BIM技術在鐵路信號工程運維中的應用研究

張 凱，宋勝林，肖彥科

（1.中國鐵路北京局集團有限公司電務部，北京 100860）

（2.中國鐵路北京局集團有限公司北京工電大修段，北京 100860）

（3.陜西心像信息科技有限公司，西安 710000）

隨著國家經濟的發展，鐵路網規劃與建設，鐵路的運營里程在不斷增多，鐵路設備也在不斷升級與更新。鐵路信號系統作為鐵路運輸控制的中樞系統，是鐵路高效運輸及安全運行的重要保障，鐵路信號設備的安全高質量運行直接關乎國計民生，如何提升信號設備的維修手段，提高電務作業維護效率，降低電務維護的作業成本，這些問題亟待解決。

1 鐵路信號工程運維現狀

1) 竣工及維修資料圖實不符

現行的竣工圖紙交付管理模式中，交付給運維單位的圖紙很難達到與現場實際一致，尤其對信號設備的室內配線關系、室外電纜走向、車站暗埋隱蔽工程等信息無法準確表達。

2) 信號設備臺賬及資料管理混亂

信號設備維修及管理的部門涉及眾多，分工各自不盡相同，又相互協調。信號設備的資料和臺賬管理以電子表格或獨立的信息化系統管理，數據難以同步，資料修改無法及時更新，導致出現版本管理混亂，數據不一致情況時有發生。

3) 隱蔽工程難以定位，故障排查困難

當鐵路信號設備顯示信息異常時，維修維護人員大多通過經驗來排查和判斷故障位置，尤其對隱蔽工程更是無法定位，導致故障排查困難，故障處置時間延長。

4) 設備配線關系龐雜，維護檢修難度大

信號設備作為鐵路控制系統，設備之間的邏輯關系復雜，配線眾多，日常對設備及線纜的維護檢修難度大，尤其是排除單個設備控制電纜徑路時需要翻越大量資料，信息檢索難度大。

5) 輔助系統間信息不共享、不連通

國內鐵路信號設備穩定性高，技術成熟，配備有記錄監測等多種輔助設備。但是，各種記錄監測輔助設備之間信息不共享，不連通，只對信號設備起到狀態監督，還無法對故障進行預測、定性及定位[1]。

2 BIM技術在鐵路信號工程運維中的應用研究

BIM技術是一個共享的知識資源，可以把信號工程的設計、施工到交付運維全過程的數據信息進行集中的記錄和流轉。在工程全生命周期階段，項目各參建方不斷的對信號模型及數據進行修改和完善，當竣工交付時，可同步交付與現場1∶1的數字工程信息模型。這些模型涵蓋了設備設施的物理構造、邏輯配置關系和全生命周期過程建立的相關技術參數。本文以京廣線長陽線路所信號工程為例，來介紹BIM技術在鐵路信號工程運維中的具體應用方法、應用內容和應用價值。

2.1 可行性分析

結合BIM技術的特點和要求，通過對鐵路信號專業要素進行分析，充分研究信號專業的維修內容，從而對涉及信號專業的BIM標準、設備構件模型、設備技術參數等進行分析并建立相應的數據支持庫。同時對BIM模型、設備參數及鐵路場景信息進行整合，結合設備維修的需求，搭建鐵路信號工程BIM運維系統[2]。

可行性分析關系如圖1所示。

圖1 可行性分析關系Fig.1 Feasibility analysis relationship

2.2 信號BIM模型創建

以京廣線長陽線路所信號改造工程為實際應用，進行鐵路信號BIM模型創建，如圖2所示。

2.2.1 標準執行

本項目建模主要參照鐵路BIM標準，包括《鐵路工程實體結構分解指南（1.0版）》、《鐵路工程信息模型分類與編碼標準（1.0版）》、《鐵路四電工程信息模型數據存儲標準》、《鐵路工程信息模型數據存儲標準（1.0版）》、《鐵路工程信息模型交付精度標準（1.0 版）》[3-7]。

圖2 信號BIM模型創建流程圖Fig.2 Flow chart of signal BIM model creation

2.2.2 模型創建與屬性添加

1）模型創建與成果展示

考慮到工程建設每階段應用目標、研究深度及后期實際運維需求，分階段進行長陽線路所BIM模型創建，如表1所示，最終達到LOD500水平，提升顯示效果和真實反映構件細節。即構件主要組成部分在幾何上表述準確，能夠反映物體的實際外形，與現場布置保持一致，保證在運營維護中不會因竣工圖紙或維修資料圖示不符而產生錯誤判斷。部分BIM建模成果如圖3所示。

表1 信號BIM模型建模內容Tab.1 Modeling contents of signal BIM model

圖3 長陽線路所設備BIM建模成果Fig.3 BIM modeling results of Changyang block post device

2）屬性信息添加

模型屬性信息主要有身份信息、定位信息、流轉信息及運維信息，分階段進行模型屬性添加（如表2、3所示），并上傳BIM運維管理平臺，解決維修信息亂、少、信息不連通的情況，提高設備維修效率，降低運維成本。

2.2.3 BIM+GIS模型整合

GIS技術是用來采集、存儲、管理、分析和呈現地理空間信息的系統。將BIM模型與GIS數據相整合，使宏觀地理地形場景分析規劃與微觀設備構件布置相結合，達到提高運維工作效率、縮短工期目的。整合流程如圖4所示。

2.3 BIM模型在信號運維中的應用

隨著工程的建設和交付，與工程同步建立的BIM模型也1∶1的完全反映工程現場的實際構造，在竣工交付時同步將BIM竣工模型數據交付運維，為運維期的資產管理、設備維護、故障應急等提供良好的數據集成平臺。

2.3.1 設備臺賬可視化管理

結合運維期設備臺賬管理的需求，開發基于BIM的設備臺賬管理子系統。該系統中設備的數量、屬性等信息均從BIM模型中獲取，設備臺賬中包含車站室外的信號機、道岔、軌道電路、補償電容、設備箱盒等數據，同時也包含室內設備機柜、設備模塊、設備配線等信息。在運營維護過程中只要對模型的信息及時更新，設備臺賬管理系統中的數據將同步更新并發布。

系統中建立了數據權限管理功能，可通過數據權限控制不同人員，對不同車站的設備，不同的應用功能進行維護，包括設備上道、設備更換進行登記管理。對登錄用戶管線范圍內設備的履歷臺賬，可通過車站、工區、車間、電務段或設備分類信息進行統計查詢，如圖5所示。

表2 施工階段需增加或修改的模型信息Tab.2 Model information to be added or modified in the construction stage

2.3.2 線纜及隱蔽工程可視化管理

鐵路信號運維管理平臺通過3D可視化地下模式直觀展示室外電纜的敷設走向，可清晰表達信號設備之間的連接關系，真實記錄現場數據，反映隱蔽工程電纜布設實景。以電纜標記的形式展示各區段電纜型號、用途、直徑、埋深、芯數、備用芯數、是否暗包等信息數據，以及電纜兩端的連接設備。滿足維修人員及時掌握現場電纜敷設的隱蔽工程實況，提升維修效率，實現了鐵路信號工程中室外電纜信息的三維可視化，如圖6所示。

表3 竣工交付、運維階段需增加或修改的模型信息Tab.3 Model information to be added or modified in the completion delivery, operation and maintenance stage

圖4 BIM+GIS模型整合流程Fig.4 Integration process of BIM+GIS model

2.3.3 設備及線纜配線關系可視化應用

系統通過室內機柜設備的BIM三維模型，滿足即時定位到繼電器設備及端子上，展示繼電器等設備的用途、控制關系和端子之間的連接關系。利用設備端子可視化幫助運維人員迅速查找設備之間的邏輯控制關系，便于故障維修的快速處理，實現了鐵路信號工程中設備端子信息的可視化，如圖7所示。

2.3.4 多系統不同數據集成及協同應用

基于BIM的運維管理平臺可結合信號集中監測信息，設備維修記錄信息，設備檢測檢修信息，設備維修資料信息等集成加載和管理，同時提供資料分類、版本對比、快速查找等功能，依據BIM設備模型通過界面操作實現關聯顯示，達到設備參數，技術資料的精準管控，如圖8所示。

圖5 設備臺賬可視化管理Fig.5 Visual management of device ledger

圖6 線纜及隱蔽工程可視化Fig.6 Visualization of cables and concealment works

圖7 設備及線纜配線關系可視化Fig.7 Visualization of device and cable distribution relationship

1) 實現信號運維的可視化管理

圖8 數據集成管理Fig.8 Data integration management

精細化的BIM模型，反映的是現場設備的實際規格尺寸、外形特征及內部構造，具有接近實際的逼真度和可視化效果。在指導現場施工和設備運行維護的可視化管理方面，發揮了重要作用[8]。

2) 實現信號設備信息的集成化

就傳統的運維系統來看，其中涉及到的設計和建造階段的信息與運維階段的信息一般都是分開存儲和調用，這樣就造成了管理上的混亂和調控方面的不足。而采用BIM技術后，相應的情況也就得到了極大的改觀，由于此類技術對不同專業和不同設計者在同一模型中的操作沒有限制，因而在具體信息的添加和調取上比較自由便捷，從而真正實現了所謂的更新統一性。由此運維過程中產生的各類信息數據就可以全部保存在此類模型中[9]。同時與之有關的報表、圖片、視頻等資料可與模型相關聯，從而實現以BIM模型為載體，設備信息集成的運維管理模式。

3) 實現運維數據的積累與分析

基于BIM技術的運維管理平臺，可實現對信號設備臺賬、信號設備履歷、信號設備故障、歷史維護等數據信息的積累與分析，對鐵路信號設備的維修維護工作作出判斷、預警和指導。如果出現意外狀況，運維大數據的分析可為信號維修人員高效應急處置提供基礎保障，出具應急預案路線供管理者決策，從而避免更大的損失。

4 結論

研究表明，鐵路信號設備運維實現可視化、集成化、智能化是現代鐵路高速發展的必然趨勢，BIM技術的最大價值就是全生命周期的信息傳遞與共享[10]。BIM技術應用于鐵路信號設備運維工程，可對信號設備快速精準定位，對故障設備上下游連接關系追溯查源，對信號設備進行精細、高效維修維護，保障了鐵路運行的安全、穩定，推動了鐵路行業的高速發展。