朔黃鐵路車站信號系統BIM技術研究

韓永君

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

我國鐵路正處于飛速發展的時代，并逐年向海外市場擴展，隨著客運高速的發展，貨運重載也緊跟其后，成為目前我國鐵路建設的重點方向［1］。Eastman等［2］在19世紀70年代提出建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念后，各國大力開發BIM應用系統。隨著我國鐵路聯盟組織團隊日趨壯大，鐵路BIM標準在鐵路行業內廣泛應用。5年來，統籌考慮鐵路行業的特殊性和全生命周期管理需要，組織研究鐵路各專業領域信息模型的定義、信息語義標準和信息傳遞標準以及應用實施標準。建立了鐵路BIM標準體系框架，填補了國內空白。

2017年政府工作報告中指出：到2020年，高鐵運營里程將達到3萬km，覆蓋80%以上的大城市。我國鐵路建設預計仍將高位運行，鐵路BIM市場需求旺盛。中老、雅萬、莫喀高鐵等“走出去”項目對BIM技術的需求凸顯。隨著綜合交通驅動日益增長，各省市陸續發布BIM技術應用指導意見，以雄安、深圳為代表，BIM與CIM融合發展逐漸迫切。以BIM技術縱向維度構建整個項目的建設過程，可以檢出實際建設過程中的部分問題，及時探討對應的解決方案，并且能對關鍵施工環節進行多次反復的模擬建設，以避免實際建設過程中由于各種原因造成的返工。BIM技術的應用，可以加快推進新型城鎮化建設，并為建筑安全事故、建筑質量問題，建筑環境問題提供有效的解決辦法［3］。

在此結合朔黃鐵路信號系統特點：

（1） 整理分析信號系統構件資源，擴充重載鐵路信號系統模型；

（2） 緊密結合重載鐵路對信號設備的要求，優化補充BIM模型存儲標準（IFC）、分類標準（IFD）及精度標準（LOD）；

（3） 以BIM技術應用研發為手段，堅持自主創新與二次開發相結合，開發符合朔黃鐵路特點的設計、施工及運維過程中的BIM應用，包含族庫及設備管理系統、可視化監測系統以及線纜敷設優化系統。

1 朔黃鐵路信號系統運維需求

BIM是一種借助特定軟件創建包含工程信息的三維模型并應用于項目各個階段的數據化工具，是基于最先進的三維數字設計和工程軟件所構建的可視化數字建筑模型，可以為建設與運維單位的各部門人員提供“模擬和分析”的統一科學協作平臺，使整個工程項目在各階段能有效地節約成本、提高效率［4］?；贐IM的鐵路運維平臺建設符合新時期數據建設和面向服務的發展需求，能夠進一步推進工程數據的標準化和運維過程的智能化管理。

1.1 設計方案三維可視化

應用BIM技術將專業、抽象的項目方案描述通俗化、三維可視化，各專業設計人員、業主、項目審查人員和其他參與者更易理解設計意圖、更易激發創新思維，提出改進方案，最大程度滿足項目需求，為項目立項和決策提供直觀的依據［5］。

1.2 設計過程協同化

應用BIM技術將各專業間獨立分散的設計成果，置于統一的三維協同設計環境中，綜合分析比選站房技術方案，直觀檢查差、錯、漏、碰，避免因誤解或溝通不及時造成的設計錯誤，提高規劃設計質量和效率。

1.3 專業模擬可視化

利用BIM技術可實現三維模型與數值分析軟件聯動，實現以下方面的功能：

（1）模型與數值分析軟件之間二維計算聯動；

（2）模型與數值分析軟件之間三維計算聯動；

（3）模型與三維渲染軟件之間數據聯動；

（4）模型與性能分析軟件之間數據聯動。

1.4 設計流程規范化

建立設計階段的BIM實施標準，規范BIM實施內容和過程，使BIM技術在設計流程中做到有據可依，減少現階段BIM盲目應用和各種非標準化實施造成的大量財力、物力、人力和時間等資源的浪費及損耗，降低實施信息化的成本和風險［6］。

1.5 設計成果可優化

應用BIM技術對設計成果進行三維可視化集成，能直觀查詢設計參數、工程數量和投資估算，分析方案合理性，能對設計方案進行修改，保證方案可行、最優。

2 朔黃鐵路BIM技術

采用BIM技術，結合虛擬仿真技術，實現信號室內外設備的模塊化布置與智能化配置、信號電纜徑路三維創建、通過監測信息實時反應信號設備狀態等，以便在建立鐵路信號模型時達到快速、方便、準確地模塊化創建［7］。涉及的關鍵技術主要有信號設備BIM構件族庫的建設與管理技術、信號工程模型的輕量化引擎及同步發布技術、基于BIM的微機監測接口技術。BIM技術下的模型族庫管理平臺是實現系統間數據集成的關鍵。通過對BIM技術的應用和管理，在虛擬平臺中形成一套精益化的管理模式，實現信息充分共享和無縫管理。

朔黃鐵路車站信號BIM仿真系統主要包含5部分（見圖1）。

圖1 朔黃鐵路車站信號BIM仿真系統

2.1 重載信號BIM族庫建立

朔黃鐵路重載信號設備模型總量61個，確定BIM建模工具為Bentely，主要軟件為MS、ABD和Powercivil，參照IFD標準，以朔黃鐵路回鳳站為基礎完成朔黃鐵路重載信號BIM族庫建設，進行族庫科學分類管理，重載信號BIM族庫示例見圖2。

圖2 重載信號BIM族庫示例

結合朔黃重載信號設備特征，建立描述設施設備、工程特定結構、工作原理的系統模型或數學模型，這些模型應符合BIM的技術體系。

2.2 BIM信號設備輕量化解析

立足重載信號BIM族庫，結合朔黃鐵路實際，自主開發了BIM文件管理工具，用于解析巨規模線狀數文件，滿足大文件的整體展示需求；支持BIM文件的多終端無插件在線瀏覽。具體實現方式為：

（1） 實現解析標準IFC格式類型的BIM模型；

（2） 實現Revit、Tekla、Bentely等建模軟件建立的大模型輕量化處理，依然保留BIM信息；

（3） 支持增加IFC標簽屬性，并攜帶屬性導出；

（4） 具備跨終端（PC和移動端）直接查看BIM模型功能；

（5） 具有BIM模型展示、操作（比如放大、縮小、刨切、點選構件、透明、著色等）功能；

（6） 實現互聯網云端存儲，打開瀏覽器訪問地址直接查看，無需安裝插件。

輕量化解析工具，基于WebGL繪圖技術標準，采用輕量化、流式加載、硬件加速技術，將各種三維模型的組織結構、屬性信息、幾何圖形，轉化為統一格式的輕量化模型構件，實現工程結構、屬性、幾何圖形數據的自動關聯提取，并轉換為統一格式的輕量化三維模型構件，支持瀏覽BIM幾何模型、查看模型信息、漫游、剖切顯示、設備分組拾取顯示和隱藏等多種功能［8］。結合朔黃鐵路特點，研究分析不同專業所需的構件資源，擴充鐵路特有的專業領域類別，定義分類屬性，完善鐵路設備的分類編碼（IFD），對族庫進行科學分類管理。

通過模型數據管理模塊，對BIM模型及模型對應的標準信息進行管理，具有族庫文件修改、刪除、導入等功能。同時，具有族庫文件標簽及屬性新增、修改、刪除等操作功能，支持不同用戶對族庫進行優化驗證?；谳p量化引擎，滿足多終端無插件在線瀏覽模型及遠程查看與下載。

IFC數據管理模塊包括IFC數據列表和IFC數據添加功能。IFC數據列表界面顯示所有的IFC數據，可以根據IFC數據名稱、狀態查詢相應的數據。BIM設備輕量化解析工具界面見圖3。

圖3 BIM信號設備輕量化解析工具界面

2.3 聯鎖與BIM信號設備仿真控制

結合BIM信號設備和車站信號設備聯鎖關系，對回鳳站實現聯鎖與BIM信號設備仿真控制，回鳳站聯鎖界面見圖4，車站BIM信號設備仿真控制見圖5，具體實現步驟如下：

圖4 回鳳站聯鎖仿真界面

圖5 車站BIM信號設備仿真控制

（1） 確定聯鎖制式，確定聯鎖的站場平面圖和聯鎖表；

（2） 編制站場數據，確定室內設備的聯鎖關系；

（3） 編寫聯鎖邏輯代碼及BIM虛擬場景和信號機、軌道電路、轉轍機、機械室組合柜繼電器的數據接口；

（4） 實現和完成2D模式的聯鎖仿真。

基于回鳳站的聯鎖BIM車站室內外設備邏輯關系控制功能，依據BIM模型開發族庫管理模塊，包括設備各類、各個階段的信息添加和維護，編寫BIM室內外模型（信號機、軌道電路、轉轍機、機械室組合柜繼電器等）與聯鎖的接口，實現2D聯鎖+BIM仿真模擬。聯鎖控制室外道岔轉換、信號機開放、軌道電路占用出清狀態顯示。

虛擬車站使用BIM三維仿真模擬技術真實還原車站及相應的室外信號設備，通過場景漫游及定位功能，全方位配合聯鎖系統實時查看設備的當前狀態，同時計算機聯鎖系統操作控制虛擬車站的設備，虛擬車站及室外信號設備見圖6。

圖6 虛擬車站及室外信號設備

2.4 可視化監測

以微機監測系統為依托，進行信號設備可視化功能開發。選擇回鳳站進行試點，還原室內、外信號設備及信息采集模塊狀態；通過現場實際數據接口，采用BIM虛擬設備對真實設備監測數據還原，實時還原設備的運行狀態及屬性、設備位置定位，報警數據定位、故障設備范圍定位等功能。信號設備室組合架可視化監測示意見圖7。

圖7 信號設備室組合架可視化監測示意圖

2.5 信號電纜敷設優化

通過建立設備、橋架、線槽、線纜等BIM信息模型，根據設計圖紙的機柜規劃布置，結合BIM特有的碰撞檢測、施工工藝工法、以及RTT、A*算法，實現線纜敷設的自動排位排序。在避免線纜交叉的情況下，確保線纜敷設路徑最優化，生成包含路由、長度、線纜規格型號的線纜清冊。其具體步驟如下：

（1） 構建站場房屋模型，確定室內實用空間大小；

（2） 根據設備布置圖布設室內BIM模型，從族庫選擇相應設備拼接室內BIM模型；

（3） 根據配線圖生成電纜清冊，通過電纜清冊實現線纜自動敷設；

（4） 線纜基本路徑繪制和關鍵點添加及屬性設置；

（5） 規劃布放及排序的優化調整，在避免線纜交叉的情況下，確保敷設線纜的路徑最優化；

（6） 線纜算量及線纜敷設過程智能輸出。

信號電纜敷設優化系統示意見圖8，通過信號電纜敷設優化系統工具對信號設備室內的信號電纜進行敷設和碰撞檢查。

圖8 信號電纜敷設優化系統示意圖

由于繼電器組合架背部配線復雜且易出錯，現場信號人員根據設計圖紙進行組合架、分線盤等配線，容易因圖紙本身錯誤以及配線過程中的人為失誤導致配線出現錯誤，從而導致設備無法正常使用，嚴重情況下可能導致鐵路安全事故發生，因此利用提出的信號電纜敷設優化方案，可有效避免配線錯誤導致的返工、誤工和安全事故［9］。繼電器組合架配線BIM示意見圖9、機柜底部電纜溝槽走線BIM示意見圖10。

圖9 繼電器組合架配線BIM示意圖

圖10 機柜底部電纜溝槽走線BIM示意圖

3 朔黃鐵路全生命周期信息管理

3.1 可行性研究階段

項目的可行性研究階段，對影響工程建設的因素、條件進行全面分析，避免錯誤的投資決策。建設項目的可行性研究包括對投資機會的分析、初步可行性的研判、技術和經濟的可行性、評估決策項目的投資預算［10］。

可行性研究階段的項目信息主要為投資決策信息，包括場地環境信息、信號設備外觀分析、信號設備功能設計、項目預算決策等。

3.2 設計階段

設計階段的出發點習慣于總體概念設計，信號設計工程師根據實際車站的信號工程需要，給出具體的設計方案和圖紙。隨著計算機軟件的發展，信號工程師可以在空間維度上實踐自己的項目理念，這是傳統信號設計無法想象的。設計階段成果是可接受的信號施工圖紙和配線圖紙，滿足實際應用需求。

3.3 施工階段

工程施工階段根據項目應用階段可分為計劃階段和實施階段。

（1）計劃階段主要進行施工前的準備工作，包括制定施工計劃、材料計劃以及估算施工成本等。在對施工圖紙足夠的研判分析下，輔以施工方法和施工組織的制定，就能基本得知相關的信息數據［11］。為實現目標的過程計劃，施工階段產生的變更設計也會引起設計階段的完善處理，因此有效協同兩階段的管理對工程的優化設計具有明顯效果。計劃階段還需要明確招投標的范圍，同時編制技術規格書。

（2）實施階段是對計劃階段成果的有效執行，支持設計信息和施工計劃向建筑實體轉變的過程，包括具體的施工工具、責任劃分、任務分配、材料使用、構件加工、建造拼裝等活動。實施階段的信息包括設計處理信息、施工過程計劃和相關附加信息，集成化應用這些信息是施工活動的加速器。

施工階段存在的信息類別包括施工方案模擬、施工工藝模擬、施工進度模擬、施工成本控制、施工現場管理等信息［12］。根據工程方案模擬的分類，又分為場地平面布局、項目投標決策、材料進場、虛擬建造、組織協同合作等信息。

3.4 運維階段

運維階段包含設備的運行與維護、建筑物的運營維護、工程設施管理等內容［13］。設備的運行與維護過程需要設備參數、運行壽命、周圍環境等信息，以保證設備在適宜的環境中能更長久地運作；建筑物的運營維護是整合人員、設施、技術和管理流程，主要包括對人員工作和生活空間進行規劃、維護、維修、應急等管理；工程設施管理需要考慮建筑內部空間分配，主要需求信息包括樓層分布、信號設備布局和房間信息等。

目前鐵路部門已經應用一些運維系統，但現有運維系統在應用過程中暴露出準確度及精細度低且各系統間信息無法共享和協同［14］。針對以上不足，為最大程度利用運維信息的使用價值，實現運維系統中各部門間的信息協同，提升運維管理的質量和效率。根據BIM技術的特點，搭建基于BIM的運維系統框架（見圖11），解決原有運維系統信息協同不足的問題。系統框架客戶端、系統應用層及數據共享層的信息說明分別見表1—表3。

圖11 基于BIM的運維系統框架

表1 客戶端信息說明

表2 系統應用層信息說明

表3 數據共享層信息說明

4 結論

（1） 通過對IFC標準的研究，提出基于IFC標準的BIM構件族庫建設方案，并結合朔黃鐵路項目特點整理細化IFD標準，在此基礎上建立朔黃鐵路重載信號BIM族庫，填補了鐵路重載信號BIM族庫空白。

（2） 考慮重載鐵路應用特點，基于WebGL自主開發了適用于重載鐵路的輕量化瀏覽引擎，將各種三維模型的組織結構、屬性信息、幾何圖形轉化為統一格式的輕量化模型構件，實現設備結構、屬性、幾何圖形數據的自動關聯提取。

（3） 結合鐵路重載信號特點以及信號線纜布放規劃復雜的問題，通過建立設備、橋架、線槽、線纜等BIM信息模型，開發了基于BIM模型的線纜規劃布放及排序的智能布線工具。在確保避免線纜交叉的情況下，實現線纜敷設路徑最優化。