基于車輛結構化搭建數字化車輛三維建模研究

孫睿 戴杰

摘 要：數字雙胞胎技術是時下適用于車輛數據管理的最理想數據管理模式，通過三維建模實現車輛整體外觀到各個系統模塊的零件組成的虛擬化展現，實現數字車輛模型與真實車輛一一對應，將真實世界的車輛映射到了計算機世界之中。在數字車輛模型中預留接口并與數據采集系統（包括車輛實時運行狀態數據、維保數據的采集）進行對接，實現車輛實時狀態數據的完整映射。系統將各類數據依據數據分類規則的與虛擬車輛構型組成進行綁定，實現數字車輛對車輛全生命周期數據的管理。

關鍵詞：數字車輛;全生命周期;三維建模

地鐵車輛在運營維護過程中，會產生大量的數據，從這些數據展現方式來看，傳統的文字加表格式的數據呈現方式，較為單調，無法進行生動地展示數據與車輛部件的關聯性。結合數字雙胞胎技術，通過計算機圖形技術的運用及圖形與數據的關聯綁定，建立覆蓋車輛運營全生命周期的三維數字車輛，使得車輛運維數據更加形象、生動。

1 數字車輛提出的背景

隨著軌道市場的蓬勃發展，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營維護中，無論是車輛的檢修、架修、大修還是健康診斷的管理，都會產生大量的數據，多數地鐵運營商仍然按照獨立的系統進行車輛健康診斷、檢修、架大修的管理，數據孤島效應嚴重，且由于數據管理要求，分類不同造成車輛運維各模塊數據難以對接，即使各階段管理都有信息化的支撐，數據的查詢、對接應用也極為困難，難以支撐車輛運維全生命周期數據的分析運用，無法發揮數據應有的價值，在此條件下，車輛狀態修將成為空中樓閣。如何對車輛運營過程狀態進行監控、分析以及車輛狀態數據管理是目前面臨的主要問題。

2 數字車輛對車輛運維管理的意義

數字車輛可以有效的解決數據分類混亂，模塊對接困難等一系列問題。數字車輛可以有效對接檢修、健康診斷、架大修，并將數據進行統一的分類，從而使運營全生命周期數據可利用。數字車輛的基礎是車輛運維全生命周期數據分類管理和通用構型的梳理構建，車輛通用數據構型的建立為數據的統一管理打下基礎。通過對車輛通用數據分類管理構型的研究與應用可以有效整合車輛運營全生命周期數據管理，結構化、分層管理數據，可以有效的實現數據的靈活查詢、調用，關聯，分析，挖掘數據價值。

針對車輛運維管理現狀，該技術的研究運用有助于：

（1）為車輛全生命周期數據管理打好基礎，通過搭建數字車輛構型作為數據分類管理模型，可以實現數據有效關聯和應用，發揮數據價值，支撐車輛維保計劃修向狀態修的轉變。

（2）通過數字車輛構型與車輛健康診斷、檢修、架大修作業內容的關聯，形象、生動地展示車輛維保作業標準，可以有效輔助工藝培訓及現場作業。

（3）通過數字車輛模型與車輛狀態管理及健康診斷系統數據關聯，運用數字化車輛實時展示車輛健康狀態，起到目視化展示、警示作用。

（4）可以實現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、架大修維保履歷數據自動綁定到數字車輛，可以快速便捷地進行履歷查詢。

（5）車輛關鍵部件健康趨勢管理與預警：根據車輛檢修、架修反饋數據，形成車輛關鍵部件參數趨勢，并在三維模型中進行展示，對不符合正常趨勢的參數進行高亮異常提示，起到預警作用。

（6）以更加生動形成的方式展示車輛維保的學習資料和培訓內容，可以更加便利、高效地開展車輛維保培訓。

3 數字車輛主要實現方式

3.1 系統框架設計

系統的設計目標是實現數據模塊的創建、編輯、預覽以及系統信息的管理，包含用戶登錄、數據模塊維護（描述性信息模塊、程序性信息模塊、維修計劃性信息模塊、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、數據管理以及系統數據管理。

為了實現系統的可擴展性、可伸縮性和靈活性，本系統將采用數據層、管理層與應用層三層結構來組織，如下圖所示，這樣各層之間相對獨立，耦合性弱，可以單獨更新各模塊。應用層可以充分使用現有軟件系統及產品，以減少軟件開發費用，減少開發失敗的風險。

3.2 建立通用型車輛構型

根據系統建設目標，梳理健康診斷、檢修、架大修管理過程產生的數據特點及維保工藝管理特點，建立適用于車輛全生命周期管理的車輛構型，通過構型進行車輛維保全生命周期數據的分類關聯管理。

車輛管理構型按照系統、子系統、模塊、部件、子部件進行分級分類，車輛通用數據分類管理構型將涵蓋車輛健康診斷、檢修、架大修涉及的所有系統、子系統、模塊、部件、子部件，并合并共同項點。

車輛通用數據分類管理構型建立后將運用地鐵運營公司現有的檢修履歷、健康診斷模擬數據及智能運維平臺（架大修模塊）進行模擬驗證，驗證車輛通用數據分類管理構型的有效性、適用性，識別存在的問題點，并進行針對性的改進，通過多批次的驗證確保構型的功能。

3.3 根據車輛通用數據分類構型建設數字車輛

基于信息化系統的三維數字化模型，根據車輛通用數據分類管理構型及地鐵車輛三維圖紙進行車輛部件的三維建模，嚴格按照車輛通用數據分類管理構型進行車輛三維建模部件的層級管理（車號、系統、子系統、模塊、部件）及組成，最終形成完整的車輛三維數字化模型。

建立統一編碼規則對地鐵車輛所有組成部件進行唯一編碼管理，唯一編碼與車號進行綁定。通過唯一編碼與車號進行數據庫中相應數據的關聯，綁定對應車號的車輛運維數據，從而實現通過數字車輛對車輛運維數據的查詢、調用。

4 數字車輛在各個系統上的應用

4.1 數字車輛與架修管理的對接應用

通過數字車輛在架修管理平臺上的架設，可以進行地鐵車輛模型的模擬運用，由于數字車輛模型不參與數據的存儲管理，在數字車輛模型的試用過程中并不會產生對數據的影響。數字車輛的架設，需要綁定架修平臺的數據庫，實現數字車輛對維保數據的直接調用。

數字車輛對車輛相關重要部件健康趨勢監測及預警功能需要在系統上建立關鍵部件尺寸監測統計功能，自動調用車輛每次維保過程中，現場員工反饋的關鍵部件數據，并按照特定的方法生成車輛關鍵部件數據列表。數字車輛通過調用關鍵部件數據形成關鍵部件健康趨勢圖，并對超出健康度正常范圍及預測即將超出正常范圍的數據進行預警。

車輛架修維保技術與數字車輛的關聯依賴于對車輛架修技術管理要求的梳理，按照數字車輛構型層級進行技術管理內容的切分，并按照數字車輛構型的最小單位進行技術內容與數字車輛構型組成部分的關系綁定，建立綁定關系后，可以通過選擇或點擊數字車輛中特定的層次內容查看維保技術要求內容，為維保管理提供便利。

4.2 數字車輛與健康診斷的對接應用

一旦車輛狀態監控與健康診斷軟硬件開始推行，可以在短時間內實現數據采集、傳輸、分析運用平臺的搭建。并且前期智能維保平臺預留了健康診斷、車輛檢修模塊對接接口，一旦部署，可以實現模塊與數字車輛的快速對接，從而實現數字車輛對健康診斷數據的調用。

車輛狀態監控與健康診斷數據是對車輛部分關鍵部件的實時不間斷監控，將產生海量的數據，數字車輛根據數據值的波動判定車輛健康狀態，并對出現的異常部件進行高亮顯示，對管理人員進行警示。

4.3 數字車輛與檢修管理的對接應用

數字車輛與檢修工藝、物料相關聯后，車輛檢修作業需要更換物料會在數字車輛上輔助顯示。在車輛檢修過程中發現故障后，在系統中輸入故障。系統會根據車輛檢修工藝要求，將作業過程中需要更換的物料在數字車輛上進行顯示，起到提示作用，輔助現場作業人員開展檢修作業。

數字車輛將架修管理、健康診斷、檢修管理有機組合起來，一旦平臺完成搭建，將實現車輛運營的全生命周期數據管理，并通過數字車輛模型進行數據的分類和特性化展示，達到如下效果：

（1）形成車輛運營全生命周期數據管理。通過數字車輛與車輛狀態監控與健康診斷、檢修、架大修模板的數據對接，數字車輛實現對車輛運營全生命周期數據管理，由于所有數據信息與數字車輛構型組成綁定，可以選擇或點擊構型項點進行相應信息的查詢，快捷、方便、生動地管理車輛運營全生命周期數據。

（2）通過對車輛檢修、架大修問題點統計數據的應用，實現車輛健康度排序管理，并通過車輛展示對應時間段內發生在各部件上的故障數量，點擊部件可直接進行故障內容查看。

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

5 總結

隨著信息技術的發展，城市軌道交通以車輛為中心的資產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修管理邁進，狀態修的實現將依賴大量狀態數據及維保數據的管理和運用（包括車輛狀態數據、檢修數據、架修數據、大修數據等），數字車輛將這些數據進行整合，讓這些數據逐步成為不可分割的整體，并促使維保管理模式發生轉變。通過大量的數據及算法分析模型的運用支撐工藝、作業管理的不斷優化改進，為狀態修的實現打下基礎。

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：車輛電氣技術管理。