面向全生命周期的BIM技术在铁路信号系统中的应用研究

杜高科

（中铁电气化局集团有限公司，北京 100071）

1 引言

信号系统是铁路系统的重要组成部分，该系统以其极具安全性而著称。铁路在创造经济效益的同时，需要大量的时间、人力、物力对信号系统进行维护。在铁路信号系统的全生命周期中，设备的运营维护时间几乎占据其生命全周期。本文首先对信号系统管理现状进行分析，剖析现状中关键问题的原因，探讨其解决办法，并结合BIM 技术，对该问题进行制定相应解决方案，在此基础上构建基于BIM 技术的信号设备全生命周期管理方案。

2 信号系统管理现状

国铁顺应时代发展，积极开展信息化建设，相较于国外铁路系统，我国铁路信号系统发展迅速，其信息化程度及稳定性已达到相对较高的阶段。目前，铁路出行可以实现全程无纸化[1]。

与服务信息化形成鲜明对比的是铁路建设、运维的作业、管理方式。管理仍采用纸质文件请示待批准后进行执行，包括大量的二维图纸及施工过程中的变更说明；后期的运维作业仍沿用纸质作业派送单，作业单采用手工录入。信号系统的全生命周期过程中，参与人员极多，使得管理过程程序复杂，耗时较长。由于专项作业的重复性，运维人员作业效率低下，且纸质作业单经作业人员及录入人员手动处理，存在极大的不确定性，造成中间环节管控丢失。一线工作人员作业不受管控，通常以经验、常识等惯性思维进行设备的维护。造成这些状况的原因可归纳为以下几点。

2.1 标准不一，应用困难

铁路项目的建设涉及建设方、设计方、施工方、咨询方、监理方等，各单位各司其职，且具有较强的行业惯性思维，对数据资料的理解程度存在偏差，各阶段各单位出具的数据资料存在差异，对运维阶段的数据应用产生较大阻碍。

2.2 作业独立，信息不通

铁路系统是一个多专业协同的庞大体系，在实际的建设、运维管理过程中，各专业相对独立。对于信号系统来说，各专业协同作业极为重要，但往往协同作业不够。各集团公司现有的作业并未完全实现工电供一体化，仍采用单专业作业，作业时间分散，安排相对独立，人员、时间、设备的多样性使得维修作业信息化更加困难。

2.3 技术受限，故障预警定位困难

信号集中监测系统设计之初是为了对所辖范围内的信号设备进行状态监测，并留档以供电务人员查找数据。但除部分模块化设备具备自诊断报警功能外，其余设备均需要人工判断数据的正确性并对故障点进行定位查找，在此过程中不同电务人员经验不同，会产生不同的判断。

3 基于BIM的信号系统管理方法探索

BIM 技术是一种集成了可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图等技术于一体的数字化工具，为建筑行业的全生命周期管理提供了新的选择方案，它将各模型之间的关联信息、工程关联信息等集成到各个模型中，构建出仿真建筑的真实信息[2]。

BIM 技术于2002 年伴随Revit 的引入进入中国，目前该技术仍处于发展阶段，但各行业对其关注度极高。2013 年，中国铁路BIM 联盟成立，致力于铁路行业的标准、接口、平台等研究并形成自己的行业体系，同时应用于实践，为中国铁路建设、运维管理提供新的平台。BIM 技术已逐渐应用于建造施工阶段，并对全生命周期中的应用进行试点。针对当下信号系统建设、运维存在的问题，本文以BIM 技术为有效手段对解决方法进行探索。

3.1 统一标准

鉴于信号系统全生命周期中多方参与的特点，容易产生各行业惯性思维偏差，须以运营方为主、建设方为辅，其他单位协同对各个阶段的数据进行统一标准规划，以满足后期运维阶段的需求。制定设计、施工阶段BIM 模型向运维期模型交付的内容、方法和标准规范，建立统一的模型体系，集成各参与方的改动意见，以便于运维阶段的数据查询与应用。

3.2 信息互联互通

当下铁路建设中，常用的BIM 软件不同，造成各专业之间信息无法交互。有效的解决办法是增加软件平台上的数据接口层，对不同专业、不同格式、不同阶段的数据进行关联。图1 为全生命周期信息管理架构。在IFC 标准的基础上，兼容性较好的平台数据可实现交互；在非IFC 标准体系的软件平台上，通过二次开发，增加数据接口，可实现跨平台的信息互联互通[3]。

图1 信号系统全生命周期信息管理架构

3.3 数据可视化

以BIM 可视化引擎，实现道床、钢轨、车列、信号机、转辙机、电缆、室内设备等真实仿真模型，实现设备的真实位置、尺寸、状态等信息的直观展示，通过灯光、阴影渲染，空间漫游，实现超真实信号系统运行状态的展示，为施工、维护人员提供直观的参考，以便于运维工作的顺利进行。在二维图纸的基础上实现三维数据的翻模，对各专业的接口信息、信号工程的差、错、漏等问题进行精确检查。图2 为二维数据的三维可视化[4]处理过程。

图2 二维数据—三维数据可视化过程

3.4 故障预警定位

在后期运维的故障处理机制中，接入设备状态信息，对设备状态信息进行有效参数化，结合当前科研成果中的故障检测等方法，将各设备的故障进行分类管理，制定不同设备不同故障类型的应急处理办法。设备发生故障后，将故障检测和定位结果直观显示在设备模型中，便于维护人员快速进行故障判断并赶赴现场进行处理。

4 基于BIM的信号系统全生命周期管理架构

基于BIM 的信号全生命周期包含从信号系统的设计到施工再到运营维护。全生命周期的管理须以全自动化的管理平台为基础。该平台以规范化的信号系统设计结果为基础，吸收市场现有/投入生产的软件平台的长处，能兼容处理不同的数据，以实现现有平台的全接入。搭建三维仿真系统对信号系统的设计结果进行核查，对设计冲突进行精确查找，可视化对接施工建造过程，实时掌握建设进度及工程质量，对交付的项目进行信号各子系统管理[5]。

交付后的设备运维是设备全生命周期工作的重中之重，其在交付运营阶段的运维管理方案如下：以各专业、各子系统的特点为基础，满足铁路运维的信息化管理需求，该信息化管理体现在不同运维阶段的台账信息管理、设备模型的管理、生产计划的管理等，实时采集数据、已知标准和已有数据库，实现各专业之间的联通。铁路信号系统综合管理平台架构如图3所示。

图3 铁路信号系统综合管理平台架构

通过现场勘测，对室内外设备进行设计，并进行同步施工，室内外施工实施基于BIM 的施工过程管理，室内外施工由设备承包方进行设备安装调试，并对关键设备进行监测线路安装，运营方根据验收成果建立设备台账以便于后期运维管理。

基于BIM 铁路信号系统综合管理系统与工务、电务、供电、房建等专业运维管理系统通过传输通道(如铁路局集团公司网络、4G 等)进行设备的数据传输，对生产作业任务进行拆分、整合，协同各专业进行运检计划任务的编制、任务调度等功能。

基础数据库的建设是为了实现各个阶段基础数据的信息化存储，便于交付以及后期运维工作查证，支撑运维平台的基础构建，基础数据库包括设备监测数据、二维/ 三维模型数据等。

模型数据标准是实现运维阶段各类数据规范化应用的基础。为满足运营单位实际需求，需对竣工、交付模型进行满足5级精度的构建。数据标准规定，模型精度达到4 级深度（信息深度、几何深度），才可实现对设施设备的详细描述。

铁路信号系统综合管理平台基于开放的互联网进行各级通信，由于全生命周期中各阶段参与方人员较多，存在信息安全风险，运维网络平台的安全保障体系旨在从用户、网络、数据等各方面实际管理中挖掘风险所在，建立完备的安全风险管理办法，从方针、政策、制度、规范等方面完善安全保障机制，以保障综合管理平台的安全、稳定、可靠运行。

5 总结与展望

基于BIM 的信号综合管理继承了传统的信号系统运维管理方法的长处并加以创新，BIM 技术使得铁路信息化建设更上一层楼，将推动行业发展并发挥更加深远的作用。

BIM 技术将促进信号系统建设、运维管理水平不断提高。随着BIM 技术在铁路建设运营中的逐步应用，生产管理、标准化的数据采集管理存储、多方刚性需求将促使技术、理念不断更新迭代，形成良性循环，带动铁路建设、运维管理工作水平的不断提高。

本文在分析信号系统建设、运维现状的基础的上，对BIM技术在信号系统综合管理应用中的优势进行阐述，对面向全生命周期的信号系统综合管理平台建设方案进行了设计，并对占据设备全生命周期的运维管理平台的建设进行了详细介绍。BIM 技术的应用顺应铁路信息化发展潮流，将加快铁路信息化、数字化的建设过程，并对铁路行业的发展产生深远影响。