摘要：现今，地铁车辆电气检修系统存在管理模式相对落后、检修程序复杂等问题。为了提高电气系统管理效率，实现电气设备的快速检修，亟需研究出一种新的地铁电气智能运维管理系统。本文基于BIM技术设计的运维管理系统，不仅给电气设备及电路做出三维可视化展示，提供完整的数据结构，而且使运行维护数据关联于BIM模型，能够对模糊故障和完全故障的BIM模型进行定位，达到故障预警和故障诊断的目的。
关键词：BIM；地铁车辆设备；智能运维；管理系统设计
1、BIM技术简介
BIM即建筑信息模型，是以三维数字为基础，能够集成建筑工程项目各种相关信息的数据模型。BIM技术的特点可阐释分述如下。
(1)模型信息的完备性:BIM不仅能够对工程对象的三维几何信息和拓扑关系进行描述，而且能够承载完整的工程信息等。因此，BIM技术能够模拟逼真的环境，给使用者展现全面的信息，达到一目了然的效果。
(2)模型信息的关联性:可以查看信息模型中的构件和设备的信息参数，并且两者之间可以相互关联。系统通过形成图形和文档的形式能够对模型信息进行统计和分析，可以实现与数据库关联共享的效果。
(3)模型信息的一致性:模型信息在建筑生命周期的不同阶段是一样的，同一对象的几何和规则等信息不需要多次输入，而且还可以对其进行修改、维护和优化。将该技术引入到地铁车辆电气设备的运维方面，使其优势充分应用到各个层面，在增强对象可视化效果的同时，完善设备数据，并且提高检修效率。
2、系统架构设计
该系统架构的组成部分为:用户层、功能应用层、智能分析层、支持平台层和基础设施层等。其中，用户层主要涉及到某地铁公司列车司机、检修人员、专家人员和技术维护人员等。功能应用层包括BIM模型管理、电气仿真和电气检修三个功能。智能分析层采用模糊贝叶斯算法对运维数据进行分析，得出各系统故障概率并实现故障预警。支持平台层为系统功能研发提供技术支持，包括应用服务器中间件、BIM协同中间件和数据库等。基础设施层主要分为车载及地面网络和服务器等，为信号和数据的传输提供保障。系统架构如图1所示。
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图 1 系统架构
这里，针对功能应用层中的各个功能设计展开研究论述如下。
2．1模型信息管理功能
建立BIM模型是进行电气仿真和电气检修的基础。BIM模型管理功能的作用可描述为:首先，集成设备的名称、型号和编码等信息，实现地铁设备模型的结构展示以及各系统间信息的关联，提高设备维修管理效率;其次，BIM模型与数据库信息相关联，对地铁设备BIM模型库进行设计，研发得到良好的存储和交互功能。
2．2电气仿真功能
电气仿真模块模拟地铁车辆各电气系统工作原理，为用户展示电路逻辑，包括电路得电、电流走向、元器件动作、电气设备运行等过程，为车辆电气检修提供参考和依据。
2．3电气检修功能
该系统实时收集车辆的运行状态和故障数据并进行录入管理，这些数据主要来源于多功能车辆总线、以太网即车载控制系统故障数据和车辆离线检修故障数据。应用模糊贝叶斯网络算法，对地铁列车的运维数据进行分析，计算各环节关键重要度和后验概率，找出薄弱项，为用户提供故障预警和诊断功能。
3、系统开发
3．1模型建立
根据现场调研的车辆电气设备空间位置及各部分尺寸，运用AutodeskＲevit软件的建筑工具模块建立车顶、车厢和车底三部分的参数化模型，包括受电弓、电气柜、电磁阀、继电器、转向架等设备。在建立模型过程中可以对零部件的属性及参数进行录入和存储，信息包括电气负荷、设备型号、产品说明等多种运维数据。
3．2电气仿真设计
根据电气设备功能需求，对电路进行简化并逐步进行建模。运用AutodeskＲevit软件的机电工具模块对电气线路建模，包括受电弓升降线路、车门控制线路、牵引制动线路等，清晰显示线路及元器件的空间位置。运用3DMax软件制作受电弓和车门等车辆设备的工作动画，还原和模拟电气设备运行动作。
3．3故障检修模块建立
在实际的设备系统可靠性分析中，存在地铁列车电气设备故障类型多样、故障之间的逻辑关系不明确，历史数据的不完善和数据的多源异构等问题。因此，采用模糊贝叶斯分析法可分析多种故障状态并使分析过程得到简化，提高分析效率。研究中，先是根据地铁车辆系统的故障树建立T－S模糊故障树。其次，按照转化规则建立模糊贝叶斯网络模型。最后，结合证据理论分析法，对车辆各系统数据进行分析。系统将各故障状态的计算结果与设置阈值相比，作为故障诊断和预警的参考，为检修决策提供依据。以某型受电弓为例，根据已建立的故障树构建T－S模型故障树，如图2所示。其中，S是顶事件，M1～M5为中间事件，X1～X18为基本事件，L1～L6为T－S模糊门。
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图 2 建立模糊贝叶斯
经计算可得，在受电弓系统处于轻微故障时，各根节点的概率重要度依次为x18(碳棒磨损)、x15(气阀漏气)、x9(风管漏风)等，且都大于预设的预警阈值，系统可根据此排序进行故障预警;当受电弓系统处于完全故障时，各根节点的概率重要度依次为x15(气阀漏气)、x9(风管漏风)、x14(气缸漏气)等，且都大于预设的故障阈值，可根据此排序进行故障诊断。
4、系统实现
4．1系统编程方法
该运维管理系统以B/S架构为基础进行开发，采用Java语言开发系统网页端并以HTML结合JavaScript等Web技术展现前端页面。开发环境基于Windows操作系统，VisualStudio2015作为系统集成开发环境，系统间的信息传输和交互通过WebService接口进行连接。数据库平台使用SQLServer2008数据库及专家数据库。采用SpringDAO等数据访问技术，不仅可以在持久化技术间来回切换，而且可以提升数据录入和查询效率。在系统服务后台调取数据资源后，利用J2EE技术架构结合Java服务器页面与JavaScript程序的方法对图形用户层进行渲染。通过结合JavaScript程序与Unityplayer等BIM协同中间件的交互实现BIM模型的操作与展示。
4．2数据交互流程
地铁车辆设备BIM模型库与资产管理数据库和运维数据的交互可以组成完整的数据，能够使用户进行资产查询和定位，为车辆设备维修和管理提供了良好的数据支持。BIM模型库和资产管理库的交互，首先初始化BIM模型，加载系统。其次，用户填写资产信息并提交，系统调用数据接口进行查询。然后，若查询结果存在，那么将此模型载入资产列表;若查询结果不存在，那么返回提交信息。最后，载入并显示模型信息。
4．3智能检修应用实例
故障现象:某地铁车辆，9:45分，回库，DDU未显示故障，受电弓无降落，后使用救援模式受电弓降落。
故障诊断步骤:登录智能运维管理系统，进入功能主界面。点击“故障检修”模块，进入“电路选择”选项，选择“受电弓降弓”。在“故障现象”一栏中输入“DDU显示异常”。系统显示结果:压力传感器，降弓指示器，位置传感器三处有不同程度的颜色闪亮，且系统提示故障概率重要度分别为:0．0352，0．0113，0．0307。经检查，压力传感器出现故障。
5、结束语
设计了一种基于BIM技术的地铁车辆电气设备智能运维管理系统。该系统实现了模型信息管理功能、电气仿真功能和电气检修功能，具有良好的实用性，不仅展现出良好的电气设备可视化效果，而且也可得到完整的资产管理数据和较高的车辆电气系统检修效率。此外，该系统还预留了有关数据接口，根据未来应用需求可对相关功能模块进行优化和完善，有利于后续的二次开发。
参考文献：
［1］李兴运，齐金平．基于模糊贝叶斯网络的受电弓系统可靠性分析［J］．铁道科学与工程学报，2018，15(6):1383－1390．
［2］孙秋兰．基于BIM的建筑设备维修决策系统研究［D］．重庆:重庆大学，2014．