基于BIM与状态监测的车辆段室外管线智能管控设计及关键技术研究.pdf

23 BADENKO V L,BOLSHAKOV N S,TISHCHENKO E B,et al.In-tegration of Digital Twin and BIM Technologies within Factories of the Future J.Magazine of Civil Engineering,2021,101:10114-10114.24 赵新宇.BIM 技术在智能建筑运维管理中的标准化应用J.品牌与标准化,2022(2):120-122.ZHAO Xinyu.Standardized Application of BIM Technology in Intelli-gent Building Operation and Maintenance ManagementJ.Brand&Standardization,2022(2):120-122.25 谭征宇,戴宁一,张瑞佛,等.智能网联汽车人机交互研究现状及展望J.计算机集成制造系统,2020,26(10):2615-2632.TAN Zhengyu,DAI Ningyi,ZHANG Ruifo,et al.Overview and Per-spectives on Human-computer Interaction in Intelligent and Connected Vehicles J.Computer Integrated Manufacturing Systems,2020,26(10):2615-2632.26 胡昌桂,杨安玉,虞翊,等.基于云模型的磁浮道岔使用寿命状态评估J.城市轨道交通研究,2021,24(5):222-226.HU Changgui,YANG Anyu,YU Yi,et al.Lifespan Evaluation of Maglev Turnout Based on Cloud ModelJ.Urban Mass Transit,2021,24(5):222-226.收稿日期:20230411;修回日期:20230608基金项目:国能铁路装备公司科研项目(TZKY-21-32);中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(研 2021-36)作者简介:雷永伟(1966)男,高级工程师,1991 年毕业于石家庄铁道大学起重运输与工程机械专业,工学学士,主要从事铁路车辆检修工作,E-mail:lyw5159 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10022607基于 BIM 与状态监测的车辆段室外管线智能管控设计及关键技术研究雷永伟1,李春昱2,马学涛2,林 耀2(1.国能铁路装备有限责任公司包头车辆维修分公司,内蒙古包头 014000;2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:针对车辆段室外综合管线运维中存在的隐蔽性强、交互错杂、信息割裂、管理效率低下等问题,提出一种基于 BIM 与状态监测的车辆段室外管线智能管控设计技术方案。首先,通过 BIM 技术建立车辆段管线地下管网三维模型,并将管线的各类信息(位置、材质、规格等)以数据化的形式存储在模型中,实现地下管线的三维可视化和管线数据信息化;然后,通过管线监测控制方案设计,在各类管线关键节点安装智能仪表,实时采集管线状态数据,经过后台数据处理和智能化分析,监测分析管线运行状态,开展管线故障预警及故障诊断,利用电动阀门实现故障情况下区域阀门的自动开启及闭合,实现管网状态的实时监测,降低管线故障对车辆段生产作业的影响危害;最后,搭建管线信息数据库和智能管控软件平台,数据库集成管线的运维、能耗、实时监测数据,软件平台将各管线专业信息相融合,形成一个各管线专业集中统一的管理和监视界面终端,集成管线三维展示、状态数据展示、故障报警提醒、智能派单等功能,减少人工作业,提高管线管理效率。研究成果可以为车辆段室外综合管线运维管理提供借鉴,给车辆段基础设施资源的建设、规划提供行之有效的管理手段和办法。关键词:铁路车辆段;室外综合管线;BIM 设计;管线状态监测;管线运维管理;智能管理平台中图分类号:U279.1 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202304110014Key Technology Research on Intelligent Management and Control Design of Outdoor Pipeline in Vehicle Depots Based on BIM and Data Monitoring LEI Yongwei1,LI Chunyu2,MA Xuetao2,LIN Yao2(1.Baotou Vehicle Maintenance Branch of Guoneng Railway Equipment Co.,Ltd.,Baotou 014000,China;2.China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:In response to the problems of strong concealment,mixed interaction,information fragmentation,and low management efficiency in the operation and maintenance of outdoor comprehensive pipelines in vehicle depots,this paper proposes a technical solution for intelligent management and control of outdoor pipelines in vehicle depots based on BIM and status monitoring.Firstly,a three-dimensional model of the underground pipeline in the vehicle depot is established using BIM technology,and various information of the pipeline(location,material,specifications,etc.)is stored in a data-driven form in the model to achieve three-dimensional visualization and pipeline data informatization of the underground pipeline.Then,through the design of pipeline monitoring and control schemes,intelligent instruments are installed at key nodes of various pipelines to collect real-time pipeline status data.After backend data processing and intelligent analysis,pipeline operation status is monitored and analyzed,and pipeline fault warning and diagnosis are carried out.Electric valves are used to automatically open and close regional valves in case of faults to achieve real-time monitoring of pipeline network status and reduce the impact and harm of pipeline failures on production operations in vehicle depots.Finally,a pipeline information database and intelligent control software platform are established.The database integrates the operation and maintenance,energy consumption,and real-time monitoring data of pipelines,and the software platform integrates the information of various pipeline specialties to form a centralized and unified management and monitoring interface terminal for each pipeline specialty.Such functions as pipeline 3D display,status data display,fault alarm reminder and intelligent dispatch are fulfilled to reduce manual operation and improve pipeline management efficiency.The research results of this study can provide references for the operation and maintenance management of outdoor comprehensive pipelines in vehicle depots,and provide effective management methods for the construction and planning of infrastructure resources in vehicle depots.Key words:vehicle depot;outdoor comprehensive pipeline;BIM design;pipeline status monitoring;pipeline operation and maintenance management;intelligent management software引言车辆段1是轨道交通系统(铁路、城轨系统)的重要组成部分之一,承担着车辆的运营管理、整备、检修等任务,是轨道车辆的 4S 店,因此,车辆段的前期设计、建设与后期运营都至关重要。车辆段内的各类室外管线2(例如给水、消防、采暖、排水、电力、天然气、通信、信息、信号等)承担着车辆段内的能源运送、信息交互和污废排放的任务,其种类繁多、交叉点数量庞大、空间布置复杂、工程可视化程度低,一直都是车辆段前期设计和后期运维管理的重点和难点3-4。目前,车辆段的管理模式仍然采用传统的二维管线,其手段、理念、工具较为单一,主要是依据各种纸质表格、既有图纸进行管理,缺乏直观高效的管理方式,数据、参数、图纸等各种信息相互割裂,出现故障后需要大量的排查及检修,此外还需要管理人员具备较高的专业能力和操作经验,造成车辆段管线管理效率较低,管理难度较大,管理成本居高不下,已无法满足车辆段对管网、管线数据信息分析、表达、应用的实际需要。随着 BIM 技术5-6、物联网技术7-8、大数据分析技术9-10的发展,给车辆段室外管线的管理智能化解决方案提供了新的思路。为适应智能化车辆段建设和发展的需要,实现室外管线系统的高效营运和安全,提出车辆段室外管线智能管理技术方案。1 研究目标及技术框架1.1 研究目标基于车辆段地下管线建设、运维情况,以管线管理安全、可靠为基本原则,充分整合车辆段室外管网数据信息,开展车辆段室外管网智能管控设计。主要研究目标如下。(1)完善室外管网基础信息,包括管线的设计、施工、运维阶段的各类信息,建立室外管网三维模型,实现管网的三维可视化展示,准确表达管线的三维空间定位和与其余设备设施的相对空间关系,为管线管理提供信息管理和交互操作的基础。(2)根据车辆段室外管线分布情况,设计监测设备布控方案,借助无线远传技术搭建管线信息采集网,通过智能监测设备实现所有管线设备设施的数据实时采集,构建全方位的管网资源状态感知体系。(3)实现车辆段地下管网的状态分析及故障诊断,通过大数据分析和人工智能技术,将 DMA 分区计量漏损检测法11与压力分析法相结合,评估管网状态,测算区域漏损情况,识别管网故障,解决室外管线运维中存在的延迟性及难以准确把控的问题。722第 10 期雷永伟,李春昱,马学涛,等基于 BIM 与状态监测的车辆段室外管线智能管控设计及关键技术研究(4)通过管网数据的实时采集,对各类能耗数据进行统计、对比、分析,结合生产计划、设备使用情况制定节能策略,用以指导车辆段能源管理工作,提高车辆段能源管理水平和能源管理效率。(5)搭建智能管线管控系统,将各管线专业相融合,通过模块化、标准化的系统架构设计,统一部署、统一展示,为车辆段提供一个各管线专业集中统一的管理和监视界面终端。1.2 技术框架为实现以上目标,提出车辆段室外管线智能管控系统技术框架(图 1),包括边界感知层、链路传输层、应用计算层及展示端口层 4 个层别。边界感知层是智能管控系统的基础和重点,主要是通过各类传感器采集管线数据。针对水、电、气等研究项目的不同特点,结合管线的网络拓扑关系,在管网的各个关键节点位置设置传感监测及自动控制设备,采集管网节点(压力、流量、水温、电流、电压、气体压力等)的状态参数和设备监测终端的状态参数。并根据管网工作状态对泵阀控制终端发出控制指令。链路传输层是智能管控系统的数据通讯部分,是不同层级间数据传输的链路,一般是通过 5G、4G、NB-IoT12等网络传输模式进行数据传输,可作为管理网络又可作为控制网络,实现设备监测采集数据的实时上传及控制命令的及时下传。应用计算层是智能管控系统的核心,用于接收、存储各个监测采集终端报送上来的数据,将各类管线信息、数据进行统一管理和分析,通过底层算法进行大数据分析计算,对管网状态进行实时分析,进行故障预警及能耗平衡计算,是系统所有功能的集中体现和应用。展示端口层顾名思义就是系统的人机交互界面,提供管线三维可视模型的展示、各类管线状态数据的展示、故障报警提醒弹窗、智能派单等功能。图 1 管线智能管控系统结构Fig.1 Pipeline intelligent control system structure2 关键技术及实现路径2.1 BIM 技术造成室外管线运维困难的主要因素是源自地下管线的隐蔽性,因此,要实现管线的智能管控,首先要解决管网的可视化问题。考虑到铁路车辆段的应用场景,通过 BIM 三维建模技术开展室外综合管线三维可视化设计。BIM 技术具有多专业协同设计13-14及模型信息载体的优势,更有利于开展车辆段室外管线运维管理。管线 BIM 三维建模主要以各类管线施工图纸资料为依据,分专业完成三维模型的搭建。首先搭建管线节点模型,以管线及管点二维的 CAD 图纸为底图,载入到 BIM 软件中,确定其二维平面位置;以厂区地坪为模型的基准高程,结合管点高程数据确定三维空间位置,绘制管线节点模型。完成相邻 2 个管点模型建立后,用管段模型连接 2 个管点即可完成三维模型的搭建(图 2)。但 BIM 建模的主要工作是模型信息的添加,将管线相关的属性数据(管径、管线类别、材质等)加载到三维模型中,为后期运维及全寿命周期管理15-16提供依据。图 2 室外管线 BIMFig.2 BIM of Outdoor Pipeline完成各专业管线建模后,通过 BIM 软件协同设计功能完成各类型管线模型的装配。装配完成后通过BIM 碰撞检测功能17查找是否存在管线空间位置干822铁 道 标 准 设 计第 67 卷涉重叠,各专业管线是否满足车辆段管线设计安全间距要求,发生碰撞的管线进行检查及调整,避免建模误差,解决管线交叉位置层次不清问题。若 BIM 模型中仅有地下管线,那么依旧无法清晰准确地表达管线的空间位置,因此需要对车辆段地上建构筑物进行三维建模(图 3),实现上部建筑与其地下空间工程的相互对照,准确、直观地展示出管线及地下设施的空间位置关系。在管线运维工程中,管理者还可以随时将管线运维期的各类数据添加在模型中,实时、动态、直观地对厂区内建筑及管网进行全方位展示。借助 BIM 软件完成车辆段室外管线及建筑物模型搭建后可以实现管线的三维可视、数据存储、空间量算、构件定位、构件查询等功能;实现管网流向分析、断面分析、网络分析等空间分析功能18。图 3 车辆段 BIM 模型装配Fig.3 Assembly diagram of BIM model in the depot2.2 管线监测控制方案设计管线智能管控的重点是实时监测采集管线各管道的状态数据,经过大数据分析算法分析评估得到管网运行状态,进行管段故障诊断预警。根据故障情况设定管线节点阀门等自动控制设备自动关闭,实现故障的智能化处理。以包头车辆运用维修段内给水管道监测控制方案为例,通过大数据分析和人工智能技术,将DMA 分区计量漏损检测法与压力分析法相结合,评估管网状态,测算区域漏损情况,识别管网故障。包头车辆段从厂区西侧接引市政自来水管,由厂区 DN200 主管绕厂区一周分别接引支管到各个单体建筑中。根据管线主管支管的逻辑关系,根据 DMA分区计量法将供水管网划分成 4 个独立计量的区域,每个分区又各自向下划分为 3、4 个子分区,进行区块化精细计量、监测、评估及故障管控。DMA 分区如图4 所示。在每个分区的主管及支管节点安装内置压力和流量传感器的超声水表(采集累计流量、运行时间、瞬时流量以及压力数据),对分区内支管和主管的水量进行统计分析,根据其流量分析来定量区域管段泄漏水平19,见图 5。同时结合采集的数据统计分析夜间最小流量,夜间最小流量20受季节性变化的影响很小,通过夜间最小流量分析方法,可以更稳定地识别已报告的或未报告的泄漏水量。辅助检漏人员优化检漏程图 4 车辆段给水管网 DMA 分区Fig.4DMA zoning diagram of water supply network in the depot序,提升对管网管理的效率,并且可通过实时监测供水流量,分析有可能出现的漏损点,提前检修,达到控制漏损的目的,把事后堵漏变成事前预防。图 5 车辆段给水管井设备安装Fig.5 Installation drawing of water supply pipe well equip-ment in the depot给水管道除了出现泄漏故障,还可能会发生爆管21,爆管产生的原因有地质因素、铸管工艺与材质的影响、管道内气体影响、管网老龄化、腐蚀、结垢。当爆管发生后,管道内压力骤降,随着时间上升至初始压力,通过高频压力计计量捕捉管道压力的变化,结合流量自动分析分区内的爆管事件,快速判断爆管故障,定位故障区域。同时通过主管道的电动阀门实现爆管区域的阀门自动控制,第一时间减少爆管故障的扩散,减少水资源浪费。2.3 数据库技术管线智能管控系统的核心是基于管线信息、实时采集数据的应用计算。面对大量的数据处理分析需要基于大数据分析算法为软件功能的应用提供支持。搭建基于 MongoDB22的工业领域时序大数据数据库系统作为实时数据采集的大数据存储数据库系统,利用 MongoDB 无模式结构存储、自动处理分片、高效的二进制数据存储等高速写入特点,以及支持完全索引、强大的聚合功能等高效查询、大数据处理功能,搭建一套自主的工业领域时序数据库。数据库具有以下性能。922第 10 期雷永伟,李春昱,马学涛,等基于 BIM 与状态监测的车辆段室外管线智能管控设计及关键技术研究(1)高速写入能力管网线路复杂、需要检测的点位众多,每个传感器采集频率都较高,写入的并发量会特别大。(2)快速查询能力能够快速响应实时的查询请求,对报警、预警信息及时进行相应联动;能够快速查询历史数据,对查询时间段较长的数据聚合,能够较快地输出结果。(3)超强数据压缩能力结合业务算法,将历史数据压缩存储,尽可能地保存历史数据,从而为能耗计算、分析研究储备基础数据23。同时基于开源关系数据库 MySQL24搭建管网业务数据库系统,利用关系数据库支持结构化查询语言、检索方便灵活、支持负责事务处理等特点,搭建管网业务数据库,存储管线、设备、设施的信息、位置等,存储传感器参数、计算数据,处理管网监控、巡检等业务逻辑。在大数据分析25支撑下引入智能算法,根据相关数据信息实现智能辅助决策。2.4 智能管控平台设计为提高车辆段管线管理的高效便捷,也需搭建软件平台提供给管理人员统一监测管理的界面。平台具备的功能如下。(1)管线信息管理功能将管线 BIM 模型嵌入系统平台中,通过平台进行管线、设备、设施的可视化展示,同时以三维模型为载体将管线数据进行集中、有效的管理,实现管网数据与三维模型的融合展示,可通过系统软件进行管线定位、信息查询、空间分析等,为管线的运维、新建工程接入提供指导,见图 6。图 6 管线三维信息模块Fig.6 Pipeline 3D information module(2)管线数据监测功能管网监测系统以三维模型为背景,展示分区、站点位置及数据。各个监测项点数据根据采集器上报频率实时更新,针对现场站点内各仪表进行监测,数据以趋势图和列表形式进行展示,见图 7。图 7 管线数据监测模块Fig.7 Pipeline data monitoring module(3)故障报警功能系统后台根据预制的逻辑算法进行漏损评估,故障发生时自动生成报警信息,通过调度声光报警、手持终端报警或短信息的形式给管理者,并推送故障处理建议方案,实现管线故障的实时判断、故障报警,结合管线三维模型实现故障定位。(4)工单管理功能系统设置工单管理功能对厂内管线的维修、维护工单指派,工单处理,人工报修单的下发及处理进行管理,包含对工单查询、导出、工单指派、打印及导出等功能。通过系统自动记录各类告警、维修记录工单整个流程处理过程。(5)能耗管理功能通过现有用能单位的能耗设备数据(如水、电、气、暖等)进行采集,实时监测各部门用能情况,对能耗数据进行统计与分析,制定节能策略,推动车辆段节能工作的顺利开展。3 结论与展望(1)基于既有车辆段室外管线运维开展研究,通过 BIM 技术结合既有施工图纸资料实现室外管线的三维可视化,为管线运维提供便利。新建车辆段管线设计可以从设计规划阶段开展 BIM 管线正向设计,考虑室外管线的智能管控设计,既能优化管线布置方案、指导施工,也能为后期管线运维提供精确的可视化指导,推动室外管网的全生命周期建设。(2)通过管网智能设备的安装,实现对地下管网各种参数的实时采集,经过数据处理和智能化分析,评估管道运行状态。管线状态监测与故障预警需要大量032铁 道 标 准 设 计第 67 卷的数据积累作为基础,前期基于管线运维经验对管线状态进行判定,后期通过故障数据的积累逐步完善管线状态诊断算法,精准评估管线状态,预测管线故障。(3)利用地下管线智能管理平台和数据库的建立,实现对地下管线的统一监测管理,提高地下管线管理水平和应急决策水平,更好地保障管道高效安全运行,为车辆段基础设施资源的建设、规划提供行之有效的管理手段和办法。(4)提出的车辆段室外管线智能管控设计技术方案是推动车辆段运维大平台建设的第一步,也是运维大平台框架下的一个“点”。接下来可以将系统平台拓展至车辆检修运维的框架支“线”上,建立整个车辆段检修、能源、安全、生产等全“面”管控的智能运维大平台。参考文献:1 国家铁路局.铁路货车车辆设备设计规范:TB 100312021S.北京:中国铁道出版社,2021.2 ZHAO Q,BAI G L,HEI X H,et al.Research on Collision of Metro Comprehensive 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