动车所数字孪生可视化运维管理平台设计与应用

房巨山 王君玲

摘 要：以BIM+3DGIS三维模型数据为基础，依托数字孪生等技术搭建了动车运用所数字孪生可视化运维管理平台。通过该平台能够对动车所内部的各类设备进行精准运维管理，并可通过设备实时运行状态参数的接入，模拟相关设备三维模型动态运行，同真实设备状态保持一致。相关人员能够不受空间、时间、展示环境限制就能直观的了解动车运用所实际运行情况，保证动车所及其环境的安全，使管理更便捷、效率更高。

关键词：数据孪生技术;BIM;3DGIS;动车运用所;运维管理

中图分类号：TP 391.41   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2021）04-0477-06

Design and Application of 3D Visual Operation and Maintenance

Management Platform of Smart EMU Based

on Digital Twin Technology

FANG Jushan，WANG Junling

（China Coal Aerial Remote Sensing Group Co.，Ltd.，Xian 710199，China ）

Abstract：This paper，based on BIM+3DGIS 3D model data，relying on digital twin technology and Internet of things technology，built a three-dimensional visual operation and maintenance management platform for smart EMU.Through this platform，the precise operation and maintenance management of various equipment inside the EMU can be performed，and the real-time operating status parameters of the equipment can be accessed to simulate the dynamic operation of the three-dimensional model of the relevant equipment，which is consistent with the real equipment status.The relevant personnel can intuitively understand the actual operation of the EMU without being limited by space，time and display environment，ensure the safety of EMU and its environment，and make the management more convenient and efficient.

Key words：digital twin technology;BIM;3DGIS;EMU operation station;operation and maintenance management

0 引言

数字孪生（digital twin）指的是一种对物理实体、过程和系统的数字化复制[1]。数字模型通过多重手段获取并分析物理模型的实时信息，能够呈现物理模型中的多种要素及整个生命周期中的实时动态运行情况，从而实现系统监控运维、过程和系统优化、事件预测及模拟等功能。

动车运用所的科学名称是动车组检修站，专门针对动车组列车进行检查、测试、维修和养护等作业，属于铁路车辆检修基地的一种类型。目前动车所大多采用SCADA（supervisory control and data acquisition，监视控制与数据采集）系统来实现站内监控运维管理，但存在以下缺陷：

1）信息可视化方面。不同设施、不同地点的信息和状态通常使用二维图纸进行信息展示，难以与实际物理模型相对应。数据呈现和故障反馈都不够直观，难以直观反映出动车所各类设备的实际运行状态。

2）信息共享化方面。不同专业、不同来源的信息往往是异构的，如传感器数据、视频监控数据、设备运行状态等，通常是分别显示和存储，信息之间缺乏与实际模型的紧密联系，这样的信息管理模式会对维护工作造成诸多不便，且由于对信息的整合程度不够，数据间的内在联系难以被深入挖掘，从而降低了运维效率。

为此，本文利用数字孪生“虚实结合，以虚映实”的特点，搭建动车所数字孪生可视化运维管理平台，实时对接动车组、各专业部件、检修设备数据，建立与动车所实体对应的数字孪生车间，以车间3D模型为载体，综合动态地展示动车组位置及检修作业过程、检修进度、设备运行动作、设备状态等信息，支持调度人员全面掌握生产情况，为动车所运维管理提供数据支撑，提高管理效率，保障动车所安全运行。

1 总体架构设计

动车所数字孪生可视化运维管理平台的搭建主要包括孪生数据层、孪生模型层与业务应用层，如图1所示。孪生数据层主要依托工业物联网，对动车所内部各类设施、设备对象（如有无电显示屏、电动接地装置等）进行数据采集与汇总，实现了生产过程信息的互感和互联，确保了平台多源信息的精確、实时和可靠地获取与传输。孪生模型层采用无人机倾斜摄影，获取动车所地形及影像数据，结合动车所BIM模型，共同搭建动车所高精度三维场景，并对设施设备模型进行单体化以及轻量化处理，为动车所三维可视化运维管理平台提供孪生模型载体。业务应用层以用户需求为导向，以孪生数据与孪生模型为基础，面向管理人员、业务人员、企业领导等不同角色形成以虚拟巡检、设备管理、运行仿真、以及辅助培训为核心的业务应用功能。

2 关键技术

2.1 大体量BIM数据性能优化技术

动车所BIM模型涉及到铁路多个专业，包括房建、机电、暖通等，体量很大，再加上海量的属性信息使得BIM模型数据量十分庞大，对计算机图形显示处理能力提出了严峻考验[2]。如果不对其做轻量化处理，就直接应用，往往会导致平台使用卡顿不流畅。因此需对大体量BIM数据进行性能优化操作，本文主要基于实例化技术、LOD技术、轻量化技术（如三角网简化、删除重复顶点、子对象简化、文件压缩等），进行大规模性能优化处理，提高三维渲染的帧率的同时，减小模型应用时对计算机配置的需求，使运维管理人员能够流畅的浏览可视化三维数据及其相关信息。

2.1.1 实例化技术

实例化技术适用于重复模型较多的情况，可以实现对相同的几何模型只绘制一次，降低了显卡等硬件设备的压力[2]。

如图2所示，在图2中，一幢房屋中存在大量相同的“门”对象，利用实例化渲染技术，只保存绘制一个对象，降低了显卡、内存等的压力，提高了三维场景性能。

2.1.2 LOD技术

LOD技术即Levels of Detail的简称，意为多细节层次。LOD技术指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。多细节层次，当三维场景拉近看的时候，模型表现的非常精细，当浏览整个场景的时候，模型只需要以较粗糙的方式显示即可，这样最大程度的优化了资源的占用，提高了整个三维场景的性能。

2.1.3 轻量化技术

不同的领域BIM数据的精细程度也不尽相同[3]。某些BIM模型存在大量冗余的三角面，如某些桥梁墩柱、门把手、锁芯等。通过三角网简化，实现对同类BIM模型批量简化的效果，降低了内存的占用，满足大体量数据的性能需要。

通过上述优化处理，动车所BIM模型数据量大大减小。例如，动车所检查库内的综合支吊架模型，其完整的9 m单体模型包括梁夹、双拼槽钢、吊架、牛腿等复杂异形面连接件，其中吊架又包括槽钢、连接件等11个复杂异形构件，部件总量为106个。采取上述轻量化技术手段处理之后，模型体量由40 MB减小为905 KB，大大优化了性能。

2.2 数字孪生模型动态展示技术

数字孪生包括以虚映实和以虚控实2个过程[4]，其中以虚映实指物理世界向数字世界的映射，实现以虚映实的关键技术是数字孪生模型制作及数据驱动。当前涉及数字孪生以虚映实过程的研究，仅能在虚拟模型上展示物理实体的几何信息和静态属性信息，尚不能将物理实体的实时运动状态映射到虚拟模型上，无法实现数字孪生以虚映实动态过程。而动车所数字孪生可视化运维管理平台又需要实现以虚映实动态过程，需将动车所实际运行状态，比如隔离开关装置、电动接地装置等设备的运行动作实时展示在虚拟模型上。因此，本文提出数字孪生模型动态展示技术，基于动车所BIM模型完成相关数字孪生模型的制作及数据驱动，来实现数字孪生以虚映实的动态效果。

BIM模型是静态数据，内部没有相关动画参数及动作，无法通过设施设备的动态参数驱动其状态发生改变;而动画模型又缺失BIM模型的属性信息，只有将两者相结合，才能保证BIM模型的属性信息既不丢失，又可以通过设施设备的动态参数驱动动画模型运动。

2.2.1 数字孪生模型制作技术

首先通过SuperMap桌面软件，将相关设施设备BIM模型进行DAE格式文件的导出，然后将DAE格式文件导入3DS MAX中进行动画模型的制作，主要包括刚体动画模型以及骨骼动画模型。刚体动画模型需录制帧动画，骨骼动画模型需绑定人物骨骼，为后续动画控制做准备。

制作完成后再利用SuperMap提供的动画导出插件进行SGM以及Mesh模型的导入至系统。完成之后，动画模型在外观上跟BIM模型是无任何差别的，做到了外观上的契合。

动画模型本身是不带属性信息的，而与之对应的BIM模型是带有相关内容属性信息的。本文通过将BIM模型的设备编号以及BIM模型所处的模型数据集名称记录在动画模型的Description（描述信息）属性里，在查询相关属性信息时，先获取该动画模型对应的BIM模型所处的模型数据集名称以及设备编号，通过这2个关联值即可查询到BIM模型的属性信息，做到了内容上的契合。如下图，记录的是有无电信号屏的设备编号以及对应的模型数据集名称。通过上述操作就基本完成了数字孪生模型的制作。

2.2.2 数字孪生模型动作控制技术

1）数字孪生模型位移（主要为动车出入库）的动作控制：系统通过设置该模型的NodeAnimation属性，绑定指定的路线，实现沿路径运动动画效果。

3）数字孪生模型骨骼动画（主要为检修工人人工验电、沿路径运动）的控制。分2种情况，①可以绑定路径，比如走路骨骼;②其他骨骼可以设置播放起始时间。

4）数字孪生模型纹理替换动画（主要为进出车信号灯、轨道有无电显示屏、三层平台门禁、爆闪灯）控制。获取该模型的Mesh面，修改Mesh面的Material属性即可修改纹理，完成纹理替换的动画实现。

在实现了数字孪生模型的动作控制之后，即可通过相关数据库接口来实现设施设备的动态驱动运行。

2.2.3 数据驱动技术

數字孪生模型制作完成后，结合传感器，获取相关设施设备实时状态数据，在虚拟空间完成映射，从而反映相对应的实体设备的状态信息。本文采用SqlServer的SqlDependency技术，该技术提供了这样一种能力：当被监测的数据库中的数据发生变化时，SqlDependency会自动触发OnChange事件来通知客户端应用程序，从而达到让系统自动驱动设施设备动态运行的目的。

3 系统实现

本系统基于SuperMap iObject组件，在Microsoft Visual Studio 2013集成开发环境中利用C#进行二次开发来实现，利用SuperMap iObject组件提供的接口通过空间数据引擎SuperMap SDX访问空间数据库[5];利用ADO.NET来访问后台业务数据库。

系统主要实现功能包括动车运用所三维场景浏览展示（包括放大、缩小、平移、旋转等）、数据驱动，设备运维管理等功能[6]。

3.1 场景浏览展示

基于运用所物理实体，构建运用所3D模型，立体展示运用所的生产布局，包括检修股道、3层作业平台、存车场、检修设备等生产元素模型。基于高级修车间物理实体，构建高级修车间3D模型，立体展示运用所的生产布局，包括检修股道、3层作业平台、存车场、检修工位、检修流水线、检修设备等生产元素模型。

3.2 数据驱动

该功能可以动态监控动车所内的安全联锁系统、车号识别系统以及作业评价系统的后台数据库信息，通过该信息动态驱动相关设备设施的实时仿真运行，从而实现动车所物理场景在数字世界的情景再现。

点击开启数据库监控按钮，打开数据库监控功能。当监控到后台数据库发生变化后，场景里的数字孪生模型会根据数据库信号做出相应的动作（比如模拟动车的出入库、人员的检修、接地装置的运行等），系统主窗体底部会展示出该数据库信号[8]。

3.3 设备运维管理

属性信息查询：数字孪生模型中包含所有设备设施详细信息，在动车所数字孪生三维可视化运维管理平台上可以随时点开需要查看的设施设备，与之相关的设备属性、厂家信息、操作手册、维护记录等都可以直接显示。

报警管理：当设备报警时，可以高亮显示设备

位置、运行参数、工程数据和文档。对于设备厂

家、应用手册、是否出保修期、设备报废前报警等都一目了然。报警事件可基于测点数据产生，包

括阈值超限报警和故障代码匹配2种方式，包括实时报警和历史报警功能。对于轻度的实时报警提醒，用户可选择忽略，对于重度的实时报警，用户可选择报修进入设备的维保流程。能够导出报警记录报表。

设备故障统计及趋势预测：提供从时间、设备、测点、故障/预警类型等多维度进行数据统计，通过直方图、数据表实现高度可视化。并可以从庞大的数据中提取出有效特征值，建立故障预测模型，通过对历史设备故障的分析与学习，实现设备故障预测。

4 结语

对已动车所已建立的各专业（站场、房建、軌道、测绘、桥梁、给排水、暖通、电力、接触网、信号、通信、信息、供变电、机械、动车等）BIM模型数据进行轻量化，同时结合可承载BIM模型的GIS平台，以BIM模型各专业信息和GIS地形数据为基础，通过数字孪生技术对动车所内设备运行状态进行实时映射，真实反映运行情况，使用数字化、智能化的手段对运用所进行运维管理的探索，保障运用所的安全运营和管理，为动车所的智能化运维管理提供参考。

参考文献：

[1] 卢阳光.面向智能制造的数字孪生工厂构建方法与应用[D].大连：大连理工大学，2020.

[2]韩亮亮.基于3D EXPERIENCE平台的铁路设备BIM模型轻量化技术研究[J].科技创新与应用，2020（01）：67-68.

[3]王自超.基于3D EXPERIENCE平台的动车运用所BIM设计[J].铁路技术创新，2019（01）：25-31.

[4]庄存波，刘检华，熊辉，等.产品数字孪生模型的内涵、体系结构及其发展趋势[J].计算机集成制造系统，2017，23（04）：753-768.

[5]何波，张家立，陈强，邓焯彬.基于BIM的机电设备应急管理系统总体设计[J].土木建筑工程信息技术，2014（02）：123-124.

[6]过俊，张颖.基于BIM的建筑空间与设备运维管理系统研究[J].土木建筑工程信息技术，2013（03）：213-215.

[7]李俊华.基于物联网的智能数字校园研究与设计[J].梧州学院学报，2010（03）：32-34.

[8]张承刚.高校校园能耗监管系统设计与实现[D].济南：山东大学，2014.

（责任编辑：许建礼）

收稿日期：

2020-06-12

作者简介：

房巨山（1964—），男，山东单县人，高级工程师，主要从事航空摄影测量、地理信息工程应用技术研究与实践。