BIM技術在鐵路信號和安全系統規劃中的應用

0 引言

自2017年由德國聯邦運輸和數字基礎設施部（BMVI）發起的13個試點項目啟動以來，德國鐵路股份公司（DB）就引入了建筑信息模型（BIM）技術，作為其標準化戰略以及未來的工作和設計方法。從那時起，BIM技術成為了DB基礎設施項目中不可或缺的工具。同時，參與DB基礎設施項目規劃、建設和運營的各行業專家也面臨著巨大的挑戰，即如何根據DB的BIM戰略制定出可行的措施。他們關心以下3個核心問題：

（1）可以通過哪些業務或規劃流程達到要求;

（2）應該使用哪些軟件系統來支持所需流程并生成所需的專家數據或對象;

（3）應該怎樣實現以及通過哪種接口格式實現跨專業、跨公司和跨流程的數據流。

WSP Infrastructure Engineering GmbH公司的ProSig規劃軟件研發團隊根據這些問題，為鐵路信號和安全系統規劃提供了多種解決方案。下面將介紹這些解決方案。

1 ProSig 軟件系統概述

為使讀者更好地理解ProSig方案，本文先介紹該軟件系統的基本結構框架。該軟件系統分為2部分。其中一部分作為“對象提供器”，負責提供專業對象相關的所有數據，以支持各專業的規劃工作;另一部分作為“對象收集器”，負責在3D空間中對所有專業對象進行同時且全面的描述，并成為后續系統（財務控制系統、維修系統和運營系統）的數據源。這些跨專業且通用的3D空間（如AutoDesk Navisworks）允許對基礎設施項目規劃進行結構、數量和時間方面的評估。各專業規劃人員可以在“對象收集器”中對其所做的規劃進行修改和調整。

這個基于BIM技術的全面“對象收集器”是鐵路網絡完整且真實圖像的“數字孿生”。從技術和組織的角度來看，這是一個雄心勃勃的大數據項目。

為實現將不同系統組件連接起來并進行數據傳輸的目的，ProSig軟件系統還使用統一的數據傳輸格式，以求在系統組件之間使用單一數據流。

2 從 2D 到 3D 的發展

基于上述方案，ProSig研發團隊與DB Engineering&Consulting公司合作開發了一個名為“LST2BIM”的原型應用程序，可將一些ProSig項目中的2D對象自動轉換為“對象收集器”虛擬空間中的3D對象。

（1）首先，將ProSig規劃項目中的信息分為2種具有不同格式的基本數據流：①使用DB下屬線路網絡子公司（DB Netz AG）PlanPro數據接口的鐵路信號和安全系統技術數據;②具有工業基礎類（IFC）3D交換格式的對象結構數據，但內容不一定與鐵路信號和安全技術相關。

（2）然后，對這些數據流進行組合或鏈接，以滿足各個目標系統的信息需求。數據從ProSig中導出后，便生成了2個數據集：包含所規劃設備（如集中裝置）全部技術和邏輯信息的PlanPro-XML數據，以及包含線路設施相關3D對象的IFC文件。IFC文件可通過唯一編號（全局唯一標識符 GUID）在PlanPro數據中被引用。

（3）最后，目標系統導入這些數據，并對其進行可視化和進一步處理。

由于信息需求因應用場景不同而各異，因此結構性3D對象的細節級別（LOD）也不同。目前，ProSig和LST2BIM中對象的LOD分為3級（圖2）：①占位符，非常粗略的描述，僅用于標記某物體的存在;②合格模擬品，具有標準圖的相應編號，外觀與對象近似;③標準圖，對于對象的真實描述，體現其細節。

在一個上文提到的BIM早期試點項目中，規劃人員使用LST2BIM軟件在美茵河畔法蘭克福（Frankfurt am Main）樞紐站Gutheuthof支線已有的3D現狀圖中增加了數個信號機，如圖3所示。

目前，研究人員還以LST2BIM軟件為基礎，開發出名為“LST2Unreal”的應用程序。利用該程序，可將線路設備對象傳輸到Unreal Engine的交互式3D空間中，供用戶查看和瀏覽。采用這種游戲開發的方法進行專業規劃設計，可使用戶獲得3D可視化體驗，并且迅速經濟地檢查規劃結果（圖4）。

3 以原始數據為基礎的 BIM 規劃

原始數據的可靠性問題始終是使用BIM技術進行規劃的大問題。沒有精確地形信息作為基礎，鐵路設施規劃便不能達到準確合理的效果。

對于鐵路信號和安全系統的規劃，精確的軌道位置及相應的線路數據（線路里程、軸線、坡度、超高）是創建有效現狀圖的前提，而線路設施規劃以有效現狀圖為基礎。BIM技術的應用進一步提高了對此類數據基礎的要求，因為所有3D對象必須在虛擬空間中具有準確的位置和足夠精確的范圍，以便隨后對其進行專業整合，從而實現結構評估（如碰撞檢測）。

因此，創建現狀圖時，除了優化2D信息源以外，還建議使用準確的3D信息。為此，使用激光掃描儀記錄點云是一種可靠且實用的方法。由此形成的規劃過程如下。

（1）利用ProSig軟件從3D點云中創建線路位置圖，并在必要時確定所有存在對象的位置。

（2）根據這些信息，在ProSig項目中創建現狀圖。

（3）在所需的施工條件下規劃線路設施。

（4）使用LST2BIM將ProSig項目中的對象導出并在3D點云中顯示，以便進行規劃檢查。

4 總結和展望

將BIM技術用于鐵路基礎設施規劃還處于起步階段，但已取得不少成果。究竟BIM技術最終將發展到何種程度，是僅局限于個別解決方案，還是成為包羅萬象的行動框架，這取決于德國鐵路行業愿意且允許做出多大程度的改變。但無論如何，這種標準化舉措都帶來了創新的壓力，這對傳統工程師的工作（如鐵路信號和安全技術領域）產生了明顯影響。ProSig軟件系統在這種改變中得到了發展和完善。目前，DB已經引入了新版本“ProSig 7 EPU”。與傳統的“繪圖驅動”版本相比，這種最新版本可以為有針對性的“數據驅動”流程提供更多支持。此外，基于BIM技術的鐵路設施規劃方式也得到了進一步發展，具體表現為：①使用2個或多個軟件系統進行規劃;②將這些軟件系統集成到綜合數據平臺（CDE）中;③直接在數字孿生上進行跨專業的協作。

參考文獻

[1] Silja Beck， TurgayTürker， Volker Uminski. Building Information Modeling in der Planung der Leit- und Sicherungstechnik[J]. Signal+Draht，2019（9）：6-11.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-01-04