BIM技術在鐵路信號工程設計中的應用研究

李茂蛟

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 鐵路信號工程設計概述

鐵路信號系統是為了保證運輸安全而誕生和發展的，其作用是保證行車安全、提高運輸效率和改進服務質量；其任務是行車指揮、進路控制、間隔調整、速度控制、編組與解體，系統的第一使命是保證行車安全[1]。

鐵路信號工程設計的目的是依據鐵路法規、生產廠家說明書以及建設單位要求等，對鐵路信號工程建設所需的技術、經濟、資源、環境等條件進行綜合分析和論證，編制設計文件、施工圖紙和概預算，為信號工程施工提供依據[2]。

1.2 BIM應用概述

BIM技術是創建并利用數字化模型對建設項目進行設計、建造和運營全過程管理和優化的方法和工具。BIM的主要作用是使建筑項目各方面的信息在規劃、設計、建造、運維、資產重組的整個過程中無損傳遞[3]。

近年來，BIM技術已在鐵路地質[4-5]、線路[6-7]、橋梁[8-9]、隧道[10-11]、道岔[12]、接觸網[13-14]等工程設計中進行了相關應用。

1.3 BIM認識誤區

BIM技術常見的誤區有：

①BIM就是三維模型；

②BIM就是某款建模軟件；

③BIM是萬能的。

美國國家建筑研究所對BIM的定義[15-17]：用數字信息來描述現實世界的實體建設項目，并建立相應的工程信息模型，以供全生命周期內各參與方使用。

BIM的核心任務是實現多源異構系統之間的信息交換，其三維可視化、協調、模擬、優化等特點均屬于相關軟件在“輔助設計”方面的功能。雖然“輔助設計”是BIM軟件需要具備的重要特征，但其與BIM概念本身并無本質關系[18]。

針對BIM在鐵路行業內應用的誤區，文獻[19]提出“鐵路信息模型(RIM)”的概念及實施原則。不難看出，鐵路信號工程與建筑行業有著迥異的特點。因此，對BIM技術的應用不能生搬硬套，應當結合其自身特點，對BIM技術的應用進行研究。

2 鐵路信號工程設計特點分析

鐵路信號系統是鐵路的主要技術設備之一，在保證行車安全、提高運輸效率等方面起著不可替代的作用。鐵路信號系統是由多個子系統相互耦合、集成的復雜系統。

相較于建筑等實體設計專業，鐵路信號專業具有以下幾方面特征。

(1)子系統多

鐵路信號工程設計涉及列車調度指揮及調度集中系統(TDCS/CTC)、列車控制系統、閉塞系統、車站聯鎖系統、駝峰信號及編組站自動化系統、信號集中監測系統、電源系統、道岔融雪系統、其它信號系統(如動車段/所控制集中系統、調車防護、無線調車機車信號和監控)等。各子系統功能相對獨立，但系統間又具有數據接口、信息互通等相互依賴與制約的關系。

(2)設備布置離散

鐵路信號基礎設備主要包括信號繼電器、信號機及信號表示器、軌道電路、道岔轉換與鎖閉設備等。其中，繼電器作為關鍵邏輯元件，主要集中設置于信號機械室內，以構成控制電路；信號機及信號表示器用于構成信號顯示，指示列車運行和調車作業，須根據需要分布于車站站場及區間線路的不同位置；軌道電路主要用于監督列車對軌道的占用和行車信息的傳遞，一般利用鋼軌作為傳輸通道，其送、受電設備沿鋼軌分布；道岔轉換與鎖閉設備主要用于道岔的轉換和鎖閉，其設備分布于站場各聯鎖道岔處。某車站站場信號設備布置如圖1所示。

圖1 示例站信號設備平面布置

(3)系統網絡連接、信號集中控制

信號系統終端設備的控制信號主要通過控制電纜傳輸，由信號機械室相應的控制系統進行集中控制。室內的控制系統與室外終端設備的連接由主干電纜、支線電纜構成。圖2為示例站右咽喉的電纜徑路，其中，電纜網絡分束如圖3所示。

圖2 示例站右咽喉電纜徑路

圖3 電纜網絡分束

(4)設計表達抽象

從信號設備布放角度看，需要有全局視角，對所有設備的空間關系、顯示關系及連接關系有直觀的掌控，達到合理優化設備布放、精簡線纜連接的目的。因此，在進行信號設備的平面設計時，宜采用示意圖的方式，對相應的信號設備進行抽象，即以簡單的符號替代實際設備，以直線代替鐵路線路及設備連接電纜并輔以位置信息等標注。若直接采用建筑領域相關的三維輔助設計軟件并以實際比例進行布放，則易產生對站前模型的依賴性。

從信號控制的角度看，電路本身具有高度抽象性的特征，不適宜三維設計(三維設計中，線纜的復雜路徑、設備尺寸對于電路原理的把握都是極大的干擾)。

(5)制約關系復雜

信號設計是一個層層遞進的過程，各設計環節之間存在相互依賴與約束的關系。以車站聯鎖設計為例，其主要設計內容及流程如圖4所示。由圖4可知，信號設備的平面布置是基礎，后續各環節設計均以此為依據，信號設備平面布置的任何變化都會影響后續設計。這種上、下序制約關系大致可分為線性制約和非線性制約兩種類型。

圖4 車站聯鎖設計內容及流程簡要示意

①線性制約關系

線性制約：上序設計的變化不引起下序設計結構性、系統性等大變化，僅需對局部細節或相關參數做出相應的修改即可。如進站信號機位置微調，僅需對相應的進站信號機應答器位置、進站坡度進行檢算與微調，對后續設計中的有關電纜長度、進站外方區間閉塞長度、列車進路數據表中相關進路的區段長度、應答器鏈接距離、線路速度等信息進行相應修改即可。

②非線性制約關系。

非線性制約：上序設計的變化導致下序設計結構性、系統性的改變，需下序進行較大范圍修改或全部重新設計。如道岔增、減，將引起下序相關電纜網絡分束、電纜配線、控制電路、工程數量、列車進路及相關敵對信號的變化。

3 三維空間設計適用性分析

建筑工程設計的主要制約關系為三維空間關系，鐵路信號工程設計的主要制約關系為邏輯關系，二者對三維空間設計的需求及適用性有很大差異。鐵路信號系統功能、原理設計不宜采用三維設計模式，而更適合用二維圖表進行表達。但在指導施工方面，形象的三維表達比抽象的二維表達更具有優勢。

3.1 三維空間設計的應用場景

(1)設備布放與空間限界檢查

對室外工程，可結合站前專業模型，在站場三維模型中按照實際位置布放相應的設備模型，可以有效地發現和解決專業間設備碰撞、遮擋等問題。對室內工程，可結合房建模型，對信號機械室設備機柜進行模擬布設，可有效發現和解決空間預留不足等問題。

(2)管綜碰撞檢查與協同優化

綜合管道設計涉及到多專業協同，利用BIM軟件的纜槽布放與碰撞檢查功能，可有效地發現和定位專業間管槽碰撞位置，并可利用可視化優勢，快速完成專業間協調優化設計。

(3)施工工藝表達與設計交底

可以讓施工人員更直觀地了解施工作業部位和對象。通過作業動畫，可以形象地展示工藝流程、施工順序、工藝細則、操作要點及質量標準等內容。

3.2 三維空間設計的限制條件

(1)依賴站前模型

利用三維技術進行模型布設時，需要有站前專業(如站場、路基、軌道、房建等)的參考模型，否則，本專業設備無法進行定位與布放。

(2)需要相關專業配合

空間限界檢查除了需要上述參考模型外，還需要其它多專業配合(如接觸網和其它綜合管廊涉及到的專業模型需要準確的空間位置坐標)，才能進行協同檢查。

(3)設備尺寸信息

通常情況下，設計人員不掌握各類設備的準確尺寸(僅有設備的長、寬、高信息)，故對于精度要求較高的場景，需要相應的設備廠家提供其設備的精確三維模型。

3.3 三維空間設計的應用建議

(1)明確目的和意義

對信號工程設計而言，三維設計主要用于二維圖紙不便表達的相關空間位置信息和模型實體尺寸等信息，屬于輔助和增值手段。不應盲目追求使用三維技術進行信號設計。

(2)選擇適當的精度

信號工程設計對設備布放三維模型的要求為滿足限界檢查，其模型精度能準確表達其外部占位尺寸即可。高精度的模型主要用于工藝展示，但不宜在整個工程中使用(除了美觀和增加內存占用，其它意義不大)。

4 鐵路信號信息化空間設計

從信息交換的角度而言，鐵路信號工程設計主要存在以下三個維度的信息交換。

①專業領域維度：需要實現與鐵路工程各相關專業之間的信息交換。

②建設過程維度：需要實現從規劃、設計到施工、運維等鐵路工程全生命周期各階段之間的信息傳遞。

③工程角色維度：需要實現與業主方、施工方、軟硬件供應方、運營管理方等所有工程參與方之間的信息交流。

因此，在現有設計模式的基礎上，應增加信號設計的信息維度，豐富設計成果的表達形式。

4.1 信息化標準建設

中國鐵路BIM聯盟(CRBIM)參考國際、國內主要BIM標準體系，已初步構建了由“數據存儲標準”、“信息語義標準”和“信息傳遞標準”構成的技術標準體系框架[21]。其中，基于IFC4×1基礎擴展制定的《鐵路工程信息模型數據存儲標準(1.0版)》尚未涵蓋信號專業，而就其所涵蓋與涉及到的相關鐵路專業領域而言，尚未得到有關BIM軟件的支持與驗證。在建筑領域BIM實踐中， IFC模型的輸入輸出過程中尚存在信息缺失的現象[22]。因此，在信息化標準建設方面，尚需鐵路信號工程各參與方加強以下幾方面工作：

①基于鐵路行業的BIM標準框架體系，加快鐵路信號專業的數據存儲標準研究與制定[23]；

②研究數據存儲標準驗證和軟件支持；

③研究數據存儲標準編制與落地空窗期的信息傳遞方案。

4.2 專業協同平臺研發

鐵路信號工程設計作為鐵路工程設計的重要組成部分，其信息化不能脫離其它相關鐵路專業而孤立存在，需要加強與各相關專業的配合。

需要完成以下幾方面工作：

①充分梳理與各專業之間的接口[20]，并與接口專業確定數據交換格式與流程；

②完善本專業的審校標準流程；

③建立與完善本專業的標準圖庫、構件庫及模板文件；

④定義本專業的工作環境。

4.3 信息化輔助設計軟件開發

BIM理念的實現主要依靠軟件，針對鐵路信號設計各個環節的功能要求，需要開發相應的信息化輔助設計軟件，以提高設計效率，實現本專業各環節之間、本專業與接口專業間的信息傳遞。

在傳統的鐵路信號設計中，各類信息的傳遞完全依賴于設計人員對各類輸入資料和設計圖紙的讀取、理解、轉化。信息化輔助設計軟件區別于傳統輔助設計軟件的主要意義在于由計算機軟件代替設計人員對相關的信息進行處理。兩種輔助設計軟件的數據交換模式對比如圖5所示。

圖5 傳統輔助設計模式和信息化輔助設計模式信息交換方式示意

信息化輔助設計軟件開發的關鍵在于信息交互、處理，在目前鐵路信號IFC相關標準及應用尚未成熟的狀況下，可對相關信息作結構化處理，并采用接口文件、數據庫等方式作為信息交換的媒介。

圖4中，箭頭方向既表示了設計的順序，也表明了在整個設計過程中信息的流向，逆向而言則是下序環節對上序環節的信息內容要求，可見車站聯鎖設計的核心基礎是信號設備平面布置。以圖1中X進站信號機為例，傳統輔助軟件不知道該圖形符號“是什么”以及“有何屬性”，而這正是信息化輔助設計軟件要解決的問題。例如，以XML文件定義各類設備的屬性，在設計時針對具體的設備圖元附加相應的屬性，通過軟件自動處理或者人工輔助設置等方式，完善相關屬性的取值。附加了相關結構化信息的X進站信號機屬性(如圖6所示)，通過輔助軟件可隨時修改、查詢、提取。

圖6 示例站進站信號機屬性示例

輔助設計的可視化方式不必拘泥于二維空間表達或三維空間表達，根據前文分析的適用性，輔助設計的可視化方案大致有以下幾種形式(如圖7所示)，可根據實際情況選擇。

①純數據處理：由軟件根據數據生成相應的二維或三維模型；

②二維可視化設計：由軟件根據二維模型信息自動生成三維模型；

③三維可視化設計：由軟件根據三維模型信息自動生成二維模型；

④二、三維可視化設計：由軟件實現二維模型與三維模型的聯動。

圖7 鐵路信號的可視化輔助設計模式示意

5 結論與展望

鐵路信號工程設計具有與建筑工程迥異的自身特點，三維建模技術在鐵路信號工程設計中具有諸多限制因素，鐵路信號相關BIM技術標準也尚在編制中，距離其落地實施與應用還有較長的時間。因此，對于BIM技術的應用不能盲目照搬。信息交換是BIM技術的核心任務，也是鐵路信號工程設計最應借鑒的理念。