基于模板的鐵路信號系統(tǒng)BIM設(shè)計方法研究

孔令明，宋元斌，羅志剛

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200240)

0 引言

鐵路信號系統(tǒng)是保證行車高效安全的基礎(chǔ)，其設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，受到鐵路其他專業(yè)領(lǐng)域的約束。目前，鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計以二維設(shè)計為主，為了提高信號系統(tǒng)設(shè)計的效率，實現(xiàn)與其他專業(yè)的協(xié)同，需要進(jìn)行三維設(shè)計。

(2)在GeoIPAS軟件平臺上，用原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計各元素在全區(qū)及各地質(zhì)單元中的平均值X、標(biāo)準(zhǔn)離差S、變化系數(shù)Cv、濃集系數(shù)K，作為分析研究區(qū)內(nèi)各元素分布及分配規(guī)律的參數(shù)值。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以三維模型為載體的工程信息的集合，通過對信息進(jìn)行插入、提取、修改等操作實現(xiàn)不同階段、不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計，近年來，BIM在鐵路工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相較于一般的建筑和機(jī)械工程，鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計具有以下特點：(1)包含大量可復(fù)用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備。(2)設(shè)計結(jié)果為二維邏輯原理圖，并不是三維模型的投影視圖。(3)信號系統(tǒng)設(shè)計以站場等前序?qū)I(yè)的設(shè)計結(jié)果為基礎(chǔ)。基于此，可以通過模板技術(shù)來提高信號系統(tǒng)的三維設(shè)計的效率。

模板是一組相似事物特征的抽象與泛化，具有可變異、可嵌套、可定制和可復(fù)用的特征[1-2]，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域。許金良[3]研究了公路設(shè)計對象模板的設(shè)計思路，建立了橫斷面模板并給出其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；劉曉平等[4-5]對模板進(jìn)行了大量的研究，提出了約束信息可視化的技術(shù)構(gòu)成框架，提高了復(fù)雜系統(tǒng)控制及復(fù)雜約束管理的效率；建立了一種基于面向?qū)ο竽０宓奶厣ㄖ锝７椒ǎㄟ^“基模板—結(jié)構(gòu)模板—實例化模板”實現(xiàn)了建筑物模型的快速建模，但是沒有考慮到不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計問題；許俊等[6]通過構(gòu)件桁架模板庫，實現(xiàn)了復(fù)雜空間鋼管桁架的快速建模；陳友東等[7]將工程圖抽象為復(fù)雜的表格，依托表格模板技術(shù)實現(xiàn)三維設(shè)計到二維工程圖的轉(zhuǎn)化，但是其通過投影生成視圖的方法并不適用于邏輯原理圖的生成；Kerry等[8]提出了一種描述簡單鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模板，用戶可以根據(jù)需求更改參數(shù)、快速建立鋼筋混凝土實體模型。上述模板方法一方面與三維信息關(guān)聯(lián)較差，另一方面未考慮多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，與BIM技術(shù)的結(jié)合需要進(jìn)一步研究。

為了實現(xiàn)鐵路信號系統(tǒng)快速的三維設(shè)計，本文在總結(jié)其設(shè)計流程與特點的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模板的三維設(shè)計方法。首先，通過建立信號設(shè)備模板實現(xiàn)對前序?qū)I(yè)設(shè)計信息的提取與應(yīng)用，快速完成信號系統(tǒng)三維設(shè)計；其次，以信號設(shè)備平面布置圖模板實現(xiàn)二維邏輯原理圖的輸出。該方法彌補(bǔ)了目前鐵路信號系統(tǒng)中三維設(shè)計的缺陷，同時提高了設(shè)計效率。

1 信號系統(tǒng)BIM設(shè)計流程

此外，還要明確自然資源確權(quán)登記依據(jù)，加大權(quán)屬爭議調(diào)處力度。對于無權(quán)屬來源依據(jù)的自然資源的確權(quán)登記工作，建議各地政府根據(jù)本地實際情況，出臺相應(yīng)政策，明確自然資源確權(quán)登記流程，采取開展權(quán)籍調(diào)查等方式確定權(quán)屬界線，進(jìn)行確權(quán)登記。對存在權(quán)屬爭議的，建議成立專門的爭議調(diào)處組織，集中進(jìn)行爭議調(diào)處，保障確權(quán)登記工作順利完成。

愛丁堡是最能體現(xiàn)蘇格蘭風(fēng)情的城市，是英國僅次于倫敦的第二大旅游城市。1995年，愛丁堡的舊城和新城一起被聯(lián)合國教科文組織列為世界文化遺產(chǎn)。

圖1 鐵路信號系統(tǒng)BIM設(shè)計流程

上述設(shè)計流程的關(guān)鍵是信號設(shè)備的三維布設(shè)，這是因為鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計中有大量統(tǒng)一化、規(guī)范化的知識，以信號設(shè)備三維布設(shè)的結(jié)果——信號設(shè)備平面布置圖為基礎(chǔ)，結(jié)合知識即可快速實現(xiàn)后續(xù)設(shè)計。因此，本文分別建立了信號設(shè)備三維模型和信號設(shè)備平面布置圖的模板，以提高車站系統(tǒng)的設(shè)計效率。

2 信號設(shè)備三維布設(shè)的實現(xiàn)方案

基于模板完成信號設(shè)備三維布設(shè)的方案中，依據(jù)用戶輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn)模板的實例化，具體如圖2所示。

圖2 基于模板的信號設(shè)備三維布設(shè)方案

2.1 信號設(shè)備模板

信號設(shè)備模板[1]是從大量設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工程屬性、布設(shè)規(guī)則中抽象出的對象和操作，可以對數(shù)據(jù)的類型與組織形式進(jìn)行系統(tǒng)的說明。信號設(shè)備模板結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括信號設(shè)備信息、設(shè)備結(jié)構(gòu)信息和設(shè)備安裝信息3個部分，其中結(jié)構(gòu)信息通過部件模板ID實現(xiàn)對部件模板的引用，設(shè)備安裝信息通過工程約束規(guī)則實現(xiàn)與其他專業(yè)的設(shè)計信息的協(xié)同。

圖3 信號設(shè)備模板結(jié)構(gòu)

課外活動也是微課教學(xué)最好的資源，通過深入生活不但能夠激發(fā)學(xué)生寫作欲望，而且能拉近寫作情感。對于語文作文寫作的難點在于將具體事物展開進(jìn)行分析，這就需要教師通過微課教學(xué)利用課外資源逐步強(qiáng)化學(xué)生此方面能力。

By integrating the drain current, according to ,for the linear regime, the conductance was:

（1）先期投資及運(yùn)維費(fèi)用相對低廉；（2）不論是建造、還是后期的運(yùn)維，操作相對簡單；（3）該方案對于土質(zhì)要求相對較低；（4）該方案更適合針對水污染含量不高的污水。

2.1.2 信號設(shè)備模板

信號設(shè)備模板由多個部件模板按照某種規(guī)則組合而成，其結(jié)構(gòu)包含3個部分：第一部分為信號設(shè)備相關(guān)信息說明，包括設(shè)備類型、設(shè)備ID、設(shè)備功能、設(shè)備生產(chǎn)信息；第二部分為信號設(shè)備結(jié)構(gòu)組成說明，包括部件類型、部件個數(shù)、部件模板ID、組合屬性，其中組合屬性依據(jù)約束規(guī)則對部件之間的位置關(guān)系進(jìn)行說明，包括相對位置關(guān)系和定位點；第三部分為信號設(shè)備安裝操作規(guī)則，包括參照設(shè)備類型、參照設(shè)備ID、參照設(shè)備定位點、相對位置關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)設(shè)計

數(shù)據(jù)是模板表現(xiàn)的具體內(nèi)容，模板的實例化就是通過輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)設(shè)計是對數(shù)據(jù)的組織和應(yīng)用方式進(jìn)行定義，包括數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)組織兩個方面。

鐵路信號系統(tǒng)的設(shè)計屬于站后設(shè)計，以鐵路線型、站場、隧道等專業(yè)設(shè)計為基礎(chǔ)，同時受到接觸網(wǎng)等專業(yè)設(shè)計的影響，流程如圖1所示。

信號設(shè)備三維布設(shè)需要的數(shù)據(jù)包括：描繪設(shè)備幾何形狀的幾何信息、反映零部件相對位置和層級關(guān)系的裝配信息、表述零部件的屬性信息[7]以及描述信號設(shè)備布設(shè)規(guī)則的工程信息。不同數(shù)據(jù)的特點的定義方式包括以下兩種：幾何信息、裝配信息和屬性信息通過信號設(shè)備BIM模型定義；工程信息通過知識庫進(jìn)行定義和存儲，其數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

圖4 信號設(shè)備模板數(shù)據(jù)定義

信號設(shè)備平面布置圖(以下簡稱“布置圖”)是一種工程圖，包含圖形、文本和表格。若將圖形和文本視為表格單元格中的內(nèi)容，布置圖則可以通過嵌套表格來定義[10]。

3 信號設(shè)備平面布置圖生成方案

信號平面布置圖生成方案與信號設(shè)備三維布設(shè)實現(xiàn)方案類似，用戶引用模板并輸入數(shù)據(jù)，通過模板實例化實現(xiàn)。

3.1 信號設(shè)備平面布置圖模板

數(shù)據(jù)組織的目的包括兩個方面：(1)實現(xiàn)不同專業(yè)數(shù)據(jù)之間的協(xié)同。(2)確定數(shù)據(jù)與模板之間的接口。其中數(shù)據(jù)協(xié)同是以知識庫為紐帶，對不同專業(yè)的BIM模型信息進(jìn)行提取和比較等操作實現(xiàn)的；利用變量名稱和變量值定義數(shù)據(jù)，以變量名稱與模板匹配的參數(shù)文本為接口，進(jìn)而輸入變量值存儲用戶數(shù)據(jù)[9]。

表格依據(jù)內(nèi)容類型可分為普通表格和列表，普通表格包含形式相同的說明性內(nèi)容；列表則展示了按一定規(guī)律生成的數(shù)據(jù)。布置圖主要由表格說明、設(shè)備列表以及視圖組成，根據(jù)數(shù)據(jù)類型可以分為兩類：第一類是圖紙說明，包括表格說明及設(shè)備列表，由普通表格和列表組成；第二類為視圖，僅包含列表。

2.1.1 部件模板

到了宋元時期，版畫又有了進(jìn)一步發(fā)展，不僅出現(xiàn)了上圖下文的形式，而且刻本章法完善、體韻遒勁。例如《全相平話五種》為當(dāng)時福建建陽書坊雕刻，是現(xiàn)存最早的講史話本元刊。宋代還出現(xiàn)了銅板印刷，主要用于紙幣和廣告的制作。元代則出現(xiàn)了早期的連環(huán)版畫“平話”刻本。此外在宗教經(jīng)卷題材的版畫中已經(jīng)有獨立的山水圖。由于科學(xué)文化的發(fā)展和普及，各種歷法、農(nóng)技、繪畫等通俗讀本與圖冊大量雕印，并在蘇州、福建等地形成了許多版刻中心。這一時期遼代的《南無釋迦摩尼佛像》是目前發(fā)現(xiàn)最早的套色漏印版畫。

3.1.1 圖紙說明模板

表格說明和設(shè)備列表包括線條、普通文本和參數(shù)文本3種元素，其中參數(shù)文本指以參數(shù)名稱和標(biāo)識符為用戶數(shù)據(jù)輸入接口的文本，其模板如圖5所示，其中符號“$”為參數(shù)標(biāo)識符。

圖5 工程圖模板

3.1.2 視圖模板

視圖模板包括線條、圖符、標(biāo)注、普通文本和參數(shù)文本5種元素，對視圖生成的內(nèi)容和規(guī)則進(jìn)行說明。圖符是信號設(shè)備中的抽象符號，按照設(shè)備的類型和功能進(jìn)行劃分；標(biāo)注指布置圖中對設(shè)備名稱、位置等信息進(jìn)行說明的文本，其在布置圖中的位置可由用戶自行定義。

3.2 視圖生成

布置圖的視圖是一種原理圖，是信號設(shè)備之間關(guān)系的抽象，僅展示設(shè)備類型、名稱、數(shù)量及相對位置，而不是投影視圖，這與機(jī)械和建筑領(lǐng)域的工程圖有本質(zhì)區(qū)別。信號設(shè)備三維模型與視圖之間通過屬性關(guān)聯(lián)，對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

劉雁衡看看他，想不出該說些什么。抓他進(jìn)來的胖大警官喝道：“你不是要見我們上級嗎？現(xiàn)在頭兒來了，給我老老實實交代！”

圖6 模型與視圖的對應(yīng)關(guān)系

生成視圖需要解決兩個問題：(1)確定視圖內(nèi)容，即視圖中包含的元素類型、數(shù)量和表現(xiàn)形式。(2)確定元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

3.2.1 信號設(shè)備圖元化

信號設(shè)備圖元化是以圖符的形式對現(xiàn)實中的信號設(shè)備進(jìn)行抽象，在鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計中已經(jīng)形成了規(guī)范的表示形式。以信號機(jī)為例，其機(jī)構(gòu)及燈光配置在《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》中有相關(guān)規(guī)定，對應(yīng)的圖符也有相應(yīng)的規(guī)定。

視圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括信號設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面。線路數(shù)據(jù)包括軌道區(qū)段和道岔區(qū)段，依據(jù)圖論將區(qū)段抽象為節(jié)點，區(qū)段之間的連接關(guān)系抽象為線，線路數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的本質(zhì)是鏈接表[11]，如圖7所示。兩者均由數(shù)據(jù)區(qū)df和指針區(qū)pf組成，軌道區(qū)段包含兩個指針區(qū)域，道岔區(qū)段包含3個指針區(qū)域，0則表示該節(jié)點無相鄰節(jié)點。

B.左側(cè)發(fā)生電極反應(yīng)式:2I--2 e-==I2,生成的I2遇到遷移過來的OH-時,在左側(cè)溶液中轉(zhuǎn)化為,所以右側(cè)溶液中絕不存在

3.2.2 建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過邊研究變實踐，大港油田形成了流場重構(gòu)的四種新模式：針對中淺層套損套變嚴(yán)重的油藏，開展疑難井修復(fù)更新完善的“補(bǔ)流場”模式；針對長期注水開發(fā)形成優(yōu)勢通道開展分注調(diào)驅(qū)治理的“勻流場”模式；針對多層系井網(wǎng)癱瘓的油藏，開展二次開發(fā)層系井網(wǎng)重組的“植流場”模式；針對高孔高滲高含水高采出程度油藏，開展以聚驅(qū)、聚/表驅(qū)、空氣泡沫驅(qū)為主改善驅(qū)替效果的“改流場”模式。三年來，累計治理油藏區(qū)塊46 個，覆蓋地質(zhì)儲量達(dá)到4.4 億噸，治理區(qū)塊整體自然遞減率從19%下降到13%，下降了6 個百分點，相當(dāng)于多增產(chǎn)了原油6.5 萬噸。

圖7 線路數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

信號設(shè)備依據(jù)不同的類型分別插入到線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，信號機(jī)放入離其最近的區(qū)段節(jié)點所在的邊，并通過選擇確定信號機(jī)的方向，道岔和轉(zhuǎn)轍機(jī)則包含于節(jié)點中。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來源為BIM模型，通過提取和分析其中包含的鐵路區(qū)段連接關(guān)系和設(shè)備位置關(guān)系可以快速建立視圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，步驟如下：

部件模板是描述信號設(shè)備基本組成單元的模板。一個信號設(shè)備通常是由多個部件構(gòu)成的復(fù)雜集合體，如信號機(jī)中的信號機(jī)機(jī)構(gòu)、底座、基礎(chǔ)等，這些部件在建模時可以視為不可再分的結(jié)構(gòu)。部件模板由模板類型、部件模板ID、部件名稱、尺寸的參數(shù)列表來描述。

(1)提取BIM模型中的圖元信息，如鐵路區(qū)段、信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)。

(2)遍歷所有圖元，提取其ID和名稱信息。

(3)遍歷鐵路區(qū)段，判斷其是否有連接(是否有公共面)，如果有公共面，記錄為一條邊eij。

(4)遍歷信號機(jī)，判斷與其距離最短的鐵路區(qū)段i，并通過BIM模型中表示信號機(jī)方向的向量判斷其面向的區(qū)段j，在該區(qū)段所在的邊eij中加入信號機(jī)的信息。

在進(jìn)行駕駛行為評價的過程中，各個狀態(tài)之間沒有明確界限，具有模糊性. 選擇函數(shù)性質(zhì)穩(wěn)定、控制平緩、分辨度高的梯形隸屬度函數(shù). 根據(jù)采集到的駕駛行為影響因素分布情況，分析其平均值、中位數(shù)、四分位數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，結(jié)合專家修正意見，建立急加速次數(shù)、急減速次數(shù)、長時怠速次數(shù)、長時加速次數(shù)的隸屬度函數(shù)，如圖2所示.

(5)遍歷轉(zhuǎn)轍機(jī)，依據(jù)ID和名稱將其加入對應(yīng)的道岔區(qū)段節(jié)點中。

3.2.3 視圖生成

世界文明之旅活動推動了校園文化的創(chuàng)建和中外文化交流，并在讀書主題引導(dǎo)、閱讀興趣培養(yǎng)、各國文化交流等各個方面均起到了積極作用，真正實現(xiàn)了全方位的圖書館與讀者的雙向互動與交流，并在此過程中引領(lǐng)了校園文化建設(shè)，得到了廣大讀者的積極評價與反饋。

視圖生成需要確定視圖的尺寸和表現(xiàn)形式。鐵路軌道區(qū)段一般通過直線表示，道岔區(qū)段通過端頭帶標(biāo)識的斜線表示，如圖8所示，圖中IIBG為鐵軌區(qū)段名稱，數(shù)字4表示道岔名稱；鐵軌長度由用戶自定義。

圖8 區(qū)段示意

信號設(shè)備與鐵路線形的相對位置通過默認(rèn)的平移向量確定，用戶可以自行調(diào)節(jié)，視圖中的標(biāo)注包括文字標(biāo)注和尺寸標(biāo)注，其中文字標(biāo)注對設(shè)備名稱、軌道名稱等進(jìn)行說明；尺寸標(biāo)注則體現(xiàn)鐵軌里程、警沖標(biāo)位置及設(shè)備位置等信息，通過BIM模型中的信息可以自動生成標(biāo)注，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 標(biāo)注信息來源

標(biāo)注體現(xiàn)設(shè)備與鐵軌區(qū)段之間的相對位置，因此，需要計算BIM模型中圖元定位點之間的相對距離。標(biāo)注生成的位置默認(rèn)值依據(jù)不同的對象確定，鐵軌名稱在鐵軌圖形上方1 cm處；信號機(jī)名稱標(biāo)注位于圖符左側(cè)1 cm處；鐵軌里程及設(shè)備位置信息通過表格模板顯示，用戶可以對標(biāo)注的內(nèi)容和位置進(jìn)行編輯。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文以張家莊車站信號系統(tǒng)為例，基于Rhinoceros軟件及用戶開發(fā)平臺Grasshopper建立了鐵路信號設(shè)備三維布設(shè)及平面布置圖生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)的流程如圖9所示。

圖9 信號設(shè)備三維布置及平面布置圖生成系統(tǒng)流程

4.1 信號設(shè)備三維布設(shè)

對信號機(jī)三維布設(shè)的模板應(yīng)用進(jìn)行說明。信號機(jī)模板包括基礎(chǔ)模板、底座模板和機(jī)構(gòu)模板，三者通過信號機(jī)模板中定義的結(jié)構(gòu)形式共同組成信號機(jī)模板，調(diào)車信號機(jī)的模板如圖10所示。

圖10 信號機(jī)模板實例

信號機(jī)模板被分解為3個模塊，其中，模塊一為信號機(jī)功能及信息說明模塊；模塊二為信號機(jī)分解結(jié)構(gòu)模塊，主要用于說明信號機(jī)結(jié)構(gòu)組成并引用對應(yīng)的部件模塊；模塊三為信號機(jī)的信息布設(shè)模塊，對信號機(jī)布置的參考目標(biāo)進(jìn)行說明，3個模塊均需要用戶輸入。

矮柱兩顯調(diào)車信號機(jī)包含一個混凝土基礎(chǔ)、一個底座和兩個顏色不同的透鏡式色燈信號機(jī)構(gòu)(分別為白色和藍(lán)色)；該調(diào)車信號機(jī)布置參考目標(biāo)為鐵軌中心線，用戶輸入鐵軌名稱和ID后，依據(jù)相應(yīng)鐵軌的BIM模型信息和知識庫中的信號機(jī)安裝規(guī)范可以為設(shè)計人員推薦布置范圍，設(shè)計人員可自行調(diào)整信號機(jī)位置，其過程如圖11所示。

圖11 信號機(jī)布設(shè)流程

張家莊車站中包含9個調(diào)車信號機(jī)、進(jìn)站信號機(jī)4個、出站信號機(jī)8個。其中，調(diào)車信號機(jī)D3和D5的布置結(jié)果如圖12所示，可以通過屬性面板查看該信號機(jī)的ID、名稱、描述、類型及用戶自定義的屬性，在本案例中，自定義屬性為信號機(jī)距離站中心的位置，為后續(xù)平面布置圖的生成提供數(shù)據(jù)。

圖12 調(diào)車信號機(jī)布設(shè)結(jié)果

4.2 鐵路信號設(shè)備平面布置圖生成

依據(jù)數(shù)據(jù)對參數(shù)文本和視圖進(jìn)行添加即可生成平面布置圖。參數(shù)文本通過參數(shù)標(biāo)識符引用數(shù)據(jù)，其中，“$”指通過用戶交互輸入或進(jìn)行更改的參數(shù)，“#”則是通過設(shè)備三維模型得到的數(shù)據(jù)。按照本文提出的視圖生成方法生成的初始視圖，用戶可以對視圖進(jìn)行增、刪、改等編輯操作。確定視圖布局是添加視圖的關(guān)鍵，通過定義的視圖比例和定位點坐標(biāo)確定視圖的位置。

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)鐵路信號系統(tǒng)快速三維設(shè)計，提出了基于模板的三維設(shè)計方法，該方法建立了信號設(shè)備模板并使其與前序設(shè)計結(jié)果的BIM信息結(jié)合，實現(xiàn)信號設(shè)備的快速布設(shè)；建立鐵路信號設(shè)備平面布置圖模板，實現(xiàn)了工程圖的快速生成；定義了邏輯原理圖的生成規(guī)則。最后，通過工程實例驗證了上述設(shè)計方法的可行性。