基于數字孿生仿真系統的鋼軌狀態分析*

張健豐 范景祥 劉明薦 姚雪琴 宋培城

(中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司, 200072, 上海∥第一作者, 高級工程師)

城市軌道交通作為一個多專業協同、多系統聯動的龐大復雜體系,是新科技集成應用和現代化的重要標志。利用5G技術、BIM(建筑信息模型)技術、數字孿生技術、IoT(物聯網)、大數據、人工智能和云計算等蓬勃發展的新技術賦能傳統軌道交通運維業務,構建上海超大城市軌道交通網絡高效運維“智慧大腦”,是提升上海軌道交通運維效能與效益的重要手段,也是未來城市軌道交通運維發展的新趨勢和新動能。

在我國一些重要工程項目中,BIM+數字孿生技術僅有探索性的研究。文獻[1]在武漢火神山醫院工程項目的建設過程中,提出數字孿生技術在醫療建筑全生命周期中使用的技術路線。文獻[2]將BIM+數字孿生技術應用于裝配式城市軌道交通工程預制構件的生產管理,以實現實體生產與虛擬施工的信息交互,并對構件生產進行動態管理。文獻[3]以雄安市民服務中心項目為例,通過整合BIM、大數據、智能化、移動通信、云計算和IoT等信息技術的集成應用,全面提高了建設單位和施工單位的建造管理能力。文獻[4]結合 GIS(地理信息系統)+BIM 技術特點,設計和研發了基于3D WebGIS軟件的軌道交通工程建造管理系統,并依托西安地鐵8號線試點工程進行應用,有效提高了多方參與的項目管理質量,為軌道交通工程信息化提供技術參考。文獻[5]基于數字孿生技術的城市軌道交通建造管控應用,提出城市軌道交通建造管控的數字孿生架構,實現了由數據驅動的建造管控模式,并將該研究成果成功應用于深圳地鐵14號線。

通過上述研究可以看出,BIM+數字孿生技術除在基建工程中的應用外,在城市軌道交通中的研究和應用尚處于初級階段,缺少針對性的理論基礎研究。現階段,數字孿生技術的研究熱點是結合BIM、GIS和IoT等技術,建設虛實結合的數字孿生環境。本文基于BIM技術建立數字孿生仿真系統,開發數字孿生平臺用于展示有限元模型,并與相關模型進行數據交互。同時,開展了基于數字孿生技術與專業化的實時監測,并結合有限元數值模擬對鋼軌各階段的受力狀態進行模擬仿真與實時監控,進而研究鋼軌的受力情況及其內部狀態。本文研究可為城市軌道交通鋼軌服役性能長期發展規律與實時風險提供技術指導,助力城市軌道交通基礎設施的數字化轉型和升級。

1 基于BIM的數字孿生仿真系統

數字孿生技術綜合了現代科技的物聯網感知、大數據計算、仿真建模等現代信息技術,借由軟件定義功能,實現對物理空間的展示,以及故障診斷、運行及狀態預測和行為決策等功能,實現了賽博空間與物理空間的交互映射。數字孿生技術原理示意圖如圖1所示。

圖1 數字孿生技術原理示意圖

1.1 BIM技術

BIM技術是一種貫穿于工程項目全生命周期的技術方法,基于工程項目的詳細信息,其可以建造一個或多個3D數字模型。BIM模型中的信息不僅包含了模型的幾何信息,還包含了模型的結構分析、材料屬性等屬性信息。BIM模型是信息的載體,也是一個使各專業信息共通的平臺。

信息管理(數據庫)是BIM技術的優勢,BIM技術可以實現幾何信息及屬性信息(物理參數、結構等)的3D數字化表達,其由3D模型與模型上的信息組成[6]。信息與對應的3D模型相關聯,伴隨著模型精細度的不斷深化為維護單位服務。

根據地鐵工程項目的基礎信息,所建立的車軌實體BIM模型如圖2所示。基于BIM模型的3D可視化車站場景,能夠與真實的車站建筑和實際設備點位一一對應,實體場景模型包含地面層、站廳層、站臺層及各層配套的子系統設備,支持全局查看(車站整體)及單層查看(某一區間)。

圖2 車軌實體BIM模型

1.2 數字孿生仿真系統

綜合考慮系統更新維護開發及用戶需求,城市軌道交通孿生系統平臺選用B/S(瀏覽器/服務器)模式進行搭建,相較于C/S(客戶端/服務器)模式而言,B/S模式可以避免C/S模式帶來的開發時間長、成本費用高、兼容性一般、升級更新困難等潛在問題,對用戶的計算機軟硬件要求也更低。數字孿生仿真系統分為數據層、業務邏輯層和表示層3層架構。數字孿生仿真系統架構示意圖如圖3所示。

注:HTTP為超文本傳輸協議。

數據層主要包括各類BIM模型轉換文件、工程資料文件、軌道設備物理屬性數據及其他業務相關數據。通過數據訪問接口和數據庫驅動響應業務邏輯層發出的交互請求,實現數值模擬等數據訪問與傳遞操作。

業務邏輯層位于數據層和表示層之間,主要提供各類數據和功能業務接口,是實現整個數字孿生仿真系統業務功能的邏輯載體。

表示層在平臺架構的最頂層,與用戶直接接觸,用于實現數據的輸入與輸出,為用戶提供BIM平臺的訪問、加載模型與展示等服務。

2 數字孿生平臺與數值分析軟件參數交互

BIM中的物理模型不能夠直接轉換成結構分析模型,導致其不能真正發揮物理模型與結構分析模型雙向鏈接的優點,同時也制約著運維方在鋼軌維護方面的工作效率。采用Revit軟件進行BIM建模時,由于數值分析軟件能夠撰寫命令流代碼文件,而數字孿生平臺中的3D模型又自帶相關屬性參數,因此可以將數字孿生模型數據快速傳遞給有限元數值分析軟件進行實時參數更換。

以彈性支座上的有限連續梁作為計算模型,應用有限元方法對鋼軌強度(采用60 kg/m的鋼軌)進行力學分析,可求得節點彎矩及支點反力,還能清晰地觀察到每個作用點的位移情況。該方法對解決鋼軌強度計算中的一些特殊問題(如變截面、變跨距、支撐彈性不均勻等)具有明顯的優越性。

有限元模型中的鋼軌截面是通過Revit軟件和有限元軟件相互配合建立的。劃分截面網格后,將截面形式形成自定義的截面文件,讀入已定義的截面文件,鋼軌的單元類型選用BEAM188,模型的單元數目根據軌枕間距來確定,軌枕為混凝土Ⅲ型軌枕,軌枕間距為0.6 m,即彈簧單元的間距為0.6 m,彈簧單元采用combine14單元模擬。鋼軌有限元模型如圖4所示。在有限元模型中,為了避免邊緣效應的影響,將車輪荷載作用于鋼軌中間部位,而不是作用在鋼軌兩端。鋼軌兩端的約束條件為垂直鋼軌鋪設方向約束,每隔0.6 m設1個彈簧約束。

a) 二維斷面圖

將數字孿生仿真系統中的模型相關幾何信息與屬性信息讀取至數值分析軟件代碼中,并替換相關參數,進而完成數字孿生仿真系統與數值軟件參數的交互。

3 工程應用

3.1 系統布置

以上海軌道交通7號線潘廣路站—劉行站區間為例,對在役鋼軌斷裂病害狀態進行試驗監測與數字孿生仿真系統測試。監測系統布局示意圖如圖5所示。監測設備以均流線方式將所需監測的鋼軌分割成多個不同的區間,在每個區間內的中心位置處安裝監測終端設備,對該區間的鋼軌狀態進行監測。管理設備與監測終端形成一組裝置,最多可支持32個設備一組。管理設備同時承擔單個軌枕兩側2個區間的鋼軌斷裂監測任務。設備的供電線路采用載波通信的技術方法,實線監測終端與管理設備的通信鏈路。管理設備與中心服務器可以通過多種方式進行通信,將監測數據上傳至數字孿生仿真平臺的數據庫。

圖5 監測系統布局示意圖

監測設備的供電電源采用太陽能或90～240 V交流電,室外設備溫度為-40～+85 ℃;相對濕度不大于95%;海拔高度不大于3 500 m;監測終端功耗不大于8 W/臺,管理器功耗不大于12 W/臺;系統可靠性誤報(漏報)率≤5%;系統設備的平均無故障工作時間≥20 000 h。監測設備與鋼軌檢測線的安裝推薦采用脹釘方式進行連接,在鋼軌軌腰螺栓孔中心線上測量定位,用專業鉆孔機鉆φ19 mm的孔。

監測設備能夠實現全天候實時監測,具有監測區間列車占用、出清顯示等功能。此外,監測設備還具有鋼軌斷軌監測、及時報警等功能,并能夠通過內部專業網絡將監測信息傳輸至數字孿生仿真平臺。鋼軌變形狀態監測軟件截圖如圖6所示。

圖6 鋼軌變形狀態監測軟件截圖

3.2 數字孿生仿真平臺

使用Three.js 3D圖形引擎加載導出JSON軌道模型,整體車站數字孿生仿真模型軟件截圖如圖7所示。將JSON模型中的構件屬性信息與幾何數據相關聯,實現建筑信息模型的Web端展示。在數字孿生仿真平臺中,基于ID(身份標識號)信息對模型構件的信息數據進行統一關聯,實現了3D模型與屬性數據的聯動查詢與分析功能。

圖7 整體車站數字孿生仿真模型軟件截圖

3.3 數值仿真結果與監測結果對比分析

鋼軌斷裂一般是由多個因素綜合引起的。由于作用于鋼軌上的力比較復雜,具有較強的重復性和隨機性,鋼軌易發生斷裂。本文以行車輪緣作用作為鋼軌受力荷載,將軌道簡化為彈性支座上的有限連續梁,應用有限元方法對鋼軌強度進行力學分析。由監測設備測得的軌頭應力之和為253.4 MPa,軌底應力之和為279.7 MPa。

鋼軌的彈性模量為210 GPa,兩根鋼軌對豎直中軸線的慣性矩為1 048 cm4,泊松比為0.3,鋼軌的密度為7.85×103kg/m3,彈簧剛度為3×104kN/m。控制輪對在單個軌枕兩側的最不利狀態,采用ANSYS軟件對其進行有限元計算,計算結果軟件截圖如圖8所示。由圖8可知,平均鋼軌變形約為0.51 mm,將其與軌枕兩側鋼軌斷裂實時監測結果(見圖6)進行對比可知,由實時監測獲得的平均鋼軌變形約為0.48 mm,二者變形誤差≤5%,在允許范圍之內,驗證了數字孿生仿真系統平臺的準確性與可靠性。

圖8 有限元計算結果軟件截圖

4 結語

本文建立了基于BIM技術的B/S架構數字孿生仿真平臺,依托城市軌道交通工程項目進行監測布置,并結合有限元數值分析與實際監測數據對鋼軌斷裂進行實時監控與分析。基于數字孿生仿真平臺及專業化監測技術體系,通過現場設備狀態實時監測、數字孿生映射和模型計算等技術,實現對設施設備狀態的提前預判,進而減少故障的發生,優化城市軌道交通的運營效率。

通過孿生數字仿真平臺讀取監測設備的鋼軌承受荷載數據,將軌道簡化為彈性支座上的有限連續梁進行有限元計算,實時進行鋼軌狀態分析及健康狀態評估,預測鋼軌服役性能長期發展規律與實時風險,助力城市軌道交通基礎設施的數字化轉型和升級。