BIM技术在ZPW-2000无绝缘轨道电路中的应用研究

2020-03-28张乃心

铁路计算机应用 2020年3期

张乃心，杨扬，张瑞

（西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

ZPW-2000无绝缘轨道电路为适应国内铁道线路而产生，可实现列车站间自动追踪，具有安全性高、传输长度长、可靠性高、性价比高及工程造价低等优点[1]。建立ZPW-2000无绝缘轨道电路的建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling），在减少人为失误造成的安全隐患的同时，也能够减少对ZPW-2000无绝缘轨道电路进行定期人工维护工作所消耗的大量人力物力。

BIM技术于20世纪70年代起源于美国而后迅速席卷全球[2]，于30年后传入中国[3]，在建筑、结构和机电管道等工程方面应用较广。铁路工程参考建筑领域提出与BIM技术相结合的设想[4]，国内学者对铁路工程的风险分析、桥梁、隧道、客运服务等领域的BIM应用分别做了研究[5-8]。在铁路信号领域，探索出BIM技术在信号设备数据管理中的应用[9]，并制定出了铁路信号的BIM标准[10]。现阶段铁路信号领域中BIM技术应用较少，极少会对铁路信号系统中的子系统全生命周期进行工程上的应用。本文将BIM技术与ZPW-2000无绝缘轨道电路的全生命周期相结合，读取华山北站至临潼东站区间线路数据，用实例阐述BIM技术在ZPW-2000无绝缘轨道电路设计、施工及运行维护阶段的运用。

1 故障树建立

1.1 ZPW-2000无绝缘轨道电路组成

ZPW-2000无绝缘轨道电路由室内设备和室外设备组成。室内设备由发送器、防雷电缆模拟网盘、衰耗冗余控制器、接收器、通信盘、机柜等设备构成。室外部分由钢轨线路、调谐单元、匹配变压器、空芯线圈、补偿电容器、SPT电缆等设备构成[11-13]。

1.2 轨道电路故障分析

失效模式及影响分析（FMEA，Failure Mode and Effect Analysis）是设计阶段研究失效影响的系统性方法[14]。搜索文献及相关图书中的故障数据[15-20]，再结合现场数据及询问相关人员后，将故障数据进行分析整理，对 ZPW-2000无绝缘轨道电路的故障影响进行FMEA分析，结果如表1所示。

表1 失效模式及影响分析结果

1.3 ZPW-2000无绝缘轨道电路故障树建立

设定顶层事件为ZPW-2000无绝缘轨道电路系统故障。根据ZPW-2000无绝缘轨道电路系统结构及原理，确定导致顶层事件发生的时间分别为轨道电路红光带故障，信号机故障及改方失败故障。利用FMEA分析结果[21]，建立故障树模型，如图1所示。

图1 ZPW-2000无绝缘轨道电路故障树模型

X1：调谐单元损坏；X2：补偿电容损坏；X3：小轨断轨；X4：送电通道断路；X5：匹配变压器断路；X6：改方继电器接触不良；X7：长时间下雨；X8：除锈不及时；X9：绝缘垫板不合格，道砟电阻降低；X10：继电器长期未动作接触不良；X11：端子配线松动；X12：信号点灯电路室内室外接头工艺不良；X13：改方电路条件电源未送电；X14：方向继电器励磁电压调整较低；X15：邻站间通信受干扰。

1.4 故障树分析

设顶事件结构函数用P表示，轨道电路故障结构函数用P1表示，信号机故障结构函数用P2表示，改方失败结构函数用P3表示。得到结构函数如下。

最小割集：{X2}{X11} {X13} {X8,X9}{X5} {X1} {X3} {X4}{X6} {X7} {X10}{X12} {X14} {X15}。

最小径集：{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X10，X11，X12，X13，X14，X15}；{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15}。

其中，一阶最小割集较多，比二阶最小割集更为重要。从以上故障树分析(FTA, Fault Tree Analysis)可以看出：ZPW-2000无绝缘轨道电路不发生故障的需要控制的基本事件较多，大多数基本事件都可以直接导致ZPW-2000无绝缘轨道电路发生故障。因此对于整个系统而言，建立统一的、直观的、过程透明的故障管理体系十分必要。“飞车”故障不满足故障导向安全原则，要严重于红光带故障。

2 BIM模型建立

2.1 建立二维CAD模型

ZPW-2000无绝缘轨道电路可分为室内部分和室外部分，首先绘制二维CAD图[22]，在二维基础上生成三维模型。如图2所示，为室内信号设备平面布置图，信号管理楼层分为控制台室、信号电源室、防雷分线室、信号机械室、信号计算机房。其中，ZPW-2000无绝缘轨道电路相关的移频柜和综合柜放置在信号机械室，通过防雷分线室接至室外轨道电路。

图2 室内信号设备平面布置图

2.2 建立三维Revit模型

根据上节描述的二维CAD图，利用Revit软件，建立三维BIM模型，包括信号机械室、移频柜、综合柜和室外轨道的三维模型。

2.3 故障事件的三维表达

建立3种故障影响及X1～X15共15个故障事件的三维表达模式，以轨道电路红光带、发送器损坏为例，三维表达模式如图3、图4所示。

图3 轨道电路红光带

图4 发送器损坏

3 全生命周期应用情况

BIM技术在ZPW-2000无绝缘轨道电路全生命中期中的应用可分为3个阶段。

3.1 设计阶段

在设计阶段，利用Revit建立ZPW-2000无绝缘轨道电路的三维模型（包括室内部分和室外部分），以.fbx文件格式导入到unity3d中，通过程序生成ZPW-2000无绝缘轨道电路的室内外场景。本文通过Unity3d自带的Instantiate（）函数在实参中调用Resources.Load（）加载信号数据表、长短链表和线路坡度表等，动态加载机柜模型的方式使程序具有更强的通用性，能减轻设计者工作量。以加载信号数据表为例：（1）通过读取信号点信息生成站内综合柜，每读取到一个通过信号机数据生成一个BGY2-80型点灯隔离变压器及6条电缆线，并在室外对应公里标处生成通过信号机；（2）通过读取轨道区段数据生成移频柜上的发送器和接收器，其中，下行区段生成的发送器接收器位于移频柜上层，上行区段生成的发送器接收器位于下层；（3）在生成移频柜的同时，在室外对应公里标处生成长度如表2所示的轨道电路。值得注意的是，由于电缆线数量过多，动态加载电缆线会导致画面显示不流畅，所以本文采取根据用户需求查看相关电缆线连接情况的模式。

以表2中第1行信息为例：（1）判断华山北站是否有空闲的移频柜综合柜，否则就生成新的空闲机柜；（2）读取信号点类型，得到信号点类型为通过信号机，据此在室内综合柜上生成点灯隔离变压器、轨道继电器及防雷模拟网络盘，同时在室外K930+872处生成通过信号机；（3）在室外K930+872处为起始点生成长度为600 m的轨道，在室内移频柜上生成对应发送器和接收器（由于绝缘节类型为电气绝缘节，故不需在界面上生成可视的绝缘节）。

表2 郑西线下行线正向信号数据表

3.2 施工阶段

使用 Visual Studio 集成开发环境，对Revit进行二次开发。此外，还采用Unity进行施工模拟，Unity的动画制作功能可将Revit模型的施工过程动态展现出来。Unity支持多种外部文件格式，可将Revit生成的.fbx格式导入unity中。本文通过Revit建立模型，导入到Unity实现施工过程模拟，包括室内设备的布线及室外设备的排列。

3.3 运维阶段

通过设计通信协议，实现三维模型与集中轨旁模拟仿真系统的实时通信。运用在真实现场中，可变为与集中监测系统进行实时通信。故障发生后，在三维模型中展示故障位置和故障实际效果，并将故障类型、故障原因、故障位置等信息进行存储。图5为9475AG轨道电路故障占用。故障的三维模拟将故障直观形象地展现出来，有利于维护人员分析决策，减轻运行维护人员工作量并避免出现低级错误。利用BIM进行设备运维信息存储，有利于实现铁路信号设备资料管理信息化。