图学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 601-612.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024030601
何庆1,2(), 荆传玉1,2, 孙华坤1,2, 姚力3, 徐井芒1,2, 王平1,2(
)
收稿日期:
2023-11-08
接受日期:
2024-02-27
出版日期:
2024-06-30
发布日期:
2024-06-12
通讯作者:
王平(1969-),男,教授,博士。主要研究方向为高速铁路道岔设计理论、方法与评估技术、轨道不平顺及动力学。E-mail:wping@home.swjtu.edu.cn第一作者:
何庆(1982-),男,教授,博士。主要研究方向为公路/铁路智能选线与BIM、交通大数据、轨道不平顺分析与管理、钢轨伤损检测与分析研究。E-mail:qhe@swjtu.edu.cn
基金资助:
HE Qing1,2(), JING Chuanyu1,2, SUN Huakun1,2, YAO Li3, XU Jingmang1,2, WANG Ping1,2(
)
Received:
2023-11-08
Accepted:
2024-02-27
Published:
2024-06-30
Online:
2024-06-12
First author:
HE Qing (1982-), professor, Ph.D. His main research interests cover highway, railway intelligent route selection and BIM, traffic big data, analysis and management of track irregularity, rail damage detection and analysis research. E-mail:qhe@swjtu.edu.cn
Supported by:
摘要:
建筑信息模型(BIM)技术对提高轨道运维管理效率具有重要的推进作用。然而,不同的检查和维护活动产生的数据异构性高、时空关系复杂,阻碍了BIM解释和整合数据的进程。为此,开发了一个基于工业基础类(IFC)和语义Web技术的轨道运维本体(TOMO),其具有3个功能:①基于轨道运维生命周期的应用需求,简化BIM模型信息;②引入映射规则,建立数据提取与转换模块,集成多源异构数据,结构化定义数据之间复杂的时空关系;③结合数据驱动技术,研究轨道精调智能优化的方法,提供弹性决策支持。最后,以某高速铁路静检数据为例,验证了该框架的有效性与实用性,对于促进领域数据互操作性、降低运维人员劳动强度和提高运维管理智能化程度具有实际的工程指导意义。
中图分类号:
何庆, 荆传玉, 孙华坤, 姚力, 徐井芒, 王平. 基于BIM和语义网的轨道智能运维管理方法[J]. 图学学报, 2024, 45(3): 601-612.
HE Qing, JING Chuanyu, SUN Huakun, YAO Li, XU Jingmang, WANG Ping. An intelligent railway operation and maintenance management approach based on BIM and semantic web[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(3): 601-612.
对象属性 | 定义域 | 值域 | 属性来源 |
---|---|---|---|
ConnectWith | 构件 | 系统 | BIM/数据库 |
Detected | 事件 | 病害 | 数据库/专家知识 |
ExecuteOn | 事件 | 时间 | 检测/维护记录 |
ExecuteWith | 事件 | 人员 | 检测/维护记录 |
Extract | 事件 | 属性 | 检测/维护记录 |
HappenOn | 事件 | 构件 | 检测/维护记录 |
HasProperty | 构件 | 属性 | BIM |
InSpace | 构件 | 环境 | 公共平台 |
MemberOf | 人员 | 组织 | 检测/维护记录 |
表1 对象属性的分类和来源
Table 1 Classification and origins of object properties
对象属性 | 定义域 | 值域 | 属性来源 |
---|---|---|---|
ConnectWith | 构件 | 系统 | BIM/数据库 |
Detected | 事件 | 病害 | 数据库/专家知识 |
ExecuteOn | 事件 | 时间 | 检测/维护记录 |
ExecuteWith | 事件 | 人员 | 检测/维护记录 |
Extract | 事件 | 属性 | 检测/维护记录 |
HappenOn | 事件 | 构件 | 检测/维护记录 |
HasProperty | 构件 | 属性 | BIM |
InSpace | 构件 | 环境 | 公共平台 |
MemberOf | 人员 | 组织 | 检测/维护记录 |
数据属性 | 类型 | 子类属性 | 属性来源 |
---|---|---|---|
Track Property | 身份信息 | hasName, hasGUID, hasTag, hasMaterial, hasIndex··· | BIM/数据库 |
几何信息 | hasWidth, hasThickness, hasLength, hasHeight, hasBuriedHeight, hasExtrudeHeight, hasVolume, hasDiameter, hasFrontMinRadius··· | BIM/数据库 | |
位置信息 | hasStartMileage, hasEndMileage, hasCenterMileage··· | BIM/数据库 | |
技术信息 | hasBendStrength, hasBuckelPressure, hasDensity, hasHardness, hasElongationAfterFracture, hasFrostResistance, hasMeltingPoint, hasYieldStrength, hasTensileRasistantStrength, hasMass··· | BIM/ 数据库/ 规范文件 | |
Track Data Property | 身份信息 | hasID, hasName, hasFormat, hasNumber··· | 检测/维护 |
位置信息 | hasStartContinousMileage, hasEndContinousMileage, hasXCoordinate, hasYCoordinate, hasCenterContinousMileage··· | 检测/维护 | |
时间信息 | isYear, isMonth, isDay, isTimeNode, isPhase··· | 检测/维护 | |
技术信息 | hasValue, isSide, isTrackWay, hasTrackGauge, hasHorDeviation, hasCenterHorDeviation, hasVerDeviation, hasGaugeDaviation··· | 检测/维护 | |
Disease Property | 身份信息 | hasName, hasKind··· | 规范文件 |
位置信息 | hasPosionFrom, hasPosionTo, hasDirection··· | 检测/维护 | |
技术信息 | hasComment, hasReasonFrom, hasRelatingTo, hasLimitValue··· | 专家知识 | |
Individual/ Organization | 身份信息 | hasID, hasName, hasEmployeeNumber, hasPosts··· | 公共平台 |
技术信息 | hasHypotaxis, hasWorkSeniority, hasCertificateNum··· | 公共平台 | |
Space Constraint Property | 身份信息 | hasID, hasName, hasKind··· | 公共平台 |
系统信息 | hasConnectionMode, hasQuantity, hasUsage··· | 管理系统 | |
环境信息 | isWeather, hasMiscellany, hasGroundWater··· | 公共平台 |
表2 数据属性分类和来源
Table 2 Classification and sources of data properties
数据属性 | 类型 | 子类属性 | 属性来源 |
---|---|---|---|
Track Property | 身份信息 | hasName, hasGUID, hasTag, hasMaterial, hasIndex··· | BIM/数据库 |
几何信息 | hasWidth, hasThickness, hasLength, hasHeight, hasBuriedHeight, hasExtrudeHeight, hasVolume, hasDiameter, hasFrontMinRadius··· | BIM/数据库 | |
位置信息 | hasStartMileage, hasEndMileage, hasCenterMileage··· | BIM/数据库 | |
技术信息 | hasBendStrength, hasBuckelPressure, hasDensity, hasHardness, hasElongationAfterFracture, hasFrostResistance, hasMeltingPoint, hasYieldStrength, hasTensileRasistantStrength, hasMass··· | BIM/ 数据库/ 规范文件 | |
Track Data Property | 身份信息 | hasID, hasName, hasFormat, hasNumber··· | 检测/维护 |
位置信息 | hasStartContinousMileage, hasEndContinousMileage, hasXCoordinate, hasYCoordinate, hasCenterContinousMileage··· | 检测/维护 | |
时间信息 | isYear, isMonth, isDay, isTimeNode, isPhase··· | 检测/维护 | |
技术信息 | hasValue, isSide, isTrackWay, hasTrackGauge, hasHorDeviation, hasCenterHorDeviation, hasVerDeviation, hasGaugeDaviation··· | 检测/维护 | |
Disease Property | 身份信息 | hasName, hasKind··· | 规范文件 |
位置信息 | hasPosionFrom, hasPosionTo, hasDirection··· | 检测/维护 | |
技术信息 | hasComment, hasReasonFrom, hasRelatingTo, hasLimitValue··· | 专家知识 | |
Individual/ Organization | 身份信息 | hasID, hasName, hasEmployeeNumber, hasPosts··· | 公共平台 |
技术信息 | hasHypotaxis, hasWorkSeniority, hasCertificateNum··· | 公共平台 | |
Space Constraint Property | 身份信息 | hasID, hasName, hasKind··· | 公共平台 |
系统信息 | hasConnectionMode, hasQuantity, hasUsage··· | 管理系统 | |
环境信息 | isWeather, hasMiscellany, hasGroundWater··· | 公共平台 |
名称 | SPARQL语言 |
---|---|
PREFIX | base, owl, rdf, rdfs, xmlns : URI |
SELECT | ?TrackFiletering ?thickness ?HorDevi |
WHERE | { ?TrackSleeper base:isSide “left”. ?TrackSleeper base:Fastendown ?TrackFastening. ?TrackFastening base:Assemblyof ?TrackFiltering. ?TrackFiltering base:hasThickness ?thickness. ?TrackSleeper base:hasHorDeviation ?HorDevi. } |
表3 SPARQL查询方式
Table 3 SPARQL query methodology
名称 | SPARQL语言 |
---|---|
PREFIX | base, owl, rdf, rdfs, xmlns : URI |
SELECT | ?TrackFiletering ?thickness ?HorDevi |
WHERE | { ?TrackSleeper base:isSide “left”. ?TrackSleeper base:Fastendown ?TrackFastening. ?TrackFastening base:Assemblyof ?TrackFiltering. ?TrackFiltering base:hasThickness ?thickness. ?TrackSleeper base:hasHorDeviation ?HorDevi. } |
功能 | 映射规则 | 示例 |
---|---|---|
将指定数据映射为已存在类的子类 | owl:Class : ClassName SubClassOf ParentClassName | IfcTrackSleeper SubClassOf 轨枕 |
将指定数据映射为某一类的实例 | owl:Individual : Data RDF.type ClassName | IfcTrackSleeper_103 RDF.type IfcTrackSleeper |
创建对象/数据属性 | ChildProperty RDFS.sunPropertyOf ParentProperty | HasEndMileage RDFS.subPropertyOf TrackProperty |
将指定数据以支持的数据类型映射为实例 | owl:Individual : Name DataProperty Literal (Data,datatype) | IfcTrackSleeper_103 Tag Literal (996009.0, datatype=XSD.double) |
利用对象属性连接两个实例 | Individual_1 owl:ObjectProperty Individual_2 | TrackSleeper_103 Fasten Down TrackFanstening_103 |
表4 数据映射规则
Table 4 Data mapping rules
功能 | 映射规则 | 示例 |
---|---|---|
将指定数据映射为已存在类的子类 | owl:Class : ClassName SubClassOf ParentClassName | IfcTrackSleeper SubClassOf 轨枕 |
将指定数据映射为某一类的实例 | owl:Individual : Data RDF.type ClassName | IfcTrackSleeper_103 RDF.type IfcTrackSleeper |
创建对象/数据属性 | ChildProperty RDFS.sunPropertyOf ParentProperty | HasEndMileage RDFS.subPropertyOf TrackProperty |
将指定数据以支持的数据类型映射为实例 | owl:Individual : Name DataProperty Literal (Data,datatype) | IfcTrackSleeper_103 Tag Literal (996009.0, datatype=XSD.double) |
利用对象属性连接两个实例 | Individual_1 owl:ObjectProperty Individual_2 | TrackSleeper_103 Fasten Down TrackFanstening_103 |
竖面指标 | 高低 | 水平 | 扭曲/3 m |
---|---|---|---|
上限/mm | 1 | 1 | 1 |
下限/mm | -1 | -1 | -1 |
平面指标 | 轨向 | 轨距 | 轨距变化率 |
上限/mm | 0.5 | 1 | 1/1 500 |
下限/mm | -0.5 | -1 | -1/1 500 |
表5 静态几何平顺性限值(10 m弦)
Table 5 Static geometric smoothness limit (10 m chord)
竖面指标 | 高低 | 水平 | 扭曲/3 m |
---|---|---|---|
上限/mm | 1 | 1 | 1 |
下限/mm | -1 | -1 | -1 |
平面指标 | 轨向 | 轨距 | 轨距变化率 |
上限/mm | 0.5 | 1 | 1/1 500 |
下限/mm | -0.5 | -1 | -1/1 500 |
[1] | PAUWELS P, VAN DEURSEN D, VERSTRAETEN R, et al. A semantic rule checking environment for building performance checking[J]. Automation in Construction, 2011, 20(5): 506-518. |
[2] | GALLAHER M P, O’CONNOR A C, DETLBARN J, et al. Cost analysis of inadequate interoperability in the US capital facilities industry[EB/OL]. [2023-04-11]. https://www.docin.com/p-385345878.html. |
[3] | LEE Y C, EASTMAN C M, SOLIHIN W. An ontology-based approach for developing data exchange requirements and model views of building information modeling[J]. Advanced Engineering Informatics, 2016, 30(3): 354-367. |
[4] | 刘吉明, 段立平, 林思伟, 等. 语义网赋能建筑信息交付及模型数据模式分析[J]. 土木与环境工程学报(中英文), 2024, 46(1): 244-253. |
LIU J M, DUAN L P, LIN S W, et al. Building information delivery and model schema analysis empowered by Semantic Web[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering, 2024, 46(1): 244-253 (in English and Chinese). | |
[5] |
张吉松, 于泽涵, 李海江. 基于语义网的BIM结构模型合规性审查方法[J]. 图学学报, 2023, 44(2): 368-379.
DOI |
ZHANG J S, YU Z H, LI H J. Compliance checking approach for BIM structural model under semantic web[J]. Journal of Graphics, 2023, 44(2): 368-379 (in Chinese). | |
[6] | 邢雪娇, 钟波涛, 骆汉宾, 等. 基于BIM的建筑专业设计合规性自动审查系统及其关键技术[J]. 土木工程与管理学报, 2019, 36(5): 129-136. |
XING X J, ZHONG B T, LUO H B, et al. Automatic code compliance checking for design drawings of architecture major and its key technologies based on BIM[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2019, 36(5): 129-136 (in Chinese). | |
[7] | 那扎尔·木拉提别克, 史健勇, 姜柳, 等. 基于BIM和本体的建筑不规则类型审查[J]. 图学学报, 2022, 43(5): 918-926. |
NAZHAER M, SHI J Y, JIANG L, et al. Research of BIM and ontology-based irregular building type checking[J]. Journal of Graphics, 2022, 43(5): 918-926 (in Chinese). | |
[8] | JIANG L, SHI J Y, WANG C Y. Multi-ontology fusion and rule development to facilitate automated code compliance checking using BIM and rule-based reasoning[J]. Advanced Engineering Informatics, 2022, 51: 101449. |
[9] | WANG M. Ontology-based modelling of lifecycle underground utility information to support operation and maintenance[J]. Automation in Construction, 2021, 132: 103933. |
[10] | LI X W, YANG D J, YUAN J F, et al. BIM-enabled semantic web for automated safety checks in subway construction[J]. Automation in Construction, 2022, 141: 104454. |
[11] | HU M, LIU Y R, SUGUMARAN V, et al. Automated structural defects diagnosis in underground transportation tunnels using semantic technologies[J]. Automation in Construction, 2019, 107: 102929. |
[12] | PAN Y, ZHANG L M. Roles of artificial intelligence in construction engineering and management: a critical review and future trends[J]. Automation in Construction, 2021, 122: 103517. |
[13] | 胡振中, 冷烁, 袁爽. 基于BIM和数据驱动的智能运维管理方法[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2022, 62(2): 199-207. |
HU Z Z, LENG S, YUAN S. BIM-based, data-driven method for intelligent operation and maintenance[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2022, 62(2): 199-207 (in Chinese). | |
[14] | TIAN W, MENG J, ZHONG X J, et al. Intelligent early warning system for construction safety of excavations adjacent to existing metro tunnels[J]. Advances in Civil Engineering, 2021, 2021: 1-12. |
[15] | LI B, NIELSN R O, JOHANSEN K W, et al. Towards digital twins for knowledge-driven construction progress and predictive safety analysis on a construction site[C]// The 9th International Symposium on Leveraging Applications of Formal Methods, ISoLA 2020, Rhodes, Greece, October 20-30, 2020, Proceedings, Part IV 9. Cham: Springer International Publishing, 2021: 153-174. |
[16] | SCHULTZ C, BHATT M, SUCHAN J, et al. Answer set programming modulo space-time’[EB/OL]. [2023-07-16]. http://arxiv.org/abs/1805.06861. |
[17] | 国家铁路局. “十四五”铁路科技创新规划[J]. 铁道技术监督, 2022, 50(1): 9-15, 20. |
National Railway Administration. Railway science and technology innovation plan in the 14th five-year plan[J]. Railway Quality Control, 2022, 50(1): 9-15, 20 (in Chinese). | |
[18] | 孙慧, 封博卿, 魏小娟, 等. BIM+GIS技术在京张高铁建维一体化管理中的应用[J]. 中国铁路, 2022(7): 96-101. |
SUN H, FENG B Q, WEI X J, et al. Application of BIM+GIS technologies in integrated management of construction and maintenance of Beijing-Zhangjiakou HSR[J]. China Railway, 2022(7): 96-101 (in Chinese). | |
[19] | 王森荣, 秦永平, 马弯, 等. 高速铁路轨道工程信息化和智能化技术研究[J]. 铁道工程学报, 2022, 39(1): 101-106. |
WANG S R, QIN Y P, MA W, et al. Research on the informatization and intelligent technology for high speed railway track engineering[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2022, 39(1): 101-106 (in Chinese). | |
[20] | 潘永杰, 魏乾坤, 赵欣欣, 等. 铁路桥梁病害库和管养知识库的构建及应用研究[J]. 铁道建筑, 2019, 59(1): 23-27. |
PAN Y J, WEI Q K, ZHAO X X, et al. Research on establishment and application of knowledge bases about railway bridge defects and management-maintenance[J]. Railway Engineering, 2019, 59(1): 23-27 (in Chinese). | |
[21] | 王兴鲁, 王晓刚, 陈翔, 等. 基于BIM的高速铁路工程建设运维一体化应用研究[J]. 铁道标准设计, 2023, 67(10): 186-193. |
WANG X L, WANG X G, CHEN X, et al. Research on the integrated application of BIM in high-speed railway construction and operation management[J]. Railway Standard Design, 2023, 67(10): 186-193 (in Chinese). | |
[22] | 王同军. 中国智能高速铁路体系架构研究及应用[J]. 铁道学报, 2019, 41(11): 1-9. |
WANG T J. Research and applications of China intelligent high-speed railway architecture[J]. Journal of the China Railway Society, 2019, 41(11): 1-9 (in Chinese). | |
[23] |
何庆, 荆传玉, 高天赐, 等. 基于IFC标准扩展的铁路轨道结构BIM模型构建研究[J]. 图学学报, 2023, 44(2): 357-367.
DOI |
HE Q, JING C Y, GAO T C, et al. Research on BIM model of railway track structure based on IFC standard extension[J]. Journal of Graphics, 2023, 44(2): 357-367 (in Chinese).
DOI |
|
[24] | DAO J C, NG S T, YANG Y F, et al. Semantic framework for interdependent infrastructure resilience decision support[J]. Automation in Construction, 2021, 130: 103852. |
[25] | 王源, 徐金辉, 陈嵘, 等. 基于中点弦测法的轨道不平顺精确值数学模型研究[J]. 铁道建筑, 2015, 55(5): 139-143. |
WANG Y, XU J H, CHEN R, et al. Research on mathematical model of accurate value of track irregularity based on midpoint chord measurement method[J]. Railway Engineering, 2015, 55(5): 139-143 (in Chinese). | |
[26] | 李阳腾龙, 岑敏仪. 高铁无砟轨道钢轨精调优化算法[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2018, 43(6): 893-900, 921. |
LI Y, CEN M Y. A novel optimization algorithm of track fine adjustment for high-speed railways[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 893-900, 921 (in Chinese). |
[1] | 潘泽宇, 史健勇, 姜柳. 基于语义网的电网工程BIM模型完备性审查方法[J]. 图学学报, 2023, 44(5): 1021-1033. |
[2] | 王珩玮, 胡振中, 赵燕来, 钟坚, 陈伊. 面向城市信息模型的半自动地理配准方法研究[J]. 图学学报, 2023, 44(3): 616-624. |
[3] | 何庆, 荆传玉, 高天赐, 王平. 基于IFC标准扩展的铁路轨道结构BIM模型构建研究[J]. 图学学报, 2023, 44(2): 357-367. |
[4] | 张吉松, 于泽涵, 李海江. 基于语义网的BIM结构模型合规性审查方法[J]. 图学学报, 2023, 44(2): 368-379. |
[5] | 潘泽宇 , 杨海涛 , 王佳亮 . 基于 BIM 和本体的建筑不规则类型审查[J]. 图学学报, 2022, 43(5): 918-926. |
[6] | 熊琛, 陈立斌, 李林泽, 许镇, 赵杨平. 基于计算机视觉与 BIM 的裂缝可视化管理方法[J]. 图学学报, 2022, 43(4): 721-728. |
[7] | 姜柳, 史健勇, 付功义, 潘泽宇, 王朝宇. 基于 BIM 和深度学习的建筑平面凹凸不规则识别[J]. 图学学报, 2022, 43(3): 522-529. |
[8] | 段锐, 邓晖, 邓逸川. ICT 支持的塔吊安全管理框架—— 回顾与展望[J]. 图学学报, 2022, 43(1): 11-20. |
[9] | 张文元, 谈国新. 建筑物多尺度三维语义建模研究[J]. 图学学报, 2022, 43(1): 163-171. |
[10] | 王永海 , 姚 玲 , 陈顺清 , 包世泰 , . 城市信息模型(CIM)分级分类研究[J]. 图学学报, 2021, 42(6): 995-1001. |
[11] | 赵雪锋, 侯 笑, 刘占省, 李梦璇. 高校 BIM 课程教学闭环管理体系研究[J]. 图学学报, 2021, 42(6): 1011-1017. |
[12] | 刘世龙, 马智亮. 基于 BIM 的钢筋骨架语义设计点云自动生成算法[J]. 图学学报, 2021, 42(5): 816-822. |
[13] | 边根庆, 陈蔚韬. 面向 Web 的建筑三维模型可视化方法研究[J]. 图学学报, 2021, 42(5): 823-832. |
[14] | 朱慧娴, 徐 照. 装配式建筑自上而下设计信息协同与模型构建[J]. 图学学报, 2021, 42(2): 289-298. |
[15] | 梁裕卿, 吉久茂, 杨佳蕾, 张东升, 王 珂, 王凌宇, . 基于人工智能的 BIM 疏散设计自动化方法[J]. 图学学报, 2021, 42(2): 299-306. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||