基于车辆结构化搭建数字化车辆三维建模研究

孙睿 戴杰

摘 要：数字双胞胎技术是时下适用于车辆数据管理的最理想数据管理模式，通过三维建模实现车辆整体外观到各个系统模块的零件组成的虚拟化展现，实现数字车辆模型与真实车辆一一对应，将真实世界的车辆映射到了计算机世界之中。在数字车辆模型中预留接口并与数据采集系统（包括车辆实时运行状态数据、维保数据的采集）进行对接，实现车辆实时状态数据的完整映射。系统将各类数据依据数据分类规则的与虚拟车辆构型组成进行绑定，实现数字车辆对车辆全生命周期数据的管理。

关键词：数字车辆;全生命周期;三维建模

地铁车辆在运营维护过程中，会产生大量的数据，从这些数据展现方式来看，传统的文字加表格式的数据呈现方式，较为单调，无法进行生动地展示数据与车辆部件的关联性。结合数字双胞胎技术，通过计算机图形技术的运用及图形与数据的关联绑定，建立覆盖车辆运营全生命周期的三维数字车辆，使得车辆运维数据更加形象、生动。

1 数字车辆提出的背景

随着轨道市场的蓬勃发展，轨道交通方式也逐渐成为了人们交通的首选。目前在城市轨道交通车辆运营维护中，无论是车辆的检修、架修、大修还是健康诊断的管理，都会产生大量的数据，多数地铁运营商仍然按照独立的系统进行车辆健康诊断、检修、架大修的管理，数据孤岛效应严重，且由于数据管理要求，分类不同造成车辆运维各模块数据难以对接，即使各阶段管理都有信息化的支撑，数据的查询、对接应用也极为困难，难以支撑车辆运维全生命周期数据的分析运用，无法发挥数据应有的价值，在此条件下，车辆状态修将成为空中楼阁。如何对车辆运营过程状态进行监控、分析以及车辆状态数据管理是目前面临的主要问题。

2 数字车辆对车辆运维管理的意义

数字车辆可以有效的解决数据分类混乱，模块对接困难等一系列问题。数字车辆可以有效对接检修、健康诊断、架大修，并将数据进行统一的分类，从而使运营全生命周期数据可利用。数字車辆的基础是车辆运维全生命周期数据分类管理和通用构型的梳理构建，车辆通用数据构型的建立为数据的统一管理打下基础。通过对车辆通用数据分类管理构型的研究与应用可以有效整合车辆运营全生命周期数据管理，结构化、分层管理数据，可以有效的实现数据的灵活查询、调用，关联，分析，挖掘数据价值。

针对车辆运维管理现状，该技术的研究运用有助于：

（1）为车辆全生命周期数据管理打好基础，通过搭建数字车辆构型作为数据分类管理模型，可以实现数据有效关联和应用，发挥数据价值，支撑车辆维保计划修向状态修的转变。

（2）通过数字车辆构型与车辆健康诊断、检修、架大修作业内容的关联，形象、生动地展示车辆维保作业标准，可以有效辅助工艺培训及现场作业。

（3）通过数字车辆模型与车辆状态管理及健康诊断系统数据关联，运用数字化车辆实时展示车辆健康状态，起到目视化展示、警示作用。

（4）可以实现车辆履历的一体化管理，通过与车间检修、架大修模块对接，将车辆检修、架大修维保履历数据自动绑定到数字车辆，可以快速便捷地进行履历查询。

（5）车辆关键部件健康趋势管理与预警：根据车辆检修、架修反馈数据，形成车辆关键部件参数趋势，并在三维模型中进行展示，对不符合正常趋势的参数进行高亮异常提示，起到预警作用。

（6）以更加生动形成的方式展示车辆维保的学习资料和培训内容，可以更加便利、高效地开展车辆维保培训。

3 数字车辆主要实现方式

3.1 系统框架设计

系统的设计目标是实现数据模块的创建、编辑、预览以及系统信息的管理，包含用户登录、数据模块维护（描述性信息模块、程序性信息模块、维修计划性信息模块、故障类信息模块、图解零部件目录模块）、图形/多媒体信息的制作、数据管理以及系统数据管理。

为了实现系统的可扩展性、可伸缩性和灵活性，本系统将采用数据层、管理层与应用层三层结构来组织，如下图所示，这样各层之间相对独立，耦合性弱，可以单独更新各模块。应用层可以充分使用现有软件系统及产品，以减少软件开发费用，减少开发失败的风险。

3.2 建立通用型车辆构型

根据系统建设目标，梳理健康诊断、检修、架大修管理过程产生的数据特点及维保工艺管理特点，建立适用于车辆全生命周期管理的车辆构型，通过构型进行车辆维保全生命周期数据的分类关联管理。

车辆管理构型按照系统、子系统、模块、部件、子部件进行分级分类，车辆通用数据分类管理构型将涵盖车辆健康诊断、检修、架大修涉及的所有系统、子系统、模块、部件、子部件，并合并共同项点。

车辆通用数据分类管理构型建立后将运用地铁运营公司现有的检修履历、健康诊断模拟数据及智能运维平台（架大修模块）进行模拟验证，验证车辆通用数据分类管理构型的有效性、适用性，识别存在的问题点，并进行针对性的改进，通过多批次的验证确保构型的功能。

3.3 根据车辆通用数据分类构型建设数字车辆

基于信息化系统的三维数字化模型，根据车辆通用数据分类管理构型及地铁车辆三维图纸进行车辆部件的三维建模，严格按照车辆通用数据分类管理构型进行车辆三维建模部件的层级管理（车号、系统、子系统、模块、部件）及组成，最终形成完整的车辆三维数字化模型。

建立统一编码规则对地铁车辆所有组成部件进行唯一编码管理，唯一编码与车号进行绑定。通过唯一编码与车号进行数据库中相应数据的关联，绑定对应车号的车辆运维数据，从而实现通过数字车辆对车辆运维数据的查询、调用。

4 数字车辆在各个系统上的应用

4.1 数字车辆与架修管理的对接应用

通过数字车辆在架修管理平台上的架设，可以进行地铁车辆模型的模拟运用，由于数字车辆模型不参与数据的存储管理，在数字车辆模型的试用过程中并不会产生对数据的影响。数字车辆的架设，需要绑定架修平台的数据库，实现数字车辆对维保数据的直接调用。

数字车辆对车辆相关重要部件健康趋势监测及预警功能需要在系统上建立关键部件尺寸监测统计功能，自动调用车辆每次维保过程中，现场员工反馈的关键部件数据，并按照特定的方法生成车辆关键部件数据列表。数字车辆通过调用关键部件数据形成关键部件健康趋势图，并对超出健康度正常范围及预测即将超出正常范围的数据进行预警。

车辆架修维保技术与数字车辆的关联依赖于对车辆架修技术管理要求的梳理，按照数字车辆构型层级进行技术管理内容的切分，并按照数字车辆构型的最小单位进行技术内容与数字车辆构型组成部分的关系绑定，建立绑定关系后，可以通过选择或点击数字车辆中特定的层次内容查看维保技术要求内容，为维保管理提供便利。

4.2 数字车辆与健康诊断的对接应用

一旦车辆状态监控与健康诊断软硬件开始推行，可以在短时间内实现数据采集、传输、分析运用平台的搭建。并且前期智能维保平台预留了健康诊断、车辆检修模块对接接口，一旦部署，可以实现模块与数字车辆的快速对接，从而实现数字车辆对健康诊断数据的调用。

车辆状态监控与健康诊断数据是对车辆部分关键部件的实时不间断监控，将产生海量的数据，数字车辆根据数据值的波动判定车辆健康状态，并对出现的异常部件进行高亮显示，对管理人员进行警示。

4.3 数字车辆与检修管理的对接应用

数字车辆与检修工艺、物料相关联后，车辆检修作业需要更换物料会在数字车辆上辅助显示。在车辆检修过程中发现故障后，在系统中输入故障。系统会根据车辆检修工艺要求，将作业过程中需要更换的物料在数字车辆上进行显示，起到提示作用，辅助现场作业人员开展检修作业。

数字车辆将架修管理、健康诊断、檢修管理有机组合起来，一旦平台完成搭建，将实现车辆运营的全生命周期数据管理，并通过数字车辆模型进行数据的分类和特性化展示，达到如下效果：

（1）形成车辆运营全生命周期数据管理。通过数字车辆与车辆状态监控与健康诊断、检修、架大修模板的数据对接，数字车辆实现对车辆运营全生命周期数据管理，由于所有数据信息与数字车辆构型组成绑定，可以选择或点击构型项点进行相应信息的查询，快捷、方便、生动地管理车辆运营全生命周期数据。

（2）通过对车辆检修、架大修问题点统计数据的应用，实现车辆健康度排序管理，并通过车辆展示对应时间段内发生在各部件上的故障数量，点击部件可直接进行故障内容查看。

（3）通过车辆健康度、车辆检修完成情况数据引用，进行车辆可用性判定排序，辅助派车管理。

5 总结

随着信息技术的发展，城市轨道交通以车辆为中心的资产管理也逐渐走向信息化、智能化。车辆维保管理将由故障修逐步向状态修管理迈进，状态修的实现将依赖大量状态数据及维保数据的管理和运用（包括车辆状态数据、检修数据、架修数据、大修数据等），数字车辆将这些数据进行整合，让这些数据逐步成为不可分割的整体，并促使维保管理模式发生转变。通过大量的数据及算法分析模型的运用支撑工艺、作业管理的不断优化改进，为状态修的实现打下基础。

作者简介：孙睿（1978— ），男，汉族，江苏沭阳人，副高，研究方向：地铁车辆运营管理;戴杰（1990— ），男，汉族，江苏涟水人，中级工程师，研究方向：车辆电气技术管理。