BIM技术在信号智能运维中的应用研究

2021-12-05刘彧

铁路通信信号工程技术 2021年9期

刘彧

（浙江杭海城际铁路有限公司，浙江海宁 314499）

1 信号系统的运维发展现状

随着国家铁路运营建设规模的稳步扩大，铁路信号系统的运维子系统技术在近年来也得到了飞速发展，大量相关行业的新技术陆续被引入信号系统运维领域。借助于互联网信息化技术、人工智能、大数据、数字孪生和区块链等新技术，信号系统运维子系统的发展呈现平台化发展、模型化运维的趋势。但是目前信号系统运维行业的整体发展水平距离最终用户所期望的智能、基于状态维修、全生命周期覆盖的长远目标，仍有较大距离。

由于信号系统目前的数据治理还处于起步阶段，故障预测、健康评估等较复杂的智能化功能在短期内较难提升。相比较而言，运维子系统的全生命周期信息覆盖是技术上更容易实现的功能，这类功能主要依靠信息化技术，因此是当前信号系统智能运维的发展重点。当前传统的信号系统运维在这方面仍然存在一些突出问题。

首先，既有信号系统运维子系统能覆盖的设备生命周期阶段有限，信号系统的运维子系统信息与信号设备的其他生命周期缺乏有效的信息交换和互通。比如在信号系统车载设备的生产制造环节，板卡和机笼的生产信息和测试信息并没有有效的引入到用户的运维子系统中。如果在现场运营过程中，这些设备发生了故障，用户很难开展深度的故障建模，难以识别成批次的故障模式。

其次，既有信号系统运维子系统缺少与铁路用户其他信息系统的整合。传统的信号系统的运维子系统功能比较单一，也缺少与铁路用户其他信息系统，比如用户的资产管理、设备管理系统、维修工单系统、人员管理系统等。在多个信息系统需要协同的场景中，比如用户的库存采购场景时，需要手工统计设备故障信息去支撑备品备件采购。

另外，既有信号系统运维子系统人机界面展示方式普遍比较抽象，多数只有拓扑图或二维图纸，缺乏设备模型展示，对于多个厂家信号设备共存的场景，用户的维护学习成本较高。信号系统虽然从功能上有各类国家标准、行业标准、团体标准和认证支撑，但是各厂家的实体设备差异较大，设备外形、板卡灯位、组装结构都有很大的差异。但是运维子系统目前并未展示这类信息，需要用户通过实际设备观察学习。

BIM 技术为有效解决上述问题提供了较好的技术支撑。首先，设备的信息模型非常有利于软件实现对全生命周期中各阶段的数字化信息进行关联、整合、提取，从而更容易实现全过程的信息关联。另外，设备信息模型的标准化也有利于实现与其他信息系统的接口协议编制和传输，减少信息系统之间互联互通互操作的开发成本。最后，BIM 技术的三维立体模型加上时间轴的四维信息能提供更好的可视化效果和精确的图纸信息。

2 信号系统智能运维的BIM技术应用方案

2.1 信号系统BIM建模原则

BIM 全称是建筑信息模型（Building Information Modeling）。该技术诞生于传统建筑业的信息化革新浪潮，目前被认为是解决建筑领域在内的各行各业物理设备数字模型信息的较为理想的解决方案，可以有效实现数字模型间的互联互通互操作，为进一步实现全生命周期管理奠定良好的基础。

信号系统则是一个复杂的大型分布式控制系统。既包括机笼、板卡、继电器、服务器、交换机等各类硬件，又包括运行在硬件内部的各类软件。从功能子系统的角度看，信号系统进一步细分为列车自动监控、联锁、区控、列车自动防护、运维等子系统。跟建筑行业的物理尺度相比，信号系统的设备大多都是小而杂的硬件设备，而且还包含了复杂的各类软件。因此信号系统的BIM 建模有着自身的特点，主要有以下几个原则。

1）合适的模型颗粒度。为了满足运维的需求，信号系统BIM 建模的最小颗粒度应该达到最小可更换/可维修单元。但是并不能一味追求最小颗粒度，原因在于信号系统大部分核心设备属于电子设备。电子设备内部的板卡、磁盘、接头等都是非常精密复杂的设备，集成度也非常高。对于运维人员而言，并不需要掌握到板卡内部的零部件（比如二极管、芯片、电阻和电容等）的布局和电气特性。这类设备的维修方式一般是整体更换。因此为了节省BIM建模的成本，把模型颗粒度控制在最小可更换/可维修单元是性价比较好的方式。

2）设备模型信息的实时自动上传。既有的一些传统信号系统厂家，有的并没有技术手段对所有的最小可更换/可维修单元进行唯一标记。在这种情况下，即使进行BIM 建模，后续一旦人工更换了最小可更换/可维修单元，就需要人工更新BIM 数据库信息，这样大大增加了用户维护BIM 模型和数据库的成本。还有一些传统信号系统厂家，虽然有最小可更换/可维修单元进行了物理的唯一标记，比如贴了二维码，或者通过调试接口可以查看设备唯一标记，但是仍然需要在更新最小可更换/可维修单元时，人工用扫码器或者其他设备互联后才能上传。这种做法仍然不是彻底的解决方式。因此，信号厂家支持设备最小可更换/可维修单元信息的实时自动上传，将大大减轻用户手工维护的工作，是解决BIM 模型和实际生产环境信息不对等的最好方式。

3）软件模型信息和硬件模型信息按需关联。信号系统的硬件功能往往跟特定版本的软件高度关联，因此软件模型信息和硬件模型信息的关联是非常有必要的。其内部子系统划分也较多，软件规模和复杂程度也差距很大。因此针对不同的内部子系统，硬件模型和相关联的软件模型也需要特殊定制。比如列车自动监控子系统（ATS）的软件规模最大，其关联的软件模型按照各厂家的最小可更换/可维修单元程度按需建立。如果最小可更换/可维修单元的软件单元是模块文件，则颗粒度精确到模块。如果最小可更换/可维修单元的软件单元是一个整机的文件目录，则颗粒度精确到文件目录即可。

2.2 BIM数据库和信号系统智能运维的接口

BIM 数据库作为承载BIM 模型信息的平台，承担了与信号系统智能运维的交互接口功能。考虑到当前信号系统设备特点，BIM 数据库和信号系统智能运维的接口在设计时需要考虑以下几点。

1）接口协议和数据规范提前规划。信号系统设备的现状是各厂家的硬件规格都差别较大，但是分类规则差异不大。因此与BIM 数据库的接口协议和数据规范需要在前期进行考虑，比如在确定了信号系统的制式和型号后，就可以介入讨论与BIM 接口协议的规划。虽然在设备数量、设备走线、软件具体模型上并不能完全确定，但已经足够支撑开展核心硬件设备的模型属性和参数的制定。

2）接口软件的通用化。目前信号系统的智能运维系统架构大多数也采用成熟的商用或者开源的数据库，因此与BIM 数据库的接口也需要尽量用通用的或者开源的接口访问方式。尽量避免私有的接口软件访问方式，有利于后续的兼容性和扩展性。

3）注意网络安全的防护。在实际项目执行过程中，BIM 数据库往往和信号系统是分开建设和分开管理的，如图1 所示。对于这种情况，要注意和信号系统的网络安全防护，防止BIM 数据库对信号系统生产环境的影响。另外，BIM 数据库内的信号系统数据是比较关键的核心设备生产数据，也要格外注意数据访问的控制，杜绝非法的数据访问。