基于BIM的地铁信号设备维护管理系统设计

莫志刚，骆汉宾

（华中科技大学 土木工程及力学学院， 武汉 430074）

地铁运营阶段，对设备进行科学、合理的管理和维护，是信号系统可靠度、可用度、可维修度和安全度（RAMS）的保障[1-3]。目前，地铁信号设备维护管理方法相对比较落后，且各设备维护系统间缺乏有效的关联分析，故障分析难度较大，不能形成高效的设备监测维护和调度管理平台，不利于全面掌握相关设备状态，影响在途运行状态整体监测和设备的日常维修维护。信号系统故障诊断主要难点在于以下4个方面：

（1）信号系统故障发生时定位困难，检修效率低下；

（2）现场数据来源复杂，操作不规范，信息反馈不及时；

（3）执行层与决策层之间信息传递时效慢，造成维修指令失控；

（4）设备档案数据量庞大，缺少有效工具进行单点高效调用与二次档案存储。

本文针对以上4个问题，设计基于BIM的地铁信号设备维护管理系统（简称：信号设备维护管理系统）。创建信号设备BIM[4]三维数据库，调用系统监控设备故障信息，设定数据交换接口，建立信号设备维修管理系统，基于数据分析等技术，进行设备故障定位、预警、预测分析、质量分析、趋势分析等，设备维修人员通过系统的设备故障预警[5-7]功能，在地铁三维模型中查看信号设备预警信息、设备档案、维修记录等内容，系统根据维修人员岗位职责进行派单维修，记录维修过程，待故障解除后，系统实现设备维修历史回放，档案再录入等功能，最终辅助设备维护人员通过系统积累的设备维护数据库，优化设备维修机制，提高设备维护质量。

1 信号设备维护管理系统架构

1.1 系统架构

信号设备维护管理系统为分布式系统，安装于线路控制中心，以南宁地铁信号为例，系统架构如图1所示。

图1 基于BIM的地铁信号设备维护管理系统架构示意图

1.1.1 用户层

用户层为用户提供简洁的用户界面，根据用户的管理角色，设计不同的权限。考虑到作业的实际需求，用户可利用移动设备远程登录。

1.1.2 应用层

应用层包括模型管理、故障事件录入、监控预警、RAMS管理、故障分析报告、短信平台管理、应急备件管理、应急故障处理等主要应用模块。

（1）模型管理：根据需求，创建信号系统三维BIM模型，作为设备故障数据、平台图形数据、设备维修数据等的数据载体，具备原始数据存储、再编辑，中间数据缓存等功能；同时将设备档案，维修保养计划、记录等电子文档进行配对绑定，为用户提供完整的设备数据。

（2）故障事件录入：当设备监控系统发出故障提示信息后，根据设备的故障提示信息，选择设备故障类别，记录设备故障发生的时间、处理过程、设备运行历史档案等信息，同时，在故障事件录入中附带添加BIM模型及设备的档案，使用户层能较全面地解读设备故障事件。

（3）监控预警：采用Web Service接口，调取信号设备监控系统的设备运行关键数据，当信号设备发生故障后，根据系统间的接口协议，发送提示预警信息及设备故障信息，系统根据故障信号设备通信地址，将接收的设备预警信息和故障信息与BIM模型对应，一并推送给用户界面，为用户提供具有BIM模型定位功能的设备监控预警，提高故障定位效率和预警信息侦查效率。

（4）RAMS管理：用户利用信号设备监控预警功能和故障录入功能，增补RAMS评价数据，根据信号设备的RAMS后评价结果，BIM模型对RAMS关联指标进行记录，根据用户需求，进行预防性信息反馈，用户可调用故障维修数据库，查看有关详细数据（系统干扰事件、保养事件、故障检修事件、环境变化事件、运维要求变化事件）等，便于运营维护人员识别信号设备可能影响RAMS评价结果的因素，评估整体设备性能，辅助运营维护人员进行设备优化，提高设备RAMS评价效果。

（5）故障分析报告：利用RAMS后评价结果，系统自动进行初步的设备故障分析，并向用户推送。

（6）应急备件管理：创建虚拟的信号设备资产管理BIM数据模型，根据不同信号设备的备件要求，实时显示主要设备整（配）件备件库存，划定预警值，当备件数量低于预警值后，系统主动推送预警信息给用户层，进行填补备件。

（7）应用故障处理：建立故障处理专家数据库，按设备或故障现象分类，将技术专家处理故障的经验、方法，通过系统进行积累和固化，故障发生时相关人员按标准流程对故障进行判断和初步的原因分析。

应急故障处理过程由故障处理流程图、故障指挥流程图和交互式互动功能组成，技术专家可根据经验对各类故障处理的流程不断优化或升级，通过流程分支的形式形成系统与用户的互动，便于快速直观地判断故障原因和处理故障。

（8）短信平台管理：接入短信网关，实现设备故障、事故救援、干部动态、问题库等信息通过手机短信（标准模版）发送，系统提供一体化的专用移动终端，主要应用于应急指挥、设备检修、作业卡控、设备管理等方面。

1.1.3 平台层

平台层主要包含应用支撑平台和数据库支撑平台。应用支撑平台以平台软件和服务为核心，用户通过对应的编程模型和API建立应用和发布，应用支撑平台包括数据接口、数据交换、数据整合、门户系统、目录与权限管理、系统管理，数据库支撑平台主要包括专家数据库、BIM模型数据库、设备监控数据库、故障维修数据库、资产管理数据库。

1.1.4 基础设施层

基础设施层主要由服务器、网络、存储设备等构成，通过维护网络与各设备集中站、停车场、车辆段站机进行通信；同时通过信号红网和蓝网与DCS、ATC接口，获取相关维护信息；通过维护网与ATS维护工作站接口，获取ATS相关维护息。

1.1.5 感知层

感知层用于实时监测轨道交通信号设备状态、发现信号设备隐患、分析信号设备故障原因，指导设备维护。

1.2 系统数据库设计

采用Oracle数据库，为系统提供数据存储、维护和检索功能，数据逻辑架构分为3层。

（1）顶层：数据应用层，为信息使用者提供服务；

（2）中间层：数据处理层，根据需要进行信息处理；

（3）底层：数据基础层，收集相关的原始数据。

1.3 系统实现

系统Web端使用Java作为主要开发语言，以Javascript+HTML的形式渲染呈现前端页面，并结合Javascript程序与Unity player插件，实现BIM模型的操作与展示。开发环境基于Windows,系统应用服务器搭建在Linux环境下，使用Eclipse与Visual Studio2017 作为系统集成开发工具（IDE，Integrated Device Electronics）。

IOS端主要开发语言为Objective-C，IDE使用苹果官方为开发者定制的Xcode 9，开发系统环境基于Mac osx。

Android端主要开发语言为Java，使用Android Studio，Android Studio 作为IDE，基于IntelliJ IDEA，类似 Eclipse ADT，Android Studio 提供了集成的 Android 开发工具用于开发和调试，开发环境基于Windows操作系统。

信号设备维护管理系统基于B/S架构，采用Java语言开发，采用Web Service接口实现各系统间的信息交互，使用Oracle数据库构建各个数据库，包括设备监控数据库、BIM模型数据库、故障维修数据库、资产管理数据库、专家数据库。采用Spring jdbc 和Hibernate技术，在保证数据库操作灵活性的前提下，使用数据缓存来提升数据的查询效率。在系统服务后台调取数据库数据资源后，利用开放的J2EE结合JSP 与Java script的方法对图形用户层进行渲染，呈现数据资源，结合Java script程序与Unity player插件的交互，实现BIM模型的操作与展示。

2 信号设备维护管理系统组成

信号设备维护管理系统主要由信号设备状态综合采集监测子系统、信号设备智能分析子系统、可视化信息子系统和综合维护管理子系统组成。

2.1 综合采集监测子系统

主要负责信息的采集和监测，采集和监测机柜、采集模块、车站服务器、道岔、信号机、计轴、电源屏、外电网、UPS、屏蔽门、联锁等设备的状态信息。

2.2 智能分析子系统

信号设备智能分析子系统对采集的各项开关量、模拟量及报警数据进行分析、归纳，为现场信号维护人员提供及时有效的诊断信息，能够简化维修流程或直接定位故障位置，帮助信号工迅速发现故障点，并快速处理，从而缩短维修时间，提高维修水平和维修效率。同时，针对车站监测的信息资源进行数据挖掘和智能分析，结合系统中各类实时信息和历史信息，进行设备趋势预警和预防性维修警示，从而为维护人员提供科学的维护依据。

2.3 基于BIM技术的可视化信息子系统

基于3D建模技术，为信号设备创建基于BIM的可视化信息子系统[2]，实现对故障设备的快速定位和设备属性查询，并可以将每次故障事件关键信息记录下来，和故障处理报告相互关联。

（1）设备竣工交付阶段

创建与现场实际工程相匹配的信号设备三维模型，同时根据运维单位的资产管理要求，对信号设备三维模型进行编码，使BIM模型数据库和资产管理数据库进行关联，根据应用层用户的资产检索、定位等需求，实现信号设备在三维模型中的快速检索定位，同时读取信号设备三维模型上附着的资产管理信息。

（2）设备维护管理阶段

对设备的技术图纸进行管理，结合生产、故障、安全风险信息，实现设备综合信息查询。并且设备信息和图形化界面结合，可以直观地在图形界面上点击调阅设备生命周期内的台账属性、器材列表、历史报警列表、历史问题库、历史巡检记录、历史流转记录、采集曲线等动态履历信息。系统提供了3D仿真展示的界面，还原设备实际使用场景及各类状态指示灯。

（3）车地一体实时显示

在传统站场图中加入车次号、关键设备状态等数据，建立车地一体、信息完备的运行站场图，使维护人员在设备维护及故障处理时掌握更全面的信息。

（4）室内外设备一体化图形显示

为了便于维护，室内外信号设备状态基于图形化方式进行展示，在一个界面中可综合展示地面信号设备、车载信号设备、电源等设备状态。室内外设备状态图形主界面，如图2所示。

图2 室内外设备状态图形主界面

（5）信号设备故障诊断及定位

信号设备综合运维系统通过对现场模拟量、开关量及报警数据的采集提供源数据给智能分析子系统，智能分析子系统依托预先设计的故障诊断逻辑策略对源数据进行智能分析与故障诊断，通过不同类型的故障逻辑分析方法可以对不同的故障进行分层的故障诊断。信号设备故障诊断及定位界面，如图3所示。

图3 信号设备故障诊断及定位界面

（6）设备故障维修

对于一些通用性强的故障维修方法，将其作为故障发生后的故障维修建议列出，以供用户查看，通过这种方式，可以缩短维修人员分析问题的时间，并且也更有针对性。信号设备故障维护，如图4所示。

图4 信号设备故障维护

（7）采集信息关联查看

将单个设备关联的所有模拟量、开关量一起呈现出来，可以完整地了解该设备的整体运行情况，同时当故障发生时，还可以在一个显示界面中查看需要查看的所有和故障相关的模拟量及开关量变化情况。

（8）应急指挥流程

建立故障处理专家数据库，按设备或故障现象分类，将技术专家处理故障的经验、方法，通过系统进行积累和固化，故障发生时相关人员按标准流程对故障进行判断和初步的原因分析。

应急故障处理过程由故障处理流程图、故障指挥流程图和交互式互动功能组成，技术专家可根据经验对各类故障处理的流程不断优化或升级，通过流程分支的形式形成系统与用户的互动，便于快速直观地判断故障原因和处理故障。

（9）信号系统应急备品、工具查询

系统提供应急备品及工具的查询功能，从应急备品台账中根据车间工区、车站、备品分类、备品状态（备品缺失、完全匹配、备品过量）、规格型号、设备厂家进行查询。

2.4 综合维护管理子系统

系统提供一系列管理工具，包括应急指挥、安全风险源管理、标准化作业管理、设备管理、无纸化办公等。为设备维修维护的全过程提供支持。涵盖全生命周期设备管理、生产维修管理、应急指挥、安全风险管理、质量管理等工作环节。同时可以为无纸化办公提供信息化平台支持。

3 数据库之间的信息交互流程

3.1 资产管理数据库与BIM模型数据库的信息交互流程

竣工交付阶段创建与现场实际工程相匹配的信号设备三维模型，同时根据运维单位的资产管理要求，对信号设备三维模型进行编码，使BIM模型数据库和资产管理数据库进行关联，根据应用层用户的资产检索、定位等需求，实现信号设备在三维模型中的快速检索定位，同时读取信号设备三维模型上附着的资产管理信息。资产管理数据库与BIM模型数据库的信息交互及流程，如图5、图6所示。

图5 资产管理数据库与BIM模型数据库的信息交互流

图6 资产管理数据库与BIM模型数据库的信息交互流程图

3.2 信号设备监控数据库与BIM模型数据库的信息交互流程

设备监控过程中由于线路设备多、设备监测指标多，不利于现场维护人员快速定位到关联的信号设备；通过BIM模型数据库与实际的信号设备及监控数据进行关联，制定标准的数据传输协议，利用信号设备的RAMS[5-9]后评价结构，将BIM模型的点位与监控系统相互对应，将监测预警数据实时调用给BIM模型数据库，根据信号设备RAMS后评价结果，动态监控信号设备运行状态。设备监控数据库与BIM模型数据库的信息交互及流程，如图7、图8所示。

图7 设备监控数据库与BIM模型数据库的信息交互

图8 设备监控数据库与BIM模型数据库的信息交互流程图

4 结束语

创建信号设备BIM三维虚拟模型，运用数据库技术对数据进行存储管理，设定数据交换接口，实现信号设备维护数据与BIM三维数据交互，从而设计基于BIM的设备维修管理系统架构。该系统架构具有真实的地铁信号系统维护场景、交互性强、操作简单等特点，在南宁地铁、昆明地铁、深圳地铁信号系统中得到应用，效果良好，弥补了传统信号系统数据庞大、不易解读的不足，对于优化信号系统架构、提高系统运用效率具有重要意义。

[1]杨振宇. 基于模糊集理论的柴油机可靠性分析及系统设计[D]. 南昌：江西理工大学， 2009.

[2] 董锡明. 机车车辆故障与可靠性分析[J]. 铁道机车车辆，2004，24（6）：42-47.

[3] 王庆锋. 基于风险和状态的智能维修决策优化系统及应用研究[D]. 北京：北京化工大学， 2011.

[4] 何关培．BIM总论．北京：中国建筑出版社， 2011.

[5] 李国正. 基于RAMS的地铁列车车载设备维修策略与故障诊断研究[D]. 北京：北京交通大学，2013.

[6] 李国正，谭南林，王山石.地铁列车车载故障诊断系统设计与开发[J].电子测M与仪器学报，2012，26（10）：904-910.

[7] 张玲霞. 导航系统故障检测与诊断及其相关理论问题的研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[8] 刘 琦. RAMS标准在轨道交通设计阶段的应用[J]. 中国铁路，2012（2）：25-28，35.

[9] 王业飞. RAMS的安全例证分析与应用[D]. 郑州：郑州大学，2013.