鐵路信號BIM綜合應用探索與研究

楊 科

(通號（長沙）軌道交通控制技術有限公司,長沙 410014)

1 概述

信號系統首先在地鐵信號設計、施工階段引入BIM 技術。近幾年來，高鐵信號系統施工階段室內設備布置、布放線等方面引入BIM 技術進行總體規劃，在工程設計、施工指導、建管維護等方面起到很好應用效果。隨著綠色、智能理念引入新時代高鐵建設中，對新時代高鐵工程技術人員在BIM 綜合應用、施工新技術、智能化、建維一體化等方面提出了新要求和新的研究方向。

2 研究目標和方法

充分考慮新時代高速鐵路建設需求，結合京滬、寶蘭、京沈、深茂、滬昆、杭黃等高鐵、客專建設優秀成果，通過系統規劃，開展“高速鐵路信號工程施工BIM 綜合應用軟件”開發與應用。引入人工智能先進技術，逐步實現信號工程設計、智能化工廠加工、智能化施工安裝、智能化維護的大數據綜合應用。

依據《高速鐵路信號工程施工技術規程》、《高速鐵路信號工程細部設計工藝質量標準》、《高速鐵路信號工程施工質量驗收標準》等現行行業標準，以BIM 技術、計算機技術、數據庫技術、人工智能技術，CAD 應用為技術支撐，從信號圖CAD 設計模塊入手，研究識別CAD 圖軟件和建立信號工程BIM 模型數據庫，通過對導入細部設計后CAD 圖，自動生成BIM 模型、材料數量表、設備需求表、列控基礎數據表及信號各類安裝位置表。信號專業各系統根據BIM 模型和相關技術標準進行工廠化生產，實現信號專業室內工程100%工廠化預配，減少現場施工安裝時間和人員需求。

3 探索研究內容及方向

3.1 信號設計CAD建模

應用CAD 模塊化技術，依據《高速鐵路信號設計規范》，建立橋梁、隧道、鋼軌線路、信號機、道岔、軌道區段、應答器、鋼軌絕緣節、電氣絕緣節、異物監測等高速鐵路信號工程相關建筑物、結構物模型，模型比例1：1，并規范模型中線類型、字體型號、符號標識，形成模型庫。

3.2 信號室內設備布置深化設計

在現行信號與房屋接口標準基礎上，根據各線建設標準，充分考慮工程成本、運維要求，對房建專業就管道預埋、進出樓通道等方面提出接口需求，就空調、照明、插座、防雷等方面提出具體需求，實現同等規模的站場室內設計布局一致。

3.3 信號室外設備接口深化設計

在現行信號專業與路基、軌道、橋梁、隧道、站場專業接口標準設計基礎上，根據信號設備安裝標準、位置，在電纜槽線路側預留出線口、站場綜合槽道、水泥枕木上預留信號鋼軌連接線固定螺栓連接孔等方面進行專業間深化設計。

3.4 “高速鐵路信號工程施工BIM綜合應用軟件”探索與研發

3.4.1 功能目標

1）通過導入CAD 圖，結合BIM 信號模型數據，實現信號室內外BIM 模型的自動生成。

2）根據生成的BIM 模型和導入的CAD 圖，具備導出《列控基礎數據表》（定測版）、《室外信號設備安裝位置表》、《室外箱盒數量表》、《室外材料表》、《室內設備數量表》、《室內材料需求表》及《輔助材料需求表》功能。

3.4.2 功能分解及說明

3.4.2.1 室內部分

1）根據細部設計后的《室內設備布置圖》生成室內機柜及房屋整體BIM 模型

說明：會同建設單位、設備接管單位、監理單位對室內各設備布放位置及房屋間通道方式、電纜引入方式、預埋箱體管道位置、空調安裝位置、外電網引入方式、防火封堵方式等進行科學化細部設計。

2）在功能1）基礎上，識別CAD 圖紙

識別細部設計后防雷配電箱至電源屏至各設備電源線型號、長度、外皮顏色、走向位置，自動生成《XX 站室內電源線需求表》；識別移頻柜（ZY、QYP）、區間綜合柜（QZH）配線圖至各組合柜中“※”，自動生成《XX 站室內屏蔽線需求表》；識別接口柜（JK）、分線柜（F）、移頻柜（ZY、QYP）、微機監測柜（JC）、CTC、TCC 至各組合柜同層線纜數量、長度；型號RVZR23×0.15 阻燃塑料軟線；自動生成《XX 站室內通用線纜需求表》，系統根據《XX 站室內通用線纜需求表》生成《XX 站室內配線電纜需求表》。

說明：a.根據《室內電源環線接線圖》，進行室內系統電源系統細化設計，包括：外電網監測箱、防雷配電箱位置，線纜走向、型號等；

b.電纜外皮顏色為橘色；

c.“※”為SBVVPZR23×0.15×2 雙芯阻燃屏蔽線，兩個連續“※”為同一根屏蔽線；綜合柜端子號單數為發送，偶數為接受，屏蔽線外皮發送黑色、接收白色；

d.各組合柜間同一位置線纜采用一根配線電纜，如：RVZR23×0.15×6（8、10、12… …）阻燃塑料軟線；組合柜至分線柜之間配線電纜芯線采用紅色；組合柜至接口柜間配線電纜芯線：列控采用黃色、聯鎖采用灰色；集中監測采集配線電纜芯線采用紫色；組合柜至接口柜、機柜至接口柜線纜外護套采用灰色，電源線纜外護套采用橙色，其他架間線纜外套采用黑色。

3）在“功能2）基礎上，室內BIM 設計

根據各線纜需求表，根據布線原則優化布線徑路；確定系統機柜、走線架、固線器等規格、數量需求，生成《室內機柜及安裝器材數量表》；具備線纜查詢與演示功能。

說明：室內上走線BIM 策劃布線原則:

組合柜電源線靠走線架前部最下層布設；

移頻柜電源線靠走線架后部最下層布設；

信號集中監測的線纜在電源線另一側，線纜較多時可依次布設在上方兩側；

架間線纜鄰架放中間位置，然后由近至遠依次往外排列，線纜較多時近端在下層，遠端在上層；

軌道電路屏蔽線纜按照左側發送、右側接收布放；

其他配線依次向上布放；

道岔靠走線架前部、信號機靠走線架后部依次布放在上方；

室內下走線BIM 策劃布線原則；

電源屏引出至機械室機柜線纜靠近機柜側布放；

電源屏引出至聯鎖、列控、CTC、集中監測、缺口監測、ZPW-2000 軌道監測電源線靠另一側布放；

聯鎖、列控驅采纜應獨立設置走線架，并分兩側布放；

ZPW-2000 軌道電路維護及監測柜至移頻柜線纜與信號集中監測至組合柜獨立設置走線架。

4）室內器材統計功能

根據《移頻柜設備布置圖》識別、統計、生成《移頻設備數量匯總表》；根據《區間組合柜設備布置圖》、《區間組合內部配線圖》、《站內組合排列表》、《電源環線圖》、《組合內部配線圖》識別、統計、生成《繼電器、斷路器、阻容盒、隔離變數量匯總表》。

說明：a.統計室內同頻發送器、接收器，衰耗冗余控制器，模擬網絡盤數量，室外同頻調諧單元、匹配變壓器、空心線圈、防雷單元等數量；如圖中“4DG 2300-2”含2300 發送器2 臺，接收器1 臺，衰耗冗余控制器1 臺，模擬網絡盤2 臺，2300 調諧單元2 臺、匹配變壓器2 臺、空心線圈1 臺、單防雷單元2 個、雙防雷單元1 個。

b.《區間組合柜設備布置圖》、《區間組合內部配線圖》統計區間繼電器、隔離變、斷路器數量；《站內組合排列表》、《電源環線圖》、《組合內部配線圖》統計站內繼電器、隔離變、斷路器數量。

3.4.2.2 車站室外部分

1）根據《車站信號設備平面布置圖》、《車站雙線軌道及電纜徑路圖》識別、統計、生成《室外設備數量匯總表》。

2）根據《車站雙線軌道及電纜徑路圖》識別、統計電纜型號、長度、數量，生成《電纜信息表》，結合站場平面圖進行電纜徑路優化。

3）根據《車站雙線軌道及電纜徑路圖》中站內ZPW-2000 型軌道電路及其補償電容設置信息表，生成《軌道電路及補償電容數量匯總表》。

4）根據《軌道電路及補償電容數量匯總表》中軌道電路長度及電容個數，生成《補償電容安裝位置表》。

說明：a.統計各類型信號機、應答器、箱盒數量及所在地型；統計各類型轉轍機、鎖閉裝置、二極管數量、點燈單元、軌道變壓器數量。

b.電纜型號:

標“SL”符號為SPTYWL23 型鋁護套數字信號電纜；

標“SA”符號為SPTYWA23 型綜合護套數字信號電纜；

標“SPL”符號為SPTYWPL23 型內屏蔽鋁護套數字信號電纜；

標“SPA”符號為SPTYWPA23 型內屏蔽綜合護套數字信號電纜；

標“&”符號電纜采用LEU-BSL23 型鋁護套點式應答器數據傳輸電纜；

標“L”符號為PTYLH23 型綜合鋁護套防寒型信號電纜；

未標符號的支線電纜為PTYAH23 型綜合護套防寒型信號電纜。

3.4.2.3 區間室外部分

1）導入《區間信號平面布置圖》識別、統計、生成《區間設備匯總表》。

2）導入《區間干線電纜徑路圖》識別、統計、生成《區間干線電纜統計表》。

3）導入《區間信號平面布置圖》識別、統計、生成《區間設備位置信息表》。

4）導入《區間設備位置信息表》及各設備間距要求，優化區間設備布置點。

說明：a.統計通過信號機、應答器、空扼流類型數量；

b.統計信號機、應答器、分割點、橫向連接線、發送點、接收點設計里程；統計軌道區段長度、補充電容數量、補償電容步長，計算電容安裝位置里程；統計各設備所在地型；

c.空扼流距電氣絕緣節空心線圈不小于100 m、距補償電容不小于20 m。

3.5 室內全工廠化預配探索

3.5.1 電源系統

現行電源系統供貨商僅提供電源系統內部配線及現場配合安裝調試延伸，結合本文3.4.2.1 所述，將電源系統至電源需求終端線纜由電源系統供貨商統一預配、集成。

3.5.2 組合柜

現行組合柜在工廠完成柜體加工、組合安裝、組合內部布線及焊線，結合BIM 布線模型，可將柜組合架本架配線、組合架零層、組合架間電源環線、同一供商架間配線、本架斷路器報警環線等統一預配、集成。

3.5.3 分線柜、CTC、TCC、移頻、監測等系統機柜

目前各系統機柜僅完成本系統機柜內配線，各系統接口線纜由施工單位按照系統供應商技術標準分散采購、現場布放，各系統接口線纜可由系統供應商集成。

3.6 室外工廠化預配探索

1）在工廠完成信號機、道岔、軌道電路預配，實現相關安裝配件工廠集成供應。

2）促進專業接口工廠集成或專業互留，如信號專業鋼軌引線固定在枕木上，由枕木供應端按照技術標準在工廠完成預留，站前預制電纜槽或現澆電纜槽預留穿線孔洞，站場綜合槽統一實施等。

3.7 信號工程施工安裝調試智能化及建維一體化探索

利用現階段人工智能技術，結合信號工程特點，探索智能機器人在室內布線、焊線、導通等方面的應用。

在室外施工過程，探索自動測距及打孔、纜線敷設自動化等智能應用。

4 優劣論述及發展前景

4.1 優勢分析

1）各系統分散預配，相對于目前由施工方現場集中采購、現場施工，將極大縮短現場安裝、調試時間，有利于建設方、施工承包方工期控制。

2）由各系統分散集成，有利于技術標準、系統性能、過程質量控制。

3）促進系統集成度，推進行業技術標準、工藝標準統一。

4）減少施工現場經驗豐富人員需求，促進信號施工企業、系統供應商轉型發展。

5）促進新興行業形成。

4.2 劣勢分析

1）效益分配比例變化，施工企業只掙取項目集成前期策劃及管理部分利潤。

2）現階段沒有相關合規性支撐文件。

5 結束語

國內高速鐵路建設經過十年的高速發展期，是各項技術標準、技術規程、工藝標準、管理制度從無到有的發展過程，是標準不斷完善適應新時代高速鐵路建設需求的過程。建設交通強國，為高速鐵路信號技術發展與研究指明了方向。