地铁线路轨旁设备的参数化建模技术实现及工程应用

何 晨 何越磊 路宏遥 魏丽丽

(上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620)

引言

随着城市轨道交通大规模网络化建设步伐的不断加快，传统的设备管理方式早已无法满足地铁相关设施设备全生命周期的管理[1]。为了迎合集成化、协同化的管理理念[2]，就必须要打破传统管理模式。近年来，智慧化、数字化已经成为了一种发展趋势，BIM技术是一个共享的知识资源，可为工程设施全生命周期的决策提供可靠信息支持[3]，因其实用性、高效性[4]等特点，广泛应用于各个领域。通过BIM技术为地铁线路轨旁设备三维建模，在模型上附加设备信息，实现立体、可视、协同、高效的信息化管理[5]，稳步提升运维智能化水平。在常见的管理形式中，管理手段单一，消息传递滞后，信息易缺失，针对这个问题，国内外已展开部分研究。刘富强[6]提出根据施工现场情况和设备的实际运行状态来制定动态管理制度，完善人员配置来保证设备管理工作的有效实施。杨志国[7]针对高速铁路工程机械设备管理中存在的问题，提出了完善管理制度、协调项目管理和设备管理关系以及制定紧急应对措施等来改善设备管理的不足。胡金龙等[8]提出将基础建筑模型与设备模型相结合，利用BIM技术采集分析设备的基础信息来监控设备实时状态，提高设备管理的效率。这些研究为设备的管理形式做了很多探索与分析，但是将参数化建模技术应用在设备管理中还缺乏研究经验。基于此，本文提出参数化建模技术在地铁线路轨旁设备中的应用研究，采用Dynamo技术获取地铁线路中的设备位置点信息，并根据得到的位置信息实现设备的自动放置，建立工程信息与设备的对应关系，实现批量填写参数信息，为地铁线路轨旁设备的可视化管理提供有力的技术支撑。

1 引入参数化建模的必要性

地铁轨旁设备的日常维护管理主要以各类技术文件及各维护信息化平台为主。轨旁设备整个生命周期中涉及的数据体量大、种类多、形式多样，而一般的信息化管理平台对各阶段数据、文件的管理形式单一，以二维数据为主，不够直观。引入BIM技术为轨旁设备三维建模，并在BIM模型上附加上设备动态履历信息，最终可实现三维可视化界面下的设备履历、维护与维修记录、故障记录以及后期实时设备状态的统一管理，实现对这些设备的可视化管理，为轨旁设备的维护管理工作提供支持。

地铁全线包含转辙机、信号机、计轴等多类轨旁设备。在传统建模模式下，设备的放置是一件机械性的重复工作，后续对单个设备进行参数属性的依次输入，工作量大且容易出错，建模效率低。

参数化建模即通过添加或修改参数来调整构件的尺寸和位置[9]，获取位置点信息，实现设备的自动放置。此外，还可以储存族构件的型号、生产厂家等信息[10]，对每个设备都能够做到来源可溯、去向可追。

相比于传统的建模方式，参数化建模更为高效，可显著提升建模效率和保证准确率，为后期设备管理奠定了坚实的基础。

2 线路设备模型的建立

2.1 建立基本族库

常见的Revit族库大多是建筑类族库，类型单一，无法实现快速建模。根据实际项目需要，建立地铁线路以及轨旁设备专业族库，可以有效提高建模效率和精度，部分设备族库如图1所示。

图1 设备族库

建立好基本族库后，对创建好的族添加族参数来实现构件信息的添加[11]，包括使用部门、供应商、维护单位和设备编号等众多参数，满足不同专业、不同阶段之间的协同作用[12]，如图2所示。

(a)族参数类型1

2.2 建立三维模型

为了在后期的管理中可以进行设备安装和维护过程的模拟，实现可视化仿真，可以深入现场拆解设备，测量设备组件尺寸，并结合设备已有资料，基于Revit软件完成零件级、设备级(ZD(J)9型转撤机)和线路级BIM建模，效果图如图3～图4所示。

图3 ZD(J)9型转辙机爆炸图

(a)实际线路图

3 参数化建模技术的实现

在常用建模软件Revit的基础上，结合Dynamo可视化编程技术，操控Revit的API、驱动参数化构件、批量提取或修改构件数据[13]，通过设计节点模块并按照一定的逻辑连接起来，就可以快速解决同类型的问题[14]。结合DesignScript和Python等程序语言，在拓展功能的同时也可以实现节点块的简化，从而使工作区更加一目了然，能够有效提高工作效率[15]，实现自动化、精准化、批量化和参数化的三维模型建立。

3.1 选取线路基准点

为了获取线路中各设备的位置点信息，实现设备的自动放置，就要在线路中选取一基准点，以该基准点为参照计算出各个设备放置的具体位置。

在线路起点处绘制一条模型线，在Dynamo中获取该曲线实例，获取模型线起点坐标(200295.03，-120804.908， 0)如图5所示，以该曲线起点为基准点，计算出各设备位置点的坐标。

图5 获取线路基准点

3.2 设备位置点信息的获取

以转辙机为例，根据单开道岔转换设备(ZD(J)9)安装要求，设备界限示意图如图6所示。单开道岔第一牵引点与第二牵引点间距3 650mm，转辙机安装示意图如图7所示。

图6 设备界限示意图

图7 转辙机安装示意图

定义一个名为“GetPoint”的方法库，读取基准点信息后，所需的设备位置点信息可以通过与基准点的相对位置关系计算获得。部分代码如下：

def GetPoint(input1：Point)

{

p1：Point=Point.ByCoordinates((input1.X+92743.1-1891.5*0.401)，(input1.Y+50868.6+1891.5*0.916)， input1.Z)；

p2：Point=Point.ByCoordinates((input1.X+92743.1-1891.5*0.401-3650*0.916)，(input1.Y+50868.6+

1891.5*0.916-3650*0.401)，input1.Z)；

list1={p1，p2}；

return=list1；

}

以获取的点为原点建立坐标系，分别提取X、Y、Z轴坐标数据。坐标系由“CoordinateSystem.ByOriginVectors”传递。将获取数据创建为列表后互换其行列关系，输出得到最后的坐标数据如图8所示。

图8 输出坐标数据

3.3 放置构件并调整位置

获取坐标信息之后，读取坐标数据并将列表行列互换，分别将对应列数据赋予x，y，z轴，根据获取到的坐标在Revit中生成相应位置的点，如图9所示。

图9 生成坐标点

在项目中载入相应的族类型，通过拾取坐标点的方法精准放置于指定位置。为满足设备沿线路垂向布置，将生成的坐标点按顺序连接成一条光滑的样条曲线，获取各个点的垂直向量后，将旋转轴与垂直向量间的夹角设置为绕Z轴旋转的欧拉角来调整设备摆放的方向。

3.4 管理信息的添加

为满足后期运营维护的需求，对插入的多个族实例添加管理过程中的信息，通过传统建模手段，只能手动添加不同的信息[16]，不仅工作量大，时间成本高，还容易出现错误。

利用Dynamo编制程序，将各图元参数信息与其ID号建立一一对应的关系，通过对应ID号实现参数信息的自动填写。首先获取构件图元至Dynamo中，提取各图元的ID号并依次添加于列表中，附加表头“ID号”，如图10所示。

图10 ID号生成列表

对应各设备的ID号进行参数信息的添加，以设备的点位信息为例，添加参数名“所属机柜/设备自身”，对应各构件ID号，汇总各自的参数信息。

读取汇总的参数信息，将列表数据进行行列互换，如图11所示，在Dynamo中设置图元参数，将获取的信息自动填入相应的参数名称下。

图11 提取参数信息

4 工程应用

以上海地铁某车场为例，为了实现轨旁设备的可视化管理，在传统建模软件Revit的基础上，采用Dynamo参数化建模技术，将生成几何体背后的逻辑规律以及几何体的各类信息都转化为逻辑算法[17]。在线路中选取一基准点后，根据设备布置的相对位置关系，如图12所示，计算得到各自的位置坐标，并实现设备的自动放置，设备布置局部示例如图13所示。而后建立各设备参数信息与其ID号的对应关系，实现参数信息的批量化填写，效果如图14所示。

图12 转辙机位置实景测量图

图13 设备布置局部示例图

图14 参数信息填写

将参数化建模技术应用于地铁线路轨旁设备的建模，能够显著提高建模效率。对于完成常规的建模以及设备填写参数的工作，需要35工天，利用参数化建模技术，实现信息的批量化填写需要16工天，节省时间约54%，提高效率约为2倍，极大减少了人力工作量。为后续对地铁线路轨旁设备进行全生命周期管理，创造了可视化条件。赋予设备模型从设计阶段到制造阶段，以及施工阶段的工程信息，在极大程度上充实了全生命周期管理的内涵。

5 结论

(1)以实现地铁线路轨旁设备的三维可视化管理为目标，研究参数化建模技术在实际工程中的应用，研究包括选取线路基准点、获取设备位置点信息、分类别放置设备和对应ID号输入参数信息四个主要方面，对地铁轨旁设备进行自动化、精准化、批量化、参数化建模，有效提高了建模效率，为地铁线路轨旁设备全生命周期数据的不断集合提供了技术支撑，为后续的全生命周期管理奠定了基础；

(2)参数化建模的理念对于BIM技术的推广与应用具有重要意义，利用Dynamo可视化编程技术，只需要梳理好建模的逻辑思路，将逻辑思路转化为一步步的逻辑程序，在不需要繁杂的程序语言的前提下也可以实现复杂实体的创建和数据信息的快速添加，在很大程度上弥补了Revit在建立信息化模型时的不足之处。