中国铁路信号系统设计手段的发展经验

周宪宝

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

纵观信号系统设计手段的发展历程，信号系统设计手段在不断探索和革新中发展。从手工描图到计算机辅助设计，标志着信号系统设计手段进入信息时代；从利用CAD软件辅助设计到自主知识产权软件的提出和与CAD软件的结合使用，标志着信号系统设计手段进入自主知识产权时代；交付成果从二维平面设计到三维立体空间设计的转变，标志着信号系统设计手段进入智能化时代。

1 传统设计手段介绍

1.1 传统设计手段概述

传统设计手段经历了纯手工设计阶段和计算机辅助设计阶段。在纯手工设计阶段，设计者利用笔、尺子和图板等设计工具在纸上绘制，所有设计成果都是设计者一笔一画描绘出来的。随着信息技术的高速发展和计算机技术的推广使用，纯手工设计方式已经被时代淘汰，利用计算机辅助设计的方式开始兴起。常见的计算机辅助设计软件是Autodesk公司研发的CAD软件。CAD软件以其强大的绘图功能成为设计行业主流的制图工具。

1.2 传统设计手段缺点

随着CAD软件的广泛使用，单纯依靠CAD软件绘图的缺陷开始凸显，主要表现在以下几个方面。

1）设计效率不高

传统设计手段的设计效率完全依托于设计者的专业技术水平和对CAD软件的熟练程度。CAD软件只是一个通用的绘图工具，而信号系统功能复杂，专业性强，设计工作量大。因此，单纯依靠CAD软件进行信号系统设计，针对性不强，存在很多重复设计，设计效率不高。

2）逻辑设计适用性不强

CAD软件作为图形设计工具，对于图形绘制具备一定优势，但缺乏逻辑判断功能，对于信号系统联锁表、拆配线等涉及数据信息的设计适用性不强，成果浏览和检查操作不方便。因此，设计过程中涉及的数据信息需要设计者手工键入，设计成果质量完全由设计者自身技术水平保证。

2 当前主流设计手段介绍

随着信号系统设计任务量的增大，各单位逐步开始研究新的设计手段，研发思路集中于以CAD软件为基础，进行自主软件的开发。自主软件根据专业设计需求研发，对于逻辑性强、有一定规律、重复性强的绘图操作，利用计算机程序逻辑算法实现自动绘制，可以有效提高工作效率。自主软件以中国铁路设计集团有限公司（以下简称“中国铁设”）研发的“信号一体化设计平台”作为典型代表。

2.1 信号一体化设计平台介绍

中国铁设自主研发的信号一体化设计平台以铁路信号技术自主创新为宗旨、以铁路信号室内外图纸设计关键技术难题为切入点，通过理论研究、软件编写、试验验证、工程试验等环节，系统地研究站场图输入数据提取、室外图纸辅助设计、联锁及电码化图纸辅助设计、区间闭塞图纸辅助设计等方面的问题，攻克了信号数据库模型、双线电缆长度芯数自动计算、机柜设备布置图回读、区间轨道电路自动分割和铁路横向连接自动布置等关键技术。

信号一体化设计平台几乎涵盖了信号系统全过程设计，整体框架如图1所示。信号一体化设计平台分为联锁设计子系统、列控设计子系统、闭塞设计子系统、列控数据管理平台、专线设计助手5个模块，每个模块下面又包含功能丰富的子模块。信号一体化设计平台利用数据库技术建立各子系统间的数据关联，通过上序专业数据导入，子系统间数据传递和下序专业数据导出，实现一体化设计效果。

信号一体化设计平台界面人性化、功能齐全、性能稳定可靠，实用性强、集成化程度高、具有较强的可扩展性，受到广大用户的普遍欢迎和认可。其所包含的子系统软件适用范围广、针对性强、计算精度高、质量可靠，满足信号设计精度要求。

2.2 当前设计手段优点

1）规范设计流程。传统的设计流程是根据设计原则从零开始，所有的操作全部依靠CAD软件通过人工操作完成。当前设计手段将绝大部分的绘图操作转化为编写软件规定格式的输入数据，利用自主软件的逻辑处理功能自动成图。

2）促进信号系统图纸标准化。传统的信号系统图纸在满足设计规范要求的大前提下，设计方案多样化，部分新的设计成果有待工程验证。当前设计手段通过统一设计输入、设计原则、信号系统标准版图、输出图纸格式，促进信号系统图纸标准化，有效保障信号系统设计安全。

3）减少设计返工，提高设计生产效率。信号作为站后专业，站场线路等站前专业的设计变更容易引起信号图纸的设计返工。因此，很多绘图操作是重复进行的，利用自主软件自动进行重复操作，能够有效减少变更设计引起的重复绘制工作量，减少设计返工，提高设计生产效率。

2.3 当前设计手段的缺点

1）设计成果直观性差。现阶段信号系统设计产品交付主要以CAD平面图和相关文字说明描述为主，由于信号系统设备繁多，系统间接线复杂，交付成果包含的信息量有限，容易造成设计方和施工方、设计方和建设方、设计方和设备商之间的理解偏差，影响工程建设的顺利开展。

图1 信号一体化设计平台整体框架Fig.1 Overall architecture of the platform of integrated design of signal systems

2）存在设计盲区。现阶段的设计成果对于信号设备安装位置仅提供简单里程信息，是否具备足够空间等安装条件只能由现场施工验证；对于信号综合管线仅提供简单路径和走向示意，是否存在管线安放位置冲突只能通过现场施工验证。

3 智能设计手段的兴起

针对当前设计手段存在的问题，借鉴建筑行业设计经验，将BIM技术引入信号系统设计，智能设计手段应运而生。

3.1 智能化设计特点

智能化设计采用基于BIM技术的三维设计理念，通过建立与实物相符的信号系统设备BIM模型，利用BIM模型的直观性和强大的属性信息功能，不仅能够展示设备的空间状态信息，还能够体现设备配线等逻辑数据信息。智能化设计实现了从二维平面设计到三维立体空间设计的跨越式发展，能够交付完整的静态设计成果和模拟教学、模拟施工等动态演示成果。智能化设计整体结构如图2所示。

3.2 智能设计手段优点

1）深化二维设计，覆盖设计盲区

智能化设计采用基于BIM技术的三维设计理念，通过精细化的BIM模型反映现场设备的实际规格尺寸、外形特征及内部构造，具有接近实际的逼真度和可视化效果，对于设备安装、碰撞检查、遮挡透视具有重要指导意义。

2）设计成果多样化

智能化设计的成果不仅包含完整的静态设计成果，从三维角度全面反映信号系统设计内容，还包括动画漫游、模拟教学和模拟施工等动态演示成果，丰富的设计成果对于有效指导施工具有重要帮助。

3）可视化交底，动态化模拟

智能化设计使用可视化的三维设计成果进行技术交底，更加形象直观；对于施工过程预先进行动态模拟，能够提前发现施工过程中的问题和缺陷，准备应对措施，提高施工效率，缩短施工周期。

图2 智能化设计整体结构Fig.2 Overall architecture of intelligent design of signal systems

3.3 智能设计现状和缺点

智能化设计目前还处于起步阶段，设计标准的制定、交付成果的统一、设计范围分界和设计深度要求等等都还在研究阶段。现有的智能化设计仅局限于利用二维成果进行三维翻模设计，未能实现完全摆脱二维设计，从零开始的正向设计方法。

4 未来设计手段的展望

智能化设计手段仅局限于采用单一的BIM技术，设计深度和设计成果的应用范围仍存在一定的局限性。未来的设计手段将是采用多技术融合方式的智慧设计手段，实现信号系统的全生命周期设计。

4.1 智慧设计理念

智慧设计理念将从设计、施工和运维一体化角度出发，引入全生命周期设计理念，以BIM技术为核心，以多技术融合方式为手段打破各方之间的信息断层，有效控制工程数据的采集、加工、存储和交流，构建信息的创造、传输、使用和评价的良性循环体系，实现互联互通。支持决策者对项目进行合理的规划、协调和控制，进而不断提升信号系统技术创新、信息化和智能化水平，实现智慧设计、智慧施工和智慧运维。

4.2 前景展望

智慧设计将采用BIM技术、大数据技术、物联网技术、云计算技术和人工智能技术等多技术融合方式，以BIM标准体系和故障导向安全的保障体系为支撑，以设备层、网络传输层、终端感知层等基础设施为基础，在三维协同设计平台、建设管理信息平台、运营维护服务平台的支撑下，架构信号系统智慧设计协同工作平台，并构建面向建设单位、设计单位、施工单位、运营单位、设备供应商的智慧应用体系。

5 结论

当前国内主流铁路设计单位的信号系统设计手段尚处于应用智能化设计手段的起步阶段，需要进一步加大科研投入，培养BIM方面人才，加强智能化设计手段的工程实践验证，扩大智能化设计手段的使用范围。只有智能化设计手段发展到一定阶段，才能够为下一阶段的智慧设计奠定基础，为多技术融合提供保障。未来的信号系统设计手段，必将助力中国铁路建设往更高层面发展。