朔黄铁路车站信号系统BIM技术研究

2022-01-21韩永君

铁路技术创新 2021年5期

韩永君

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

我国铁路正处于飞速发展的时代，并逐年向海外市场扩展，随着客运高速的发展，货运重载也紧跟其后，成为目前我国铁路建设的重点方向［1］。Eastman等［2］在19世纪70年代提出建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念后，各国大力开发BIM应用系统。随着我国铁路联盟组织团队日趋壮大，铁路BIM标准在铁路行业内广泛应用。5年来，统筹考虑铁路行业的特殊性和全生命周期管理需要，组织研究铁路各专业领域信息模型的定义、信息语义标准和信息传递标准以及应用实施标准。建立了铁路BIM标准体系框架，填补了国内空白。

2017年政府工作报告中指出：到2020年，高铁运营里程将达到3万km，覆盖80%以上的大城市。我国铁路建设预计仍将高位运行，铁路BIM市场需求旺盛。中老、雅万、莫喀高铁等“走出去”项目对BIM技术的需求凸显。随着综合交通驱动日益增长，各省市陆续发布BIM技术应用指导意见，以雄安、深圳为代表，BIM与CIM融合发展逐渐迫切。以BIM技术纵向维度构建整个项目的建设过程，可以检出实际建设过程中的部分问题，及时探讨对应的解决方案，并且能对关键施工环节进行多次反复的模拟建设，以避免实际建设过程中由于各种原因造成的返工。BIM技术的应用，可以加快推进新型城镇化建设，并为建筑安全事故、建筑质量问题，建筑环境问题提供有效的解决办法［3］。

在此结合朔黄铁路信号系统特点：

（1）整理分析信号系统构件资源，扩充重载铁路信号系统模型；

（2）紧密结合重载铁路对信号设备的要求，优化补充BIM模型存储标准（IFC）、分类标准（IFD）及精度标准（LOD）；

（3）以BIM技术应用研发为手段，坚持自主创新与二次开发相结合，开发符合朔黄铁路特点的设计、施工及运维过程中的BIM应用，包含族库及设备管理系统、可视化监测系统以及线缆敷设优化系统。

1 朔黄铁路信号系统运维需求

BIM是一种借助特定软件创建包含工程信息的三维模型并应用于项目各个阶段的数据化工具，是基于最先进的三维数字设计和工程软件所构建的可视化数字建筑模型，可以为建设与运维单位的各部门人员提供“模拟和分析”的统一科学协作平台，使整个工程项目在各阶段能有效地节约成本、提高效率［4］。基于BIM的铁路运维平台建设符合新时期数据建设和面向服务的发展需求，能够进一步推进工程数据的标准化和运维过程的智能化管理。

1.1 设计方案三维可视化

应用BIM技术将专业、抽象的项目方案描述通俗化、三维可视化，各专业设计人员、业主、项目审查人员和其他参与者更易理解设计意图、更易激发创新思维，提出改进方案，最大程度满足项目需求，为项目立项和决策提供直观的依据［5］。

1.2 设计过程协同化

应用BIM技术将各专业间独立分散的设计成果，置于统一的三维协同设计环境中，综合分析比选站房技术方案，直观检查差、错、漏、碰，避免因误解或沟通不及时造成的设计错误，提高规划设计质量和效率。

1.3 专业模拟可视化

利用BIM技术可实现三维模型与数值分析软件联动，实现以下方面的功能：

（1）模型与数值分析软件之间二维计算联动；

（2）模型与数值分析软件之间三维计算联动；

（3）模型与三维渲染软件之间数据联动；

（4）模型与性能分析软件之间数据联动。

1.4 设计流程规范化

建立设计阶段的BIM实施标准，规范BIM实施内容和过程，使BIM技术在设计流程中做到有据可依，减少现阶段BIM盲目应用和各种非标准化实施造成的大量财力、物力、人力和时间等资源的浪费及损耗，降低实施信息化的成本和风险［6］。

1.5 设计成果可优化

应用BIM技术对设计成果进行三维可视化集成，能直观查询设计参数、工程数量和投资估算，分析方案合理性，能对设计方案进行修改，保证方案可行、最优。

2 朔黄铁路BIM技术

采用BIM技术，结合虚拟仿真技术，实现信号室内外设备的模块化布置与智能化配置、信号电缆径路三维创建、通过监测信息实时反应信号设备状态等，以便在建立铁路信号模型时达到快速、方便、准确地模块化创建［7］。涉及的关键技术主要有信号设备BIM构件族库的建设与管理技术、信号工程模型的轻量化引擎及同步发布技术、基于BIM的微机监测接口技术。BIM技术下的模型族库管理平台是实现系统间数据集成的关键。通过对BIM技术的应用和管理，在虚拟平台中形成一套精益化的管理模式，实现信息充分共享和无缝管理。

朔黄铁路车站信号BIM仿真系统主要包含5部分（见图1）。

图1 朔黄铁路车站信号BIM仿真系统

2.1 重载信号BIM族库建立

朔黄铁路重载信号设备模型总量61个，确定BIM建模工具为Bentely，主要软件为MS、ABD和Powercivil，参照IFD标准，以朔黄铁路回凤站为基础完成朔黄铁路重载信号BIM族库建设，进行族库科学分类管理，重载信号BIM族库示例见图2。

图2 重载信号BIM族库示例

结合朔黄重载信号设备特征，建立描述设施设备、工程特定结构、工作原理的系统模型或数学模型，这些模型应符合BIM的技术体系。

2.2 BIM信号设备轻量化解析

立足重载信号BIM族库，结合朔黄铁路实际，自主开发了BIM文件管理工具，用于解析巨规模线状数文件，满足大文件的整体展示需求；支持BIM文件的多终端无插件在线浏览。具体实现方式为：

（1）实现解析标准IFC格式类型的BIM模型；

（2）实现Revit、Tekla、Bentely等建模软件建立的大模型轻量化处理，依然保留BIM信息；

（3）支持增加IFC标签属性，并携带属性导出；

（4）具备跨终端（PC和移动端）直接查看BIM模型功能；

（5）具有BIM模型展示、操作（比如放大、缩小、刨切、点选构件、透明、着色等）功能；

（6）实现互联网云端存储，打开浏览器访问地址直接查看，无需安装插件。

轻量化解析工具，基于WebGL绘图技术标准，采用轻量化、流式加载、硬件加速技术，将各种三维模型的组织结构、属性信息、几何图形，转化为统一格式的轻量化模型构件，实现工程结构、属性、几何图形数据的自动关联提取，并转换为统一格式的轻量化三维模型构件，支持浏览BIM几何模型、查看模型信息、漫游、剖切显示、设备分组拾取显示和隐藏等多种功能［8］。结合朔黄铁路特点，研究分析不同专业所需的构件资源，扩充铁路特有的专业领域类别，定义分类属性，完善铁路设备的分类编码（IFD），对族库进行科学分类管理。

通过模型数据管理模块，对BIM模型及模型对应的标准信息进行管理，具有族库文件修改、删除、导入等功能。同时，具有族库文件标签及属性新增、修改、删除等操作功能，支持不同用户对族库进行优化验证。基于轻量化引擎，满足多终端无插件在线浏览模型及远程查看与下载。

IFC数据管理模块包括IFC数据列表和IFC数据添加功能。IFC数据列表界面显示所有的IFC数据，可以根据IFC数据名称、状态查询相应的数据。BIM设备轻量化解析工具界面见图3。

图3 BIM信号设备轻量化解析工具界面

2.3 联锁与BIM信号设备仿真控制

结合BIM信号设备和车站信号设备联锁关系，对回凤站实现联锁与BIM信号设备仿真控制，回凤站联锁界面见图4，车站BIM信号设备仿真控制见图5，具体实现步骤如下：

图4 回凤站联锁仿真界面

图5 车站BIM信号设备仿真控制

（1）确定联锁制式，确定联锁的站场平面图和联锁表；

（2）编制站场数据，确定室内设备的联锁关系；

（3）编写联锁逻辑代码及BIM虚拟场景和信号机、轨道电路、转辙机、机械室组合柜继电器的数据接口；

（4）实现和完成2D模式的联锁仿真。

基于回凤站的联锁BIM车站室内外设备逻辑关系控制功能，依据BIM模型开发族库管理模块，包括设备各类、各个阶段的信息添加和维护，编写BIM室内外模型（信号机、轨道电路、转辙机、机械室组合柜继电器等）与联锁的接口，实现2D联锁+BIM仿真模拟。联锁控制室外道岔转换、信号机开放、轨道电路占用出清状态显示。

虚拟车站使用BIM三维仿真模拟技术真实还原车站及相应的室外信号设备，通过场景漫游及定位功能，全方位配合联锁系统实时查看设备的当前状态，同时计算机联锁系统操作控制虚拟车站的设备，虚拟车站及室外信号设备见图6。

图6 虚拟车站及室外信号设备

2.4 可视化监测

以微机监测系统为依托，进行信号设备可视化功能开发。选择回凤站进行试点，还原室内、外信号设备及信息采集模块状态；通过现场实际数据接口，采用BIM虚拟设备对真实设备监测数据还原，实时还原设备的运行状态及属性、设备位置定位，报警数据定位、故障设备范围定位等功能。信号设备室组合架可视化监测示意见图7。

图7 信号设备室组合架可视化监测示意图

2.5 信号电缆敷设优化

通过建立设备、桥架、线槽、线缆等BIM信息模型，根据设计图纸的机柜规划布置，结合BIM特有的碰撞检测、施工工艺工法、以及RTT、A*算法，实现线缆敷设的自动排位排序。在避免线缆交叉的情况下，确保线缆敷设路径最优化，生成包含路由、长度、线缆规格型号的线缆清册。其具体步骤如下：

（1）构建站场房屋模型，确定室内实用空间大小；

（2）根据设备布置图布设室内BIM模型，从族库选择相应设备拼接室内BIM模型；

（3）根据配线图生成电缆清册，通过电缆清册实现线缆自动敷设；

（4）线缆基本路径绘制和关键点添加及属性设置；

（5）规划布放及排序的优化调整，在避免线缆交叉的情况下，确保敷设线缆的路径最优化；

（6）线缆算量及线缆敷设过程智能输出。

信号电缆敷设优化系统示意见图8，通过信号电缆敷设优化系统工具对信号设备室内的信号电缆进行敷设和碰撞检查。

图8 信号电缆敷设优化系统示意图

由于继电器组合架背部配线复杂且易出错，现场信号人员根据设计图纸进行组合架、分线盘等配线，容易因图纸本身错误以及配线过程中的人为失误导致配线出现错误，从而导致设备无法正常使用，严重情况下可能导致铁路安全事故发生，因此利用提出的信号电缆敷设优化方案，可有效避免配线错误导致的返工、误工和安全事故［9］。继电器组合架配线BIM示意见图9、机柜底部电缆沟槽走线BIM示意见图10。

图9 继电器组合架配线BIM示意图

图10 机柜底部电缆沟槽走线BIM示意图

3 朔黄铁路全生命周期信息管理

3.1 可行性研究阶段

项目的可行性研究阶段，对影响工程建设的因素、条件进行全面分析，避免错误的投资决策。建设项目的可行性研究包括对投资机会的分析、初步可行性的研判、技术和经济的可行性、评估决策项目的投资预算［10］。

可行性研究阶段的项目信息主要为投资决策信息，包括场地环境信息、信号设备外观分析、信号设备功能设计、项目预算决策等。

3.2 设计阶段

设计阶段的出发点习惯于总体概念设计，信号设计工程师根据实际车站的信号工程需要，给出具体的设计方案和图纸。随着计算机软件的发展，信号工程师可以在空间维度上实践自己的项目理念，这是传统信号设计无法想象的。设计阶段成果是可接受的信号施工图纸和配线图纸，满足实际应用需求。

3.3 施工阶段

工程施工阶段根据项目应用阶段可分为计划阶段和实施阶段。

（1）计划阶段主要进行施工前的准备工作，包括制定施工计划、材料计划以及估算施工成本等。在对施工图纸足够的研判分析下，辅以施工方法和施工组织的制定，就能基本得知相关的信息数据［11］。为实现目标的过程计划，施工阶段产生的变更设计也会引起设计阶段的完善处理，因此有效协同两阶段的管理对工程的优化设计具有明显效果。计划阶段还需要明确招投标的范围，同时编制技术规格书。

（2）实施阶段是对计划阶段成果的有效执行，支持设计信息和施工计划向建筑实体转变的过程，包括具体的施工工具、责任划分、任务分配、材料使用、构件加工、建造拼装等活动。实施阶段的信息包括设计处理信息、施工过程计划和相关附加信息，集成化应用这些信息是施工活动的加速器。

施工阶段存在的信息类别包括施工方案模拟、施工工艺模拟、施工进度模拟、施工成本控制、施工现场管理等信息［12］。根据工程方案模拟的分类，又分为场地平面布局、项目投标决策、材料进场、虚拟建造、组织协同合作等信息。

3.4 运维阶段

运维阶段包含设备的运行与维护、建筑物的运营维护、工程设施管理等内容［13］。设备的运行与维护过程需要设备参数、运行寿命、周围环境等信息，以保证设备在适宜的环境中能更长久地运作；建筑物的运营维护是整合人员、设施、技术和管理流程，主要包括对人员工作和生活空间进行规划、维护、维修、应急等管理；工程设施管理需要考虑建筑内部空间分配，主要需求信息包括楼层分布、信号设备布局和房间信息等。

目前铁路部门已经应用一些运维系统，但现有运维系统在应用过程中暴露出准确度及精细度低且各系统间信息无法共享和协同［14］。针对以上不足，为最大程度利用运维信息的使用价值，实现运维系统中各部门间的信息协同，提升运维管理的质量和效率。根据BIM技术的特点，搭建基于BIM的运维系统框架（见图11），解决原有运维系统信息协同不足的问题。系统框架客户端、系统应用层及数据共享层的信息说明分别见表1—表3。