IFC鐵路通信系統分解及數據需求研究

李一凡，劉立海，周潔云，鐘 青

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

近年來，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術成為了鐵路工程全生命周期應用及管理的主要技術發展方向之一，正在引領繼CAD之后建設領域的第二次革命。

通信工程作為鐵路工程中不可或缺的組成部分，如何應用BIM技術改造傳統基因、適應未來信息化發展是一項重要議題。與建筑行業相比，目前鐵路通信領域的基礎數據組成仍以CAD圖紙和文檔為主，信息化程度較低，難以適應未來行業發展需要。例如，在武（漢）襄（陽）十（堰）鐵路BIM試點工程中應用的通信專業模型可視為一種對于BIM技術如何應用于鐵路通信領域的探討[1]，但由于缺乏完備的設備類型定義及準確的數據描述等信息，限制了BIM模型在鐵路通信領域內全生命周期的應用。為解決這個問題，需要研究一種鐵路通信領域適用的BIM數據存儲標準，以實現信息以模型為載體的全生命周期集成與共享。

本文從鐵路通信領域實際需求出發，提出了工藝基礎類（IFC，Industrial Foundation Class）標準鐵路通信系統分解架構，并對系統分解后的各對象進行數據需求定義，是鐵路通信領域BIM數據存儲標準制定工作中的基礎和核心內容。

1 IFC標準概述及IFC鐵路標準研究項目簡介

1.1 IFC標準概述

鐵路工程項目具有涵蓋專業多、數據體量大、專業接口多、關系復雜等特點，想依托同一個平臺或同一種BIM軟件同時滿足鐵路工程全專業的BIM應用需求是非常困難的。另一種解決思路是以各專業信息模型數據交換與共享為核心，采用多平臺、多軟件的協同開發與管理模式，以實現鐵路工程開展全專業全生命周期BIM應用的目標。而統一的BIM數據存儲標準是實現這一思路的技術基礎。侯黎明[2]對不同軟件平臺下動車段所的BIM設計的探索正是應用了IFC標準作為數據轉換格式。

IFC標準是一種由building SMART（bSI）組織制定的BIM數據存儲標準，目前最新版本是2017年6月發布的IFC 4.1[3]，已成為國際標準組織（ISO）的國際標準。IFC標準作為一種公開的、結構化的、面向對象的信息交換格式，具有成熟的技術架構，提供了一種不依賴于具體系統的、適合于描述貫穿整個建筑項目生命周期內產品數據的中性機制[4]，在建筑行業得到廣泛應用，正在向基礎設施和其他領域擴展。

1.2 IFC鐵路標準研究項目簡介

目前，各國都在基礎設施項目的規劃、設計和建造中提出BIM及數字化的要求，鐵路亦不例外[5-6]。在此背景下，bSI組織決定成立IFC鐵路項目，基于既有IFC標準框架進行擴展，將標準升級至5.0，在IFC標準中加入國際化的鐵路BIM數據存儲要求。bSI擴展標準體系架構如圖1所示。

圖1 bSI擴展標準體系架構

本次擴展主要包括軌道、通信、信號、能源等領域[7]。通信領域標準研究是IFC鐵路標準研究中的重要組成部分，如圖2所示。

圖2 IFC鐵路項目中各領域劃分

2 鐵路通信工程信息模型的數據存儲需求

2.1 需求分析

鐵路通信工程信息模型是鐵路通信工程信息化管理的數據基礎，也是實現鐵路通信工程全生命周期內多參與方協同工作，以及跨平臺、跨階段數據交付與再利用的技術支撐。鐵路通信工程信息模型本質上是由各個構件以及相互之間的連接關系組成的。構件是重要的物理存在的實體，連接關系定義這些實體是如何相互關聯、共同作用以實現特定的功能、滿足實際工程需求。

構件的擴展是鐵路數據存儲標準中最重要的部分。完備的鐵路通信構件類型定義及準確的構件數據描述等信息是鐵路通信工程信息模型在鐵路通信領域內全生命周期的應用基礎。構件定義的粒度必須適當。定義太粗難以反映工程中的實際需求，影響未來實施效果；反之定義太細，標準將變得龐大而繁瑣，降低可用性[8]。

綜上，為了更好地描述鐵路通信工程信息模型，對于數據存儲標準主要有以下兩個要求：（1）通過對實際鐵路工程中應用的通信設施設備進行抽象和概括，定義完備的鐵路通信構件類型；（2）以合適的精度準確描述構件屬性、表達構件信息。

2.2 IFC 傳輸/配送系統及存在的問題

IFC標準采用抽象性、兼容性的思維方式，將水、氣、電等各類傳輸系統從本質上抽象提煉為由各類控制設備、管線設施通過各類接口連接組成的網狀傳輸/配送系統。在IFC標準框架中，傳輸/配送系統相關對象定義分別位于共享層和領域層中。該系統采用傳輸/配送實體構件對象（IfcDistributionElement）,傳輸/配送接口對象（IfcDistributionPort）以及傳輸/配送系統對象（IfcDistributionSystem）定義物理實體，各實體間連接關系及整個傳輸/配送系統的組織結構關系[9]。鐵路通信系統本質上應屬于傳輸/配送系統表達范圍。

由于IFC標準目前主要應用于建筑工程領域，可應用于通信領域的構件并不多。鐵路通信工程信息模型中需要使用到的各類線纜、設備等構件主要在IfcElectricalDomain中的IfcCommunicationsAppliance定義，主要通信設備類型有天線、電腦終端、網關、網絡設備等。定義的設備屬性有電源狀態、設備狀態、標稱電壓/電流、設備生產廠家、裝配地點、保質期等。

根據2.1節中鐵路通信工程信息模型對數據存儲標準的需求分析可知，目前IFC 4中定義的、主要應用于建筑工程領域的通信設備，在種類和屬性描述兩方面并不能滿足鐵路通信工程信息模型全生命周期應用的需求。因此，在IFC鐵路標準研究項目的背景下，對IFC標準進行相應擴展至鐵路通信領域的研究十分必要。

IFC鐵路通信標準制定的核心內容：IFC鐵路通信系統分解以及鐵路通信構件數據需求的研究工作。IFC鐵路通信系統分解的目的是從鐵路通信工程的實際需求出發，對鐵路通信構件進行梳理，確認哪些構件已存在于既有IFC 4中，哪些需要作為新構件類型補充；通信構件數據需求的制定是在系統分解的基礎上，進一步明確各通信構件需要攜帶哪些屬性信息以滿足鐵路通信工程信息模型在項目不同階段、不同參與方的需要。這兩部分內容是制定鐵路通信工程BIM數據存儲標準的基礎。

3 IFC鐵路通信系統分解

3.1 鐵路通信工程系統組成

鐵路通信工程屬于系統性工程，各個構件以一定的方式連接在一起形成一個整體的系統，進而發揮系統功能，因此與隧道、橋梁、建筑等側重于空間結構分解的工程不同，鐵路通信工程更側重于邏輯結構分解。

中國鐵路通信系統主要由以下子系統組成：傳輸系統、接入網系統、數據通信網系統、電話交換系統、調度通信系統、移動通信系統、綜合視頻監控系統、應急通信系統、時鐘同步系統、時間同步系統、綜合網絡管理系統、通信電源、電源及設備房屋環境監控系統、綜合布線系統、通信線路等。考慮到IFC鐵路標準項目對于通信系統范圍的定義，客票系統、旅服系統、自然災害及異物侵限監測系統等也納入廣義的通信系統研究范圍中。

3.2 IFC鐵路通信系統分解

根據IFC鐵路通信標準項目主要研究基礎的、核心的、鐵路特有的通信系統的大原則，以及兼顧國際共識等因素，本次標準擴展無法包含所有廣義的通信子系統。通過對所有通信子系統進行評估和篩選，以及對各通信子系統之間的邏輯關聯進行梳理，經中國鐵路BIM聯盟、歐洲各鐵路公司等各標準研究單位共同討論，確定了IFC鐵路通信標準研究范圍，并采用自頂向下的方式對鐵路通信工程進行系統分解如圖3所示。

在以上IFC鐵路通信系統分解架構中，無源構件可作為基礎模塊應用于各個通信子系統的搭建，是通信系統的基礎；固定傳輸網絡與移動網絡相對應，是鐵路通信系統中的核心部分、分別采用有線、無線的方式為各業務子系統提供承載平臺；時間/時鐘同步系統確保全網各通信子系統時間、時鐘同步，為整個鐵路通信系統提供支撐；固定電話系統（重點是運營/調度電話系統）、鐵路自然災害及異物侵限監測系統、鐵路客票系統為鐵路特有的通信業務系統，由無源構件、固定傳輸網絡、移動網絡、時間/時鐘同步系統共同搭建的傳輸平臺提供承載，為鐵路運營管理部門、旅客等提供服務。該系統分解架構清晰、易于擴展。后期如有需要擴展其他業務承載平臺或通信業務子系統，可方便地找到其在系統分解架構中的定位并補充擴展相關內容。

圖3 IFC鐵路通信系統分解

以鐵路自然災害及異物侵限監測系統為例，完整的系統分解展示如圖4所示。

圖4 鐵路自然災害及異物侵限監測系統分解

以合適粒度進行詳盡的系統分解后，通過進一步歸納、整合，可以得到所有IFC鐵路通信構件的種類。接下來需要完善的是對每一類構件進行概念定義，并完成相關屬性描述，即制定各鐵路通信構件的數據需求。

4 IFC鐵路通信構件數據需求

IFC標準采用面向對象的方式進行數據描述，IFC鐵路通信構件的數據需求主要由數據對象描述、屬性定義、預定義類型等內容組成。

4.1 數據對象描述

仍以鐵路自然災害及異物侵限監測系統為例，展示鐵路通信數據對象的定義：包含對象ID、對象類型、定義、功能描述及圖片解釋等內容，如表1所示。

4.2 屬性定義

考慮到通信系統構件有很大一部分屬性為通用屬性，如設備ID、與空間形態有關的信息（幾何尺寸、位置等）、對環境的要求（溫濕度等）、資產信息和運維信息等，為避免重復定義且便于調用，提出定義一個鐵路通信構件通用屬性集（General_Property_Family），供各通信系統構件繼承使用。為支持鐵路通信構件的全生命周期應用，通用屬性集應盡可能全面覆蓋各項目參與方的基本的、核心的信息需求，主要由以下部分組成，如圖5所示。

圖5 鐵路通信構件通用屬性集

除繼承通用屬性集外，大多通信系統構件還有自己的專有屬性。因此，每個通信系統構件的完整數據描述由通用屬性集和專有屬性共同組成。

選取典型、有代表性的風速風向計（Anemometrograph）為例，展示通信系統構件專有屬性定義。風速風向計除繼承通用屬性集以外，所具備的專有屬性定義如圖6所示。

除分辨力、最大允許誤差、啟動風速、時間常數等可被定義為Real的普通屬性外，IFC標準中有一種特殊的屬性類型：預定義類型，用以說明實體的詳細類型。預定義類型為枚舉型，如：風速風向計類型定義為由風杯式、螺旋槳式、超聲波式、熱場式、其他類型等枚舉值組成的預定義類型；采集方式定義為由自動連續、手動單次、其他采集方式等枚舉值組成的預定義類型；接口類型定義為由RS-422、RS-485、其他接口類型等枚舉值組成的預定義類型。這種屬性定義方式結構清晰，避免了冗余，且易于擴展，提高了構件屬性描述的精細度和準確度，能夠滿足鐵路通信工程信息描述的專業需求。

表1 鐵路自然災害及異物侵限監測系統數據對象描述

圖6 風速風向計專有屬性

5 結束語

本文在IFC鐵路標準研究項目背景下，對鐵路通信領域的數據存儲標準進行了深入研究。結合鐵路通信工程的實際需求，提出了IFC鐵路通信系統分解架構，采用面向對象方法對系統分解后各鐵路通信領域特有構件進行了數據需求定義，在現階段盡可能清晰完善地實現了鐵路通信工程信息模型的基本數據描述。本文研究成果從通信領域專業需求出發，為鐵路通信工程全生命周期數據存儲、共享與應用提供數據支持，可為其他相關領域提供參考。下一步研究方向主要有：根據通信領域應用IFC標準的具體數據交換場景（用例）反向檢查數據需求是否完整，如有必要可進一步完善以保證所定義數據需求可應用于通信工程項目全生命周期；準確定義各對象之間的關聯以及新增對象在IFC標準中的位置，將通信領域的標準擴展真正融入IFC架構。