基于BIM的地铁车辆设备智能运维管理系统设计

宋小广 胡定玉 方宇 高家涛 丁亚琦

摘 要：针对地铁车辆运维过程中存在的电气设备信息数据不完整和检修效率低等问题，设计一种基于BIM技术的地铁车辆电气设备智能运维管理系统。首先，利用Autodesk Revit建立地铁车辆电气设备模型。其次，建立电气设备资产和运维数据库，并设置数据交换的接口，实现车辆设备BIM数据库与资产管理数据库和运维数据库的交互和维护，具有模型信息管理的功能。最后，基于模糊贝叶斯网络理论和证据理论分析法建立电气元件故障预警和诊断模块，为检修决策提供依据，实现智能检修，达到对电气设备运行维护的目的。

关键词： BIM;地铁车辆;电气设备;智能运维

【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数字表现[1]，在建筑工程的设计、建造和管理方面有着良好的应用。近年来，BIM技术已不仅限于建筑行业，在轨道交通领域也有着广泛的应用。例如，在地铁车站机电设备维修方面，李健[2]通过关联建筑空间和机电设备间的逻辑关系，实现了智能化的地铁机电设备维修;在地铁车辆信号设备管理方面，莫志刚等人[3]通过使用车辆维护数据和BIM模型数据的交互，设计了效果良好的地铁信号设备维护管理系统;在地铁车辆全寿命管理方面，和杉剑[4]通过BIM技术对轨道交通车辆全寿命周期管理中的研究，提出了具体的车辆运行维护方法;在轨道交通项目管理应用方面，Homayouni等人[5]将BIM技术应用于工程项目，有效地完成了协同作业。施平望等人[6]基于BIM技术设计了项目协同平台，在很大程度上提高了轨道交通项目管理的效率。

现今，地铁车辆电气检修系统存在管理模式相对落后、检修程序复杂等问题。为了提高电气系统管理效率，实现电气设备的快速检修，亟需研究出一种新的地铁电气智能运维管理系统。本文基于BIM技术设计的运维管理系统，不仅给电

气设备及电路做出三维可视化展示，提供完整的数据结构，而且使运行维护数据关联于BIM模型，能够对模糊故障和完全故障的BIM模型进行定位，达到故障预警和故障诊断的目的。

1 BIM技术简介

BIM即建筑信息模型，是以三维数字为基础，能够集成建筑工程项目各种相关信息的数据模型。BIM技术的特点可阐释分述如下。

（1）模型信息的完备性：BIM不仅能够对工程对象的三维几何信息和拓扑关系进行描述，而且能够承载完整的工程信息等。因此，BIM技术能够模拟逼真的环境，给使用者展现全面的信息，达到一目了然的效果。

（2）模型信息的关联性：可以查看信息模型中的构件和设备的信息参数，并且两者之间可以相互关联。系统通过形成图形和文档的形式能够对模型信息进行统计和分析，可以实现与数据库关联共享的效果。

（3）模型信息的一致性：模型信息在建筑生命周期的不同阶段是一样的，同一对象的几何和规则等信息不需要多次输入，而且还可以对其进行修改、维护和优化。

将该技术引入到地铁车辆电气设备的运维方面，使其优势充分应用到各个层面，在增强对象可视化效果的同时，完善设备数据，并且提高检修效率。

2 系统架构设计

该系统架构的组成部分为：用户层、功能应用层、智能分析层、支持平台层和基础设施层等。其中，用户层主要涉及到某地铁公司列车司机、检修人员、专家人员和技术维护人员等。功能应用层包括BIM模型管理、电气仿真和电气检修三个功能。智能分析层采用模糊贝叶斯算法对运维数据进行分析，得出各系统故障概率并实现故障预警。支持平台层为系统功能研发提供技术支持，包括应用服务器中间件、BIM协同中间件和数据库等。基础设施层主要分为车载及地面网络和服务器等，为信号和数据的传输提供保障。系统架构如图1所示。这里，针对功能应用层中的各个功能设计展开研究论述如下。

2.1 模型信息管理功能

建立BIM模型是进行电气仿真和电气检修的基础。BIM模型管理功能的作用可描述为：首先，集成设备的名称、型号和编码等信息，实现地铁设备模型的结构展示以及各系统间信息的关联，提高设备维修管理效率;其次，BIM模型与数据库信息相关联，对地铁设备BIM 模型库进行设计，研发得到良好的存储和交互功能。

2.2 电气仿真功能

电气仿真模块模拟地铁车辆各电气系统工作原理，为用户展示电路逻辑，包括电路得电、电流走向、元器件动作、电气设备运行等过程，为车辆电气检修提供参考和依据。

2.3 电气检修功能

该系统实时收集车辆的运行状态和故障数据并进行录入管理，这些数据主要来源于多功能车辆总线、以太网即车载控制系统故障数据和车辆离线检修故障数据。应用模糊贝叶斯网络算法，对地铁列车的运维数据进行分析，计算各环节关键重要度和后验概率，找出薄弱项，为用户提供故障预警和诊断功能。

3 系统开发

3.1 模型建立

根据现场调研的车辆电气设备空间位置及各部分尺寸，

运用Autodesk Revit软件的建筑工具模块建立车顶、车厢和车底三部分的参数化模型，包括受电弓、电气柜、电磁阀、继电器、转向架等设备。在建立模型过程中可以对零部件的属性及参数进行录入和存储，信息包括电气负荷、设备型号、产品说明等多种运维数据[7]，详情如图2所示。

3.2 电气仿真设计

根据电气设备功能需求，对电路进行简化并逐步进行建模。运用Autodesk Revit软件的机电工具模块对电气线路建模，包括受电弓升降线路、车门控制线路、牵引制动线路等，清晰显示线路及元器件的空间位置。运用3DMax软件制作受电弓和车门等车辆设备的工作动画，还原和模拟电气设备运行动作，受电弓升降电路如图3所示。

3.3 故障检修模块建立

在实际的设备系统可靠性分析中，存在地铁列车电气设备故障类型多样、故障之间的逻辑关系不明确，历史数据的不完善和数据的多源异构等问题[8]。因此，采用模糊贝叶斯分析法可分析多种故障状态并使分析过程得到简化，提高分析效率。

研究中，先是根据地铁车辆系统的故障树建立T-S模糊故障树。其次，按照转化规则建立模糊贝叶斯网络模型。最后，结合证据理论分析法，对车辆各系统数据进行分析。系统将各故障状态的计算结果与设置阈值相比，作为故障诊断和预警的参考，为检修决策提供依据。

以某型受电弓为例，根据已建立的故障树构建T-S模型故障树，如图4所示。其中，S是顶事件，M1～M5为中间事件，X1～X18为基本事件，L1～L6为T-S模糊门。

经计算可得，在受电弓系统处于轻微故障时，各根节点的概率重要度依次为x18（碳棒磨损）、x15（气阀漏气）、x9（风管漏风）等，且都大于预设的预警阈值，系统可根据此排序进行故障预警;当受电弓系统处于完全故障时，各根节点的概率重要度依次为x15（气阀漏气）、x9（风管漏风）、x14（气缸漏气）等，且都大于预设的故障阈值，可根据此排序进行故障诊断。

4 系统实现

4.1 系统编程方法

该运维管理系统以B/S架构为基础进行开发，采用Java语言开发系统网页端并以HTML结合Java Script等Web技术展现前端页面。开发环境基于Windows操作系统，Visual Studio 2015作为系统集成开发环境，系统间的信息传输和交互通过Web Service接口进行连接。

数据库平台使用SQL Server 2008数据库及专家数据库。采用Spring DAO等数据访问技术，不仅可以在持久化技术间来回切换，而且可以提升数据录入和查询效率。在系统服务后台调取数据资源后，利用J2EE技术架构结合Java服务器页面与Java Script程序的方法对图形用户层进行渲染。通过结合Java Script程序与Unity player等BIM协同中间件的交互实现BIM模型的操作与展示。

4.2 数据交互流程

地鐵车辆设备BIM模型库与资产管理数据库和运维数据的交互可以组成完整的数据，能够使用户进行资产查询和定位，为车辆设备维修和管理提供了良好的数据支持。

BIM模型库和资产管理库的交互，首先初始化BIM模型，加载系统。其次，用户填写资产信息并提交，系统调用数据接口进行查询。然后，若查询结果存在，那么将此模型载入资产列表;若查询结果不存在，那么返回提交信息。最后，载入并显示模型信息。

5 应用效果展示

5.1 功能主界面

该系统共有4个功能模块，包括整车浏览、BIM管理、电气仿真、故障检修和系统管理。对此可得研发剖述如下。

整车浏览模块可使用户查看各系统电气设备结构组成及空间位置。BIM管理模块使BIM模型与数据库信息建立起关联共享，实现与资产管理的交互，使用户进行资产查询和定位。电气仿真模块模拟地铁各电气系统工作原理，为用户展示电路逻辑。故障检修模块为车载控制系统和离线检修的故障数据提供了录入、故障预警和诊断功能。系统管理模块为权限设置模块、即仅允许技术开发人员登录，与服务后台相连，可对数据库进行增删查改、以及兼具系统维护等管理功能。