基于数字模型的重载铁路工务设备全寿命周期管理

2022-09-05代春平

铁道建筑 2022年8期

代春平

中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081

铁路建设和运营涉及设计、施工、运维等多个单位，经历勘察设计、部件制造、现场施工、运维养护等多个阶段，而各单位在各阶段产生的数据进行独立存贮，信息传递方式单一。我国铁路主要使用PWMIS（Permanent Way Management Information System）系统［1］对设备的材质、类型、生产厂家、上线时间等基本信息进行管理，但对于设备的精细化管理需求尚不能满足，而设备精细化管理对于设备的智能运维和全寿命周期管理至关重要。重载铁路工务设备在运维阶段产生了动态检测数据、人工检查数据、施工维修数据等，这些数据很多以纸质化和电子版相结合的方式存贮，由此造成数据碎片化、孤岛化，共享困难。

国家能源集团在十四五发展规划中明确提出围绕智能运维、智能管理等方向开展系统规划研究，构造智慧重载铁路技术体系［2-3］。国能朔黄铁路发展有限责任公司为推动朔黄重载铁路工务设备的智能化运维，采用大数据存储、BIM（Building Information Modeling）和GIS（Geography Information System）等技术构建了工务设备全寿命周期管理系统，为设备智能运维和精细化管理提供支撑平台。工务设备全寿命周期管理系统包括设备数字模型建立、设备资产管理、设备状态评估等内容，实现设计、施工与运维各阶段数据资产管理，并通过一桥一档、一隧一档、一岔一档的精细化管理，全面实现工务设备数字化管理。

1 工务设备数字模型

建立模型首先需要制定设备及构件分类编码规则，根据编码规则为每类设备及构件创建唯一编码；再依托设备及构件属性信息建立桥梁、隧道的BIM和线路设备的单体模型；然后将编码与模型中的构件一一关联。该系统使用GIS将桥隧三维数字模型和线路设备单体模型关联展示，将二维矢量图放大到一定比例时无缝切换至模型展示界面，实现工务设备全寿命周期的数据信息综合展示和应用。

1.1 设备分类编码规则

工务设备分类编码具有唯一性，每个编码对应一个设施设备或构件。参照GB/T 37486—2019《城市轨道交通设施设备分类与代码》、T/CRBIM 002—2014《铁路工程信息模型分类和编码标准》、TB/T 2966—1999《铁路运输设备分类与代码基本规定》等，工务设备分类编码为组合码，由9部分42位代码组成。其包括5位单位代码、4位线路代码、2位行别代码、2位线别代码、1位运管方式代码、11位位置代码、1位长短链代码、12位设施设备代码、4位序号代码。其中设施设备代码按照工务专业属性，逐层划分编制代码，共分6层，每层从01到99按顺序编2位数字型代码。

第一层为专业代码，第二层至第六层根据各系统特点按专业属性逐层细分。第二层按照设备类别划分，01轨道、02道岔、03桥梁、04涵洞、05隧道、06路基、07防护栅栏、08道口等；第三层按照设备子类划分，第四、五、六层按照结构、型号、部件划分。同一层级相同设施设备采用4位数字代码，从0001至9999编号。其中，线路设备中同一层级相同设施设备按里程递增编码；一座桥涵不同孔跨或墩号按里程递增编码；一座隧道围岩级别分段按里程递增编码。

1.2 线路设备单体模型建立

为了实现线路设备单体模型与二维矢量图无缝切换展示，本系统使用ArcGIS平台建立工务设备单体数字模型。按照最小单位构建原则，对线路设备中钢轨、轨枕、道岔、道床等进行部件拆解，形成基础构件库。钢轨以25 m为最小单位形成单体构件；曲线段轨道根据长度、半径和转向角计算出弯曲程度，再根据曲线起止点的经纬度换算具体位置形成单体构件；轨枕按木枕、混凝土枕等不同类型分别形成单体构件；股道按根通过有效长度和起止点经纬度计算形成单体构件；道岔按基本轨、尖轨、辙叉、接头、垫板扣件、护轨、翼轨、心轨构建单体构件；道床按10 m形成单体构件，包括侧沟、道砟、边坡、路肩；路基按10 m形成单体构件，包括路堤、护坡、路堑、天沟等，如遇排水井等独立设施，则直接作为单体构件；对于车站，先将站内钢轨、轨枕、道床等进行单体构件设计，再组合成车站组件。

每个单体构件都有自己的唯一设备分类编码，通过这些编码将构件与系统中的设备属性数据、设备维修数据建立关联。系统使用ArcGIS平台构建工务设备单体构件，形成单体构件库，并将每类构件信息与地理信息关联，形成单体构件的二维矢量图。工务设备全寿命周期管理系统会通过GIS综合展示这些单体构件及相关信息。道岔设备单体模型如图1所示。

图1 道岔设备单体模型

1.3 桥隧设备数字模型建立

我国2013年成立了铁路BIM联盟，积极推动BIM在铁路行业的应用。联盟成员单位从BIM标准、接口规范、平台技术等方面深入研究和实践应用。联盟已发布铁路建设技术标准、实施标准等16项标准。技术标准包括数据存储标准、信息语义标准、信息传递标准；实施标准包括资源标准、行为标准、交付标准、协同标准。这些标准已在京张高速铁路线桥隧设计、施工阶段全面使用，并将设计和施工信息通过BIM融合管理。

依据TB/T 10183—2021《铁路工程信息模型统一标准》、BIM运维交付标准和BIM运维接口标准建立桥梁和隧道运维模型库。模型库分为基础构件库、组合构件库和模板构件库。基础构件库为不可拆分的零部件库；组合构件库为由零部件拼接组装的构件库；模板构件库可根据用户设定的参数值自定义零部件，从而快速建模。

本系统使用SuperMap引擎［4］实现工务设备桥梁、隧道的BIM设计和发布，采用AutoDesk CIVIL 3D［5］、AutoDesk Revit［6］等进行BIM构件信息的无损接入，实现百万个BIM构件实时加载，通过LOD技术、轻量化处理和三维缓存对BIM性能进行优化，从而实现桥梁和隧道BIM在应用过程中的高效加载。使用SuperMap实现BIM和GIS数据的无缝衔接。

系统采用SuperMap软件对BIM与倾斜摄影模型的空间坐标进行转换，该软件同步支持模型数据的配准功能。一方面通过倾斜摄影技术批量构建桥隧设备的表面模型并作为底图使用；另一方面通过BIM构件信息生成桥梁、隧道的结构，实现数据的精准化分析和建模。

2 工务设备全寿命周期管理系统功能

以设备及构件为核心建立设备全寿命周期履历，结合灰色预测、神经网络等技术对设备故障进行诊断分析，对状态变化趋势进行预测。工务设备运维全寿命周期如图2所示。

图2 工务设备运维全寿命周期

2.1 系统功能设计

工务设备全寿命周期管理系统功能架构如图3所示。

图3 工务设备全寿命周期管理系统功能架构

系统将设备的基础台账、履历、状态、维修、病害等设备信息与线路通过总质量进行深度关联分析。从交付运营到检测检查、从养护维修到更换下线对设备全周期进行分析评估。

2.2 设备台账管理

重载铁路工务设备属性数据是全寿命周期管理的基础。根据工务设备的分类编码规则，对线路设备、桥梁及附属设备、隧道及附属设备、涵渠设备、路基本体及附属设备属性等进行管理，实现设备信息的批量新增、查询、修改、删除等功能。系统还可以关联施工和维修信息，自动化新增和变更设备信息。为了提高设备台账管理的准确性，系统依据校验规则对新增或变更的设备属性信息自动化校验，同时对设备及属性信息的变更进行多级审核。以下以道岔、桥梁设备管理为例进行说明。

1）道岔设备管理

首先根据道岔结构参数，使用GIS技术建立道岔单体模型。具体构件主要包括尖轨、基本轨、导轨、心轨、翼轨等；扣件系统主要包括螺栓、弹条、垫板、轨距块等；轨枕主要包括轨枕型号、根数、铺设间距等。基于道岔设备单体模型直观展示道岔设备属性信息、道岔病害信息、综合分析结果、维修作业情况等内容，形成道岔设备“一张图”精细化管理。

2）桥隧设备

根据桥隧及附属设备的属性信息，以桥隧BIM为载体，将桥隧设备设计信息、履历信息、检测监测数据、现场影像资料等信息有效集成。从时间序列到空间维度实现设备信息的动态更新和可视化展示，并自动生成分析报告，有利于管理和运维人员全面获取相关信息，及时了解现场情况。

2.3 设备履历管理

设备履历管理将每个设备或构件的全寿命周期信息关联，提供工务设备的日常人工检查巡检、动态检测、设备保养、设备维修等生产作业信息的管理和展示。结合工务设备基本属性，设备病害、设备状态等信息，实现设备从上线到更换的全寿命履历综合分析。通过选中相应里程的设备，按时间倒序展示设备的各种日常维护、施工、检测检查履历数据，可详细查看不同类型数据，展示设备履历详情及综合分析结果，以及设备状态、属性、图纸附件等信息。无缝线路设备履历管理信息如图4所示。

图4 无缝线路设备履历管理信息

2.4 设备图管理

根据重载铁路线路上相关设备的台账数据，实时动态计算、绘制生成线路综合图，实现线路设备在图表上的数字化展示。车站配线图中包括道岔、信号机、道口、圆管涵、框架涵等设备。依据比例尺、指向标、图例及设备的相关信息，实现车站配线图的实时绘制，为站内工务设备的维修、列车机动调度或线路故障状态下列车灵活运行提供技术支撑。

2.5 设备病害管理

重载铁路工务设备病害类型复杂多样。根据工程类别和各类工程设备病害影响安全的程度，确定分析评价指标，对工务设备病害数据分类分级管理。工务设备病害分为线路、轨道结构、桥梁、隧道、路基五类。设备病害级别分为五级：Ⅰ级为低级病害，需日常检查观测；Ⅱ级为中级病害，建议进行日常养护维修；Ⅲ级为高级病害，继续发展会影响行车安全，建议在规定时间内安排维修整治；Ⅳ级为严重病害，影响行车安全，应在24 h内利用天窗或申请临时封锁进行整修；Ⅴ级为限速病害，涉及行车安全，应立即限速或封锁相关区段，由工队管理人员到现场检查整修。

根据设备病害分类分级管理规范，建立工务设备病害字典，利用线路、桥梁、隧道、路基等工程相关设备静态监测、动态检测、人工检查的病害信息，构建重载铁路工务设备病害库，提供设备病害的统计对比，实现工务设备病害发展趋势预测。

2.6 设备全寿命综合分析

通过对重载铁路工务设备的台账、履历、设备图、病害进行综合管理，为工务设备的全寿命综合分析提供数据支持。

工务设备全寿命综合分析使用神经网络等算法，对线路、桥梁、隧道等工程设备进行状态评估和变化趋势预测。充分利用运维阶段检测监测数据，分析设备状态演化规律，采用灰度预测、模糊层次评价等方法，构建大型养路机械捣固质保期模型，实现轨道质量状态预测。基于通过总质量、含水率等数据建立脏污指数的主要影响因素与预测模型。将动态检测的轨道几何、短波冲击、轨道部件伤损、轮轨关系等数据作为输入参数，采用神经网络算法综合评估道岔状态，揭示不同参数间的关系，预测道岔状态演变趋势。应用多源数据对桥梁各构件进行分析，预测桥梁疲劳寿命。以雷达检测数据和人工巡检数据为基础，以劣化评定标准为判断准则，利用层次分析法对隧道区段状态进行评估，为隧道维修决策的制定提供依据。

2.7 设备资产管理

依据重载铁路工务设备精细化管理数据和设备全寿命综合分析结果，按照重载铁路工务设备资产的统计规则，按线路区段、设备类型（线路、车站、桥梁、隧道、涵洞等）对工务设备资产进行多维度统计分析，并自动生成系列汇总报表。同时，系统按每个自然年进行汇总结算，自动生成统计报表后，本年度统计报表数据不再变更。

3 工务设备全寿命周期管理系统应用

重载铁路工务设备全寿命周期管理系统已在国能朔黄铁路发展有限责任公司部署实施。系统实现了线路、桥梁、隧道、涵洞、路基的正视、俯视和单体逐级展示，并通过设备编码关联相关设备的台账信息、设备状态、养护维修、病害、施工维修作业历史信息等，为该公司及其下属分公司提供便捷服务。利用数据和图形结合的方式，将设备单体的病害详情、实时状态、台账详情、检修作业、设备更换等信息关联，进行时空分析和多维度展示，分公司已通过该系统对线路进行精细化管理。

应用BIM建立的朔黄铁路桥隧三维实体模型，实现桥隧结构的检查信息、监测信息、维修作业历史信息、当前状态信息、病害分布信息的自动关联、分类检索和统计分析。系统提供的桥隧BIM三维结构、设备台账信息、GIS空间信息、桥隧涵信息等数据，通过BIM多层次技术，完成桥隧BIM与地图的融合，提供桥隧三维立体直观展示、桥隧自动巡游等多种功能。通过对桥隧设备状态评估与预测，直观呈现桥隧服役状态，有利于重载铁路桥隧设备养护、维修和管理决策的科学制定。系统已为分公司桥梁工队上线检查桥梁病害、评估桥梁状态提供了高效服务。桥梁设备信息综合展示见图5。