基于BIM技术的三维可视化道岔运维平台研究

吴强 杨小恒

摘  要：针对我国目前铁路道岔采用传统运维管理方法存在的问题，对道岔运维技术路线、道岔数据传递流程、道岔运维平台架构进行研究分析，建立了基于BIM技术的道岔三维可视化智能运维管理平台。通过实际验证，对道岔三维展示、道岔测量、数据管理、数据维护、运维管理等几方面功能进行了论述，旨在为铁路道岔设备运维提供新思路，提高道岔运维效率及质量。

关键词：道岔；BIM技术；智能维护管理平台；三维展示

中图分类号：TP39    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0120-04

Abstract： Aiming at the problems existing in the traditional operation and maintenance management method of railway turnout in China， the technical route of turnout operation and maintenance， turnout data transfer process and the structure of turnout operation and maintenance platform are studied and analyzed， and a 3D visual intelligent operation and maintenance management platform of turnout based on BIM technology is established. Through practical verification， the functions of turnout 3D display， turnout measurement， data management， data maintenance， operation and maintenance management are discussed， aiming to provide new ideas for the operation and maintenance of railway turnout equipment and improve the efficiency and quality of turnout operation and maintenance.

Keywords： turnout; BIM technology; intelligent maintenance management platform; 3D display

0  引  言

道岔作為铁路轨道的重要组成，其工作状态是否良好至关重要，一旦出现故障就会严重影响铁路的安全运行，做好道岔的日常维护工作就显得尤为重要。实际维护工作中，要对道岔所有紧固件进行检查，在专项整治中，需测量并记录铁路道岔设备的开程、缺口锁闭量及尖轨的窜动量等参数，定期检查和调整护轮轨的间隔尺寸。传统上铁路道岔运维人员通过查询二维图纸来掌握道岔相关参数信息，维护中遇到技术问题时技术咨询较为困难且不直观，道岔日常维护信息依靠人工填录纸质表格形成台账。传统方法增加了维护人员和归档人员的工作量，工作效率低下，且容易引起操作、记录错误。基于BIM技术对道岔进行三维建模，以三维视图形式对道岔重要部位立体展示，道岔故障时对故障现象自动记录并对运维人员进行提示，同时给出指导测量、整治、维修的方法。基于BIM技术的道岔运维平台可将道岔空间信息、技术参数信息整合起来，充分发挥空间定位和数据记录的优势，合理制定运维、管理、维护计划，对提高道岔运维系统智能化具有重要意义[1，2]。

1  研究路线

该课题的技术路线图如图1所示。首先通过对道岔运维相关背景、国内外BIM应用现状进行研究，为道岔运维平台的建立奠定理论基础，其次对铁路道岔运维管理工作现状及存在问题进行分析，研究BIM应用于道岔运维工作的必要性和可行性，接着对基于BIM技术的运维管理方案进行分析，论证方案及平台架构的可行性，最后结合现场实际对所研发的道岔运维平台各项功能进行验证。基于BIM技术的三维可视化道岔运维平台涉及到的关键技术包含BIM模型轻量化及交互渲染技术、BIM 与 GIS 融合集成技术、BIM 技术与物联网、VR、5G等先进技术的融合技术、多源异构模型数据融合技术、数据传输效率优化技术等。

2  数据分析流程

由于道岔设备的复杂性，一种道岔病害表现可能由不同的原因造成，整治的方法也不同，需要针对关键部位的数据进行分析，如造成顶铁缝隙过宽的原因，需要依据基本轨框架尺寸变形情况、尖轨爬行与否、顶铁缝隙数据三项综合分析判断。根据现场分析经验，研究道岔测量项点与病害成因之间的关系，以现场既有验收检测数据为输入源，综合分析数据测量结果，给出成因分析和整治建议。通过测量工具并结合传感器对道岔状态进行采集，经数据处理板卡对数据进行预处理及特征提取再传动至道岔运维平台进行状态检测、故障诊断、故障预测及故障决策，道岔数据分析流程图如图2所示。

3  运维平台架构

基于BIM技术的道岔运维平台应用于道岔运维阶段，通过该平台可以实现铁路道岔综合展示、运维管理和可视化监测等功能。平台宜采用云部署，构建数据采集、传输、计算、存储和网络资源环境，以保证各项功能模块可以灵活扩展及快速响应。同时道岔运维平台还需具有数据加密、权限控制等安全防护技术，保证平台安全可靠运行。

平台架构采用分层设计，各层的操作模块相对独立[3，4]。图3为道岔运维平台架构框图。

用户层：相关运维人员可以通过手机终端或者PC终端等访问平台并进行相关功能操作。

应用层：应用层为运维人员提供相关运维功能模块，包括资产管理、状态查询、运维管理、报警查询、故障管理、智能分析等应用。

平台层：该层以平台服务和中间件为中心，包括模型，时序数据、身份认证等，结合服务总线为运维平台提供一个支持信息访问、传递、以及协作的集成化环境。

数据层：数据层利用数据库来存放与道岔运维有关的设备信息、安装信息、资产信息、维保信息、用户信息等。

基础设施层：该层为道岔运维平台提供硬件及软件支撑，硬件设备包括服务器、交换机、无线设备、数据采集设备、通信设备等，软件部分包括数据库系统、操作系统、以及相关中间件。

4  运维平台功能验证

以合肥站道岔为运维对象，对设计的道岔运维平台进行功能验证。具体功能如下所述。

4.1  道岔三维展示

道岔运维平台以BIM三维图形作为展示方式，用户可以根据所选道岔规格型号，加载对应的BIM模型，并以标注线、立体标签等方式显示道岔相关运维数据。通过鼠标拖动以及快速定位方式可以实现道岔真实模型的全方位观测，当检测到的道岔数据超出规定值时，BIM子模型标识为红色，并显示故障类型，对运维人员给予提示，图4为密贴检查器示意图。

4.2  道岔测量

道岔测量是道岔维护工作的重要内容。在三维模型上，以图标的方式标注所检查项目测量点，不同的检查项目采用不同的图标。进行测算时，测量数据在文本框显示，为了避免人为原因引起的测量失误或者当运维人员不了解具体测量方法时，可以通过点击“测量方法”按钮，显示当前检查项目对应的测量方法及测量步骤，对测量人员进行详细指导。图5为框架尺寸测量示意图，直基本轨处的标签代表标准值，区基本轨处标签代表测量值，标注线表示测量位置，标注线上的标签代表差值。

4.3  数据管理

通过PC终端或者手机终端可以实现道岔运维平台数据管理，包括数据录入、历史数据查询、数据分析、数据导出等。运维人员可通过灵活多样的方式进行数据录入，包括页面录入、Excel表格導入、移动端数据导入等；道岔运维平台提供历史运维数据和数据曲线查看功能，可以对各检查项目、测量点的历史数据进行横向比较，并进行曲线绘制，便于运维人员对道岔状态进行评判；运维平台提供数据分析功能，可以自动完成测量值与标准值之间的比较，形成分析报告，如果数据异常则会指明道岔可能出现的问题，并提供详细的解决方案，指导运维人员进行相应的处理，并可以按照现场模板对运维数据进行导出。图6所示为道岔测量点记录及历史曲线查看界面。

4.4  数据维护

为了适应不同站点道岔信息及运维人员信息的变化，运维平台提供的数据维护功可以实现道岔数据以及用户数据和站点信息的维护管理，道岔数据维护功能通过道岔新增、道岔删除、道岔信息编辑实现道岔信息的变更。用户数据维护可以对用户进行增、删、改、查，分配角色和权限；平台设置系统管理员、段/车间/工区级管理员、数据操作员、查看用户等角色。平台还可以对用户的管理层级进行维护，平台初步设定的管理层级分为段、车间、工区三级。站点管理可以实现车站信息的增、删、改、查功能。

4.5  运维管理

基于BIM的道岔运维平台具有报警事件管理功能，运维人员可以根据报警事件，对故障进行定位查询，实时派工，对道岔进行维护；相关人员通过BIM运维平台根据运维任务填写工单，进一步明确运维任务，经运维负责人审核批准后运维人员进入现场进行现场作业。道岔运维完成后，需通过道岔运维平台对本次运维事项建立相应的台账，内容包括：维护对象、维护时间、维护人员、故障类型等，方便后期查询[5]。

4.6  其他功能及移动终端

道岔运维平台除了上述功能外，还包括设置图层、平台维护、基础操作、资产管理等功能模块。可以根据使用人员要求对具体功能模块进行配置。手机移动终端APP可以与运维平台数据库进行关联，通过手机移动终端APP也可以方便的实现数据录入、历史数据查询、运维管理等功能，对现场具体情况或者测量问题可以通过上传照片和拍摄照片的方式进行记录。APP端首次使用，或系统信息更新时，需生成初始化文件。图7为手机移动终端数据录入示例[6]。

4.7  运维平台安全问题

BIM 技术核心是数据，重要数据一旦存储、传递和管理发生安全问题，将造成严重后果。运维平台相关安全问题包括通信网络安全、区域边界安全、计算机环境安全、管理中心安全、云计算安全、移动接入安全等。首先要保证网络设备及服务器等硬件设备安全可靠运行，其次要建立防火墙防止病毒及木马程序入侵，还需建立安全管理制度对管理人员或操作人员执行的日常管理操作建立操作规程，形成由安全策略、管理制度、操作规程、记录表单等构成的全面的安全管理制度体系，保证运维平台的可靠安全运行。

5  结  论

铁路道岔是铁路轨道结构的薄弱环节，故障率较高，为了保证列车运行的安全可靠性，道岔的健康状态管理至关重要，运维阶段是铁路建设周期中最长的一个阶段，运维成本在整个铁路生命周期中占比最大，需要耗费极大的财力、人力以及物力。另一方面，我国铁路采用封闭运行的管理模式，现有运维手段无法及时、全面的了解道岔的健康状态。采用基于BIM技术的道岔运维平台相对于传统运维方法具有高效便捷、失误率低的优势，是未来铁路设备运维发展的趋势。论文对基于BIM技术的道岔三维可视化运维管理平台技术路线、数据传输流程、平台架构进行了论述，并结合实际验证了道岔三维展示、道岔测量、数据管理、数据维护、运维管理等主要功能模块的功能，所建立的道岔运维平台已在实际中得以应用并取得了良好的效果，对推动铁路设备运维智能化具有积极的意义。

参考文献：

[1] 常盛杰.基于BIM的牵引变电所设备运维系统的设计与实现 [D].兰州：兰州交通大学，2018.

[2] 刘阳，靳华中，刘潇龙，等.基于BIM和物联网的桥梁运维管理应用研究 [J].信息技术与信息化，2018（11）：118-122.

[3] 赵峰.基于BIM+GIS的高铁动车运用所设备设施运维管理平台 [J].铁路技术创新，2022（1）：7-13.

[4] 王帅，刘鑫铭，易咸辉，等.BIM运维系统技术研究路线与创新应用 [J].安装，2022（10）：59-62.

[5] 韩德志，李博，华福才，等.面向城市轨道交通运维阶段的BIM模型建设 [J].都市快轨交通，2022，35（4）：182-187.

[6] 王志华，卢文龙，郭鹏飞，等.基于BIM的铁路基础设施运维管理平台总体方案及关键技术研究 [J].铁路计算机应用，2019，28（4）：45-48+52.

作者简介：吴强（1989—），男，汉族，山西孝义人，工程师，工学学士学位，研究方向：铁道信号方向。