基于BIM技术的钢轨伸缩调节器运维管理研究

饶志强 常惠 李益晨 赵玉林

[摘 要] 我国大跨度桥上的梁端钢轨伸缩调节器及梁缝处抬轨装置区域的轨道结构极易出现病害，通过对建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在高速铁路钢轨伸缩调节器工程中的应用进行深入探讨和研究，将调节器健康监测与BIM技术相结合，提出基于BIM的调节器监测方法。利用边缘计算对数据进行前置处理，采用层次化设计，将各个功能域与BIM的各个层并行结合，建立普适安全链条关联模型，对数据进行链域和全域的分析。在此基础上，根据COBie标准建立竣工交付信息模型来集成与传递数据，将钢轨伸缩调节器与BIM承载的建设和管理信息无缝转移到运维阶段，实现对钢轨伸缩调节器的实时评估预警及智慧决策的协同管理，为将来智能运维奠定基础。

[关键词] 钢轨伸缩调节器;BIM;边缘计算;COBie标准;智能运维

[中图分类号] U 213.6  [文献标志码] A  [文章编号] 1005-0310（2020）02-0001-07

Research on Operation and Maintenance Management of Rail Telescopic Regulator Based on BIM Technology

Rao Zhiqiang1， Chang Hui2， Li Yichen1， Zhao Yulin2

（1. College of Urban Rail Transit and Logistics， Beijing Union University， Beijing 100101， China; 2. Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering， Beijing Union University， Beijing 100101， China）

Abstract： The regional track structure of the beam-end telescopic

regulator on the long-span bridge and the rail-lifting device at the beam joint in China is prone to disease. Through the in-depth discussion and research on the application of Building Information Model （BIM） technology in the high-speed railway rail telescopic regulator project， combining the regulator health monitoring with BIM technology， a BIM-based regulator monitoring method was proposed. It uses edge computing to pre-process the data， adopts a hierarchical design， combines each functional domain with each layer of BIM in parallel， establishes a universal security chain association model， and conducts chain domain and global domain analysis of the data. Based on this， an as-built delivery information model is established to integrate and transfer data according to the COBie standard. It seamlessly transfers the construction and management process information of the rail telescopic regulator and BIM to the operation and maintenance stage. In this way， the real-time assessment and early warning of the rail telescopic regulator and the coordinated management of intelligent decision-making are realized， laying the foundation for future intelligent operation and maintenance.

Keywords： Rail telescopic regulator; BIM; Edge calculation; COBie standard; Intelligent operation and maintenance

[收稿日期] 2019-12-23

[基金項目] 北京联合大学科研项目“钢轨缺陷检测与预警体系研究”（12213991929010114）。

[作者简介] 饶志强（1976—），男，湖北武汉人，北京联合大学城市轨道交通与物流学院副教授，博士，主要研究方向为列车控制系统;常惠（1995—），女，山东潍坊人，北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室硕士研究生，主要研究方向为轨道交通安全;李益晨（1995—），男，陕西渭南人，北京联合大学城市轨道交通与物流学院硕士研究生，主要研究方向为轨道交通安全;赵玉林（1994—），男，江西赣州人，北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室硕士研究生，主要研究方向为轨道交通安全。E-mail：rao_hua1@163.com

0 引言

BIM技术在工程设计、施工、运维等方面的迅速应用，进一步展现了BIM技术在工程项目中的实际价值。目前，基于BIM的铁路工程全生命周期管理技术的研究还处于起步阶段。卢祝清[1]和张雪才[2-3]提出了基于BIM的铁路工程建设管理的技术路线。魏州泉[4-5]提出了基于BIM的铁路桥隧工程建设管理的技术框架。王永义等[6]研发了面向铁路工程施工管理的BIM系统平台。徐博[7]以铁路隧道专业工点设计为例，进行了BIM正向设计应用验证。在铁路线路的实际运维中，对轨道结构状态的监测是实施铁路运维管理的重要环节，也是保障铁路安全运营的重要方法。

钢轨伸缩调节器是铁路轨道结构的重要设备部件，常用在跨度相对较大的铁路桥梁，主要为了缓解因温差引起的铁路轨道与轨枕之间纵向应力变化的问题。随着我国高速铁路的快速发展，对铁路环境的要求越来越苛刻，大量钢轨伸缩调节器应用于高速铁路线路中的特殊环境路段，一定程度上改善了铁路的安全状况。相对于无缝线路，铁路伸缩调节器所处的位置决定了其处于铁路安全维护的薄弱环节，对其在运维期间进行的检测养护问题，成了保障铁路安全运营的重要挑战[8]。将BIM技术引入铁路运维管理之中，尤其是钢轨伸缩调节器方面，不仅能够监测钢轨伸缩调节器的使用状态，更能及时发现处于异常状态的设备，以便更早地处理可能遇到的事件，提高运维管理的效率，保障铁路线路的安全运营，使钢轨伸缩调节区域内部透明化[9]。

针对以上问题，本文以钢轨伸缩调节器为切入点，将BIM技术应用在健康监测上，提出基于BIM的钢轨伸缩调节器运维管理模式，利用BIM技术对调节器进行编码，将监测的数据利用边缘计算进行前置处理，通过实例对调节器的普适安全链条关联模型进行分析，建立基于BIM的钢轨伸缩调节器运营管理流程，实现对钢轨伸缩调节器的实时评估预警及智慧决策的协同管理。在此基础上，将桥梁钢轨的健康监测数据收集到微数据中心，以伸缩器监测数据为代表组成一条链，把链扩展之后形成谱，构建基于BIM平台的全国高铁线路的大跨桥梁伸缩调节器的監测网，实现全生命周期的智能运维，从而保持高速铁路的正常稳定运行。

1 基于BIM的调节器监测方法

针对目前轨道基础设施全生命周期数据标准不统一、运行状态预测预警要素和模型简单、维护决策科学性和智能化水平不足以及运行维护管理系统功能单一等问题，本文研究建立基于BIM的调节器健康监测运维管理系统，实现调节器全生命周期运行维护数据的标准化与融合，结合BIM模型对其健康状况进行直观、形象、生动和醒目的展示，大大提高调节器健康监管和运营的可视化和可操作性。本文重点解决铁路轨道全生命周期性能演化规律及运行维护协同决策机制的关键问题，攻克全生命周期综合效益最大化的运行维护决策技术，促进钢轨伸缩调节器安全综合性能的提升。利用BIM技术可以融合铁路运维方面的各种信息，实现铁路伸缩调节器的安全运维管理。

1.1 实时数据的监测

基于BIM技术的调节器监测管理主要包括桥梁结构监测模型和线路监测模型，实现从设计、施工到运维管理的整个生命周期的全过程监测，能够及时从参数化和可视化的两个角度反映设备的运行状态，便于在整个过程中的管理与监管。线路监测模型是对桥梁结构监测的总结与升级，能够将线路上众多或者多条线路上的需要监测的设备设施整合到同一个系统里面，便于从整体上进行监测管理。

利用BIM技术将钢轨伸缩调节器构件进行编码，将调节器构件建设与运维交换信息分为6个单元，如图1所示，包括基本轨、尖轨、大垫板、轨撑、导向卡（或导向轨撑）及连接零件。每个单元包含9类信息，分别为身份信息ID、定位信息LI、几何信息GI、技术信息TI、组织角色RL、项目信息PI、生产信息MF、资产信息AM和运维信息FM。

在伸缩调节器的BIM模型中，以结构树的形式将设备及其构成的部件进行整合，既可以对设备整体进行性能分析，也可以对部件进行损耗分析。通过可视化管理以及动态展示，可以直观明了地对设备设施进行三维展示。在现场对调节器几何尺寸的调整难度较大，借助BIM技术可以在平台上模拟查找最适合的调整尺寸，从而对调节器逐组进行精测精调。

1.2 利用边缘计算对数据前置处理

由于钢轨伸缩调节器监测数据量较大，所以在建立普适安全链条关联模型时，首先须采用各种算法和技术对实时监测数据进行处理，如表1所示;然后利用边缘计算的各个功能域与BIM的各个层并行结合，进行层次化设计。

依托设备现场的信息采集传感器装备，对信息状态进行分类采集;随后根据边缘算法对数据进行分析和智能化处理，更好地支撑桥梁与钢轨各项监测数据的实时智能化处理与执行;同时，将桥梁钢轨的健康监测数据收集到微数据中心，对设备的各个部件进行状态损耗分析，并及时对内部磨损进行预警处理，依托服务全生命周期，对达到服务要求年限的设备进行及时更换或系统升级，减少设备危险源的产生。BIM技术的可视化管理，提高运维管理效率，使钢轨伸缩调节区域内部透明化，实现调节器全生命周期运行维护数据的标准化与融合。

1.3 监测数据分析

对于大跨度桥梁的轨道系统监测，将调节器的伸缩量、连续梁梁缝、动态轮轨力以及轨温作为监测的主要对象。不过调节器几何尺寸调整难度较大，借助BIM技术可以在平台上模拟查找最适合的调整尺寸，对调节器逐组进行精测精调。其中，调节器精调后轨道安全监测参数情况[8]如表2所示。

从实际的监测数据可以看出，精调后的各监测参数均在安全限值之内，列车运行状态稳定，精调前后对比显示该调节器左高低的最大值由

3.88 mm变为-3.82 mm，高低、轨向平顺性并未改善，但是其余检测项目及调节器前后连续梁区段的线路状态较为稳定，数据也表明横向伸缩器在大跨桥梁应用效果较好，适合温差较大的环境。

通过BIM平台可以联通现场实时监测数据，实现BIM模型与现场监测数据的安全、加密传输，可实时采集前端钢轨伸缩调节器运营过程中的相关数据。

1.4 普适安全链条关联模型

钢轨伸缩调节器普适安全理念是依据我国高速铁路里程的快速增加以及铁路桥梁的普遍应用的实际需求，在继承传统安全理论的基础上，以高速铁路的钢轨伸缩调节器的运营管理为研究背景，通过分析调节器，将设计、施工、运维整个生命过程的各个部分整合起来，对各个要素间的互动关系和相互影响条件进行分析，辨识系统中可能出现的危险源，提高系统运行安全质量与可靠性，保证整个高速线路的安全运转。以成贵线鸭池河特大桥为例，共铺设4组钢轨伸缩调节器（1#，2#，3#，4#），各组为串联结构。假设有1组调节器发生故障，其余3组正常，说明鸭池河大桥整个链域出现故障，需要采取措施进行排查，其中0代表无故障，1代表有故障，钢轨伸缩调节器的链域分析如图2所示，钢轨伸缩调节器的全域分析如图3所示。

定义整条高速铁路的调节器监测数据为该条线路的运营安全链条，利用安全衔接模式建立定量化的安全风险因素分析体系，结合大数据、智能交通技术，形成多维度安全风险数据链条，找准多种关键安全风险因素之间的钢轨病害的联动关系，挖掘多维度（如并发安全隐患）条件下安全风险因素的精准映射关系。以钢轨伸缩调节器为一条链，链条上所有环节之间都具有较高耦合度，其因果联系可以利用A→B的安全衔接模式建立定量化的因素分析体系，随着大数据以及智能装备的不断完善，形成安全数据链条，将处理完的数据进行普适计算，并最终利用BIM技术进行可视化。

2 基于BIM的调节器健康监测运维管理

2.1 运维管理流程

在运营和维护阶段，对设备维修管理需要一个完整的BIM模型，而目前很难将BIM模型转移到设计和施工部门进行高效的运营和维护，这主要是因为各参与方对BIM的作用和理解不同，信息及文档的编码标准也存在较大差异，且缺乏相应的信息交付标准。针对上述问题，本文利用COBie（Construction Operations Building Information Exchange，建设运营建筑信息交换）标准在建筑领域的应用[10]，明确钢轨伸缩调节器建设与运维信息交换的内容，弥补传统运维方式的不足，创建基于BIM的钢轨伸缩调节器运维管理流程，如图4所示。

2.2 模型架构

按照BIM调节器运维信息模型的功能要求和设计原则，核心技术是以Revit为二次开发的平台。模型的总体架构设计按照完整性和一致性的原则，包括采集层、数据层、平台层和应用层

4部分，如图5所示。

1） 采集层是对现场监测数据的收集，包括材料性能监测数据、环境监测数据、外部荷载监测数据以及结构几何形状监测数据等。主要收集方法是手动输入和系统集成，可以通过监视传感器将无法在线收集的动态监视数据手动输入到系统数据存储中;同时，在线监控系统也可以通过无线或有线网络连接到系统。

2） 数据层是对结构化和安全数据（例如业务数据和基于所收集数据的样本数据）的管理，主要包括业务数据、BIM数据、多媒体数据和运行管理数据。其中，业务数据包括各种功能和静态监测数据;BIM数据包括样本数据和设备样本数据;多媒体数据包括本地照片、视频、文档和语音数据等;运行管理数据包括服务记录、数据库、用户权限管理数据等。

3） 平台层是整个系统的信息支持平台，是基于Revit平台的二次开发。Revit平台管理的共享性和高效性为整个系统平台的开发提供了技术支持。同时，通过集成Revit平台的模型管理技术和附加技术，可以创建三维视觉健康监控平台。

4） 应用层是用户可以直观地感觉和操作的界面平台，包含系统管理和功能应用程序两个模块，应用层是最终用户与系统的功能模块进行交互的平台。

2.3 功能设计

依据监测信息的可视化需求，系统的功能模块可分为基础信息、可视化管理、实时监测、智能巡检、诊断与预测、养护维修、档案资料管理和系统管理8个模块。基于BIM技術的健康运维管理先进理念，设计钢轨伸缩调节器运维信息模型各部分的主要功能，如表3所示。

2.4 监测数据可视化

由于监测指标的多样性，导致钢轨伸缩调节器健康监测的每个指标可获得大量信息，从业人员难以较好地理解这些监测数据，因此，需要将监测数据可视化。为了将在线监测的数据与BIM模型绑定，结合监测数据具有数据量大、数据类型多且复杂的特点，将模型进行轻量化处理再导入系统，监测数据可视化流程如图6所示。

首先，通过安装在铁路轨道上的各种传感器，收集与伸缩调节器健康监测相关的数据，并连接到数据采集仪，然后将处理过的数据传输到DTU（Data Transfer Unit）上，将收集到的监测数据发送到服务器，用户可以通过访问服务器得到监测的健康数据。同时，BIM技术与Web浏览器的显示端结合在一起，把被监测钢轨伸缩器的BIM模型轻量化之后导入系统中，前端界面是在系统中使用HTML5编程构建的，用户可访问服务器以检索数据，通过上位机界面实现钢轨伸缩调节器的健康监测。

2.5 基于BIM的智能运维决策

BIM技术通过实时智能系统捕获实时监管和监视信息，利用数据采集技术和传感器系统远程高效的传输技术可实时监视，并在感应系统的相关部分进行相应的监管，如图7所示。

图7 调节器实时感知与传输系统的数据信息分类

Fig.7 Data classification of the real-time sensing and transmission system of the regulator

在BIM平台界面中，可以查看与控制器每个组件相对应的监视设备和监视信息，了解荷载、环境、整体响应以及对结构的局部响应，提供数据支持并预测安全风险。健康监管和监视的最终目标是使用数据进行实时分析评估和智能预警，并辅助管理人员进行相关的决策。利用BIM平台对钢轨伸缩调节器的实际运营情况进行可视化，并且对监测数据进行透明化，快速寻找BIM建模系统以加快决策制定的速度。通过构建不同等级的安全预警和应急决策的数据库，实现基于BIM和调节器健康监测信息的实时获取、可视化和应急预警决策，建立系统全域层面（非案例层面）的安全风险预警机制，并提供决策支持、风险预测、安全风险的科学控制与管理等。

3 结束语

针对调节器运维阶段的健康监测管理，将BIM技术应用在动态监测中，依靠信息资源共享平台，实现对调节器的智能安全运维管理。

1） 利用BIM技术对调节器构件进行编码，实现调节器的精测精调，利用边缘算法对数据进行前置处理，并结合实例对调节器进行普适安全链条关联分析，为高速线路的安全运转提供理论支撑。

2） 将调节器健康监测的数据信息与BIM模型绑定，结合Revit平台实现模型架构设计，对模型进行轻量化处理，实现监测信息的三维可视化。

3） 通过BIM平台推送报警指令对数据进行实时的监督，这使得数据的获取更加便利，大大提高了信息的利用率，为管理决策提供充分的数据支持。

BIM技术与调节器的安全运维相结合，改善了运维阶段信息的组织和管理方式，提高查询效率。未来将针对多条线路调节器的安全运维，设计更轻量化的模型解决数据量大的问题，加快数据实时传输的效率，继而形成以调节器为点、某一高速铁路为线、全国高速铁路为面的全生命周期的智能运维和安全预警管理，为今后修订高铁技术新标准提供支持和参考。

[参考文献]

[1] 卢祝清.BIM在铁路建设项目中的应用分析[J].铁道标准设计，2011（10）：4-7.

[2] 张雪才.BIM技术在铁路设计行业的应用研究[J].铁路技术创新，2014（5）：14-18.

[3] 张雪才.铁路行业站前专业BIM应用技术探讨[J].铁路技术创新，2014（2）：18-21.

[4] 魏州泉.铁路行业BIM技术应用难点分析及对策建议[J].铁路技术创新，2015（3）：14-16.

[5] 魏州泉.BIM技術在铁路桥隧工程中的应用研究[J].铁路技术创新，2014（5）：9-13.

[6] 王永义，李延，刘伟.BIM协同平台在铁路工程建造阶段的应用研究[J].铁路技术创新， 2014（5）：23-26.

[7] 徐博.基于BIM技术的铁路工程正向设计方法研究[J].铁道标准设计， 2018，62（4）：35-40.

[8] 王宏昌，王光明，蒋金洲.西宝客运专线钢轨伸缩调节器运营状态监测与维护[J]. 铁道建筑，2017（4）：129-132.

[9] 王森荣.大跨度桥上钢轨伸缩调节器区轨道病害分析与监测研究[J].铁道标准设计，2018，62（1）：18-22.

[10] 王华兴.基于IFC标准的水电站机电设备维修管理平台开发研究[D].天津：天津大学，2016.

（责任编辑 白丽媛）