BIM技术在地铁通信设备运维中的应用研究

刘 寅

0 引言

近年来，中国城市轨道交通快速发展，在满足乘客出行需求、支撑和引领城市发展等方面发挥了重要作用。而城市轨道交通线路传统的运维工作模式已难以满足专业技术越发繁杂、安全要求越来越高的发展趋势，整体运维体系的改进迫在眉睫，智能化运维逐渐成为行业研究热点。

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）是对设施的物理和功能特征进行数字展示的方法，可以作为项目设施全生命周期各阶段工程信息的载体，涵盖设施设备的物理、几何、工程、造价以及制造装配等信息，通过各阶段模型的传递实现全生命周期数据信息共享，辅助施工、运维工作。研究BIM模型和传统状态监控及运维平台的无缝对接技术，可以加快BIM在传统地铁车站运维中应用的步伐，具有重要的现实意义。

本文针对地铁通信专业传统运维存在的常见问题，分析问题产生的原因，研究基于BIM技术的设备运维方案[1]。

1 传统运维的常见问题及分析

通过调研上海地铁17号线智能运维成果，并与北京地铁、太原地铁运维单位就当前运维需求开展技术交流，以通信专业为例，归纳了6项影响设备维护、维修效率的常见问题，具体情况见表1。

表1 地铁通信专业传统运维常见问题

对上述6种常见问题进行原因分析：

（1）设备过度维护和预防性维护不及时可以看作传统运维因无法准确掌握设备当前状态、健康使用寿命的技术问题所导致。因不能进行设备历史数据的积累对比，无法为判断设备是否仍在健康使用范围提供支持，在保障运营安全的前提下，当理论寿命到期时，按计划维护更换整批单元，工作量大且容易造成物资浪费。

（2）隐蔽工程内的故障检修点难定位属于当前施工信息传递到运维过程中的常见问题。尤其是设备区走廊与通信专用机房等接口的管线排布密集处，在施工阶段经常面临管线敷设路由需要临时调整的情况，后期进行故障排查时，二维图纸无法准确表达现场情况，现场人员需要先熟悉图纸与现场后，再开展逐一排查，大大增加了检修的时间。

（3）检修过程不受控、运维经验难复用及设备资产信息和运维资料数据难互通属于缺乏有效信息化技术手段导致的信息存储、交流、共享滞后的问题。通信专业作为各专业数据通道的承载，影响面大。目前，太原地铁2号线通信专业维修班组负责全线130余种不同型号、总计19 000多个子系统设备及配套光电缆线路、支架、桥架、接地线的日常巡、检、修工作，资料、台账多采用纸质及电子表单，不利于设备信息的更新、保存和掌握，也无法做到数据积累分析、价值挖掘。故障发生时，问题通过层层汇报转发，最终派至维修工班，例如通信机房传输设备网元脱管，在未到达现场之前，维管人员根据经验分析，可能存在4种原因：供电异常导致设备关机；设备网线松动或网卡故障；设备短路；上下行传输通道故障。该情况下，供电、通信、线路专业各维修班组均要第一时间到达现场，根据现场情况、设备资料、故障情况和历史维护经验进行故障分析、排查，若无法通过设备历史数据与现场情况快速分析故障原因，则增加了抢修的难度，加大了地铁运营事故风险。

通过以上对地铁运维的常见问题分析，可以将问题产生的原因按种类归纳为：（1）二维图纸已不能满足直观准确了解现场设备布置情况的需要；（2）传统运维模式应加强对信息化、BIM、故障预测等新技术的应用。

2 基于BIM的运维技术解决方案

下文以太原地铁2号线为例，阐述基于BIM的运维技术解决方案。项目前期创建的运维BIM模型，完整存储了地铁全线设施设备的施工数据和设备信息，如图1所示。

图1 太原地铁2号线通信专业运维BIM模型创建流程

为了更直观方便地应用运维BIM模型，针对性解决运维中遇到的上述问题，研发基于BIM的智能运维系统，便于整个运维阶段实现设备、安全、预防、维修等信息的存储、调用，能够以三维可视化的形式从宏观到微观层面使维护人员更清楚地了解设备信息，指导运维工作。

2.1 基于BIM的智能运维系统方案架构

在保证安全性和专用性的前提下，系统组网采用既有传输通道和专用局域网，站内架设前端采集设备、交换机和服务器，在运行控制中心（OCC）搭建集成服务器的方式实现。利用既有传输以太网、新增专用局域网通道实现设备端采集数据上传系统服务器，实现系统数据层的数据分类整合，通过BIM轻量化平台及各应用模块提供现场应用层服务，如图2所示。

图2 智能运维系统方案架构

2.2 智能运维系统方案关键工作

（1）设备数据的采集和接入。打通设备与系统间的接口，采用如Modbus TCP、HTTP的通用性的数据通信协议，通过以太网上传至中心服务器的专用数据通道获取设备信息。针对特定设备维护需求加装辅助监测设备[2]，如温度探头监测通信机房蓄电池温度，机房内智能巡检机器人每日定时抄表记录各设备数据，机柜安装局部放电传感器监测设备是否存在漏电情况。

（2）设备数据与模型的关联。模型设备采用16位制的混合编码方式，包括设施设备代码、位置代码和序号代码。设施设备代码根据设备专业、子系统、设备和设备内维护单元编码组成，位置代码根据地铁线路、建筑分类和位置序号编码组成，序号代码根据楼层、平面位置和位置序号编码组成。系统内通过建立16位编码的关系对应表，从数据层实现设备状态信息、告警信息与检修记录、设备资产台账与模型的关联，如图3所示。

图3 设施设备16位编码

（3）设备数据分析与故障预测。以周期性的设备巡检数据记录、性能事件日志、告警数据为历史数据，通过设备原理及历史数据挖掘进行设备性能与告警之间映射的关联性分析，清洗、筛选、合并、提取出有效数据，建立模型算法[3]。判断设备常态运行下的数据区间，并对数据区间的阈值进行限定，通过设备历史数据与实时数据对比，对超出预定阈值的设备发出告警提示，实现预判可能存在的设备异常情况，如图4所示。

图4 故障监测分析判断流程

（4）搭建设备运维知识库。通过预先进行设备性能与告警之间的关联性分析，结合设备维护手册、历次故障处理经验和建议，在设备故障时通过告警信息分析出故障发生的可能原因，关联相应的处理经验和建议，辅助维护人员决策分析，实现经验共享，如图5所示。

图5 性能事件与告警、故障的一般关系示例

3 基于BIM的运维技术创新

3.1 可视化的故障定位、信息集成的资产分布

利用BIM技术三维可视化、信息集成化的特点，实现现场设备、管线路由的可视化导航，实时获取设备状态、资产台账、运行记录等信息，精准定位故障设备位置，方便维修人员掌握现场情况；实现数据传递与积累，解决设备资产台账和维管台账资料过多且难以互相调用的问题。

3.2 基于数据分析的故障预测

通过实时数据与历史数据分析对比，在设备数据超出常态运行区间时，发出异常告警，结合故障情况一键派工，减少人工反复巡、检、查，提升故障维护响应速度，解决设备过度维护和预防性维护不及时的问题，实现设备运维从计划性维护向状态性维护转变。

4 结语

城市轨道交通智能维管是当前行业的发展趋势，也是运营单位面临的迫切需求。实现地铁智能运维是一项巨大的系统工程，不仅需要信息化、BIM、故障预测以及人工智能等重要技术作为支撑，还需要积累大量历史数据作为学习的样本。

目前，市场上针对设备监测的各类探头、传感器均能有效获取设备数据，而大数据、物联网、云计算、BIM等新兴技术也可以基本满足地铁运维信息化、数字化的需要，但如何将这些技术结合应用，从而更好地积累沉淀运维数据，挖掘数据价值，更好地为运维管理服务，仍将是未来一段时间内的研究重点。