基于 BIM 模型的城市軌道交通自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馬建文

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

自動(dòng)扶梯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“扶梯”）廣泛用于城市軌道交通中，具有運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)（每周7天，每天20 h）、載荷大（最大輸送量高達(dá)8 190人次/h）等特點(diǎn)。由于扶梯與乘客直接接觸，因此維持其正常運(yùn)行是乘客安全的重要保障。近年來(lái)，因設(shè)備維修保養(yǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“維保”）不到位、老化、磨損等原因引起的扶梯傷人事故頻頻發(fā)生，其根本原因在于扶梯的維保方式以故障修（即在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行維修）和計(jì)劃修（即按照一定的周期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維保）為主，難以根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)預(yù)先發(fā)現(xiàn)可能存在的安全問(wèn)題，從而很難提前消除隱患。因此，研發(fā)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并據(jù)此開(kāi)展扶梯的預(yù)防性維保工作，以確保乘客安全，十分必要。

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是一種新興的數(shù)字信息技術(shù)，BIM模型集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息,是對(duì)工程項(xiàng)目相關(guān)信息詳盡的數(shù)字化表達(dá)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。本文構(gòu)建一種基于BIM模型的自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）。該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)扶梯運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和加工，將其狀態(tài)實(shí)時(shí)反應(yīng)到BIM模型中；然后根據(jù)BIM模型信息進(jìn)行故障預(yù)測(cè)；最后以BIM模型、維修知識(shí)的形式將維修信息反饋到移動(dòng)終端，供現(xiàn)場(chǎng)維修人員查閱與使用。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)可劃分為4部分：現(xiàn)場(chǎng)層、信息層、分析層及應(yīng)用層。

（1）現(xiàn)場(chǎng)層。負(fù)責(zé)對(duì)扶梯的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有以下2項(xiàng)功能：①采集扶梯自身參數(shù)，如振動(dòng)、位移、主機(jī)溫度等；②監(jiān)測(cè)扶梯運(yùn)行的外部環(huán)境狀態(tài)，如通過(guò)人數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、空氣溫度和濕度等。

（2）信息層。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線讀取扶梯監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，并采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⑵浒l(fā)送至遠(yuǎn)端的控制中心，以便對(duì)其進(jìn)行分析與處理。

（3）分析層。該層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)提取和分析現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，并據(jù)此將扶梯的當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)體現(xiàn)在BIM模型中；然后根據(jù)模型的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合人工智能算法，對(duì)扶梯狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并提供維保決策輔助。

（4）應(yīng)用層。該層的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)扶梯狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、查詢(xún)以及對(duì)維保服務(wù)的支持。其分為2部分：① 管理人員應(yīng)用部分，實(shí)現(xiàn)扶梯狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢(xún)及維保決策輔助功能；②現(xiàn)場(chǎng)人員移動(dòng)應(yīng)用部分，以BIM模型、維修知識(shí)的形式，為現(xiàn)場(chǎng)維修人員提供在線維保支持。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 非接觸式數(shù)據(jù)采集技術(shù)

實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確、順暢的信息采集是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此其對(duì)傳感器系統(tǒng)提出了如下高要求：

（1）具備高可靠性，不漏報(bào)，不誤報(bào)；

（2）具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

（3）能夠防水、防潮、防腐，并適應(yīng)不同的氣候條件；

（4）由于扶梯通常在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行，因此其傳感器系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力；

（5）由于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和參數(shù)眾多，因此多種監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)信號(hào)必須具有良好的融合性；

（6）組網(wǎng)方便，便于集中遠(yuǎn)程傳輸。

為滿(mǎn)足上述要求，該系統(tǒng)采用光纖光柵傳感器采集扶梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，因?yàn)楣饫w光柵傳感器具有重量輕、體積小、外形可變、抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、靈敏度高、測(cè)量范圍廣、信息容量大、輸出線性范圍寬等特點(diǎn)。所組建的扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

光纖光柵傳感器負(fù)責(zé)對(duì)扶梯的振動(dòng)、噪聲、溫升、位移、應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行采集，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（采用雙環(huán)網(wǎng)同步數(shù)字體系（SDH）技術(shù)構(gòu)建）將數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主機(jī)中。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主機(jī)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換之后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)將其傳輸至控制中心。

為解決監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量巨大、占用計(jì)算機(jī)資源的問(wèn)題，本文提出變頻率數(shù)據(jù)采集技術(shù)，即當(dāng)扶梯正常工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主機(jī)采用較低的采樣頻率讀取傳感器數(shù)據(jù)，以盡可能減少不必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析操作，節(jié)省計(jì)算機(jī)資源；當(dāng)某個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生突變時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)主機(jī)則提高對(duì)該傳感器數(shù)據(jù)的讀取頻率，以確保對(duì)扶梯狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤與分析。變頻率數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

3.2 扶梯狀態(tài)分析和預(yù)警技術(shù)

3.2.1 基于 BIM 模型的扶梯狀態(tài)分析

本文建立的扶梯BIM模型如圖4所示。

圖2 基于光纖光柵傳感器的扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

圖3 變頻率數(shù)據(jù)采集流程

圖4 扶梯BIM模型

控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)中心在接收到傳感器采集的扶梯狀態(tài)數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分析和處理，并集成到扶梯BIM模型中，在BIM模型中模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)模型之間的相互作用，確定此狀態(tài)可能產(chǎn)生的影響。例如，監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)主軸狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將傳感器采集到的驅(qū)動(dòng)主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)反饋到驅(qū)動(dòng)主軸BIM模型中，并通過(guò)模型的裝配關(guān)系將振動(dòng)傳遞至主軸的固定裝置上（圖 5），在BIM模型中對(duì)固定裝置進(jìn)行力學(xué)以及穩(wěn)定性分析，根據(jù)模擬分析得到的結(jié)果確定驅(qū)動(dòng)主軸的振動(dòng)對(duì)扶梯可靠性的影響。在此過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否異常。

圖5 驅(qū)動(dòng)主軸BIM模型

3.2.2 基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的扶梯狀態(tài)預(yù)警技術(shù)

利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多個(gè)隱藏層，可用較少的參數(shù)表示復(fù)雜函數(shù)的特性，本文構(gòu)建了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的扶梯狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，如圖6所示。其工作原理如下。

（1）采集扶梯各部件的振動(dòng)、位移、噪聲、溫度等多維狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及人員通過(guò)量、載荷分布、空氣溫度和濕度等外部環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)x= [x1x2…xn]，其中，xi為多維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)。

（2）基于BIM模型，分析各個(gè)部件狀態(tài)輸入?yún)?shù)與扶梯狀態(tài)輸出的關(guān)聯(lián)性，建立傳遞函數(shù)σ1（x），則第二層的輸出為：

式（1）中，a2為隱藏層1的輸出結(jié)果；ω1為輸入層到隱藏層的線性關(guān)系；b1為偏倚參數(shù)；m為節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

（3）分析外部環(huán)境因素與扶梯狀態(tài)的相關(guān)性，建立其關(guān)聯(lián)函數(shù)σ2（x），則第三層的輸出為：

式（2）中，a3為隱藏層2的輸出結(jié)果；ω2為輸入層到隱藏層的線性關(guān)系；b2為偏倚參數(shù)；m為節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

（4）通過(guò)模擬扶梯零部件的接觸關(guān)系以及壽命變化過(guò)程，結(jié)合相關(guān)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，利用多元回歸法預(yù)測(cè)扶梯零部件的剩余壽命y：

式（3）中，k0，ε為調(diào)整常量；k1，k2，…，kn為各輸入?yún)?shù)的權(quán)重系數(shù)。

圖6 自動(dòng)扶梯狀態(tài)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

（5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維保情況，反向修正各層傳遞函數(shù)的權(quán)重，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.3 基于知識(shí)工程的維保輔助技術(shù)

在預(yù)測(cè)出扶梯的剩余壽命后，可根據(jù)線網(wǎng)中所有扶梯的狀態(tài)，按照剩余壽命由少到多的次序進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。在維保過(guò)程中，維修人員通常需要參考一定的標(biāo)準(zhǔn)以判斷維保的質(zhì)量，這些標(biāo)準(zhǔn)包括相關(guān)的維保規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及以往的維修經(jīng)驗(yàn)等，可統(tǒng)稱(chēng)為維修知識(shí)。這些知識(shí)可根據(jù)來(lái)源分為規(guī)范知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。本文針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建了相應(yīng)的維修知識(shí)庫(kù)，用于指導(dǎo)后期的養(yǎng)護(hù)維修。

3.3.1 知識(shí)的存儲(chǔ)

（1）規(guī)范知識(shí)。規(guī)范知識(shí)是各種維修規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)維修參數(shù)的規(guī)定和要求，具有條令性強(qiáng)、參數(shù)明確等特點(diǎn)，以參數(shù)化的形式明確各部件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB 16899 -2011）中對(duì)扶梯的各種尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，此類(lèi)知識(shí)適合采用數(shù)據(jù)表格的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。此類(lèi)知識(shí)通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)操作即可獲得，查詢(xún)語(yǔ)句如“SELECT [字段名]，[字段名] FROM [表名稱(chēng)] where [查詢(xún)條件]”。

（2）經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。經(jīng)驗(yàn)知識(shí)主要來(lái)源于以往的維修經(jīng)歷，是通過(guò)對(duì)以往維修經(jīng)歷進(jìn)行總結(jié)得來(lái)的。它具有相對(duì)模糊、靈活的特點(diǎn)，因此此類(lèi)知識(shí)在存儲(chǔ)時(shí)需要采用關(guān)鍵字、關(guān)聯(lián)索引的方式。此類(lèi)知識(shí)在知識(shí)庫(kù)中表示為：

其中，Class為分類(lèi)，表示屬于哪種類(lèi)型的知識(shí)，如養(yǎng)護(hù)、維修、破壞等；keyword為索引的關(guān)鍵詞；provider為知識(shí)提供者；date為知識(shí)的提供日期；path為知識(shí)的存儲(chǔ)路徑；size為知識(shí)的大小。針對(duì)既有的維修經(jīng)驗(yàn)，可提取其病害類(lèi)型、維修對(duì)象、維修工藝以及維修效果等關(guān)鍵特征，存入知識(shí)庫(kù)，并在出現(xiàn)新故障時(shí)采用推理比較的方式，對(duì)新故障進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)，查找類(lèi)似的維修經(jīng)歷；如果無(wú)類(lèi)似的維修經(jīng)驗(yàn)，則在提取當(dāng)前故障特征后，將其納入知識(shí)庫(kù)中，不斷完善知識(shí)庫(kù)，如圖7所示。

3.3.2 知識(shí)的運(yùn)用

通過(guò)對(duì)移動(dòng)端的二次開(kāi)發(fā)，將維修知識(shí)實(shí)時(shí)推送到維修現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修工作。移動(dòng)端可遠(yuǎn)程調(diào)用后臺(tái)維修知識(shí)，流程如圖8所示。

圖7 維修知識(shí)推理運(yùn)用

圖8 遠(yuǎn)程調(diào)用維修知識(shí)流程

4 結(jié)語(yǔ)

目前，本文構(gòu)建的基于BIM模型的扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在襄陽(yáng)東津站進(jìn)行了安裝測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)良好，能夠?qū)崟r(shí)、有效地監(jiān)測(cè)扶梯運(yùn)行狀態(tài)，為其養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支持。