李俊波,沈 鹍,王东妍,郝贵才
(中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所,北京 100081)
全国铁路营业里程“十三五”期间增加至14.63万km,其中,高速铁路达到3.79万km,“八纵八横”高速铁路网加密成型[1]。伴随铁路信息化建设的发展,建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)技术已被应用于铁路工程设计、建造、运维过程管理当中。基于BIM的铁路工程管理平台标准规范体系建设,优化了传统工程建设的工作流程、技术管理标准与规范[2]。BIM是一个涵盖项目从设计到运维生命期的管理工具[3],可承载丰富的设计、施工、维修信息,实现基础设施全生命周期数据集中统一管理[4]。基于BIM的运维管理,能够有效提升管理水平和工作效率[5],是进行跨专业信息共享、高效协同的重要技术支撑手段。
目前,中国国家铁路集团有限公司(简称:国铁集团)正在积极推进运输生产和劳动组织改革,构建高速铁路综合维修生产一体化管理模式,创新运营养护维修模式[6-7]。铁路工程设计、建造数据对运维阶段价值显著,在高速铁路综合维修一体化改革驱动下,本文运用全生命周期管理理念,设计基于BIM的综合维修生产管理信息系统,运用数据驱动设计、建设阶段的信息向运维传递,接入运维期检测监测数据,实现跨专业信息共享与应用,推动工程建造与运维阶段的紧密衔接,进行综合维修模式下的生产流程再造[8],进一步提升高速铁路基础设施运维管理水平与工作效率。
铁路BIM联盟已初步建立了相关标准体系框架[9],基于BIM技术的可视化模型承载着大量的工务、电务、供电专业基础设施设计、建造数据信息,相关数据可直接应用于运营及设备养护维修中[10]。
(1)目前,铁路基础设施由建造期向运营期的数据交接尚未做到平滑过渡,需进行大量人工干预,对数据加以规范整理。
(2)在系统层面,建设期系统与运维期系统相互独立,且专业分割,难以进行数据共享与联动,亟须采用新的技术手段,将工程建造、运维数据紧密衔接,减少人工干预,进行数据自动交付与共享。建设期数据可为运维管理提供数据基础,运维期结合工程设计、建设期数据及运营阶段设备缺陷、维修等数据,正向反馈驱动优化工程设计。
(3)推动构建可视化的检测监测体系、生产维修过程管理,形成全专业信息的共享和深度运用,开 展数据深度分析、挖掘和智能化应用。
本文在坚持国铁集团信息化建设“统一规划、统一标准、统一平台”原则的基础上,推进基于BIM的综合维修生产管理信息系统研发与建设。
系统采用B/S模式和云化资源,在国铁集团主数据中心铁路内部服务网集中部署,用户通过内部服务网终端进行访问。支撑国铁集团、铁路局集团公司、专业站段、车间、班组用户的联网应用。
系统在铁路内部服务网中通过数据服务平台与铁路工程管理平台、铁路自然灾害及异物侵限监测系统、北斗基础设施监测系统、一体化综合视频监控系统、信号集中监测系统、供电6C数据中心实现数据交互,与铁路地理信息平台实现地图及功能服务调用。系统架构如图1所示。
图1 系统架构
基于BIM的综合维修生产管理信息系统技术架构主要由访问层、接口层、服务层、数据存储层组成,如图2所示。
图2 技术架构
访问层:用户可借助PC端、移动终端或其他终端设备访问系统,实现用户操作交互。
接口层:采用微服务网关中心模式,将系统涉及的工务、电务、供电专业业务分解为多个独立部署的服务应用,实现对单体业务接口访问的解耦。
服务层:包括服务通信、业务服务模块、服务管理及统一日志记录和统一权限管理。通过服务通信实现数据调用与存取;业务服务模块支撑业务功能实现,包括统一坐标体系下的BIM、地理信息系统 (GIS,Geographic Information System)服务融合;服务管理用于配置、发布管理服务接口;统一日志记录提供安全日志审计;统一权限管理实现用户身份到应用授权的映射。
数据存储层:主要实现结构化、非结构化数据的存储,用以满足工务、电务、供电专业的检测监测、生产维修及现场视频、图片、语音等多样化的数 据存储需求。
BIM+GIS可视化功能实现统一场景融合全线的BIM、GIS和周边地形地貌数据,以工务、电务、供电、房建基础设施BIM为载体,承载工程设计、建设过程、设备履历、检测监测、设备缺陷、养护维修等数据。同时,集成运营期各专业检测监测报警数据,运用BIM+GIS与设备单点缺陷、区段单元评价与轨道质量指数(TQI,Track Quality Index)数据相结合,直观展现单点及区段设备质量状态。将线上生产作业、设备缺陷报警与视频进行联动,运用视频分析结果,辅助判定作业安全规范,实现跨专业信息共享与运用。
利用生产作业终端App,对现场作业过程进行监控,实现作业计划获取、人员及机具进出场确认、关键作业过程短视频及图像采集、现场作业工单回复等功能,结合BIM+GIS可视化功能,全程监控跟踪作业过程及人员活动轨迹。
按照设备检修周期、设备状态分析结果建立月、周、日生产计划编制功能。结合天窗计划、车辆运行计划进行多专业的周生产计划平衡。日计划主要编排作业、人员、机具、物料、风险防控等信息,以工单为驱动,形成生产力要素配置、上道安全控制、设备缺陷整治、设备更新信息的联动管理。
利用工务、电务、供电检测检查数据对线路区段、桥隧、道岔、信号、接触网等设备质量状态进行评价,开展工务、电务、供电设备单元量化分析,以道岔为主的工务与电务结合部分析等。结合专业缺陷数据建立专业问题库,辅助专业分析人员判识设备质量状态、设备缺陷,筛选优先维修地段,为编制状态修生产计划提供依据。
实现基础设施分专业设备履历的统一管理,包含工务专业(坡度、曲线、车站、道岔、股道、钢轨、轨枕、道床及桥隧设备等)、电务专业(通信基站、中继站、信号机、轨道电路、转辙机、应答器、轨旁设备等)、供电专业(接触网支柱、接触悬挂、补偿装置、分段绝缘器、断路器、隔离开关、变配电所等)。基于设备台账数据,建立设备专题图管理功能。
建立工务专业动态检测车检测数据文件加载与入库、车载式线路检查仪数据实时接入、便携式添乘仪与人工添乘数据管理功能,对原始检测数据进行管理;实现电务检测车检测缺陷问题的采集功能;建立供电检测问题缺陷标准,实现供电1~4C检测缺陷数据的分类管理。
实时接入北斗基础设施监测系统路基沉降、边坡位移、隧道仰坡监测报警数据、信号集中监测报警数据、供电5~6C监测数据及图像,分析报警点监测数据历史变化趋势,辅助研判报警发生原因,为专业养护维修和应急抢修提供技术支撑。
规范专业设备检查缺陷标准,实现工务道岔、曲线、桥梁、隧道、涵渠等日常检查数据采集,电务现场检查维护记录、检修电气测试数据的标准化采集,供电设备日常、周期性检查数据的采集。
利用地理信息空间数据引擎发布BIM服务,基于铁路地理信息平台,统一存储和管理铁路GIS空间数据,发布为标准、规范、共享的空间数据服务,在应用层面实现BIM、GIS服务的融合。
分类组织工程建设阶段数据,按专业管理模式形成项目及单位工程信息、设计及建设期数据目录,归集工程建造期数据;按照施工与竣工运营里程对照关系,转换建设期数据,形成运营期数据,以运营期数据需求为导向,形成运营基础数据,建立以BIM为承载的建设期完整竣工交付数据。
基于BIM的综合维修生产管理信息系统于2020年8月在北京—张家口高速铁路(简称:京张高铁)开展试点,面向中国铁路北京局集团有限公司、所属段、车间、工区开展运用。系统接入工程建造期数据,统筹管理运维期工务、电务、供电专业生产流程,接入高速铁路防灾、北斗基础设施监测、综合视频、信号集中监测、供电6C缺陷数据等,采用数据驱动方式,进行基础设施全生命周期管理。
系统基于BIM+GIS技术,将铁路基础设施的设计、施工、建设管理所涉及到的各类数据信息纳入运维层面,建立完善的数据管理体系,实现了铁路基础设施数据的集中统一管理,对三维空间场景进行虚拟化展示和数字化管理,图3为多专业数据资源共享及多场景数据联动界面。
图3 多专业数据资源共享及多场景数据联动界面
集成展示京张高铁工务、电务、供电等专业设备设施空间信息,与设备履历、检测监测、生产维修、状态分析数据相融合,通过二/三维空间动态展现各专业设备技术参数、生产维修信息、设备质量状态及变化趋势。
通过业务流程改造,建立统一的综合维修生产作业流程,图4为统一生产作业流程界面。系统以高效组织生产过程为核心,建立检测检查、状态分析、生产计划、线上作业、安全管控、质量评估闭环生产组织流程。
图4 统一生产作?业流程界面
系统运用BIM+GIS空间数据服务,通过铁路数据服务平台实现与高速铁路防灾、信号集中监测、综合视频、供电6C的数据集成。动态实时呈现京张高铁沿线设备报警信息,同步调用视频,进行报警信息的快速复核与确认,同时,将维修计划与综合视频进行联动,辅助开展维修作业安全管控。图5为日天窗计划进出通道门联动视频分析界面。
图5 天窗计划进出通道门联动视频分析界面
基于BIM的综合维修生产管理信息系统以工程建设期BIM+GIS为载体,围绕工务、电务、供电基础设施,综合运用动态检测、自动化监测、人工检查数据,辅助开展状态修、预防性维修决策,实现设备销缺、维修生产流程闭环,推动基础设施建设维修一体化及全寿命周期管理。在系统运用过程中,还存在建设数据交付标准化、BIM轻量化、专业设备缺陷字典规范化、综合维修模式下的生产组织深度融合等问题,后续将进一步深化与相关专业信息系统的资源共享,运用大数据手段优化设备检测数据分析与维修决策分析,为打造铁路基础设施智能运维体系提供参考。