中國鐵路信號系統(tǒng)設計手段的發(fā)展經(jīng)驗

周憲寶

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

縱觀信號系統(tǒng)設計手段的發(fā)展歷程，信號系統(tǒng)設計手段在不斷探索和革新中發(fā)展。從手工描圖到計算機輔助設計，標志著信號系統(tǒng)設計手段進入信息時代；從利用CAD軟件輔助設計到自主知識產(chǎn)權軟件的提出和與CAD軟件的結合使用，標志著信號系統(tǒng)設計手段進入自主知識產(chǎn)權時代；交付成果從二維平面設計到三維立體空間設計的轉變，標志著信號系統(tǒng)設計手段進入智能化時代。

1 傳統(tǒng)設計手段介紹

1.1 傳統(tǒng)設計手段概述

傳統(tǒng)設計手段經(jīng)歷了純手工設計階段和計算機輔助設計階段。在純手工設計階段，設計者利用筆、尺子和圖板等設計工具在紙上繪制，所有設計成果都是設計者一筆一畫描繪出來的。隨著信息技術的高速發(fā)展和計算機技術的推廣使用，純手工設計方式已經(jīng)被時代淘汰，利用計算機輔助設計的方式開始興起。常見的計算機輔助設計軟件是Autodesk公司研發(fā)的CAD軟件。CAD軟件以其強大的繪圖功能成為設計行業(yè)主流的制圖工具。

1.2 傳統(tǒng)設計手段缺點

隨著CAD軟件的廣泛使用，單純依靠CAD軟件繪圖的缺陷開始凸顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）設計效率不高

傳統(tǒng)設計手段的設計效率完全依托于設計者的專業(yè)技術水平和對CAD軟件的熟練程度。CAD軟件只是一個通用的繪圖工具，而信號系統(tǒng)功能復雜，專業(yè)性強，設計工作量大。因此，單純依靠CAD軟件進行信號系統(tǒng)設計，針對性不強，存在很多重復設計，設計效率不高。

2）邏輯設計適用性不強

CAD軟件作為圖形設計工具，對于圖形繪制具備一定優(yōu)勢，但缺乏邏輯判斷功能，對于信號系統(tǒng)聯(lián)鎖表、拆配線等涉及數(shù)據(jù)信息的設計適用性不強，成果瀏覽和檢查操作不方便。因此，設計過程中涉及的數(shù)據(jù)信息需要設計者手工鍵入，設計成果質(zhì)量完全由設計者自身技術水平保證。

2 當前主流設計手段介紹

隨著信號系統(tǒng)設計任務量的增大，各單位逐步開始研究新的設計手段，研發(fā)思路集中于以CAD軟件為基礎，進行自主軟件的開發(fā)。自主軟件根據(jù)專業(yè)設計需求研發(fā)，對于邏輯性強、有一定規(guī)律、重復性強的繪圖操作，利用計算機程序邏輯算法實現(xiàn)自動繪制，可以有效提高工作效率。自主軟件以中國鐵路設計集團有限公司（以下簡稱“中國鐵設”）研發(fā)的“信號一體化設計平臺”作為典型代表。

2.1 信號一體化設計平臺介紹

中國鐵設自主研發(fā)的信號一體化設計平臺以鐵路信號技術自主創(chuàng)新為宗旨、以鐵路信號室內(nèi)外圖紙設計關鍵技術難題為切入點，通過理論研究、軟件編寫、試驗驗證、工程試驗等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地研究站場圖輸入數(shù)據(jù)提取、室外圖紙輔助設計、聯(lián)鎖及電碼化圖紙輔助設計、區(qū)間閉塞圖紙輔助設計等方面的問題，攻克了信號數(shù)據(jù)庫模型、雙線電纜長度芯數(shù)自動計算、機柜設備布置圖回讀、區(qū)間軌道電路自動分割和鐵路橫向連接自動布置等關鍵技術。

信號一體化設計平臺幾乎涵蓋了信號系統(tǒng)全過程設計，整體框架如圖1所示。信號一體化設計平臺分為聯(lián)鎖設計子系統(tǒng)、列控設計子系統(tǒng)、閉塞設計子系統(tǒng)、列控數(shù)據(jù)管理平臺、專線設計助手5個模塊，每個模塊下面又包含功能豐富的子模塊。信號一體化設計平臺利用數(shù)據(jù)庫技術建立各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)關聯(lián)，通過上序專業(yè)數(shù)據(jù)導入，子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞和下序專業(yè)數(shù)據(jù)導出，實現(xiàn)一體化設計效果。

信號一體化設計平臺界面人性化、功能齊全、性能穩(wěn)定可靠，實用性強、集成化程度高、具有較強的可擴展性，受到廣大用戶的普遍歡迎和認可。其所包含的子系統(tǒng)軟件適用范圍廣、針對性強、計算精度高、質(zhì)量可靠，滿足信號設計精度要求。

2.2 當前設計手段優(yōu)點

1）規(guī)范設計流程。傳統(tǒng)的設計流程是根據(jù)設計原則從零開始，所有的操作全部依靠CAD軟件通過人工操作完成。當前設計手段將絕大部分的繪圖操作轉化為編寫軟件規(guī)定格式的輸入數(shù)據(jù)，利用自主軟件的邏輯處理功能自動成圖。

2）促進信號系統(tǒng)圖紙標準化。傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)圖紙在滿足設計規(guī)范要求的大前提下，設計方案多樣化，部分新的設計成果有待工程驗證。當前設計手段通過統(tǒng)一設計輸入、設計原則、信號系統(tǒng)標準版圖、輸出圖紙格式，促進信號系統(tǒng)圖紙標準化，有效保障信號系統(tǒng)設計安全。

3）減少設計返工，提高設計生產(chǎn)效率。信號作為站后專業(yè)，站場線路等站前專業(yè)的設計變更容易引起信號圖紙的設計返工。因此，很多繪圖操作是重復進行的，利用自主軟件自動進行重復操作，能夠有效減少變更設計引起的重復繪制工作量，減少設計返工，提高設計生產(chǎn)效率。

2.3 當前設計手段的缺點

1）設計成果直觀性差。現(xiàn)階段信號系統(tǒng)設計產(chǎn)品交付主要以CAD平面圖和相關文字說明描述為主，由于信號系統(tǒng)設備繁多，系統(tǒng)間接線復雜，交付成果包含的信息量有限，容易造成設計方和施工方、設計方和建設方、設計方和設備商之間的理解偏差，影響工程建設的順利開展。

圖1 信號一體化設計平臺整體框架Fig.1 Overall architecture of the platform of integrated design of signal systems

2）存在設計盲區(qū)。現(xiàn)階段的設計成果對于信號設備安裝位置僅提供簡單里程信息，是否具備足夠空間等安裝條件只能由現(xiàn)場施工驗證；對于信號綜合管線僅提供簡單路徑和走向示意，是否存在管線安放位置沖突只能通過現(xiàn)場施工驗證。

3 智能設計手段的興起

針對當前設計手段存在的問題，借鑒建筑行業(yè)設計經(jīng)驗，將BIM技術引入信號系統(tǒng)設計，智能設計手段應運而生。

3.1 智能化設計特點

智能化設計采用基于BIM技術的三維設計理念，通過建立與實物相符的信號系統(tǒng)設備BIM模型，利用BIM模型的直觀性和強大的屬性信息功能，不僅能夠展示設備的空間狀態(tài)信息，還能夠體現(xiàn)設備配線等邏輯數(shù)據(jù)信息。智能化設計實現(xiàn)了從二維平面設計到三維立體空間設計的跨越式發(fā)展，能夠交付完整的靜態(tài)設計成果和模擬教學、模擬施工等動態(tài)演示成果。智能化設計整體結構如圖2所示。

3.2 智能設計手段優(yōu)點

1）深化二維設計，覆蓋設計盲區(qū)

智能化設計采用基于BIM技術的三維設計理念，通過精細化的BIM模型反映現(xiàn)場設備的實際規(guī)格尺寸、外形特征及內(nèi)部構造，具有接近實際的逼真度和可視化效果，對于設備安裝、碰撞檢查、遮擋透視具有重要指導意義。

2）設計成果多樣化

智能化設計的成果不僅包含完整的靜態(tài)設計成果，從三維角度全面反映信號系統(tǒng)設計內(nèi)容，還包括動畫漫游、模擬教學和模擬施工等動態(tài)演示成果，豐富的設計成果對于有效指導施工具有重要幫助。

3）可視化交底，動態(tài)化模擬

智能化設計使用可視化的三維設計成果進行技術交底，更加形象直觀；對于施工過程預先進行動態(tài)模擬，能夠提前發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題和缺陷，準備應對措施，提高施工效率，縮短施工周期。

圖2 智能化設計整體結構Fig.2 Overall architecture of intelligent design of signal systems

3.3 智能設計現(xiàn)狀和缺點

智能化設計目前還處于起步階段，設計標準的制定、交付成果的統(tǒng)一、設計范圍分界和設計深度要求等等都還在研究階段。現(xiàn)有的智能化設計僅局限于利用二維成果進行三維翻模設計，未能實現(xiàn)完全擺脫二維設計，從零開始的正向設計方法。

4 未來設計手段的展望

智能化設計手段僅局限于采用單一的BIM技術，設計深度和設計成果的應用范圍仍存在一定的局限性。未來的設計手段將是采用多技術融合方式的智慧設計手段，實現(xiàn)信號系統(tǒng)的全生命周期設計。

4.1 智慧設計理念

智慧設計理念將從設計、施工和運維一體化角度出發(fā)，引入全生命周期設計理念，以BIM技術為核心，以多技術融合方式為手段打破各方之間的信息斷層，有效控制工程數(shù)據(jù)的采集、加工、存儲和交流，構建信息的創(chuàng)造、傳輸、使用和評價的良性循環(huán)體系，實現(xiàn)互聯(lián)互通。支持決策者對項目進行合理的規(guī)劃、協(xié)調(diào)和控制，進而不斷提升信號系統(tǒng)技術創(chuàng)新、信息化和智能化水平，實現(xiàn)智慧設計、智慧施工和智慧運維。

4.2 前景展望

智慧設計將采用BIM技術、大數(shù)據(jù)技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術和人工智能技術等多技術融合方式，以BIM標準體系和故障導向安全的保障體系為支撐，以設備層、網(wǎng)絡傳輸層、終端感知層等基礎設施為基礎，在三維協(xié)同設計平臺、建設管理信息平臺、運營維護服務平臺的支撐下，架構信號系統(tǒng)智慧設計協(xié)同工作平臺，并構建面向建設單位、設計單位、施工單位、運營單位、設備供應商的智慧應用體系。

5 結論

當前國內(nèi)主流鐵路設計單位的信號系統(tǒng)設計手段尚處于應用智能化設計手段的起步階段，需要進一步加大科研投入，培養(yǎng)BIM方面人才，加強智能化設計手段的工程實踐驗證，擴大智能化設計手段的使用范圍。只有智能化設計手段發(fā)展到一定階段，才能夠為下一階段的智慧設計奠定基礎，為多技術融合提供保障。未來的信號系統(tǒng)設計手段，必將助力中國鐵路建設往更高層面發(fā)展。