铁路信号BIM数据存储标准的研究与制定

王怀松，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，四川 成都 610031）

0 引言

随着BIM技术的不断发展，国内外建筑行业相继开始发布各类BIM技术标准。相对于建筑行业，铁路行业的BIM技术起步稍晚，目前大多数铁路相关BIM技术标准尚处于研究与制定中[1-2]，比较典型的有工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC）国际标准及铁路BIM联盟（CRBIM）制定与发布的BIM系列标准。IFC是用于规范BIM数据存储和交换的综合性国际标准，CRBIM系列标准是针对我国铁路BIM技术应用而制定的本地化BIM技术标准，包括《铁路工程信息模型数据存储标准》《铁路工程信息模型分类和编码标准》《铁路工程信息模型交付精度标准》等10余项标准。

在已发布的铁路数据存储标准中，对铁路各专业领域的支持程度不尽相同。相对而言，路基、桥梁、隧道等站前专业的内容比较完善，但信号、通信、电力等站后专业的内容还相对缺失。基于此现状，国内外铁路信号BIM技术专家开始研究与制定铁路信号BIM数据存储相关标准，旨在从根本上解决目前BIM数据存储标准在铁路信号领域的缺失问题，保证在铁路工程全生命周期中信息交换的一致性和完整性。

1 铁路信号BIM数据存储标准的研究内容与原则

铁路信号BIM数据存储标准的主要研究内容包括：铁路信号构件分解、属性需求、用例及信息交付手册（Information Delivery Manual，IDM）等核心内容。铁路信号BIM标准的制定思路为：在既有建筑行业标准或既有站前专业标准的基础上扩展完成铁路信号领域的相关内容。在研究编制铁路信号BIM数据存储标准内容时应遵循制定数据存储标准的7项基本原则：兼容性、可移植性、抽象性、可扩展性、可选择性、可重复性和易用性[3]。

2 铁路信号构件分解研究

2.1 分解方式

铁路工程专业构件分解主要有3种方式：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[4]，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和实体构件分解相结合的方式。具体分解方式为按照“系统—子系统—设备”的方式进行分解。铁路信号构件分解方式见图1，把铁路信号系统分解为若干子系统，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[5-7]。

2.2 共享构件

在铁路信号相关构件中，某些构件可在其他铁路专业中共享，如电源设备、电缆、机柜、标志牌、立柱、管道等，不仅可用于铁路信号工程，也可用于其他铁路工程专业，这类构件称为“共享构件”。在进行数据定义时，为了尽可能使用现有数据结构，实现“最小限度扩展”，就要求各专业领域首先梳理出本专业的共享构件，然后再与其他专业领域进行统一整合。铁路信号专业的共享构件汇总见表1。

2.3 构件与构件间关系的表达

在构件分解中，按照“系统—子系统—设备”的方式列举出了铁路信号专业工程应用中的常用构件，但尚未表达构件与构件（或概念与概念、类与类）之间的关系[8]。目前铁路BIM标准制定中，主要采用统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）表达类之间的关系及关系的约束，将语义层面的概念关系转换成计算机易识别的类图。在铁路信号专业的UML模型中，可把每一类构件定义为一个“类”，通过“关联、聚合、组合、泛化、依赖、实现”等关系表达某个信号子系统的结构。铁路信号调度指挥与调度集中系统UML模型见图2。

2.4 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，但在分解过程中仍有一些问题需思考并解决。最为常见的是分解精度问题，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情况、预算编制及设备采购等综合考虑。如果后期确实需要进一步分解，则可考虑采用添加属性的方式实现。

3 铁路信号属性需求研究

图1 铁路信号构件分解方式

表1 铁路信号专业共享构件汇总

图2 铁路信号调度指挥与调度集中系统UML模型

属性需求是铁路信号BIM标准制定中的核心内容之一。铁路信号属性需求主要是基于构件分解结果对每一类构件进行属性定义。需要注意的是，为避免对构件重复定义，首先需要对图1中的不同子系统的相同构件进行合并，然后给合并后的每一类构件定义属性集和确定每个属性集中包含的具体属性。由于每一类构件具有一部分相同的属性类型，如大部分构件都具有构件识别属性、几何属性、材质属性等，因此在定义属性需求时，为避免每类构件属性的重复定义，首先需确定铁路信号的共用属性集，然后再对每类不同构件定义专有属性。经过对铁路信号属性需求的研究，铁路信号专业主要包括7个共用属性集：识别信息、几何信息、材质信息、位置信息、安装信息、资产信息和运维信息。专有属性主要包括各类构件的技术属性，对每类构件进行单独定义。无论是共用属性还是专有属性，其组成部分都包含基本描述和关联信息两部分。属性需求列表见表2，基本描述包括构件编号、类型、属性集、属性、描述、值类型。关联信息对构件属性的共享性或通用性进行界定。此外，如果构件类型或属性集存在枚举类型，则需在单独的枚举表中进行枚举。

4 铁路信号用例及IDM研究

铁路信号用例是对铁路信号各种BIM应用过程的描述。根据铁路信号全生命周期的BIM信息交互情况，优先选择表3所列的用例在铁路信号BIM标准中进行研究。定义铁路信号用例时，还需进一步明确每个用例的目的、交换场景、优先性、复杂性及需要的语义信息等。

表2 属性需求列表

表3 铁路信号用例

基于用例来定义信息交互需求已成为数据存储标准发展的一个新方向，即IDM，IDM标准号为ISO 29481-1：2010[9-10]。铁路信号IDM的目标在于使全生命周期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BIM存储标准真正得到落实[11]。

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，每个用例都需清晰地定义用户在该交换中所期待可以接收或要求发送的信息。通过用例分析，IDM定义了信息交互过程中的关键点，并定义了不同应用程序应如何传递这些数据。具体来说，IDM的定义包含3个部分：流程图（Process Map）、交互需求（Exchange Requirement，ER）、属性集（Property Set）[9]。

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。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、阶段及信息交互需求的内容等（见图3）。

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根据实际需要进行定制。铁路信号系统初步设计阶段交互需求（部分）见表4，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、相关用例等。

属性集也是IDM的组成部分之一，IDM的属性集可直接利用属性需求中所定义的属性信息。

5 结束语

介绍铁路信号BIM存储标准的研究与制定方法，着重论述了对铁路信号构件分解、属性需求、用例及IDM的研究。以上研究内容和研究方法可为今后铁路工程BIM实施标准制定、铁路BIM软件研发及铁路BIM应用研究提供参考。但需指出，由于当前铁路信号BIM数据存储标准尚在制定过程中，该标准化工作是一个不断调整和反复研究的过程，因此所研究内容并非最终结论，同时，研究内容并未包含铁路信号BIM数据存储标准所有相关内容。

图3 铁路信号系统设计阶段IDM交换示例（部分）

表4 铁路信号系统初步设计阶段交互需求（部分）