铁路信号IFC国际标准的研究与制定

王怀松，王学林，邹少文

(中铁二院工程集团有限责任公司通信信号设计研究院，成都 610031)

引言

IFC(Industry Foundation Classes，工业基础类) 是用于规范建筑信息模型(BIM)数据存储和交换的综合性国际标准，目前在BIM应用领域已被多个国家作为最重要的基础标准[1]。IFC标准是由独立服务于BIM全生命周期的国际性非营利组织buildingSMART International(简称bSI)创建，于2005年正式成为国际标准，标准号为ISO/PAS 16739：2005，最新的正式版本为IFC4.1[2-3]。目前IFC标准定义的模型体系对各个工程领域的支持程度不尽相同，在建筑领域的数据定义相对比较完善，但在铁路工程领域的相关内容还比较缺失，尤其是铁路信号领域的内容几乎没有。基于此现状，中国铁路BIM联盟(简称CRBIM)在IFC4.1的基础上进行扩展，制定了《中国铁路工程信息模型数据存储标准》，这些扩展可以满足中国铁路工程的部分需求，但没有与buildingSMART达成国际共识，也没有纳入到buildingSMART的IFC标准体系[4]。为加快推进铁路BIM标准化工作，在CRBIM的推动下，计划与buildingSMART合作完成铁路信号领域的IFC国际标准编制工作[5](CRBIM与buildingSMART的合作还包括其他铁路工程领域，本文仅对铁路信号领域进行论述)，由中国牵头制定铁路信号IFC国际标准，并计划在IFC5.0版本中进行发布。本标准将从根本上解决目前IFC标准在铁路信号领域的缺失问题，保证在铁路信号工程全生命周期中信息交换的一致性和完整性。

1 bSI标准的制定程序

bSI标准的制定过程包含3个阶段：初始阶段、发展阶段和批准阶段[6]。根据不同的标准制定阶段，可以将工作成果定义为“标准建议书(SP)、初步草案(WD)、草案(DS)、候选草案(CS)、最终标准(FS)”5种级别。

在初始阶段，标准制定小组需要在明确用户需求的基础上编制项目建议书(bSI Standard Proposal)，内容包括项目参与者以及详细的工作执行计划，同时还需要在项目建议书中指定项目牵头方(一般为bSI会员)、项目负责人、专家评审小组及知识产权规则等，然后将该项目建议书提交bSI标准委员会投票确定是否成立该标准的工作组；在发展阶段，标准制定小组负责按照bSI标准程序执行具体的标准制定计划，当本阶段的工作完成并且达成共识后，由标准委员会对该标准草案进行审查，经标准委员会批准后可指定为bSI候选标准；在批准阶段，当标准制定小组、标准委员会以及该标准的牵头组织分别签署同意意见，并且在标准委员会内部不少于65%的成员表示赞成、10%以下的成员表示反对的情况下，可批准为bSI最终标准。bSI标准的制定过程如图1所示。

图1 bSI标准的制定过程

2 铁路信号IFC国际标准的研究内容

铁路信号IFC国际标准研究内容包括：标准范围确定、铁路信号分解研究、用例确定、数据需求研究，以及IDM、MVD等IFC相关标准格式文件的研究[7]。在IFC 4.1的基础上扩展完成铁路信号领域的相关内容，具体如图2所示，首先需要确定铁路信号IFC标准的范围，在此基础上再进行铁路信号分解和确定用例。然后在铁路信号分解的基础上制定IFC数据需求，在铁路信号用例的基础上完成IDM，数据需求和IDM是后续进行信号概念模型建模的主要参考依据。最后集成模式定义并通过转换工具输出IFC相关标准格式。此外，在研究编制IFC标准内容时要遵循制定IFC标准的7项基本原则：兼容性、可移植性、抽象性、可扩展性、可选择性、可重复性以及易用性[8]。

图2 铁路信号IFC国际标准的研究内容及流程

2.1 铁路信号IFC国际标准编制范围的研究

标准制定工作的第一步就是明确标准范围。确定标准范围之前，需要充分了解国际上主流的信号系统制式，在标准制定中尽可能兼容大部分国家的数据传递与交互需求。在确定标准编制范围时，结合上述IFC标准的基本编制原则，选取国际铁路信号系统领域相对通用的部分作为研究对象。例如，各个国家的铁路信号系统一般都有自己的子系统划分结构，以中国铁路信号系统为例，可以细分为联锁系统、闭塞系统、列车运行控制系统、列车调度指挥及调度集中系统、微机监测系统、驼峰信号系统等多个子系统[9]。经过与其他国家的铁路信号子系统进行比对分析，可以发现其中的“联锁系统、闭塞系统、列车运行控制系统、列车调度指挥及调度集中系统”不仅能包含中国铁路信号系统的核心内容，而且能够较好地满足国际上主流信号系统通用性需求，因此从中国铁路信号系统角度可以考虑将以上4个信号子系统纳入IFC国际标准的编制范围。其他国家按此思路经分析比对后分别提出适合本国纳入IFC国际标准的内容，最终由各国铁路信号专家共同讨论后确定标准的具体编制范围。

2.2 铁路信号IFC分解的研究

2.2.1 分解方式

铁路信号IFC分解是IFC扩展的前期工作。在IFC基础设施项目中，主要有3种分解方式：系统分解、实体构件分解、空间结构分解。空间结构分解主要应用于土建领域[10]，铁路信号主要是在土建领域的基础上进行各种设备的安装及线缆的布置，空间结构并不明显，因此在铁路信号专业主要采用系统分解与实体构件分解相结合的方式[11]。具体分解方式为：在已确定的工作范围基础上，按照系统-子系统-设备的方式进行分解。如图3所示，把铁路信号系统分解为联锁、闭塞、列控、列车调度指挥及调度集中4个子系统，然后对每个子系统再进行实体构件分解，最终分解到设备级[12-14]。

图3 中国铁路信号构件分解

2.2.2 共享构件和通用构件

在铁路信号相关构件中，某些构件可以在其他铁路专业中共享，例如，电源设备、电缆、机柜等不仅可以用于铁路信号工程，也可以用于通信、电力等其他铁路工程，这类构件称为“共享构件(Shared Elements)”。某些构件不仅能在铁路工程共用，甚至可以在铁路以外的公路、桥梁等其他基础设施领域共用，例如标志牌、立柱、管道等，这类构件称为“通用构件(Common Schema)”。“共享构件”和“通用构件”的关系如图4所示。在进行IFC数据定义时，为了尽可能使用现有的数据结构，实现“最小限度扩展”，这就要求各个专业领域梳理出本专业的共享构件和通用构件，并提交给IFC共享和通用小组进行统一整合。

图4 共享构件和通用构件示意

2.2.3 分解中易出现的问题及解决办法

虽然系统分解与实体构件分解相结合是一种相对较好的分解方式，但是在分解过程中仍有一些问题需要思考并解决。首先是分解精度的问题，即实体构件最终分解到何种程度。在实体分解过程中并不是分解的越细越好，这需要结合实际铁路信号工程中的设备集成、预算编制及设备采购等情况综合考虑。如果后期确实需要进一步分解，则可以考虑采用添加属性的方式实现；其次，由于不同国家的铁路信号系统可能存在差异，有的构件可能只适用于个别区域，因此在进行构件分解时应尽可能多地纳入国际通用构件。对于必需的专用构件应坚持“对等”原则，例如，如果中国相关内容已经纳入到中国地区专用部分，应该坚持将其他国家的同等内容也纳入到相应的专用部分当中，避免出现两者层级上的区别[15]，然后可利用Linked Data(互联数据)或传统的bsDD(buildingSMART Data Dictionary，数据字典)方法来实现国际标准和本地化需求的融合[16-17]。

2.3 铁路信号IFC数据需求的研究

IFC数据需求表是最终正式格式文件的基础。如图5所示，IFC数据需求集成了国际主流的BIM数据需求，同时也对目前已经存在的相关数据标准进行了映射，例如已存在的IFC4.1、中国铁路信息模型数据存储标准、欧洲铁路信号联盟(EULYNX)标准等。铁路信号IFC数据需求的集成主要是基于上述IFC铁路信号范围和构件分解结果编制“构件对象描述表”和“属性需求表”。需要注意的是，在数据需求表中为避免重复定义，对图3中“不同子系统的相同构件”进行了合并，并且在数据需求表中不再保留“系统-子系统-设备”的层级关系。

图5 数据需求的建立示意

2.3.1 构件对象描述

构件对象描述表是对2.2中构件分解后的每个实体的具体描述，由“基本描述”、“各国需求描述”、“多语言描述”三大部分组成。如表1所示，“基本描述”包括构件编号、类型、定义、功能描述，此外还对构件所属的子系统进行说明。为了能更加形象的描述构件，还需要给每个构件配上对应的实物图片或图纸，实践证明采用这种文字加图片的描述形式是IFC国际标准制定中较为有效的说明方式；“各国需求描述”是指各国利益相关方(Stakeholders)使用英文对构件评论或备注，界定该构件是否在本国需求范围之内。每个利益相关方都有专门的一列用于本国需求描述；“多语言描述”是指使用多种语言对每个构件对象进行描述，当前主要支持的语言有汉语、德语、芬兰语、法语、意大利语等。

表1 构件对象描述

2.3.2 属性需求

属性需求表是数据需求中最核心、最重要的部分，主要基于IFC工作范围和用例进行编制，由“基本描述”、“关联信息”、“各国需求描述”、“多语言描述”4个部分组成。如表2所示，“基本描述”包括构件编号、类型、属性集、属性、描述、值类型。其中，每类铁路信号构件类型主要包含7个属性集：基本属性、几何属性、材质属性、位置信息、技术信息、资产信息、运维信息；“关联信息”对构件属性的共享性或通用性进行界定，同时，与IFC4.1进行映射，确定是否在IFC4.1中已存在该定义。“各国需求描述”和“多语言描述”与上述“构件对象描述表”类似，区别是“构件对象描述表”是针对构件类型进行描述，而“属性需求表”是针对构件的属性或属性集进行描述[18]。此外，如果构件类型或属性集存在枚举类型，则需要在单独的枚举工作表“Enums”中进行枚举。

表2 属性需求

2.4 铁路信号IFC用例及IDM的研究

铁路信号IFC用例是对铁路信号IFC标准各种应用过程的描述。根据既定的铁路信号IFC工作范围以及全生命周期的BIM信息交互情况，优先选择表3所示的用例在IFC铁路信号国际标准中进行研究。在定义铁路信号用例时，还需要进一步明确每个用例的目的、IFC交换场景、优先性、复杂性以及需要的语义信息等。

表3 铁路信号用例

图8 铁路信号系统设计阶段IDM交换示例

基于用例来定义信息交互需求成为IFC发展的一个新方向，即信息交付手册(Information Delivery Manual，IDM)，IDM标准号为ISO 29481-1：2010[19-20]。铁路信号IDM的目标在于使生命周期中某一特定阶段的信息交互需求标准化，并将交互需求提供给软件商，最终形成解决方案，使铁路信号IFC国际标准真正得到落实[21]。参照ISO标准的制定流程，IDM的制定和批准流程可以分为6个阶段(图6)，首先由相关组织提出IDM项目建议书，被bSI批准为候选的官方IDM后按照bSI制定的方法流程进行IDM的开发，然后将开发形成的IDM初稿提交bSI进行审核和批准，最终经批准后在bSI网站完成发布。

图6 IDM的制定和批准流程

通过对用例的定义和分析，可以明确每个用例的信息交互目的，在实际铁路信号IDM的开发过程中涉及多个信息交互用例，每个用例都需要清晰地定义用户在该交换中需要接收或者发送的信息。通过用例分析，IDM定义了信息交互过程中的关键点，并且定义了不同的应用程序应该如何传递这些数据。具体来说，IDM的定义包含三个部分：流程图(Process Map)、交互需求(Exchange Requirement，ER)、属性集(Property Set)[16]。见图7。

图7 铁路信号IDM的主要内容

流程图是利用业务流程建模标记方法(Business Process Modeling Notation， BPMN)将信息交互数据流进行可视化处理。图8所示的铁路信号系统设计阶段IDM交换示例中，描述了信息交互的角色、阶段以及信息交互需求的内容等。其中，具体的交互需求数据对象在下述“交互需求表”中进行详细描述。

交互需求进一步对流程图中的数据对象进行详细描述，“信息交互需求表”的格式和内容可以根据实际需要进行定制。为了IDM标准制定的规范化，首先需要定制描述模板，使用者只需填入相应的内容即可，然后在标准的方法和体系下制定IDM标准[18]。表4所示的交互需求表描述了铁路信号系统在初步设计阶段的信息交互需求，主要包括交换流程中的信息发送方和接收方、交换流程的目的和内容、相关的用例等。

表4 铁路信号系统初步设计阶段交互需求(部分)

属性集也是IDM的组成部分之一，IDM的属性集可以直接利用2.3“属性需求表”中的相关属性信息内容。

2.5 铁路信号模型视图定义(Model View Definition，MVD)的研究

完整的IFC文件由全生命周期中各个阶段、各个专业的工程信息融合而成，某一个特定阶段往往只涉及其中一个或多个特定流程，但是如果直接读取和解析完整IFC文件中的所有信息，将导致解析工作量大、应用效率低等问题[22]。因此，有必要研究针对各个阶段特定流程的信息交互需求的描述方法。模型视图定义MVD就是为匹配信息交付手册IDM中一个或多个特定交互流程(ER)而定义的IFC子集，或者说MVD是IDM在IFC上的实现[23]。IDM是从用户角度对信息交换需求进行的定义，而MVD是从软件开发人员的角度对软件如何实现用户需求而进行的定义[17]，图9(左)描述了IDM和MVD的其中一种匹配关系，图9(右)描述了IFC文件下部分铁路信号MVD子集，每个MVD子集包含一个mvdXML数据文件。

图9 IDM、MVD的一种匹配关系(左)和铁路信号部分MVD子集(右)

对于铁路信号来说，其设备形态较为复杂，不同的IDM和MVD中都应规定“线条表达”、“包围盒”和“边界面片表达(Brep)”、“细分表达”等不同的几何表示方式。例如，同样的信号设备，可能在规划阶段、初步设计阶段、施工图阶段以及运维阶段需要的交付信息不同，规划阶段可能只需要大致位置示意，但在施工图设计阶段的交付信息需要采用实体几何表示。其次，MVD视图更适合于基于“单方向”参考模型的BIM工作流程，而对于需要“双向”编辑修改交付信息的BIM工作流程更适合在设计转移视图(Design Transfer View，DTV)中进行定义。例如，在表5所示的“铁路信号可视化MVD需求”中，将“识别(Identification)、技术信息(Technical information)、安装需求(Installation)”等可单向参考的信息模型在MVD中定义，将“几何表示(Geometry)、位置信息(Location information)、运维信息(Operation & Maintenance Info)”等需要双向编辑修改的信息模型在设计转移视图中定义。

表5 铁路信号可视化MVD需求示例(部分)

3 结语

IFC标准已经成为国际公认的BIM数据交换标准，但是IFC标准在铁路工程领域的数据定义还不够完善。为从根本上解决目前IFC标准在铁路信号领域的缺失问题，中国铁路BIM联盟(CRBIM)将与buildingSMART合作完成铁路信号IFC国际标准的制定。本文介绍了bSI的标准制定过程，着重论述了铁路信号IFC国际标准制定过程中范围的确定、铁路信号IFC分解的研究、共享构件和通用模式的研究、用例的确定、数据需求以及IDM、MVD等IFC相关内容的研究。以上研究内容和研究方法可以为今后铁路工程BIM实施标准制定、铁路BIM软件研发以及铁路BIM应用研究提供参考。但需要进一步指出的是，由于当前铁路信号IFC国际标准尚在制定过程中，该国际标准化工作是一个不断调整和反复研究的过程，因此本文所研究的内容并非最终结论，同时，本文研究的内容并未包含铁路信号IFC标准所有相关内容。