車司機、檢修人員、專家人員和技術維護人員等。功能應用層包括BIM模型管理、電氣仿真和電氣檢修三個功能。智能分析層采用模糊貝葉斯算法對運維數據進行分析，得出各系統故障概率并實現故障預警。支持平臺層為系統功能研發提供技術支持，包括應用服務器中間件、BIM協同中間件和數據庫等?；A設施層主要分為車載及地面網絡和服務器等，為信號和數據的傳輸提供保障。系統架構如圖1所示。這里，針對功能應用層中的各個功能設計展開研究論述如下。

2.1 模型信息管理功能

建立BIM模型是進行電氣仿真和電氣檢修的基礎。BIM模型管理功能的作用可描述為：首先，集成設備的名稱、型號和編碼等信息，實現地鐵設備模型的結構展示以及各系統間信息的關聯，提高設備維修管理效率;其次，BIM模型與數據庫信息相關聯，對地鐵設備BIM 模型庫進行設計，研發得到良好的存儲和交互功能。

2.2 電氣仿真功能

電氣仿真模塊模擬地鐵車輛各電氣系統工作原理，為用戶展示電路邏輯，包括電路得電、電流走向、元器件動作、電氣設備運行等過程，為車輛電氣檢修提供參考和依據。

2.3 電氣檢修功能

該系統實時收集車輛的運行狀態和故障數據并進行錄入管理，這些數據主要來源于多功能車輛總線、以太網即車載控制系統故障數據和車輛離線檢修故障數據。應用模糊貝葉斯網絡算法，對地鐵列車的運維數據進行分析，計算各環節關鍵重要度和后驗概率，找出薄弱項，為用戶提供故障預警和診斷功能。

3 系統開發

3.1 模型建立

根據現場調研的車輛電氣設備空間位置及各部分尺寸，

運用Autodesk Revit軟件的建筑工具模塊建立車頂、車廂和車底三部分的參數化模型，包括受電弓、電氣柜、電磁閥、繼電器、轉向架等設備。在建立模型過程中可以對零部件的屬性及參數進行錄入和存儲，信息包括電氣負荷、設備型號、產品說明等多種運維數據[7]，詳情如圖2所示。

3.2 電氣仿真設計

根據電氣設備功能需求，對電路進行簡化并逐步進行建模。運用Autodesk Revit軟件的機電工具模塊對電氣線路建模，包括受電弓升降線路、車門控制線路、牽引制動線路等，清晰顯示線路及元器件的空間位置。運用3DMax軟件制作受電弓和車門等車輛設備的工作動畫，還原和模擬電氣設備運行動作，受電弓升降電路如圖3所示。

3.3 故障檢修模塊建立

在實際的設備系統可靠性分析中，存在地鐵列車電氣設備故障類型多樣、故障之間的邏輯關系不明確，歷史數據的不完善和數據的多源異構等問題[8]。因此，采用模糊貝葉斯分析法可分析多種故障狀態并使分析過程得到簡化，提高分析效率。

研究中，先是根據地鐵車輛系統的故障樹建立T-S模糊故障樹。其次，按照轉化規則建立模糊貝葉斯網絡模型。最后，結合證據理論分析法，對車輛各系統數據進行分析。系統將各故障狀態的計算結果與設置閾值相比，作為故障診斷和預警的參考，為檢修決策提供依據。

以某型受電弓為例，根據已建立的故障樹構建T-S模型故障樹，如圖4所示。其中，S是頂事件，M1～M5為中間事件，X1～X18為基本事件，L1～L6為T-S模糊門。

經計算可得，在受電弓系統處于輕微故障時，各根節點的概率重要度依次為x18（碳棒磨損）、x15（氣閥漏氣）、x9（風管漏風）等，且都大于預設的預警閾值，系統可根據此排序進行故障預警;當受電弓系統處于完全故障時，各根節點的概率重要度依次為x15（氣閥漏氣）、x9（風管漏風）、x14（氣缸漏氣）等，且都大于預設的故障閾值，可根據此排序進行故障診斷。

4 系統實現

4.1 系統編程方法

該運維管理系統以B/S架構為基礎進行開發，采用Java語言開發系統網頁端并以HTML結合Java Script等Web技術展現前端頁面。開發環境基于Windows操作系統，Visual Studio 2015作為系統集成開發環境，系統間的信息傳輸和交互通過Web Service接口進行連接。

數據庫平臺使用SQL Server 2008數據庫及專家數據庫。采用Spring DAO等數據訪問技術，不僅可以在持久化技術間來回切換，而且可以提升數據錄入和查詢效率。在系統服務后臺調取數據資源后，利用J2EE技術架構結合Java服務器頁面與Java Script程序的方法對圖形用戶層進行渲染。通過結合Java Script程序與Unity player等BIM協同中間件的交互實現BIM模型的操作與展示。

4.2 數據交互流程

地鐵車輛設備BIM模型庫與資產管理數據庫和運維數據的交互可以組成完整的數據，能夠使用戶進行資產查詢和定位，為車輛設備維修和管理提供了良好的數據支持。

BIM模型庫和資產管理庫的交互，首先初始化BIM模型，加載系統。其次，用戶填寫資產信息并提交，系統調用數據接口進行查詢。然后，若查詢結果存在，那么將此模型載入資產列表;若查詢結果不存在，那么返回提交信息。最后，載入并顯示模型信息。

5 應用效果展示

5.1 功能主界面

該系統共有4個功能模塊，包括整車瀏覽、BIM管理、電氣仿真、故障檢修和系統管理。對此可得研發剖述如下。

整車瀏覽模塊可使用戶查看各系統電氣設備結構組成及空間位置。BIM管理模塊使BIM模型與數據庫信息建立起關聯共享，實現與資產管理的交互，使用戶進行資產查詢和定位。電氣仿真模塊模擬地鐵各電氣系統工作原理，為用戶展示電路邏輯。故障檢修模塊為車載控制系統和離線檢修的故障數據提供了錄入、故障預警和診斷功能。系統管理模塊為權限設置模塊、即僅允許技術開發人員登錄，與服務后臺相連，可對數據庫進行增刪查改、以及兼具系統維護等管理功能。