BIM技术在轨道车辆运维方面研究综述
发布时间：2022-01-14
摘要：基于国内外相关研究，梳理了近年来的研究现状，总结归纳了 BIM 技术在轨道车辆运维领域的理论、技术及应用的研究成果。研究表明：在理论方面，轨道车辆的建模和数据库建立精细化程度不高，运维全生命周期整体性不足;在技术方面，模型共享、软件协同、信息管理及车辆监测等方面需进一步研究完善;在应用方面，轨道车辆运维的可视化程度、成本管理及软件开发的研究需要更加具体和专业化，细化到各个层面;未来的研究应加强 BIM 多专业之间的协同设计及数据的规范化;实现与新信息技术的融合，构建智能的综合性管理平台，实现 BIM 软件更深度的二次开发;将理论、技术与应用结合起来，构建完整的轨道车辆 BIM 运维体系;完善基于 BIM 的可视化管理系统，加强对轨道车辆运维中所有服务对象、数据、业务功能一体化管理，提高轨道车辆运维的效率，为轨道车辆运维提供研究基础和理论依据，确保轨道车辆的安全运行。
关键词：交通运输工程;BIM 技术;轨道车辆;运营和维护;安全设备技术
0 引言
随着当代信息化和智能化技术的不断发展，建筑信息模型技术(Building Information Modelling, BIM)应运而生，是通过三维技术将所有建设项目中的相关信息整合为一个可视化的重要技术模型[1]。能够实现工程技术领域各个环节的信息共享和协同管理，实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化智能化管理[2]。
随着国内外信息化、空间定位、人工智能等技术逐渐发展以及大数据平台的日趋完善， BIM 技术被广泛应用于轨道交通建设中的项目设计、施工阶段，涵盖 BIM 技术的共同设计、施工管理等。BIM 作为一个技术性软件，其主要作用体现在了工程设计、施工领域阶段中的可视化功能中，但是随着 BIM 软件功能的不断开发，学者研究发现其可视化功能可被应用于各种领域的运维阶段，同时可以发挥减少运维成本、提高运维效率的功能。之后 BIM 技术开始被应用于轨道车辆运维领域，对于目前的研究而言，大部分的文献研究基本处于理论探索阶段，所以在深化技术和加强应用方面有极大的研究空间。本文就针对于目前的文献研究现状，主要从现状、理论、技术和应用这四个方面归纳梳理了目前的研究成果以推动该领域的发展。
1.BIM 在轨道车辆运维领域现状分析
1.1 现状分析 BIM 技术开始被广泛应用于建筑领域，而将其发展应用于轨道车辆运维领域是从 2008 年开始，由于其处于起步研究阶段，大致可以分为以下 2 个阶段。
第 1 阶段从 2008 年开始到 2015 年，在这一阶段，国内国外都提出了设想，将 BIM 技术初步应用于轨道车辆运维领域以及解决其相关的建模技术和传感技术等一些研究方向[3]。最初王广斌等[4]都只就 BIM 应用于轨道交通领域的设计施工阶段进行了研究应用，对于轨道车辆运维领域没有进行深度研究。之后 2008 年祝嘉[5]提出了将 BIM 应用于城市轨道交通工程的初步构想，以工程项目的四个主要阶段(前期规划、设计、施工和运营)为主，提出了相关的 BIM 应用构想。这一阶段主要是为 BIM 技术能够被应用于轨道车辆运维领域提供一些研究基础和设想。
第二阶段则为 2015 年至今，这一阶段由于轨道车辆建模及传感技术的初步成型，为 BIM 技术应用于轨道车辆运维领域提供了基础，同时由于研究方向的不同，具体分为了两个方向。由于 BIM 在轨道车辆设备运营阶段产生的数据与设施设备管理系统的应用存在断层，信息缺少一定的回路反馈，使其运营维修和早期设计、施工阶段的数据链之间不匹配，所以其研究的主要方向为信息交换标准的完善、面向运维的设备管理系统、信息集成和数据集成机制 [6]。例如将建筑业国际工业标准这一国际规范作为标准实现数据的相互转换，用于 BIM 的仿真与分析[7]。而另一个方向则是挖掘 BIM 技术在轨道车辆运维领域的应用价值以及 BIM 技术与其他技术的相互结合。例如赵玉林[8]提出了将 BIM 技术与设施管理技术相互融合，为轨道车辆运维管理提供了宝贵的思想基础和方法;林云志等[9]则将地铁综合监控系统与 BIM 技术相结合，提供了构建 3D 地铁运维平台的解决方案。这一阶段主要是为 BIM 技术能够被应用于轨道车辆运维领域提供一些关键技术基础，同时也为接下来的深入研究提供了方向。
1.2 应用影响因素分析
BIM 技术被应用于轨道车辆运维领域的影响因素主要分为两种，即社会因素和技术因素。这 2 种因素影响了 BIM 技术在轨道车辆领域的应用，对这 2 种因素进行深度分析可以发现 BIM 应用之后的发展趋势。
社会因素主要包括 BIM 技术的应用价值和社会效益。对于应用价值来说，BIM 技术被广泛应用的领域是建筑建设和设计阶段，由于其建模和可视化的优势，使得工程建设可以一目了然，从而实现相应的工程建设模拟，进一步掌握建设的进度和细节 [[10-11]。同样的，BIM 技术被应用于轨道车辆运维领域最主要的优点就是因为其可视化，通过建模可以掌握轨道车辆的各种部件细节，实现对轨道车辆的运营维修，因此，可得到相应的社会效益[12]。由于轨道交通不仅仅产生的是经济效益还有对社会安全的影响，轨道车辆的运营和安全维修更需要通过一个智能有效的方式来实现，所以 BIM 技术的应用也是理所当然的，而挖掘其产生的价值以及 BIM 技术能被应用的深度研究也是一个重要的研究方向。
技术因素的制约也是限制 BIM 技术被应用于轨道车辆运维领域的重要部分。首先是 BIM 建模缺乏相应专业轨道车辆的建模平台，所以就现阶段而言建模平台的选择研究尤为重要，建立一个适合的轨道交通模型是最重要的基础[13-14]。其次是传感器和实时数据的监测。 Mohamed 等[15]将无线传感器与 BIM 模型相结合，实现了设备维修者对故障设备的快速定位维修和系统性的利用 BIM 模型完成自动化的故障维修报告生成，以便于针对性的进行设备维修;李宽丽[16]提出了将 BIM 模型与传感器和检测系统相互联系，使得实现对轨道交通系统的实时监测，并使其得到的信息数据与各个运维信息平台实现数据共享，这为 BIM 技术应用于轨道车辆运维阶段提供了基础性研究。最后是数据信息的互通与关联性不足，其研究的主要方向是数据信息的全阶段统一和相互交换。只有解决以上的技术因素，BIM 在轨道车辆运维领域的成熟应用才有可能成为现实。
2.BIM 技术在轨道车辆运维领域理论研究
2.1 适应于轨道车辆的建模研究
城市轨道交通工程建设过程中，参与方逐渐意识到各专业的协同问题，尤其是涉及到建模的一致性、可重用性问题，并尝试在现有的商业软件上找到整合的办法。实现数字化设计和分析的核心是贯通工程的三维 CAD 与 CAE 模型。三维 CAD 软件众多，包括 CATIA、 Revit、Bentley、3DMAX 等;CAE 更为广泛，比如 ANSYS、PKPM、DELMIA 等。通过统一的模型实现 CAD 与 CAE 之间的数据传递，避免模型不一致的问题，形成基于 CAD/CAE 集成的协同设计与仿真分析平台[17]。如图 1 所示。
为解决模型共享和重用问题，实现数据一体化协同，企业应用中形成了基于平台的 BIM 工程。现有的商业软件平台主要由软件公司主导，如广联达 5D 工具、欧特克的 360、达索的 ENOVIA 等，通过集成工具软件集，形成解决方案，建立基于 BIM 的研发平台。这些平台在一定程度能够系统性地管理模型，开展协同工作，但系统开放性不强，在多专业协同等实际建设过程中操作难度大。
在以上这些软件中，不同的 BIM 软件都有其各自的优缺点，也有其不同的应用研究方向。其中 Revit 与其他软件相比，可以自行解决架构、结构、设备等诸多专业问题，实现多方面的联合设计。同时它作为一个参数化的图元软件，能够通过其参数化建模的特点，使用户对模型和文件的修改进行准确的反映，提高用户的工作质量和效率。Revit 还可以提供十分详细的图表信息以及多种视图和质量很高的图纸，为大量工程信息同时开放 API 供用户访问。除了以上几个特点，Revit 还具有强大的数据链接功能，仅需修改部分即可实现整体更新，从而避免了系统中发生的低级错误。由于 Revit 具有强大的二次开发能力，能够适应不同的情况，从而建立适应于现有状况的模型[18]。
目前 Revit 软件是研究领域中被使用最多，用途最广泛的 BIM 软件，但是对于目前的 BIM 技术来说，其建模的过程在其他领域被应用程度较高、发展的比较完善，而在轨道车辆领域建模的过程尚处于初步研究之中。对于轨道车辆工程领域来说，BIM 技术的建模对于车辆部件信息模型精细程度要求更高，同时为了实现车辆运营过程中的信息交换和分析，还需要录入车辆的运维信息。所以本文基于 Revit 软件为例简单归纳整理出 BIM 软件的建模步骤，这是实现 BIM 技术应用的重要基础。
轨道车辆信息模型包含了车辆 BIM 模型、设施参数和设施运维数据。就目前 BIM 领域的研究现状进行分析，通过具体信息模型建立出一个简单的基于 Revit 软件的 BIM 轨道车辆运维通用模型研究框架，见图 2。
针对于此研究框架，要实现车辆建模，首先需要建立车辆设施 BIM 模型。为此，需要构建一套基于 Revit 的车辆设施和设备。然后要建立 Revit 套件的车辆设施和设备库，这就需要对某些车辆设施和设备进行分类。由此就可以将车辆设施通过先分类，再构成不同的族，再将族以不同的类型划分建立，即该过程可用“类别-族-类型”来表示。之后再按照 Revit 族库将车站设施设备布置集成于车辆的布置图中，由此就可以建成车辆设施 BIM 模型。
其次建立车辆管理设施运维模型。建立车辆管理设施运维模型主要包括两个方面，分别为设施参数和设施运维数据。设施参数为车辆设施设备中自带的固有属性数据，具体表现为设备之间不同的资产名称、资产编码、设计使用年限、大修频次、规格型号、供应商、移交时间、权属单位、系统小类、系统中类、系统大类、安装地点、项目名称、当前使用状态、开始使用时间、维修部门、使用部门、所属车站、所属线路、原值(决算价)、合约价、出厂价(单价)、项目编码、项目合同编码、设施维修手册、设施操作手册、项目(线路)竣工移交资产类型标示以及备注等。在以上设施参数中，设施操作手册和设施维修手册也用作设施参数。这些固定的数据是车辆不同设备之间不同的属性，可以将其录入后台的数据库，并让其与车辆设施设备模型形成映射关系，集成于设施 BIM 模型中。这样就可以将数据库与 BIM 模型相互关联起来。设施运维数据为轨道车辆中设施运行维修中产生的动态数据，即设备设施的运营维修信息[19]。主要包括临修和大修记录、设施使用期间的巡检等，其中大修是按照规定的大修频次进行的维修，临修则包括故障性维修和计划性维修。通过对设备运营维修信息的不断修改和记录，将巡检记录和维修记录这 2 个方面的内容及时反映到数据库和 BIM 模型中，实现 BIM 模型对车站设施设备运维过程中的数据反馈。特别是设备维修工作不仅直接影响设备的质量，也是控制车辆运营成本的重要工作，对设备运行的安全性有重要影响，因此完善的维修工作和相关的设备使用是整个设备维修系统中的关键[20]。
最后为了实现 BIM 技术多专业、多领域的信息协同，节约运维成本，所以将轨道车辆和其管理平台作为一个统一的整体来进行建模，这样可以实现更完善的设施设备管理。以某地地铁数据为例，通过以上建模流程可得到地铁车站车辆模型，见图 3。
2.2 适应于轨道车辆的设备及数据库建立
由于设备在运营和维修阶段会产生各种相关信息，该信息会反映到数据库信息中，使得设备信息可以不断得到改善，因此，设备生命周期信息可以存储在数据库中，然后通过对此数据库的开发可以为设备的整个生命周期提供一个操作和维修平台。对于设备和数据库的建立，大部分的研究都是借鉴了其他领域建设中的研究成果，关茂等[21-22]则对运维数据库的建立提出了更深层次的应用构想。同时可以根据存储的数据生成各种报告，并且基于这样的报告信息，可以执行轨道车辆的操作和维修趋势分析 [23-24]。在建立设备维修信息化管理系统之前，设备接口管理标准是要解决的一个关键问题[25]。由于不同专业设备由不同的管理部门进行管理，所以在设备编码和信息储存上就有了不同的区别，而为了使其与设备管理软件相集成，就需要使用统一的信息接口标准，实现不同系统之间的互操作性和数据交换。
对目前的运维数据库建设进行分析，得出数据库具体的功能规划模块，见图 4。该系统采用相应的数据库并且使用 Revit API 软件进行二次开发，并将与设备运行和维修数据库相关的数据信息导入到 BIM 模型中，以便于在数据库和 BIM 模型之间建立互连关系。
BIM 模型的建立主要体现在 2 个方面，一个就是数据库的建立，一个是形成车辆设备设施信息与 BIM 模型、数据库之间相互联系的关系。而车辆设备设施信息不仅包括设施设备的固有属性，还包括在运营维修阶段的动态属性。模型的建立就是为了形成一个实时准确的反馈机制，这样就可以在轨道车辆运营维修阶段实现实时监控，并通过大量数据的计算优化，从而达到优化运营、节约维修成本的目的。对当前业界常用的 BIM 软件进行分析，可以得出软件的建模特点，发现主要是以“类别-族-类型”的顺序对车辆设施实施建模，同时为了满足设施管理的需求，在选择设施参数和操作设施的同时，将设施参数以及设施运行和维修数据集成到车辆 BIM 模型中，以建立轨道车辆的运行和维修模型[26]。
BIM 技术在轨道车辆运维并不是作为一个完全独立的系统进行使用，在建立车辆 BIM 模型之后，可以通过其他智能运维系统和其子系统的传感器得来车辆数据，然后将这些信息集成在 BIM 所建成的模型中，实现数据在不同运维平台系统中的标准化和统一化，同时实现智能运维系统在互联网数据下的相互统一，使得不同系统成为一个互相关联的整体[27-28]。
2.3 BIM 技术在轨道车辆运营领域理论研究
BIM 技术在运营领域的理论研究目前研究成果较少，主要提出了以运营为导向的 BIM 应用，体现在对轨道车辆运营过程中车辆产生的各种信息监测过程中。由于运营类型不同，主要分为了服务性方面、效益性方面和效率性的应用[29]。具体研究内容如表 1 所示。而理论研究的主要成果集中在了通过 BIM 实现运营阶段车辆管理信息集成情况，整理分析一些理论应用案例,得到如下的信息集成框架，见图 5。
2.3.1 轨道车辆服务性方面的应用
在服务性方面的应用中，通过图 6 来实现对车辆的信息监测，主要包括车厢乘车率的监测与客室噪声值的监测两方面。
在车厢乘车率的监测中，通过 BIM 模型建立后对车辆的各节车厢进行实时监测并将数据反馈到运营中心，以及通过对车站闸机的进出站客流量数据的整理反馈，可以直观地读取当前车辆的车厢乘车率，因此，可以实现对乘客更准确的监控、管理和运力分配以及乘客流量引导，为乘客提供更好的服务。
在客室噪声值的监测中，影响车辆噪音的关键因素包括轨道减振措施、车轮踏面缺陷、钢轨波磨、列车运行速度等。而使用 BIM 技术将对产生车辆噪声的主要因素加入到数据库中进行观测分析，可以直观地得到客室噪声值的数据变化，从而为提高乘客舒适度提供一定的解决途径和方法。
2.3.2 轨道车辆效益性方面的应用
效益性方面的应用主要包括受电弓弓条磨耗率的监测和轨道车辆运营日管理两方面。
在受电弓弓条磨耗率的监测方面，由于轨道车辆线路使用受电弓供电方式的逐渐增多，弓条的异常磨损情况也逐渐增多，如何及时的监测到弓条的磨损的异常数值，减少车辆的运营成本是轨道车辆运营阶段的一个重要问题。而 BIM 可以从相关软件获得的值作为关键参数导入到数据库中，例如燃弧测量、温度上升测量、硬点冲击测量、图像尺寸比较等。然后通过相应的软件推算受电弓弓条的磨耗率，完成对整个轨道车辆智能运维平台中不同软件的相互关联，从而达到了监视轨道车辆运行状况、控制其维修费用、优化和控制轨道车辆运行成本效益的目的。
在轨道车辆运营日管理方面，BIM 模型将通过相应智能运维系统中得到的车辆检修计划、故障情况、运行里程、施工情况、扣修情况以及当前股道位置等信息通过接口统一到轨道车辆 BIM 模型中，根据该模型可以得到车辆智能排布信息，并直观的反映到车辆调度情况中[30]。
2.3.3 轨道车辆效率性方面的应用
轨道车辆故障平均修复时间是轨道车辆报修全部故障时从入库维修到修复交验为止所耗费的平均时间，单位是 min.件 -1[31]。而使用 BIM 技术可以使得轨道车辆维修系统形成一个正反馈系统，BIM 技术可以将轨道车辆故障平均修复时间记录下来并反映到数据库中，从而可以检测出各线检修人员的维修水平和维修效率，然后进行针对性教育，提高轨道车辆设备整体的维修效率。
轨道车辆信息的监测和数值指标的对比包括以下几个方面。
(1)车辆故障率。
通过 BIM 对车辆的监测，可以直观的反映出轨道车辆的安全情况并提供维修质量的基础性安全监控数据。然后通过对这些数据的长期分析，可以进一步优化各线列车的维修策略，然后通过相关反馈，实现 BIM 数据库的自我完善，为定量管理和控制指标提供了更为合理的决策基础。
(2)车辆子系统故障率。
通过相关的 BIM 技术进行监测和数据收集，并通过可视化的数据管理精确的找到车辆故障的相关子系统，为之后的维修提供信息基础。
(3)走行部车辆加速度。
车辆走行部的运行稳定是轨道车辆安全运行的重要基础[32]。将这些数据通过 BIM 技术进行可视化参数化的分析，从而得到车辆走行部数据运行的规律，然后将这些数据与相关的建模算法链接起来，为确定条件阈值(例如轮轨关系参数、轴承温度和胎面磨损)提供一定的理论支持。——论文作者：雷 斌 1，温 岩 1，李佳晨 1，曹 振 1，PRAMOD KUMAR Gupta 2，麻建省 3，雷东波 3，
