鐵路信號室外設(shè)備BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

摘 要：建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術(shù)在我國建筑等領(lǐng)域已基本成熟，但在鐵路領(lǐng)域，尤其是鐵路信號室外設(shè)備中應(yīng)用較少。針對該問題，本文提出了基于IFC的BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方案。綜合考慮了設(shè)備的幾何、空間和電氣等屬性，定義了關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過編碼和熵權(quán)法確定數(shù)據(jù)間的權(quán)重。再運(yùn)用Prim算法優(yōu)化高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站的鐵路信號室外設(shè)備BIM數(shù)據(jù)構(gòu)建。該方案不僅為鐵路信號設(shè)備的BIM建模提供了新方法，也為BIM技術(shù)在鐵路信號中的創(chuàng)新應(yīng)用開辟了新的道路。

關(guān)鍵詞：鐵路信號；BIM技術(shù)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；IFC；Prim算法

中圖分類號：U 284" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著建筑信息模型（BIM）持續(xù)發(fā)展，其在鐵路信號領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。盡管BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用較成熟，但在鐵路信號領(lǐng)域，尤其是室外設(shè)備的應(yīng)用研究基本為空白。

以往研究多聚焦于BIM管理系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)，但晨等[1]提出了一種利用Revit軟件建立橋梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫的方法；謝先當(dāng)?shù)萚2]采用構(gòu)件裝配和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，創(chuàng)建了基于Bentley平臺的鐵路路基參數(shù)化構(gòu)件庫；劉苗苗等[3]根據(jù)裝配式部品部件分類，建立了裝配式構(gòu)件BIM模型數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)。這些研究為BIM技術(shù)在鐵路信號領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。鑒于鐵路信號室外設(shè)備在鐵路運(yùn)輸安全中的關(guān)鍵作用、本身的復(fù)雜性和特殊性，需要對其進(jìn)行更精細(xì)化的研究。

本文分析了鐵路信號室外設(shè)備特點(diǎn)，提出了一種BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用熵權(quán)法確定各個(gè)數(shù)據(jù)間的權(quán)重關(guān)系，為鐵路信號室外設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)、高效施工和精準(zhǔn)維護(hù)提供基礎(chǔ)支持。并提出Prim算法，構(gòu)建高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站的鐵路信號室外設(shè)備BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 鐵路信號室外設(shè)備的組成與特點(diǎn)

1.1 鐵路信號室外設(shè)備的組成

鐵路信號室外設(shè)備主要組成通常包括信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍設(shè)備、軌道電路以及箱盒、電纜等。信號機(jī)是鐵路信號系統(tǒng)中用于顯示信號的設(shè)備，通常安裝在鐵路線路的旁邊或者上方。轉(zhuǎn)轍設(shè)備用于控制鐵路道岔的轉(zhuǎn)向，確保列車能夠按照預(yù)定路徑行駛。軌道電路是鐵路信號系統(tǒng)中的重要組成部分，用于檢測列車位置。除此之外，跟隨設(shè)備配備的電纜線路、箱盒也是重點(diǎn)之一[4-5]。

1.2 面向鐵路信號室外設(shè)備BIM數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)格式需要存儲設(shè)備的幾何形狀和非幾何信息[6]。鐵路信號系統(tǒng)具有層次化特點(diǎn)，數(shù)據(jù)格式應(yīng)能體現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)格式應(yīng)支持設(shè)備間的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)一個(gè)設(shè)備的位置或?qū)傩园l(fā)生變化時(shí)，與之相關(guān)的設(shè)備應(yīng)能自動更新。

2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

通過上述分析，本文提出一種基于工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Classes，IFC）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。IFC主要定義了建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)體、屬性和關(guān)系，所有信息分成幾何信息與非幾何信息2類。

2.1 軌道交通BIM構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)庫

通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC是目前國際通用的數(shù)據(jù)底庫，也是一個(gè)公開的標(biāo)準(zhǔn)，由buildingSMART開發(fā)，為BIM應(yīng)用軟件輸入數(shù)據(jù)通用格式和一致性驗(yàn)證提供依據(jù)[7]。整體構(gòu)架分為資源層、核心層、交互層和專業(yè)領(lǐng)域?qū)?。考慮BIM構(gòu)件模型在上傳構(gòu)件庫、構(gòu)件庫管理和項(xiàng)目應(yīng)用等方面的需求，軌道交通BIM構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)庫總體框架可分為4個(gè)層次，具體如圖1所示。

本文主要研究目標(biāo)為數(shù)據(jù)庫的專業(yè)應(yīng)用層，因此數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)約束和編碼尤為重要。《建筑工程信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51447—2021）中規(guī)定IFC的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常由以下3個(gè)元素構(gòu)成。1）實(shí)體。研究目標(biāo)本身，作為鐵路鐵路信號室外設(shè)備，包括信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍設(shè)備、軌道電路和箱盒。2）屬性。研究目標(biāo)本身對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，例如所處位置、老化程度等。3）關(guān)系。研究目標(biāo)間的關(guān)系。

2.2 鐵路信號室外設(shè)備的IFC約束屬性

根據(jù)鐵路信號室外設(shè)備所處環(huán)境和室外設(shè)備運(yùn)維管理的關(guān)鍵點(diǎn)，本文提出空間屬性、電氣屬性、環(huán)境屬性、維護(hù)屬性、其他屬性以及連接關(guān)系6個(gè)維度的約束，比之前的研究多了電氣屬性、維護(hù)屬性2個(gè)維度，用以描述鐵路信號室外設(shè)備的IFC數(shù)據(jù)。

2.2.1 空間屬性（?ki）

借助國鐵集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)站工程廬山站的圖紙資料，可對二維平面屬性進(jìn)行約束。其關(guān)鍵信息包括公里標(biāo)、距鋼軌邊沿距離、距柵欄距離和位置（位于路肩，還是位于坡腳）。

空間中重要信息為設(shè)備基礎(chǔ)高程、設(shè)備基礎(chǔ)距離軌面的高度，可以確定垂直方向位置，并結(jié)合鐵路信號系統(tǒng)性質(zhì)，在線路的左側(cè)/右側(cè)補(bǔ)充設(shè)備。對于信號機(jī)，應(yīng)補(bǔ)充信號機(jī)的高柱/矮型屬性。

2.2.2 電氣屬性（?dqi）

鐵路信號系統(tǒng)的電氣屬性不僅是實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)系、發(fā)揮信號系統(tǒng)作用的重要屬性，還對全系統(tǒng)的生命周期管理有重要意義。通常設(shè)備老化，電氣屬性就會產(chǎn)生偏差。

在電氣屬性中，通用屬性為設(shè)備電流、電壓、電流波形、電壓波形、對地電流和接地電阻。對于轉(zhuǎn)轍設(shè)備，其啟動、動作電流為重要屬性；對于25Hz相敏軌道電路，其相位角、電碼化的低頻信息與高頻載頻為重要屬性；對于一體化軌道電路，其低頻信息、高頻載頻等為重要屬性。

2.2.3 環(huán)境屬性（?hi）

鐵路信號室外設(shè)備面對的環(huán)境條件比室內(nèi)設(shè)備更復(fù)雜，常用的設(shè)備使用時(shí)間、溫度和濕度不能滿足室外設(shè)備全生命周期管理需求。

考慮設(shè)備老化的影響因素[8]，本文將設(shè)備發(fā)熱量、海拔、全年溫差、當(dāng)日溫差、年平均降水量、年最大降水量、日照時(shí)間以及風(fēng)沙強(qiáng)度作為環(huán)境屬性的特點(diǎn)補(bǔ)充，以滿足BIM系統(tǒng)對設(shè)備使用生命的預(yù)測。

2.2.4 維護(hù)屬性（?whi）

維護(hù)屬性的特點(diǎn)是人為因素對設(shè)備帶來的影響，定期維護(hù)對設(shè)備生命周期具有較大影響，例如轉(zhuǎn)轍設(shè)備注油周期、信號機(jī)光源更換周期等。

2.2.5 其他屬性（?qti）

本文所述的其他屬性是設(shè)備管理必須的屬性，但這些屬性對設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測、運(yùn)行狀態(tài)和連接關(guān)系等均無直接影響，具體重點(diǎn)屬性為設(shè)備名稱、生產(chǎn)廠家和設(shè)備顏色等。

2.2.6 連接關(guān)系（ψj）

鐵路信號室外設(shè)備的連接關(guān)系有以下3種：對于轉(zhuǎn)轍設(shè)備、信號機(jī)、軌道電路，其連接關(guān)系可以歸納為對上連接、對下連接；對于終端盒、方向盒等專用于接線的室外箱盒，其連接關(guān)系除了對上連接、對下連接，還有共連接這一屬性。由于目前鐵路信號系統(tǒng)內(nèi)連接關(guān)系的媒介為電纜，因此加入電纜相關(guān)信息，即電纜數(shù)量及類型、電纜備用情況、電纜埋深、標(biāo)樁號和標(biāo)樁位置。鐵路信號室外設(shè)備的BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)歸納見表1。

因此，對于任一室外設(shè)備，可用公式（1）進(jìn)行描述。

Sij=ij{?ki，?hi，?dqi，?whi，?qti，ψj} （1）

式中：Sij為任一室外設(shè)備；?ki、?hi、?dqi、?whi、?qti和ψj分別為該設(shè)備的空間屬性、環(huán)境屬性、電氣屬性、維護(hù)屬性、其他屬性和連接關(guān)系，對于任一室外設(shè)備，均可由這些屬性和關(guān)系進(jìn)行描述。

2.3 鐵路信號室外設(shè)備數(shù)據(jù)的權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，根據(jù)不同指標(biāo)的變異程度確定不同的權(quán)值，即利用信息熵計(jì)算出不同數(shù)據(jù)的熵權(quán)，再使用熵權(quán)修改各個(gè)數(shù)據(jù)的權(quán)值，使所得權(quán)值較客觀，具體步驟如下。

計(jì)算第i層中第j個(gè)因素的比重pij，如公式（2）所示。

（2）

式中：rij代表第i層中第j個(gè)因素。

計(jì)算第j個(gè)因素的熵，如公式（3）所示。

（3）

式中：k=1/lnm；ej為第j個(gè)因素的熵

計(jì)算第j個(gè)因素的熵權(quán)，如公式（4）所示。

（4）

式中：w'j為第j個(gè)因素的熵權(quán)。

遍歷j個(gè)因素后，最終熵權(quán)法的權(quán)值向量為w'=（w'1，w'2，...，w'n）。

本文將鐵路信號室外設(shè)備各屬性的使用頻率作為輸入因素，進(jìn)行兩兩對比，因此熵權(quán)法的比較矩陣為45×45的矩陣，最終得出各數(shù)據(jù)的權(quán)值。

對于任一室外設(shè)備，其加權(quán)后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用公式（5）進(jìn)行描述。

S'ij=ij{w'k?ki，w'h?hi，w'dq?dqi，w'wh?whi，w'qt?qti，w'jψj} （5）

式中：w'為各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的權(quán)值向量。

以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用于鐵路信號系統(tǒng)BIM構(gòu)建，對于不同設(shè)備的特殊分析，可增強(qiáng)所構(gòu)建的BIM系統(tǒng)或者平臺的可用性、可靠性，以提高其生命力。

3 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站的應(yīng)用

以高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站的應(yīng)用為例。首先，采用Prim算法，對第2節(jié)中提出的信號室外設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行精簡，剔除其中不必要的數(shù)據(jù)。其次，采用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，將高速鐵路信號室外設(shè)備各屬性的使用頻率作為輸入因素。最后，得出可以用于BIM系統(tǒng)構(gòu)建的高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站室外設(shè)備加權(quán)數(shù)據(jù)模型。

Prim算法是用于找出無向加權(quán)圖中最小生成樹的經(jīng)典算法。Prim算法最初設(shè)計(jì)的目的是解決通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)連通性問題，進(jìn)而其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到圖論的更廣泛問題。對于本文提出的BIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)間的關(guān)系是圖關(guān)系的一種。因此，采用Prim算法是一種可以識別出高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有效途徑[7]。

Prim算法的步驟如下所示。1）初始化。選擇一個(gè)起始頂點(diǎn)v，將其加入最小生成樹MST中。2）維護(hù)一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列。該隊(duì)列用于存儲尚未加入MST的頂點(diǎn)和及其到MST邊界最小邊的權(quán)重。3）循環(huán)。在所有頂點(diǎn)都被加入MST前，重復(fù)以下步驟。①從優(yōu)先隊(duì)列中取出權(quán)重最小的頂點(diǎn)u。②如果u還沒有加入MST，將其加入MST。③遍歷u的所有鄰接頂點(diǎn)，對于每個(gè)鄰接頂點(diǎn)v，如果u還沒有加入MST，計(jì)算u和u間的邊的權(quán)重，并將這個(gè)權(quán)重與當(dāng)前v在優(yōu)先隊(duì)列中的權(quán)重進(jìn)行比較。如果u和v間的邊權(quán)重更小，更新v在優(yōu)先隊(duì)列中的權(quán)重，并記錄u通過u到達(dá)MST。4）結(jié)束。當(dāng)優(yōu)先隊(duì)列變空即所有頂點(diǎn)都被訪問過時(shí)，算法結(jié)束，此時(shí)MST包括圖中所有頂點(diǎn)，形成了一棵最小生成樹。

本文所用算法的代碼如下。

function Prim（GSTLGraph， startVertex）：

MST = empty set

visited = set containing only startVertex

priorityQueue = new PriorityQueue（）

for each vertex in GSTLGraph.adjacentVertices（startVertex）：

priorityQueue.insert（vertex， GSTLGraph.weight（startVertex， vertex））

while priorityQueue is not empty：

vertex = priorityQueue.extractMin（）

if vertex not in visited：

visited.add（vertex）

MST.add（vertex）

for each neighbor of vertex in GSTLGraph：

if neighbor not in visited：

priorityQueue.insert（neighbor，GSTLGraph.weight（vertex，neighbor））

return MST

通過上述過程，最終選取出32個(gè)高速鐵路信號室外設(shè)備的BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)，見表2，其中“設(shè)備名稱”相對于其他數(shù)據(jù)獨(dú)立，因此權(quán)重為 0。

通過本例可以發(fā)現(xiàn)，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路信號系統(tǒng)構(gòu)建，不僅可以提高設(shè)計(jì)階段的效率，還能在系統(tǒng)部署和維護(hù)中發(fā)揮重要作用。關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是BIM構(gòu)建過程中不可或缺的。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括但不限于信號設(shè)備的類型、位置、性能參數(shù)以及與其他鐵路系統(tǒng)的交互關(guān)系。通過對這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行精確捕捉和組織，BIM模型能夠提供一個(gè)全面的視角，幫助工程師和決策者更好地理解信號系統(tǒng)的布局和功能。對鐵路信號系統(tǒng)中不同設(shè)備進(jìn)行分析是提升BIM系統(tǒng)可用性和可靠性的關(guān)鍵。BIM模型可以模擬這些設(shè)備在各種工況下的表現(xiàn)，預(yù)測潛在問題，并優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)特定的需求。增強(qiáng)BIM系統(tǒng)的生命力，可使其能夠適應(yīng)不斷變化的技術(shù)和運(yùn)營環(huán)境。隨著新技術(shù)出現(xiàn)和鐵路運(yùn)營需求的演變，BIM系統(tǒng)需要具備靈活性和可擴(kuò)展性，以整合新的數(shù)據(jù)、工具和流程。這不僅涉及軟件平臺的更新，還包括對用戶界面和用戶體驗(yàn)的持續(xù)改進(jìn)。

通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和跨學(xué)科合作，使鐵路信號系統(tǒng)的BIM構(gòu)建更智能、高效。集成先進(jìn)的傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）算法，可使BIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)和自動化控制，從而提高鐵路信號系統(tǒng)的安全性和效率。

4 結(jié)論

本文通過分析鐵路信號室外設(shè)備BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了一種建立鐵路信號室外設(shè)備BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法，可用于鐵路信號系統(tǒng)BIM構(gòu)建，并提出通過最小生成樹構(gòu)建高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)站鐵路信號室外設(shè)備BIM關(guān)鍵數(shù)據(jù)的應(yīng)用。還需要進(jìn)一步研究BIM技術(shù)與鐵路信號室外設(shè)備的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用模式，關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會在引入智能化解決方法（例如深度學(xué)習(xí)、知識圖譜等）后發(fā)生變化。

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