Концепция цифрового моделирования на железнодорожном транспорте

Концепция

цифрового моделирования на железнодорожном транспорте

1^4

с

Д. В. Ефанов,

д. т. н., доцент, руководитель направления систем мониторинга и диагностики

ООО «ЛокоТех-Сигнал», профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Российского университета транспорта

A. С. Шиленко,

главный инженер проекта, институт «Гипротран-ссигналсвязь» — филиал АО «Росжелдорпроект»

B. В. Хорошев,

аспирант, ассистент кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» РУТ (МИИТ), инженер-технолог систем мониторинга ООО «ЛокоТех-Сигнал»

Описаны преимущества использования цифрового моделирования на всех этапах жизненного цикла устройств железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава. Разработана концептуальная модель взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с использованием технологий цифрового моделирования. Отмечены преимущества использования нового подхода. Предложены основные технические решения для полного перехода железнодорожного транспорта на цифровую платформу.

Развитие предприятий промышленности и транспорта во всем мире направлено на циф-ровизацию [1-3], что дает возможность улучшать организационное взаимодействие объектов, а также получать более удобное и низкозатратное производство [4, 5]. цифровизация позволяет снизить влияние человеческого фактора на технологические процессы, сделать еще один шаг к внедрению киберфизических систем в производство [6]. Один из основных трендов в транспортной отрасли РФ — цифровизация железнодорожного сегмента [7].

Важность железнодорожной составляющей в транспортной системе России неоспорима. Компания «Российские железные дороги» входит в число системообразующих предприятий отечественной экономики. Особое внимание уделяется повышению инвестиционной привлекательности железнодорожной отрасли, т. е. снижению затрат, росту производительности труда, эффективности строительства и совершенствования технологий содержания объектов железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава. Такие амбициозные задачи формируют спрос на современные технологии автоматизации и цифровиза-ции технологических процессов, позволяющие повысить надежность и эффективность всех компонентов сложнейшего механизма железных дорог [8]. Эту задачу можно решить при использовании грамотного системного подхода к разработке и реализации всех составляющих проекта «цифровая железная дорога» [9].

Многие технические проекты, направленные на реализацию компонен-

тов цифровой железной дороги, сводятся к эпизодическим (не комплексным) решениям. Это приводит к точечному улучшению какой-либо составляющей без учета связанных с ней объектов инфраструктуры и подвижного состава. Итогом такой цифровизации становится достижение предела той или иной технологии без возможности дальнейшей оптимизации процессов. Примером тому служит внедрение микропроцессорных систем централизации управления на станциях без учета особенностей организации и планирования движения поездов. Система централизации остается инструментом управления движением, однако в ней, например, не предусмотрена автоматизация информационного обмена с диспетчером: эта роль возложена на человека-оператора. В результате качественных изменений по сравнению с традиционными релейными системами заказчик не получает.

Наибольшая активность поставщиков решений для цифровой железной дороги наблюдается в кластере управления услугами и процессами оказания услуг. Такая тенденция ожидаема: в этой сфере нет жестких требований по безопасности и стандартизации при достаточно обширном рынке предлагаемых в других отраслях экономики решений.

Достижению новых эффектов в работе железнодорожного комплекса может способствовать внедрение «сквозных технологий» [10], оказывающих влияние на все составляющие такого крупного холдинга, как ОАО «РЖД». Перспективным представляется использование технологий цифрового мо-

делирования [11], или BIM-технологий (Building Information Modeling).

Цель настоящей статьи — представление концепции цифрового моделирования для тотальной цифровизации железнодорожного комплекса с учетом специфики его функционирования.

Внедрение технологий цифрового моделирования на железных дорогах

Возрастающая сложность строительных работ требует использования новых методов и современного оборудования, что делает традиционные процессы планирования более эффективными, а проекты — более «прозрачными». Используя метод BIM, можно повысить качество консалтинга, планирования и реализации услуг на протяжении всего жизненного цикла объекта, связанного с железнодорожной инфраструктурой.

Информационное моделирование воспринимается заказчиком как 3D-мо-дель для визуализации проекта и создания проектной документации. Портфель заказов на проекты с использованием BIM-технологий сводится главным образом к применению web-3D-графики для нужд проектирования, строительства, ремонта и эксплуатации вокзалов и искусственных сооружений [12-14]. В подобной ситуации ключевым направлением развития железной дороги, способным обеспечить максимальный технико-экономический и социальный эффект на основе синергии отдельных структурных подразделений, может стать внедрение технологий цифрового моделирования. В основе таких технологий лежат трехмерная информационная модель объекта (трехмерная модель объекта с заданной степенью детализации) и совместная работа с информацией.

Технология BIM была разработана для применения на этапе проектирования [11]. Современный BIM-подход основан на интегрированной системе геометрической информации, данных и документов в рамках единой информационной модели, которая может быть доступна всем членам проектной группы через общую среду данных. Благодаря коллективной базе данных легко определить информационные пробелы и конфликты, быстро принять необходимые меры.

Первые работы по стандартизации BIM-технологии появились в начале первого десятилетия XXI века [15]. Сегодня набор регламентирующих доку-

ментов в этой области — один из наиболее проработанных BIM-стандартов в мире. К примеру, британский проект стандарта для управления информацией на этапе капитального строительства с использованием информационного моделирования PAS 1192-2:2013 определяет четыре «уровня зрелости» BIM (рис. 1): от уровня 0 до уровня 3, или соответственно от двухмерного черчения с использованием САПР до единой интегрированной системы полного цикла.

BIM-технологии не ограничиваются приложением в строительстве: гиганты транспортной отрасли обращают внимание на возможности грамотного использования современных информационных технологий. Например, известная фирма Boeing — один из крупнейших производителей авиационной, космической и военной техники, — в отсутствие нормативной базы и «правил игры» в области цифрового моделирования взялась за разработку цифрового проекта Boeing 777 на основе практик DBD (digital product definition) и MBD (model based definition). В 1997 г. сотрудники компании приступили к разработке процессов для решения задач долговременного хранения, поиска и доступа к цифровому определению продукта [16]. Внутренний процесс был вскоре разработан и принят Комитетом по управлению сертификатами и сертификации самолетов Федерального управления гражданской авиации США (Federal Aviation Administration, FAA) — правительственного регулятора США, структурного подразделения Министер-

ства транспорта. В виде стандарта документ был завершен и выпущен под обозначением SAE ARP-9034 в 2003 г. [17].

Фирма Boeing порекомендовала контрагентам работать в рамках предложенных стандартов. Такой подход изменил способ сотрудничества компании с ее зарубежными поставщиками, выпускавшими компоненты воздушного судна, позволил преобразовать взаимодействие подразделений Boeing, разбросанных по стране. Переход на электронные системы представления модели позволил компании покрыть спрос на авиационную технику, преодолев барьеры производственной системы, а также революционизировать способы разработки и поддержки самолетов, объединяя продукты с управлением жизненным циклом [18, 19].

В железнодорожной отрасли просматривается серьезное отставание по применению BIM-технологий в системах организации и управления движением поездов относительно других отраслей. Использование BIM в железнодорожном инфраструктурном секторе представляет собой относительно новый метод.

Железнодорожная инфраструктура сложна. Применение BIM требует создания базы, охватывающей множество технологий и измерений, а также выработку единого стандарта взаимодействия и обмена информацией для контроля над трафиком и эксплуатацией железных дорог. Положение усугубляется скудным специализированным программным обеспечением для создания BIM-мо-делей. В отличие от информационного

Модели, объекты, коллаборация, интероперабильность данных Рис. 1. Уровни зрелости BIM в PAS 1192-2:2013

Рис. 2. Технологии цифрового моделирования в жизненном цикле объектов инфраструктуры и подвижного состава

моделирования зданий, где программное обеспечение на основе BIM весьма распространено, подобные программы для проектирования железных дорог имеют ограниченный функционал, прежде всего в отсутствие библиотек объектов для некоторых сфер деятельности железной дороги.

В концепции цифровой железной дороги к BIM-модели c точными данными о геометрических характеристиках модели и/или ее компонентов (3D) добавляются данные календарного планирования (4D), денежные затраты (5D), а также массив данных и аннотаций, должным образом структурированный и заполняющийся в процессе коллективной работы участников.

Технологии, поддерживающие сбор и анализ больших объемов данных, могут оказаться чрезвычайно полезными в этом отношении. Решения, позволяющие заполнять массивы данных цифровой BIM-модели на этапе ее эксплуатации, могут быть основаны на технологии промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things) и баз данных систем технического диагностирования и мониторинга, диспетчерского контроля, автоматизированных систем управления ИВЦ ОАО «РЖД» и других информационных систем.

Оснащение технологического оборудования многочисленными датчиками стало обычным явлением в промышленной индустрии [20]. Они используются главным образом для мониторинга стабильности технических процессов и параметров. Датчики, беспроводные технологии и технологии информационного моделирования необходимы для «умного» оборудования,

связывая реальный мир и его «цифровую тень».

Цифровое моделирование на всех этапах жизненного цикла объектов

Рассмотрим преимущества применения BIM-технологии в жизненном цикле объекта железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава (рис. 2).

1. Концепция

В перспективе цифровой железной дороги постановка целей и задач проекта, анализ градостроительной ситуации, принятие объемно-планировочных и архитектурных решений с применением BIM-технологий позволит перейти к про-активной политике капитального строительства и капремонта. Информационное моделирование позволяет решить проблему пространственного размещения и прогнозирования. Взаимодействие географических информационных систем [21] и BIM-технологий поможет аналитикам принимать решения по оптимизации бизнес-процессов, позволяя интегрировать, отображать и моделировать пространственные взаимосвязи, используя географический подход и методы пространственного анализа.

Например, перед проектировщиками компании China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. стояла задача выбора оптимального маршрута для скоростной железной дороги Ухань-Сиань протяженностью 8,3 км, которая будет проходить через горы, реки и озера [22], с минимальным количеством мостов и туннелей. Чтобы выбрать точный маршрут для линии, команда проектировщиков использовала данные геоинформационных систем, а затем,

используя технологию виртуальной реальности (VR), наметила оптимальный маршрут (рис. 3).

2. Обоснование инвестиций

При использовании BIM уменьшаются расходы, связанные с подготовкой и проведением технологического и ценового аудита обоснований инвестиций.

3. Изыскания

Цифровая модель местности — одна из важных составляющих инфраструктуры пространственных данных, основа для интеграции информации различного назначения [23]. Цифровая модель местности служит фундаментом для дальнейшего проектирования, способствует ускорению проектирования и оптимизации сроков сдачи объекта.

4. Проектирование

4.1 Информационное моделирование

Информационное моделирование объектов инфраструктуры с привязкой к высокоточной координатной системе на цифровой модели местности позволит формировать модели пути, искусственных сооружений и напольного технологического оборудования для использования в интеллектуальных системах управления и диспетчеризации [24].

Применение BIM позволяет визуализировать в 3D-формате любые элементы и объекты, рассчитывать различные варианты их компоновки, осуществлять автоматизированный контроль коллизий при пересечении смежных разделов в проектах и исключать ошибочную интерпретацию данных. Кроме того, становятся возможными обоснование реальной стоимости объекта, четкая и неформальная проработка технологии строительно-монтажных работ и проекта организации строительства.

Следует отметить, что положительный эффект отмечается и в разработке элементов тягового подвижного состава. При использовании 3D-моделей уменьшается количество создаваемых прототипов устройств и деталей тягового подвижного состава, а также несоответствий требованиям, вызванным неточностями в чертежах, повышается уровень интерпретации и передачи замысла конструкторской документации.

4.2 Энергомоделирование

Энергомоделирование объектов необходимо для оценки проектных реше-

ний и обеспечения энергоэффективности [25]. Математическое моделирование энергопотребления (Building Energy Modeling, BEM) позволяет определять состояние элементов объекта с учетом фактических климатических и проектных решений при максимальном приближении к реальным условиям его эксплуатации.

Для BEM важно учитывать погодные условия, графики работ здания и оборудования, их геометрические параметры, типы и алгоритмы работы инженерных систем. На основе этих данных анализируются энергетическая и экономическая составляющие.

Современные рейтинговые системы сертификации зданий LEED и BREEAM, Green Star и др., реализующие принципы зеленых стандартов концепции Sustainable Development, оценивают объекты на соответствие максимальной производительности и экологичской безопасности, а также минимизации эксплуатационных расходов. Для сертификации по концепции Sustainable Development требуется создание цифровой энергетической модели. Залог точных результатов расчетов и присвоения высокого рейтинга — цифровое моделирование.

Отметим также, что благодаря BIM-технологиям энергетическое моделирование возможно и на концептуальной стадии жизненного цикла объекта.

5. Экспертиза проектной документации

Использование BIM-технологий позволит экспертам оперативнее погрузиться в проект вследствие наглядности BIM-модели объекта.

6. Строительство объекта

На стадии строительства информационное моделирование способствует организации эффективной работы максимального количества участников процесса: проектировщиков, подрядчиков, заказчика, эксплуатирующей организации. Технологии BIM применяются для планирования, анализа и контроля производства строительно-монтажных работ в целях поставки материалов и оборудования. При этом облегчается процесс разработки и согласования «окон» и проекта производства работ, сводятся к минимуму возможные накладки при составлении плана работы, управлении логистикой и координации действия подрядчиков. Использование

BIM позволит обеспечить «прозрачность» строительства.

7. Эксплуатация объекта

Задача на этом этапе — формирование и поддержание в рабочем состоянии цифрового двойника объекта (комплексной электронной копии объекта, состоящего из субъектов). Выделим три направления. Постоянный сбор данных о состоянии субъектов с возможностью хранения и обработки больших данных для мониторинга объекта и управления его жизненным циклом. Предиктивный анализ — прогнозирование будущего поведения объектов и субъектов с целью принятия оптимальных решений. Предсказательная аналитика использует статистические методы и методы интеллектуального анализа данных, включая обработку больших данных с использованием средств машинного анализа [26]. Предиктивный анализ будет тем качественнее, чем больше будет собрано информации о реальном поведении объекта с течением времени. Имитационное моделирование — подбор оптимального режима работы объекта, оптимального штата сотрудников и охраны, повышение производительности труда.

Цифровой информационный двойник того или иного объекта поможет решить следующие вопросы безопасности:

• моделирование опасной для жизни людей ситуации и разработка алгоритмов ее ликвидации;

• пространственная ориентация объекта пожарным расчетам при возникновении задымления;

• контроль проникновения и перемещения по объекту неавторизованного персонала.

8. Вывод из эксплуатации

Перед выводом объекта из эксплуатации анализируется угроза возникновения дефицита производственных, энергетических мощностей или пропускной способности. С помощью BIM-технологий моделируются опасные факторы и мероприятия по их устранению, определяются ликвидность объекта, возможности его конверсии или трансформации (например, при выводе из эксплуатации опасного производственного объекта). При этом уменьшается число бюрократических процедур, сокращается время на экспертизу и оценку фактических затрат.

Рис. 3. Цифровая модель скоростной железной дороги

Внедрение технологий цифрового моделирования на железнодорожном транспорте

В России нормативная система в области BIM-технологий в строительстве включает стандарты и своды правил, определяющие основные положения, принципы и терминологию. Над ними работают подведомственные организации Минстроя. Система нормативно-технических документов будет включать в себя 15 национальных стандартов (ГОСТ Р) и 10 сводов правил. Сейчас для практического применения BIM доступны семь ГОСТов и четыре свода правил.

В сфере железнодорожного транспорта внедрение BIM-технологий неизбежно. Достижение стратегических целей инновационной политики холдинга «РЖД» невозможно без повсеместного внедрения информационного моделирования для сквозного проектирования и информационной поддержки объектов инфраструктуры и подвижного состава. Для создания научно-технической и технологической базы информационного моделирования с целью реализации проекта «цифровая железная дорога» необходимо:

• обеспечить правовое регулирование отношений с целью снятия ограничений для внедрения и развития BIM-технологий;

• разработать методологию внедрения датчиков постоянного сбора первичных данных о состоянии объектов инфраструктуры и подвижного состава (датчиков «оживления» BIM-моделей), выработать предъявляемые к ним требования;

• разработать методологию внедрения информационного моделирования в практику на отдельных стадиях жизненного цикла: от обоснования инвестиций до утилизации и сноса зданий и сооружений;

• разработать цифровые модели для всех модулей, сооружений и оборудования;

• обеспечить интеграцию с цифровой моделью местности, обеспечив привязку к высокоточной координатной сети;

• проводить мероприятия, направленные на трансформацию менталитета и сознания участников процесса;

• обеспечить подготовку квалифицированных кадров для работы в информационной модели;

• модернизировать процесс проектирования;

• подготовить отказоустойчивые и защищенные от кибератак центры обработки данных, сетей связи для нужд промышленного интернета вещей, интеллектуальных систем управления движением и грузо-, пассажиропотоками, систем железнодорожной автоматики и связи;

• внедрить современные микропроцессорные системы управления тяговым подвижным составом с интегрированным комплексным локомотивным устройством безопасности (включая комплексные средства самодиагностирования и мониторинга).

Таким образом, совершенствование железнодорожного транспорта невозможно без комплексного и системного подхода к цифровизации его компонентов и технологических процессов. Технологии цифрового моделирования, или В1М-технологии, необходимо принять как базовые, использовать их на каждом этапе жизненного цикла объектов, вовлеченных в перевозочный процесс. В недалеком будущем цифровые модели окажутся полезными для создания компонентов и узлов железнодорожной инфраструктуры и подвижного состава при использовании аддитивных технологий. Подобная трансформация позволит сделать качественный скачок по спирали научного прогресса и осуществить переход от технологий ушедшего века к цифровым технологиям XXI столетия.

В заключение нужно подчеркнуть, что использование В1М-технологий в транспортной отрасли не ограничивается каким-то одним ее сегментом [27]. Технологии цифрового моделирования разнородных транспортных систем можно успешно применять для решения глобальных задач: оптимизации взаимодействия городского транспорта или организации и реализации мульти-модальных перевозок. П

Литература

1. Бойков В. Н., Скворцов А. В., Сары-чев Д. С. Цифровая автомобильная дорога как отраслевой сегмент цифровой экономики // Транспорт РФ. 2018. № 2. С. 56-60.

2. Левин Б. А., Цветков В. Я. Цифровая железная дорога: принципы и технологии // Мир трансп. 2018. Т. 16. № 3. С. 50-61.

3. Bauer T., Benito D. N. Digital Railway Stations for Increased Throughput and a Better Passenger Experience // Signal+Draht. 2018. Is. 7+8. P. 6-12.

4. Бабкин А. В. Цифровая трансформация экономики и промышленности: проблемы и перспективы. - СПб : С-Петерб. по-литехн. ун-т Петра Великого, 2017.- 807 с.

5. Орлов С. Завод будущего // Сибир. нефть. 2019. № 1. С. 21-25.

6. Левин Б. А., Цветков В. Я. Киберфизи-ческие системы в управлении транспортом // Мир трансп. 2018. Т. 16. № 2. С. 138-145.

7. Романчиков А. М., Гросс В. А., Ефа-нов Д. В. и др. Цифровизация железнодорожного транспорта в России // Транспорт РФ. 2018. № 6. С. 10-13.

8. Розенберг Е. Н., Коровин А. С. Глобальные тренды развития интеллектуальных транспортных систем // Автом., связь, информ. 2018. № 12. С. 14-19.

9. Стратегия научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективудо 2030 года (Белая книга): утв. распоряжением ОАО «РЖД» № 769/р от 17.04.2018.

10. Наука переходит на цифру. - URL: https://rg.ru/2018/04/2 0/skvoznye-tehnologii-budushchee-rynka-intellektualnoj-sobstvennosti.html, (Дата обращения 22.03.2019).

11. Мыльников Д. BIM-технологии в системе координат жизненного цикла здания // Connect. 2017. № 3. С. 64-68.

12. Михалев С. Н. BIM-технологии при проектировании железнодорожных объектов // Автом., связь, информ. 2018. № 10. С. 21-23.

13. Noor B. A., Yi S., Kazmi S. H. A. Revit-Based Automation Modeling for Intermediate Railway Station // 2nd Intern. Conf. Cybernetics, Robotics and Control (CRC). Chengdu, China, 2017. P. 162-166. doi: 10.1109/CRC.2017.34.

14. Wu C.-M., Chiu C.-T., Lin J.-F. An Empirical Study on Planning and Design Collaboration of Urban Railway Construction Bridge and Culvert Project Based on BIM // IEEE Intern. Conf. Advanced Manufacturing (ICAM).

Yunlin, Taiwan, 2018. Р. 392-395. doi: 10.1109/AMCON.2018.8615071.

15. Скворцов А. В. Обзор международной нормативной базы в сфере BIM // САПР и ГИС автомоб. дорог. 2016. № 2. С. 4-48.

16. ASME Y 14.41. An American National Standard. Digital Product Definition Data Practices.

17. ARP9034:2003. Aerospace Standards. A Process Standard for the Storage, Retrieval, and Use of 3D Type Design Dat.

18. Developing Airplane Systems Faster and with Higher Quality through ModelBased Engineering. - URL: www.boeing. com (Дата обращения 22.03.2019).

19. Dassault Systèmes Boeing Signs Long-Term Contract with IBM and Dassault Systèmes to Standardize Product Lifecycle Management Platform on Version. - URL: https://www.3ds.com, (дата обращения 22.03.2019).

20. Ицкович Э. Л. Эволюция средств и систем автоматизации технологических процессов // Автомат. в промышл. 2009. № 8. С. 3-10.

21. Pruter F., Hintze P. But that's not the kilometre in the plan! The Potential of Georeferenced Railway Infrastructure Data // Signal+Draht. 2018. Is. 11. P. 6-15.

22. Making high-speed rail design faster. - URL: https://www.autodesk. com/solutions/bim/hub/aec-excellence-2018/infrastructure/ medium (Дата обращения 22.03.2019).

23. ГОСТ Р 52439-2005 Национальный стандарт Российской Федерации. Модели местности цифровые. Каталог объектов местности. Требования к составу: введ. 2006-07-01. М.: Стандар-тинформ, 2006. 156 с.

24. Кокурин И. М., Ефанов Д. В. Технологические основы инновационной системы автоматического управления движением поездов // Автом., связь, информ. 2019. № 5. С. 19-23. - DOI 10.34649/ AT.2019.5.5.003.

25. Ефанов Д. В., Осадчий Г. В. Энергоэффективные решения для систем управления на железнодорожном транспорте //Транспорт РФ. 2019. № 2. С. 16-21.

26. Ефанов Д. В. Особенности функционирования систем технического диагностирования и мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры // Автом. на трансп. 2018. Т. 4. № 3. С. 333-354.

27. Ефанов Д. В., Осадчий Г. В. Концепция современных систем управления на основе информационных технологий // Автом., связь, информ. 2018. № 5. С. 20-23.