鐵路信號IFC國際標準的研究與制定

王懷松，王學林，鄒少文

(中鐵二院工程集團有限責任公司通信信號設計研究院，成都 610031)

引言

IFC(Industry Foundation Classes，工業基礎類) 是用于規范建筑信息模型(BIM)數據存儲和交換的綜合性國際標準，目前在BIM應用領域已被多個國家作為最重要的基礎標準[1]。IFC標準是由獨立服務于BIM全生命周期的國際性非營利組織buildingSMART International(簡稱bSI)創建，于2005年正式成為國際標準，標準號為ISO/PAS 16739：2005，最新的正式版本為IFC4.1[2-3]。目前IFC標準定義的模型體系對各個工程領域的支持程度不盡相同，在建筑領域的數據定義相對比較完善，但在鐵路工程領域的相關內容還比較缺失，尤其是鐵路信號領域的內容幾乎沒有。基于此現狀，中國鐵路BIM聯盟(簡稱CRBIM)在IFC4.1的基礎上進行擴展，制定了《中國鐵路工程信息模型數據存儲標準》，這些擴展可以滿足中國鐵路工程的部分需求，但沒有與buildingSMART達成國際共識，也沒有納入到buildingSMART的IFC標準體系[4]。為加快推進鐵路BIM標準化工作，在CRBIM的推動下，計劃與buildingSMART合作完成鐵路信號領域的IFC國際標準編制工作[5](CRBIM與buildingSMART的合作還包括其他鐵路工程領域，本文僅對鐵路信號領域進行論述)，由中國牽頭制定鐵路信號IFC國際標準，并計劃在IFC5.0版本中進行發布。本標準將從根本上解決目前IFC標準在鐵路信號領域的缺失問題，保證在鐵路信號工程全生命周期中信息交換的一致性和完整性。

1 bSI標準的制定程序

bSI標準的制定過程包含3個階段：初始階段、發展階段和批準階段[6]。根據不同的標準制定階段，可以將工作成果定義為“標準建議書(SP)、初步草案(WD)、草案(DS)、候選草案(CS)、最終標準(FS)”5種級別。

在初始階段，標準制定小組需要在明確用戶需求的基礎上編制項目建議書(bSI Standard Proposal)，內容包括項目參與者以及詳細的工作執行計劃，同時還需要在項目建議書中指定項目牽頭方(一般為bSI會員)、項目負責人、專家評審小組及知識產權規則等，然后將該項目建議書提交bSI標準委員會投票確定是否成立該標準的工作組；在發展階段，標準制定小組負責按照bSI標準程序執行具體的標準制定計劃，當本階段的工作完成并且達成共識后，由標準委員會對該標準草案進行審查，經標準委員會批準后可指定為bSI候選標準；在批準階段，當標準制定小組、標準委員會以及該標準的牽頭組織分別簽署同意意見，并且在標準委員會內部不少于65%的成員表示贊成、10%以下的成員表示反對的情況下，可批準為bSI最終標準。bSI標準的制定過程如圖1所示。

圖1 bSI標準的制定過程

2 鐵路信號IFC國際標準的研究內容

鐵路信號IFC國際標準研究內容包括：標準范圍確定、鐵路信號分解研究、用例確定、數據需求研究，以及IDM、MVD等IFC相關標準格式文件的研究[7]。在IFC 4.1的基礎上擴展完成鐵路信號領域的相關內容，具體如圖2所示，首先需要確定鐵路信號IFC標準的范圍，在此基礎上再進行鐵路信號分解和確定用例。然后在鐵路信號分解的基礎上制定IFC數據需求，在鐵路信號用例的基礎上完成IDM，數據需求和IDM是后續進行信號概念模型建模的主要參考依據。最后集成模式定義并通過轉換工具輸出IFC相關標準格式。此外，在研究編制IFC標準內容時要遵循制定IFC標準的7項基本原則：兼容性、可移植性、抽象性、可擴展性、可選擇性、可重復性以及易用性[8]。

圖2 鐵路信號IFC國際標準的研究內容及流程

2.1 鐵路信號IFC國際標準編制范圍的研究

標準制定工作的第一步就是明確標準范圍。確定標準范圍之前，需要充分了解國際上主流的信號系統制式，在標準制定中盡可能兼容大部分國家的數據傳遞與交互需求。在確定標準編制范圍時，結合上述IFC標準的基本編制原則，選取國際鐵路信號系統領域相對通用的部分作為研究對象。例如，各個國家的鐵路信號系統一般都有自己的子系統劃分結構，以中國鐵路信號系統為例，可以細分為聯鎖系統、閉塞系統、列車運行控制系統、列車調度指揮及調度集中系統、微機監測系統、駝峰信號系統等多個子系統[9]。經過與其他國家的鐵路信號子系統進行比對分析，可以發現其中的“聯鎖系統、閉塞系統、列車運行控制系統、列車調度指揮及調度集中系統”不僅能包含中國鐵路信號系統的核心內容，而且能夠較好地滿足國際上主流信號系統通用性需求，因此從中國鐵路信號系統角度可以考慮將以上4個信號子系統納入IFC國際標準的編制范圍。其他國家按此思路經分析比對后分別提出適合本國納入IFC國際標準的內容，最終由各國鐵路信號專家共同討論后確定標準的具體編制范圍。

2.2 鐵路信號IFC分解的研究

2.2.1 分解方式

鐵路信號IFC分解是IFC擴展的前期工作。在IFC基礎設施項目中，主要有3種分解方式：系統分解、實體構件分解、空間結構分解。空間結構分解主要應用于土建領域[10]，鐵路信號主要是在土建領域的基礎上進行各種設備的安裝及線纜的布置，空間結構并不明顯，因此在鐵路信號專業主要采用系統分解與實體構件分解相結合的方式[11]。具體分解方式為：在已確定的工作范圍基礎上，按照系統-子系統-設備的方式進行分解。如圖3所示，把鐵路信號系統分解為聯鎖、閉塞、列控、列車調度指揮及調度集中4個子系統，然后對每個子系統再進行實體構件分解，最終分解到設備級[12-14]。

圖3 中國鐵路信號構件分解

2.2.2 共享構件和通用構件

在鐵路信號相關構件中，某些構件可以在其他鐵路專業中共享，例如，電源設備、電纜、機柜等不僅可以用于鐵路信號工程，也可以用于通信、電力等其他鐵路工程，這類構件稱為“共享構件(Shared Elements)”。某些構件不僅能在鐵路工程共用，甚至可以在鐵路以外的公路、橋梁等其他基礎設施領域共用，例如標志牌、立柱、管道等，這類構件稱為“通用構件(Common Schema)”。“共享構件”和“通用構件”的關系如圖4所示。在進行IFC數據定義時，為了盡可能使用現有的數據結構，實現“最小限度擴展”，這就要求各個專業領域梳理出本專業的共享構件和通用構件，并提交給IFC共享和通用小組進行統一整合。

圖4 共享構件和通用構件示意

2.2.3 分解中易出現的問題及解決辦法

雖然系統分解與實體構件分解相結合是一種相對較好的分解方式，但是在分解過程中仍有一些問題需要思考并解決。首先是分解精度的問題，即實體構件最終分解到何種程度。在實體分解過程中并不是分解的越細越好，這需要結合實際鐵路信號工程中的設備集成、預算編制及設備采購等情況綜合考慮。如果后期確實需要進一步分解，則可以考慮采用添加屬性的方式實現；其次，由于不同國家的鐵路信號系統可能存在差異，有的構件可能只適用于個別區域，因此在進行構件分解時應盡可能多地納入國際通用構件。對于必需的專用構件應堅持“對等”原則，例如，如果中國相關內容已經納入到中國地區專用部分，應該堅持將其他國家的同等內容也納入到相應的專用部分當中，避免出現兩者層級上的區別[15]，然后可利用Linked Data(互聯數據)或傳統的bsDD(buildingSMART Data Dictionary，數據字典)方法來實現國際標準和本地化需求的融合[16-17]。

2.3 鐵路信號IFC數據需求的研究

IFC數據需求表是最終正式格式文件的基礎。如圖5所示，IFC數據需求集成了國際主流的BIM數據需求，同時也對目前已經存在的相關數據標準進行了映射，例如已存在的IFC4.1、中國鐵路信息模型數據存儲標準、歐洲鐵路信號聯盟(EULYNX)標準等。鐵路信號IFC數據需求的集成主要是基于上述IFC鐵路信號范圍和構件分解結果編制“構件對象描述表”和“屬性需求表”。需要注意的是，在數據需求表中為避免重復定義，對圖3中“不同子系統的相同構件”進行了合并，并且在數據需求表中不再保留“系統-子系統-設備”的層級關系。

圖5 數據需求的建立示意

2.3.1 構件對象描述

構件對象描述表是對2.2中構件分解后的每個實體的具體描述，由“基本描述”、“各國需求描述”、“多語言描述”三大部分組成。如表1所示，“基本描述”包括構件編號、類型、定義、功能描述，此外還對構件所屬的子系統進行說明。為了能更加形象的描述構件，還需要給每個構件配上對應的實物圖片或圖紙，實踐證明采用這種文字加圖片的描述形式是IFC國際標準制定中較為有效的說明方式；“各國需求描述”是指各國利益相關方(Stakeholders)使用英文對構件評論或備注，界定該構件是否在本國需求范圍之內。每個利益相關方都有專門的一列用于本國需求描述；“多語言描述”是指使用多種語言對每個構件對象進行描述，當前主要支持的語言有漢語、德語、芬蘭語、法語、意大利語等。

表1 構件對象描述

2.3.2 屬性需求

屬性需求表是數據需求中最核心、最重要的部分，主要基于IFC工作范圍和用例進行編制，由“基本描述”、“關聯信息”、“各國需求描述”、“多語言描述”4個部分組成。如表2所示，“基本描述”包括構件編號、類型、屬性集、屬性、描述、值類型。其中，每類鐵路信號構件類型主要包含7個屬性集：基本屬性、幾何屬性、材質屬性、位置信息、技術信息、資產信息、運維信息；“關聯信息”對構件屬性的共享性或通用性進行界定，同時，與IFC4.1進行映射，確定是否在IFC4.1中已存在該定義。“各國需求描述”和“多語言描述”與上述“構件對象描述表”類似，區別是“構件對象描述表”是針對構件類型進行描述，而“屬性需求表”是針對構件的屬性或屬性集進行描述[18]。此外，如果構件類型或屬性集存在枚舉類型，則需要在單獨的枚舉工作表“Enums”中進行枚舉。

表2 屬性需求

2.4 鐵路信號IFC用例及IDM的研究

鐵路信號IFC用例是對鐵路信號IFC標準各種應用過程的描述。根據既定的鐵路信號IFC工作范圍以及全生命周期的BIM信息交互情況，優先選擇表3所示的用例在IFC鐵路信號國際標準中進行研究。在定義鐵路信號用例時，還需要進一步明確每個用例的目的、IFC交換場景、優先性、復雜性以及需要的語義信息等。

表3 鐵路信號用例

圖8 鐵路信號系統設計階段IDM交換示例

基于用例來定義信息交互需求成為IFC發展的一個新方向，即信息交付手冊(Information Delivery Manual，IDM)，IDM標準號為ISO 29481-1：2010[19-20]。鐵路信號IDM的目標在于使生命周期中某一特定階段的信息交互需求標準化，并將交互需求提供給軟件商，最終形成解決方案，使鐵路信號IFC國際標準真正得到落實[21]。參照ISO標準的制定流程，IDM的制定和批準流程可以分為6個階段(圖6)，首先由相關組織提出IDM項目建議書，被bSI批準為候選的官方IDM后按照bSI制定的方法流程進行IDM的開發，然后將開發形成的IDM初稿提交bSI進行審核和批準，最終經批準后在bSI網站完成發布。

圖6 IDM的制定和批準流程

通過對用例的定義和分析，可以明確每個用例的信息交互目的，在實際鐵路信號IDM的開發過程中涉及多個信息交互用例，每個用例都需要清晰地定義用戶在該交換中需要接收或者發送的信息。通過用例分析，IDM定義了信息交互過程中的關鍵點，并且定義了不同的應用程序應該如何傳遞這些數據。具體來說，IDM的定義包含三個部分：流程圖(Process Map)、交互需求(Exchange Requirement，ER)、屬性集(Property Set)[16]。見圖7。

圖7 鐵路信號IDM的主要內容

流程圖是利用業務流程建模標記方法(Business Process Modeling Notation， BPMN)將信息交互數據流進行可視化處理。圖8所示的鐵路信號系統設計階段IDM交換示例中，描述了信息交互的角色、階段以及信息交互需求的內容等。其中，具體的交互需求數據對象在下述“交互需求表”中進行詳細描述。

交互需求進一步對流程圖中的數據對象進行詳細描述，“信息交互需求表”的格式和內容可以根據實際需要進行定制。為了IDM標準制定的規范化，首先需要定制描述模板，使用者只需填入相應的內容即可，然后在標準的方法和體系下制定IDM標準[18]。表4所示的交互需求表描述了鐵路信號系統在初步設計階段的信息交互需求，主要包括交換流程中的信息發送方和接收方、交換流程的目的和內容、相關的用例等。

表4 鐵路信號系統初步設計階段交互需求(部分)

屬性集也是IDM的組成部分之一，IDM的屬性集可以直接利用2.3“屬性需求表”中的相關屬性信息內容。

2.5 鐵路信號模型視圖定義(Model View Definition，MVD)的研究

完整的IFC文件由全生命周期中各個階段、各個專業的工程信息融合而成，某一個特定階段往往只涉及其中一個或多個特定流程，但是如果直接讀取和解析完整IFC文件中的所有信息，將導致解析工作量大、應用效率低等問題[22]。因此，有必要研究針對各個階段特定流程的信息交互需求的描述方法。模型視圖定義MVD就是為匹配信息交付手冊IDM中一個或多個特定交互流程(ER)而定義的IFC子集，或者說MVD是IDM在IFC上的實現[23]。IDM是從用戶角度對信息交換需求進行的定義，而MVD是從軟件開發人員的角度對軟件如何實現用戶需求而進行的定義[17]，圖9(左)描述了IDM和MVD的其中一種匹配關系，圖9(右)描述了IFC文件下部分鐵路信號MVD子集，每個MVD子集包含一個mvdXML數據文件。

圖9 IDM、MVD的一種匹配關系(左)和鐵路信號部分MVD子集(右)

對于鐵路信號來說，其設備形態較為復雜，不同的IDM和MVD中都應規定“線條表達”、“包圍盒”和“邊界面片表達(Brep)”、“細分表達”等不同的幾何表示方式。例如，同樣的信號設備，可能在規劃階段、初步設計階段、施工圖階段以及運維階段需要的交付信息不同，規劃階段可能只需要大致位置示意，但在施工圖設計階段的交付信息需要采用實體幾何表示。其次，MVD視圖更適合于基于“單方向”參考模型的BIM工作流程，而對于需要“雙向”編輯修改交付信息的BIM工作流程更適合在設計轉移視圖(Design Transfer View，DTV)中進行定義。例如，在表5所示的“鐵路信號可視化MVD需求”中，將“識別(Identification)、技術信息(Technical information)、安裝需求(Installation)”等可單向參考的信息模型在MVD中定義，將“幾何表示(Geometry)、位置信息(Location information)、運維信息(Operation & Maintenance Info)”等需要雙向編輯修改的信息模型在設計轉移視圖中定義。

表5 鐵路信號可視化MVD需求示例(部分)

3 結語

IFC標準已經成為國際公認的BIM數據交換標準，但是IFC標準在鐵路工程領域的數據定義還不夠完善。為從根本上解決目前IFC標準在鐵路信號領域的缺失問題，中國鐵路BIM聯盟(CRBIM)將與buildingSMART合作完成鐵路信號IFC國際標準的制定。本文介紹了bSI的標準制定過程，著重論述了鐵路信號IFC國際標準制定過程中范圍的確定、鐵路信號IFC分解的研究、共享構件和通用模式的研究、用例的確定、數據需求以及IDM、MVD等IFC相關內容的研究。以上研究內容和研究方法可以為今后鐵路工程BIM實施標準制定、鐵路BIM軟件研發以及鐵路BIM應用研究提供參考。但需要進一步指出的是，由于當前鐵路信號IFC國際標準尚在制定過程中，該國際標準化工作是一個不斷調整和反復研究的過程，因此本文所研究的內容并非最終結論，同時，本文研究的內容并未包含鐵路信號IFC標準所有相關內容。