BIM技术在轨道交通车辆全寿命周期管理中的应用研究

和杉剑

（天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司，天津 300400）

建筑信息模型（BIM）[1]技术是应用于工程全生命周期管理的数据化工具，通过整合项目相关信息的参数模型，在项目设计、建设和运维的全生命周期中进行展示和应用，相关参与人员充分理解各种建筑信息，从而进行高效的决策。BIM技术的提出始于20世纪末的美国[2]，在国内，一些大型项目也先后应用了BIM技术，如水利工程中的南水北调工程[3]、铁路工程的桥梁设计[4]、客运专线线路设计项目等。在轨道交通工程建设中，BIM技术的应用还处于初始阶段，主要解决管线的安装空间、检修空间[5]等问题。

BIM技术应用于轨道交通车辆全生命周期的设计、生产制造和运维管理才刚刚开始[6]。车辆BIM技术应用最终实现目标是通过建设网页端及移动端网络系统，实现对车辆项目“规划–设计–采购–物流–生产制造–试验–交付–调试–验收和运维”全生命周期进行管理，对项目执行阶段的各项数据进行采集、汇总、分析挖掘，实现标准化、规范化、精细化、信息化管理。国内地铁公司的主要关注点为车辆设计、制造和运维的管理，轨道交通车辆的最终用户关注于车辆的生产制造质量和后期运维管理的方便性。

本文旨在从BIM技术在全寿命周期中应实现的目标出发，提出BIM技术在车辆全寿命周期各阶段的应用范围和内容，并对建设单位关注的车辆制造过程质量控制和车辆运维数据的收集和处理提出了具体方案。

1 车辆BIM技术分析

实现BIM技术在所在行业各阶段、各专业间的协同应用是未来研究的重点[7],目前，国内在建的轨道交通线路运用BIM技术的基本构想是：建设单位建立BIM 应用协同管理平台[8-9]，分专业建立专业平台或先分专业建立BIM平台再接入BIM应用协同管理平台，涉及的基本专业如图1所示。

1.1 车辆BIM技术实现目标分析

图1 轨道交通BIM涉及的主要专业系统

BIM技术应用于轨道交通车辆的全寿命周期管理中应实现的目标如下。

1.1.1 同步共享性目标

通过车辆BIM平台接入并应用于建设单位BIM协同平台，将车辆设计、生产阶段的信息及产生的相关资料实时上传至协同平台中，实现与建设单位BIM协同平台同步与共享，保证建设单位查看项目进度等信息的实时性，完成项目全阶段的管理监控、验收整改、档案资料归集等工作。车辆制造厂家对数据模型的同步性、完整性和真实性负责。

1.1.2 动态管理目标

严格执行建设单位的相关管理办法，如 “二维码管理办法”等，目的是实现设备材料“到货-进场检验-安装-调试-验收-移交”各阶段的动态管理。

1.1.3 安全控制目标

在设计和生产初期梳理安全风险点，与生产组织设计进行对比、分析、纠偏，及时将安全隐患和防护措施录入系统中，提高生产现场安全管理水平，及时与车间生产人员进行技术、安全交底。

1.1.4 质量控制目标

提高生产质量监控力度、质量管理水平、一次性验收合格率。利用车辆BIM平台对材料和设备的质量品质、主要生产过程等进行监控管理，及时将材料设备检测情况、生产质量信息及质量验收报告等资料录入系统中，发现问题及时反馈。

1.1.5 进度控制目标

项目初期制定详细工作计划和进度计划，减少设计生产过程的返工，优化生产安排，与进度目标进行实时分析，同时建设单位及时跟踪项目的进度情况，完成项目进度目标控制。

1.1.6 运维目标

利用BIM技术提供车辆及部件的详细信息平台，支持模型属性的更新维护，提供分类显示、查询统计。

利用用户现场车辆运行数据，实现对产品运行状态的实时采集及监控，对采集的产品数据进行汇总、建模、分析、展现，达到对车辆故障诊断、状态预测和修程指导等运营维护的目标。

1.2 车辆BIM技术框架分析

为了实现车辆BIM技术的目标，建立的BIM技术框架如图2所示。

图2 车辆BIM系统框架图

1.2.1 车辆厂实施的内容及方式

（1）设计：车辆厂将设计图纸、检查资料、生产制造资料及相关文件数据通过车辆BIM平台，自动生成信息文件同步实时上传至建设单位BIM协同平台，将项目各阶段数据与模型关联。

（2）物料采购：车辆厂根据总体生产组织设计梳理出所有设备材料的到货计划，自动生成采购信息并导入车辆BIM平台中，再同步实时传至建设单位BIM协同平台，实现制造阶段对设备材料的控制。

（3）生产制造：车辆厂在完成设计后制定生产计划并组织生产，同步实时上传至车辆BIM平台和建设单位BIM协同平台，实现动态跟踪可视化施工组织设计的实施情况，在生产过程中，建设单位通过车辆BIM平台对生产进行实时监控。

（4）物流：车辆厂生成设备材料的物流信息，实时同步上传至车辆BIM平台和建设单位BIM协同平台。同时，通过对二维码技术的应用，将设备材料信息录入车辆BIM平台，全程实时监控设备材料“到货-进场检验-安装-调试-验收-移交”的全过程跟踪管理。

（5）主要部件二维码：车辆厂现场管理人员通过扫描二维码，录入现场的材料设备实时状态（出库、入库、安装、进场、出厂），建设单位人员通过车辆BIM平台获取现场材料使用情况。检修或维保人员在质量检测过程中通过扫描二维码，录入质量检测信息，如果出现质量问题，通过调用前期的跟踪信息找出问题原因并确定相关解决方案。

1.2.2 用户现场的实施内容及方式

（1）调试、验收：应用车辆数据分析系统自动记录车辆各期间的调试信息。通过远程信息控制导入到车辆BIM平台，同时，通过BIM接口同步实时录入建设单位BIM协同平台中，通过二维码的信息记录每列车的验收相关情况。

（2）运维：车辆厂应用车辆BIM平台及时了解地铁车辆使用情况、维修记录等，对地铁项目在使用过程中进行能耗分析和节能控制，并对地铁运营管理情况进行实时监控，从而实现可视化、智能化管理。

2 车辆制造质量与BIM技术

车辆厂运用车辆BIM平台使质量管理贯穿于整个项目中，包括原材料、设施设备及备品备件进场，设计生产全过程的质量控制管理。质量控制过程主要分为：项目实施前质量控制、项目实施过程中质量控制和后期项目试验验收质量控制。利用BIM模型可视化、可模拟性和协同性为设计生产过程提供技术上的支持，保证车辆设计、生产质量的提高。

车辆的质量控制技术涵盖影响车辆生产制造的各个阶段，主要包括设备材料进场控制、图纸质量控制、车间加工工艺、现场组装工艺及后期试验和整改的控制等。质量管理控制的技术流程，如图3所示。

3 车辆运维与BIM技术

车辆数据分析系统是指导车辆运维的有效手段，系统实时收集运营车辆的运行状态和故障数据，并通过专门的分析处理软件，对车辆大量历史数据进行挖掘，实现列车故障预测、相关故障处置智能指导、修程智能指导。系统通过BIM接口接入建设单位BIM协同平台，结构如图4所示。

图3 质量管理控制技术流程图

图4 车辆数据分析系统结构图

车辆数据分析系统分析的数据为车辆的试运行和运营数据，主要来源于列车的多功能车辆总线（MVB）、以太网和离线检修。

3.1 MVB数据

MVB为列车网络的一部分，其传输的数据主要是牵引辅助系统及制动系统的状态、故障信息，以及列车控制和管理系统（TCMS）的列车基本运行状态信息。其中，系统状态数据传输内容覆盖了列车基本运行状态信息及列车所有关键子系统主要运行状态监测点信息。基本运行状态信息主要包括列车车号、列车运行模式、列车运行站点位置、牵引或制动指令模式、列车行驶速度、牵引制动级位、运行时间等。从MVB通道采集数据的子系统主要有牵引辅助系统、制动系统等。系统状态信息包括系统通信状态、受电弓升降状态、报警状态、各关键电路的旁路状态、紧急制动状态等。主要子系统的状态信息如表1所示。

表1 状态信息例举

3.2 以太网络数据

该部分数据从车辆以太网获取，包括车门系统、空调系统、乘客信息系统（PIS）、火警系统、弓网关系在线检测系统、走行部监测系统、蓄电池在线监测系统以及其它模块的状态信息，故障数据等。

将MVB数据和以太网数据根据其用途分为以下几类：（1）与车辆运行安全相关的数据，如牵引制动状态、总风压力等；（2）与列车运行质量相关的数据，如空调温度、开关按钮的操作等；（3）与列车运行状态相关的数据，如列车速度、载客量等；（4）与车辆维修维护决策相关的数据，如转向架轴箱轴承等关键部位的振动温度、继电器动作次数等。

3.3 离线检修数据

离线检修数据包括日检、周检、架修以及架大修等检修过程中的故障及维修信息，既包括检修时发现列车异常现象的记录，又包括维修的具体内容。需要将列车故障描述和维修规范化，建立完善的故障字典，为列车大数据分析提供基础数据。

4 结束语

2011年住房和城乡建设部印发的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》对促进BIM技术在国内的发展具有重要而深远的意义，目前，BIM技术应用于轨道交通车辆全寿命周期还处于探索和研究阶段。本文主要从建设的角度分析了车辆BIM技术应实现的目标，并根据目标提出了车辆BIM技术的系统框架，着重对建设单位关注的车辆生产质量控制和运营维修数据进行了详细的探讨，为BIM技术在轨道交通车辆的应用提供参考。