BIM技術(shù)在鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李茂蛟

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)概述

鐵路信號(hào)系統(tǒng)是為了保證運(yùn)輸安全而誕生和發(fā)展的，其作用是保證行車安全、提高運(yùn)輸效率和改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量；其任務(wù)是行車指揮、進(jìn)路控制、間隔調(diào)整、速度控制、編組與解體，系統(tǒng)的第一使命是保證行車安全[1]。

鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)的目的是依據(jù)鐵路法規(guī)、生產(chǎn)廠家說明書以及建設(shè)單位要求等，對(duì)鐵路信號(hào)工程建設(shè)所需的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等條件進(jìn)行綜合分析和論證，編制設(shè)計(jì)文件、施工圖紙和概預(yù)算，為信號(hào)工程施工提供依據(jù)[2]。

1.2 BIM應(yīng)用概述

BIM技術(shù)是創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對(duì)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)全過程管理和優(yōu)化的方法和工具。BIM的主要作用是使建筑項(xiàng)目各方面的信息在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、資產(chǎn)重組的整個(gè)過程中無損傳遞[3]。

近年來，BIM技術(shù)已在鐵路地質(zhì)[4-5]、線路[6-7]、橋梁[8-9]、隧道[10-11]、道岔[12]、接觸網(wǎng)[13-14]等工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。

1.3 BIM認(rèn)識(shí)誤區(qū)

BIM技術(shù)常見的誤區(qū)有：

①BIM就是三維模型；

②BIM就是某款建模軟件；

③BIM是萬能的。

美國(guó)國(guó)家建筑研究所對(duì)BIM的定義[15-17]：用數(shù)字信息來描述現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體建設(shè)項(xiàng)目，并建立相應(yīng)的工程信息模型，以供全生命周期內(nèi)各參與方使用。

BIM的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息交換，其三維可視化、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化等特點(diǎn)均屬于相關(guān)軟件在“輔助設(shè)計(jì)”方面的功能。雖然“輔助設(shè)計(jì)”是BIM軟件需要具備的重要特征，但其與BIM概念本身并無本質(zhì)關(guān)系[18]。

針對(duì)BIM在鐵路行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的誤區(qū)，文獻(xiàn)[19]提出“鐵路信息模型(RIM)”的概念及實(shí)施原則。不難看出，鐵路信號(hào)工程與建筑行業(yè)有著迥異的特點(diǎn)。因此，對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用不能生搬硬套，應(yīng)當(dāng)結(jié)合其自身特點(diǎn)，對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

鐵路信號(hào)系統(tǒng)是鐵路的主要技術(shù)設(shè)備之一，在保證行車安全、提高運(yùn)輸效率等方面起著不可替代的作用。鐵路信號(hào)系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)相互耦合、集成的復(fù)雜系統(tǒng)。

相較于建筑等實(shí)體設(shè)計(jì)專業(yè)，鐵路信號(hào)專業(yè)具有以下幾方面特征。

(1)子系統(tǒng)多

鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)涉及列車調(diào)度指揮及調(diào)度集中系統(tǒng)(TDCS/CTC)、列車控制系統(tǒng)、閉塞系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、駝峰信號(hào)及編組站自動(dòng)化系統(tǒng)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、道岔融雪系統(tǒng)、其它信號(hào)系統(tǒng)(如動(dòng)車段/所控制集中系統(tǒng)、調(diào)車防護(hù)、無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控)等。各子系統(tǒng)功能相對(duì)獨(dú)立，但系統(tǒng)間又具有數(shù)據(jù)接口、信息互通等相互依賴與制約的關(guān)系。

(2)設(shè)備布置離散

鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備主要包括信號(hào)繼電器、信號(hào)機(jī)及信號(hào)表示器、軌道電路、道岔轉(zhuǎn)換與鎖閉設(shè)備等。其中，繼電器作為關(guān)鍵邏輯元件，主要集中設(shè)置于信號(hào)機(jī)械室內(nèi)，以構(gòu)成控制電路；信號(hào)機(jī)及信號(hào)表示器用于構(gòu)成信號(hào)顯示，指示列車運(yùn)行和調(diào)車作業(yè)，須根據(jù)需要分布于車站站場(chǎng)及區(qū)間線路的不同位置；軌道電路主要用于監(jiān)督列車對(duì)軌道的占用和行車信息的傳遞，一般利用鋼軌作為傳輸通道，其送、受電設(shè)備沿鋼軌分布；道岔轉(zhuǎn)換與鎖閉設(shè)備主要用于道岔的轉(zhuǎn)換和鎖閉，其設(shè)備分布于站場(chǎng)各聯(lián)鎖道岔處。某車站站場(chǎng)信號(hào)設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 示例站信號(hào)設(shè)備平面布置

(3)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接、信號(hào)集中控制

信號(hào)系統(tǒng)終端設(shè)備的控制信號(hào)主要通過控制電纜傳輸，由信號(hào)機(jī)械室相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。室內(nèi)的控制系統(tǒng)與室外終端設(shè)備的連接由主干電纜、支線電纜構(gòu)成。圖2為示例站右咽喉的電纜徑路，其中，電纜網(wǎng)絡(luò)分束如圖3所示。

圖2 示例站右咽喉電纜徑路

圖3 電纜網(wǎng)絡(luò)分束

(4)設(shè)計(jì)表達(dá)抽象

從信號(hào)設(shè)備布放角度看，需要有全局視角，對(duì)所有設(shè)備的空間關(guān)系、顯示關(guān)系及連接關(guān)系有直觀的掌控，達(dá)到合理優(yōu)化設(shè)備布放、精簡(jiǎn)線纜連接的目的。因此，在進(jìn)行信號(hào)設(shè)備的平面設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用示意圖的方式，對(duì)相應(yīng)的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行抽象，即以簡(jiǎn)單的符號(hào)替代實(shí)際設(shè)備，以直線代替鐵路線路及設(shè)備連接電纜并輔以位置信息等標(biāo)注。若直接采用建筑領(lǐng)域相關(guān)的三維輔助設(shè)計(jì)軟件并以實(shí)際比例進(jìn)行布放，則易產(chǎn)生對(duì)站前模型的依賴性。

從信號(hào)控制的角度看，電路本身具有高度抽象性的特征，不適宜三維設(shè)計(jì)(三維設(shè)計(jì)中，線纜的復(fù)雜路徑、設(shè)備尺寸對(duì)于電路原理的把握都是極大的干擾)。

(5)制約關(guān)系復(fù)雜

信號(hào)設(shè)計(jì)是一個(gè)層層遞進(jìn)的過程，各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間存在相互依賴與約束的關(guān)系。以車站聯(lián)鎖設(shè)計(jì)為例，其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及流程如圖4所示。由圖4可知，信號(hào)設(shè)備的平面布置是基礎(chǔ)，后續(xù)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)均以此為依據(jù)，信號(hào)設(shè)備平面布置的任何變化都會(huì)影響后續(xù)設(shè)計(jì)。這種上、下序制約關(guān)系大致可分為線性制約和非線性制約兩種類型。

圖4 車站聯(lián)鎖設(shè)計(jì)內(nèi)容及流程簡(jiǎn)要示意

①線性制約關(guān)系

線性制約：上序設(shè)計(jì)的變化不引起下序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性、系統(tǒng)性等大變化，僅需對(duì)局部細(xì)節(jié)或相關(guān)參數(shù)做出相應(yīng)的修改即可。如進(jìn)站信號(hào)機(jī)位置微調(diào)，僅需對(duì)相應(yīng)的進(jìn)站信號(hào)機(jī)應(yīng)答器位置、進(jìn)站坡度進(jìn)行檢算與微調(diào)，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)中的有關(guān)電纜長(zhǎng)度、進(jìn)站外方區(qū)間閉塞長(zhǎng)度、列車進(jìn)路數(shù)據(jù)表中相關(guān)進(jìn)路的區(qū)段長(zhǎng)度、應(yīng)答器鏈接距離、線路速度等信息進(jìn)行相應(yīng)修改即可。

②非線性制約關(guān)系。

非線性制約：上序設(shè)計(jì)的變化導(dǎo)致下序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性、系統(tǒng)性的改變，需下序進(jìn)行較大范圍修改或全部重新設(shè)計(jì)。如道岔增、減，將引起下序相關(guān)電纜網(wǎng)絡(luò)分束、電纜配線、控制電路、工程數(shù)量、列車進(jìn)路及相關(guān)敵對(duì)信號(hào)的變化。

3 三維空間設(shè)計(jì)適用性分析

建筑工程設(shè)計(jì)的主要制約關(guān)系為三維空間關(guān)系，鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)的主要制約關(guān)系為邏輯關(guān)系，二者對(duì)三維空間設(shè)計(jì)的需求及適用性有很大差異。鐵路信號(hào)系統(tǒng)功能、原理設(shè)計(jì)不宜采用三維設(shè)計(jì)模式，而更適合用二維圖表進(jìn)行表達(dá)。但在指導(dǎo)施工方面，形象的三維表達(dá)比抽象的二維表達(dá)更具有優(yōu)勢(shì)。

3.1 三維空間設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景

(1)設(shè)備布放與空間限界檢查

對(duì)室外工程，可結(jié)合站前專業(yè)模型，在站場(chǎng)三維模型中按照實(shí)際位置布放相應(yīng)的設(shè)備模型，可以有效地發(fā)現(xiàn)和解決專業(yè)間設(shè)備碰撞、遮擋等問題。對(duì)室內(nèi)工程，可結(jié)合房建模型，對(duì)信號(hào)機(jī)械室設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行模擬布設(shè)，可有效發(fā)現(xiàn)和解決空間預(yù)留不足等問題。

(2)管綜碰撞檢查與協(xié)同優(yōu)化

綜合管道設(shè)計(jì)涉及到多專業(yè)協(xié)同，利用BIM軟件的纜槽布放與碰撞檢查功能，可有效地發(fā)現(xiàn)和定位專業(yè)間管槽碰撞位置，并可利用可視化優(yōu)勢(shì)，快速完成專業(yè)間協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)施工工藝表達(dá)與設(shè)計(jì)交底

可以讓施工人員更直觀地了解施工作業(yè)部位和對(duì)象。通過作業(yè)動(dòng)畫，可以形象地展示工藝流程、施工順序、工藝細(xì)則、操作要點(diǎn)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

3.2 三維空間設(shè)計(jì)的限制條件

(1)依賴站前模型

利用三維技術(shù)進(jìn)行模型布設(shè)時(shí)，需要有站前專業(yè)(如站場(chǎng)、路基、軌道、房建等)的參考模型，否則，本專業(yè)設(shè)備無法進(jìn)行定位與布放。

(2)需要相關(guān)專業(yè)配合

空間限界檢查除了需要上述參考模型外，還需要其它多專業(yè)配合(如接觸網(wǎng)和其它綜合管廊涉及到的專業(yè)模型需要準(zhǔn)確的空間位置坐標(biāo))，才能進(jìn)行協(xié)同檢查。

(3)設(shè)備尺寸信息

通常情況下，設(shè)計(jì)人員不掌握各類設(shè)備的準(zhǔn)確尺寸(僅有設(shè)備的長(zhǎng)、寬、高信息)，故對(duì)于精度要求較高的場(chǎng)景，需要相應(yīng)的設(shè)備廠家提供其設(shè)備的精確三維模型。

3.3 三維空間設(shè)計(jì)的應(yīng)用建議

(1)明確目的和意義

對(duì)信號(hào)工程設(shè)計(jì)而言，三維設(shè)計(jì)主要用于二維圖紙不便表達(dá)的相關(guān)空間位置信息和模型實(shí)體尺寸等信息，屬于輔助和增值手段。不應(yīng)盲目追求使用三維技術(shù)進(jìn)行信號(hào)設(shè)計(jì)。

(2)選擇適當(dāng)?shù)木?/p>

信號(hào)工程設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備布放三維模型的要求為滿足限界檢查，其模型精度能準(zhǔn)確表達(dá)其外部占位尺寸即可。高精度的模型主要用于工藝展示，但不宜在整個(gè)工程中使用(除了美觀和增加內(nèi)存占用，其它意義不大)。

4 鐵路信號(hào)信息化空間設(shè)計(jì)

從信息交換的角度而言，鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)主要存在以下三個(gè)維度的信息交換。

①專業(yè)領(lǐng)域維度：需要實(shí)現(xiàn)與鐵路工程各相關(guān)專業(yè)之間的信息交換。

②建設(shè)過程維度：需要實(shí)現(xiàn)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工、運(yùn)維等鐵路工程全生命周期各階段之間的信息傳遞。

③工程角色維度：需要實(shí)現(xiàn)與業(yè)主方、施工方、軟硬件供應(yīng)方、運(yùn)營(yíng)管理方等所有工程參與方之間的信息交流。

因此，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加信號(hào)設(shè)計(jì)的信息維度，豐富設(shè)計(jì)成果的表達(dá)形式。

4.1 信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟(CRBIM)參考國(guó)際、國(guó)內(nèi)主要BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，已初步構(gòu)建了由“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)”、“信息語義標(biāo)準(zhǔn)”和“信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)”構(gòu)成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架[21]。其中，基于IFC4×1基礎(chǔ)擴(kuò)展制定的《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》尚未涵蓋信號(hào)專業(yè)，而就其所涵蓋與涉及到的相關(guān)鐵路專業(yè)領(lǐng)域而言，尚未得到有關(guān)BIM軟件的支持與驗(yàn)證。在建筑領(lǐng)域BIM實(shí)踐中， IFC模型的輸入輸出過程中尚存在信息缺失的現(xiàn)象[22]。因此，在信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，尚需鐵路信號(hào)工程各參與方加強(qiáng)以下幾方面工作：

①基于鐵路行業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)框架體系，加快鐵路信號(hào)專業(yè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)研究與制定[23]；

②研究數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證和軟件支持；

③研究數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)編制與落地空窗期的信息傳遞方案。

4.2 專業(yè)協(xié)同平臺(tái)研發(fā)

鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)作為鐵路工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，其信息化不能脫離其它相關(guān)鐵路專業(yè)而孤立存在，需要加強(qiáng)與各相關(guān)專業(yè)的配合。

需要完成以下幾方面工作：

①充分梳理與各專業(yè)之間的接口[20]，并與接口專業(yè)確定數(shù)據(jù)交換格式與流程；

②完善本專業(yè)的審校標(biāo)準(zhǔn)流程；

③建立與完善本專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)、構(gòu)件庫(kù)及模板文件；

④定義本專業(yè)的工作環(huán)境。

4.3 信息化輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

BIM理念的實(shí)現(xiàn)主要依靠軟件，針對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的功能要求，需要開發(fā)相應(yīng)的信息化輔助設(shè)計(jì)軟件，以提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)各環(huán)節(jié)之間、本專業(yè)與接口專業(yè)間的信息傳遞。

在傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)中，各類信息的傳遞完全依賴于設(shè)計(jì)人員對(duì)各類輸入資料和設(shè)計(jì)圖紙的讀取、理解、轉(zhuǎn)化。信息化輔助設(shè)計(jì)軟件區(qū)別于傳統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件的主要意義在于由計(jì)算機(jī)軟件代替設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行處理。兩種輔助設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)交換模式對(duì)比如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)模式和信息化輔助設(shè)計(jì)模式信息交換方式示意

信息化輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的關(guān)鍵在于信息交互、處理，在目前鐵路信號(hào)IFC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用尚未成熟的狀況下，可對(duì)相關(guān)信息作結(jié)構(gòu)化處理，并采用接口文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等方式作為信息交換的媒介。

圖4中，箭頭方向既表示了設(shè)計(jì)的順序，也表明了在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中信息的流向，逆向而言則是下序環(huán)節(jié)對(duì)上序環(huán)節(jié)的信息內(nèi)容要求，可見車站聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)是信號(hào)設(shè)備平面布置。以圖1中X進(jìn)站信號(hào)機(jī)為例，傳統(tǒng)輔助軟件不知道該圖形符號(hào)“是什么”以及“有何屬性”，而這正是信息化輔助設(shè)計(jì)軟件要解決的問題。例如，以XML文件定義各類設(shè)備的屬性，在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)具體的設(shè)備圖元附加相應(yīng)的屬性，通過軟件自動(dòng)處理或者人工輔助設(shè)置等方式，完善相關(guān)屬性的取值。附加了相關(guān)結(jié)構(gòu)化信息的X進(jìn)站信號(hào)機(jī)屬性(如圖6所示)，通過輔助軟件可隨時(shí)修改、查詢、提取。

圖6 示例站進(jìn)站信號(hào)機(jī)屬性示例

輔助設(shè)計(jì)的可視化方式不必拘泥于二維空間表達(dá)或三維空間表達(dá)，根據(jù)前文分析的適用性，輔助設(shè)計(jì)的可視化方案大致有以下幾種形式(如圖7所示)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

①純數(shù)據(jù)處理：由軟件根據(jù)數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的二維或三維模型；

②二維可視化設(shè)計(jì)：由軟件根據(jù)二維模型信息自動(dòng)生成三維模型；

③三維可視化設(shè)計(jì)：由軟件根據(jù)三維模型信息自動(dòng)生成二維模型；

④二、三維可視化設(shè)計(jì)：由軟件實(shí)現(xiàn)二維模型與三維模型的聯(lián)動(dòng)。

圖7 鐵路信號(hào)的可視化輔助設(shè)計(jì)模式示意

5 結(jié)論與展望

鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)具有與建筑工程迥異的自身特點(diǎn)，三維建模技術(shù)在鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)中具有諸多限制因素，鐵路信號(hào)相關(guān)BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也尚在編制中，距離其落地實(shí)施與應(yīng)用還有較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，對(duì)于BIM技術(shù)的應(yīng)用不能盲目照搬。信息交換是BIM技術(shù)的核心任務(wù)，也是鐵路信號(hào)工程設(shè)計(jì)最應(yīng)借鑒的理念。