基于UML的鐵路信號圖紙校核系統(tǒng)研究

黃程輝，周 榮，宿世明，蘇 琛，吳阿龍

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州 510699；2.廣西沿海鐵路股份有限公司欽州電務段，廣西欽州 535000；3.甘肅省軌道交通信號與控制評測行業(yè)技術(shù)中心，蘭州 730070；4.蘭州安信鐵路科技有限公司，蘭州 730070）

鐵路信號系統(tǒng)承擔保障列車安全平穩(wěn)運行、提高運輸效率的重要功能，一旦現(xiàn)場發(fā)生電路故障，工作人員需要對照設(shè)計的紙質(zhì)版圖紙進行仔細核查。在信號設(shè)備安裝施工時，相關(guān)人員也需要對照圖紙進行施工。因此，實現(xiàn)鐵路信號圖紙的智能化、信息化、校核管理具有很大的必要性。

針對信號圖紙的信息化管理，國內(nèi)外相關(guān)學者已經(jīng)有了一定程度的研究。張亞瓊等人研究了BIM 技術(shù)在鐵路信號工程中的運用；胡衛(wèi)巖等人通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)設(shè)計了鐵路信號設(shè)備全生命周期評價系統(tǒng)；劉智平等人通過BIM 技術(shù)設(shè)計了電務施工軟件，研究了信號設(shè)計工程運維一體化的實施方案；陳美玲等學者研究了鐵路信號設(shè)備的智能化管理，探討了關(guān)鍵設(shè)備的全生命周期履歷的數(shù)字化管理方案；解亞龍等學者研究了二維圖紙的自動分析識別技術(shù)，探索數(shù)字化應用場景；周獻中等學者基于UML 技術(shù)研究了鐵路輸送輔助決策軟件系統(tǒng)，提高了現(xiàn)場運輸效率；王婧等學者則通過UML 研究信號系統(tǒng)的安全標準論證方法。以上研究均側(cè)重于圖紙管理和自動化生成，并未對圖紙原理校核進行過多的研究。目前該領(lǐng)域主要存在以下問題。

1）在信號圖紙設(shè)計階段，往往需要經(jīng)過設(shè)計、校核、復審等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)由不同的人獨立完成，不同車站及不同信號設(shè)備的圖紙也有可能是不同的人完成的。這些人工完成的圖紙可能會添加經(jīng)驗色彩，缺乏驗證，準確性與高效性難以保證。同時圖紙繪圖與對接的工作量龐大，加大工作人員的勞動強度。

2）在圖紙使用過程中，可能會存在施工或維修人員修改圖紙的情況，而且改變的內(nèi)容如果不能及時更新，可能會造成二次數(shù)據(jù)錯誤，耽誤施工進度。

3）在竣工驗收時，電務人員需要安排專人負責室內(nèi)外配線逐一校核，現(xiàn)場核對的工作量較大，并且對于一些混線或邏輯配線錯誤，需要根據(jù)廠家的電路原理圖才能判別。目前靠“數(shù)線頭”的方式無法完整地校核所有的配線圖紙是否準確，為后期的列車運行留下一定的隱患。

1 圖紙校核系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)整體框架

鐵路信號圖紙校核系統(tǒng)（簡稱圖紙校核系統(tǒng)）主要包含圖紙數(shù)據(jù)讀取、信號設(shè)備原理圖數(shù)據(jù)模型、圖紙配線數(shù)據(jù)智能校驗邏輯模塊、圖紙校核記錄查詢和報告等4 部分。該校核系統(tǒng)將CAD 版本的圖紙配線數(shù)據(jù)進行讀取，按照接口柜配線圖、組合內(nèi)部配線圖、組合側(cè)面配線圖、分線盤配線圖、綜合柜配線圖和移頻柜配線圖等不同類型進行數(shù)據(jù)分類存儲。通過將圖紙配線數(shù)據(jù)與信號電路原理圖數(shù)據(jù)模型進行智能分析和校核，對于缺線、混線等不同場景下的配線數(shù)據(jù)進行提醒和標記，并且生成圖紙配線校核報告。系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall system structure

1.2 系統(tǒng)核心功能

1）圖紙數(shù)據(jù)讀取

根據(jù)信號機、道岔、組合架等設(shè)備的不同特點，設(shè)計出信號室內(nèi)設(shè)備和室外信號設(shè)備圖紙識別方案，研究識別方案需求的具體技術(shù)及算法，并進行軟件實現(xiàn)與測試優(yōu)化，實現(xiàn)信號室內(nèi)外CAD 圖紙設(shè)計信息的識別功能。

2）信號設(shè)備原理圖數(shù)據(jù)模型

按照不同型號設(shè)備的類型，將信號設(shè)備的電路原理圖數(shù)據(jù)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，建立信號設(shè)備原理圖數(shù)據(jù)模型庫，包含各個型號的進站信號機電路、出站信號機電路、調(diào)車信號機電路、道岔啟動電路、道岔控制電路、計算機接口電路的數(shù)據(jù)化模型。按照電路數(shù)據(jù)模型可以實現(xiàn)電路原理圖不同元器件的連接關(guān)系和位置信息，為圖紙校核提供核對的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）圖紙配線數(shù)據(jù)智能校驗邏輯模塊

依據(jù)信號設(shè)備原理圖數(shù)據(jù)模型、鐵路圖紙設(shè)計規(guī)范，按照車站的信號設(shè)備的不同類型，進行圖紙配線的校核。圖紙校核的范圍分為以下階段：

a.電氣特性的靜態(tài)校核：如斷頭線、I/O 表和圖紙的核對、繼電器只有勵磁沒有接點連線或者只有接點連線沒有勵磁等；

b.標準電路圖的靜態(tài)校核：根據(jù)組合屬性與標準電路圖進行自動比對，自動提示不一致的地方（如電路多出了支路、與聯(lián)鎖表中關(guān)聯(lián)的接點條件不一致等）；

c.非標電路的靜態(tài)校核：如果是常用并可定型的非標電路，可納入自定義庫進行校核；如果是特殊電路，可納入本站的圖紙庫進行邏輯編輯后進行校核。

4）圖紙校核記錄查詢和報告

系統(tǒng)提供詳細的圖紙校核記錄，對于配線數(shù)據(jù)與原理圖數(shù)據(jù)不一致的內(nèi)容，提供詳細的原理圖節(jié)點信息，為電務人員修改提供數(shù)據(jù)和理論的依據(jù)。系統(tǒng)在測試完成后提供詳細的測試報告，包含圖紙版本、校核的依據(jù)和圖紙的校核詳細結(jié)果，并且將測試結(jié)果存檔至服務器中，供電務人員預覽和下載。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 UML建模技術(shù)

統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）技術(shù)是一個支持模型化和軟件系統(tǒng)開發(fā)的圖形化語言，為軟件開發(fā)的所有階段提供模型化和可視化支持，包括由需求分析到規(guī)格，到構(gòu)造和配置。采用UML 來實現(xiàn)鐵路信號圖紙校核系統(tǒng)的建模，主要包括計算機聯(lián)鎖圖紙、區(qū)間圖紙、列控數(shù)據(jù)等3 大類，這樣就構(gòu)成了完整的鐵路信號圖紙校核系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

2.2 圖紙校核技術(shù)

1）信號圖紙設(shè)計信息數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)

采用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)衍生等技術(shù)，對識別得到的信號圖紙初始數(shù)據(jù)進行分析處理，然后建立各種類型數(shù)據(jù)間的關(guān)系，將分析處理后的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)關(guān)系儲存在數(shù)據(jù)庫中，最終實現(xiàn)圖紙設(shè)計信息的數(shù)字化。

2）鐵路信號圖紙準確性驗證關(guān)鍵技術(shù)

針對不同信號設(shè)備的驗證內(nèi)容，結(jié)合計算機仿真測試理念，在圖紙校核系統(tǒng)中加入準確性驗證模塊，結(jié)合鐵路信號設(shè)備原理圖和驗證理論體系，實現(xiàn)了鐵路信號圖紙準確性的驗證。

3）信號圖紙仿真驗證測試案例庫構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)鐵路信號各系統(tǒng)接口要求，定義不同信號設(shè)備測試案例的結(jié)構(gòu)。參照鐵路信號行業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，構(gòu)建各系統(tǒng)、各設(shè)備、各個場景下的簡單測試案例庫。

4）信號圖紙仿真驗證動態(tài)展示關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)車站聯(lián)鎖、列控、區(qū)間、電碼化等不同特征，實現(xiàn)仿真驗證展示界面與車站信號設(shè)備數(shù)字化動態(tài)仿真模塊在仿真驗證過程中的實時信息交互，實現(xiàn)仿真驗證過程的動態(tài)展示。

5）仿真驗證報告自動生成關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)圖紙校核測試全過程的管理及記錄，并將測試結(jié)果的準確性進行對比研判，最終自動生成整套圖紙的仿真驗證報告，供工作人員瀏覽下載。

3 圖紙校核系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)可以實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖圖紙聯(lián)鎖表、配線表、電碼化圖紙校核，也可以實現(xiàn)區(qū)間圖紙排列表、配線表等圖紙的審核測試，同時也能對列控數(shù)據(jù)中進路信息、信號數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)進行測試。具體測試范圍如圖2 所示。

圖2 校核測試范圍Fig.2 Check test scope

3.1 圖紙校核系統(tǒng)功能驗證設(shè)計

通過圖紙數(shù)據(jù)服務平臺的車站數(shù)據(jù)，建立車站的數(shù)據(jù)模型，包含聯(lián)鎖、室內(nèi)機械室、室外設(shè)備和列控系統(tǒng)等。每一種類型圖紙的校核測試流程都有所不同，針對配線圖的校核流程如圖3 所示。

圖3 配線圖校核流程Fig.3 Distribution diagram check flow chart

3.2 圖紙校核系統(tǒng)功能驗證實現(xiàn)

完成圖紙校核系統(tǒng)功能驗證流程設(shè)計后，在圖紙校核平臺上進行功能的驗證。分別以聯(lián)鎖表校核功能和配線圖校核功能為例進行驗證。聯(lián)鎖表功能驗證界面如圖4 所示。通過可視化界面顯示既有聯(lián)鎖表和參考進路信息，并將二者的對比信息顯示在聯(lián)鎖表功能驗證界面的下側(cè)。

圖4 聯(lián)鎖表校核功能驗證界面Fig.4 Interlocking table check function verification interface

配線圖校核系統(tǒng)的功能驗證界面如圖5 所示。從驗證界面可以看出，驗證界面能夠詳細記錄道岔、信號機、軌道電路等鐵路信號設(shè)備的試驗報告信息，并綜合分析給出可能的故障類型，為鐵路信號設(shè)備故障處理提供一定的參考和幫助。

圖5 配線圖校核功能驗證界面Fig.5 Distribution diagram check function verification interface

4 圖紙校核系統(tǒng)應用

在實際工程項目中，根據(jù)各個鐵路車站和區(qū)間的信號圖紙，利用UML 技術(shù)為現(xiàn)場施工提供一套獨立的設(shè)計圖紙校核系統(tǒng)，用于設(shè)計圖紙信息的展示、測試、校核和驗證。如有問題能夠及時提醒，可有效提升電務系統(tǒng)人員的工作效率，具體效果如下。

1）降低或避免因設(shè)計圖紙錯誤導致現(xiàn)場故障或行車事故發(fā)生，保障生命財產(chǎn)安全。

2）減少圖紙校核工作量。通過本校核系統(tǒng)，可以縮短審核時間，減輕人員的工作強度，降低鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計圖紙生產(chǎn)過程中的人力成本。

3）提供輔助審查工具。基于設(shè)計圖紙的工作原理、業(yè)務流程，通過計算機仿真技術(shù)和逆向測試技術(shù)，搭建數(shù)字化平臺，使用數(shù)字手段代替人工審核進行圖紙信息的測試、審查、校核和管理，將設(shè)計圖紙審核與監(jiān)管集于一體，輔助設(shè)計人員和施工人員快速實現(xiàn)了圖紙校核，避免出現(xiàn)遺漏、錯誤、不合理等情況，提高現(xiàn)場工作效率。

4）形成可供電務段或廠家在聯(lián)鎖仿真實驗階段使用信號圖紙校核產(chǎn)品，實現(xiàn)全套信號系統(tǒng)在正式實施前的室內(nèi)仿真試驗可提前發(fā)現(xiàn)問題。

5 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路信號設(shè)備圖紙的管理和鐵路信號工程的施工管理也應該打破原有的觀念，勇于創(chuàng)新，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，不斷推進鐵路信號系統(tǒng)的信息化發(fā)展，提高鐵路信號圖紙的管理效率和施工管理質(zhì)量。本文設(shè)計的鐵路信號圖紙校核系統(tǒng)實現(xiàn)了鐵路信號設(shè)備的數(shù)字化和智能化管理，能實現(xiàn)站場平面布置圖、信號電纜圖、聯(lián)鎖表、配線圖等圖紙的集中存儲、數(shù)據(jù)共享、動態(tài)管理、在線校核等功能，縮短圖紙審核時間，提高審圖效率。通過本圖紙校核系統(tǒng)在鐵路建設(shè)生產(chǎn)中的實際應用，將為鐵路數(shù)字化的發(fā)展提供借鑒作用。