BIM在高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的應(yīng)用探討

徐效寧 汪 洋 王 菲 萬 林

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司， 北京 100081)

信號系統(tǒng)作為高速鐵路的重要組成部分，對保證行車安全起著至關(guān)重要的作用。我國高速鐵路在開通運營前，均需采用試驗列車在實際運行狀態(tài)下對線路的信號系統(tǒng)進行動態(tài)檢測，這稱為高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試[1]。由于信號系統(tǒng)高安全完整性等級(SIL)的要求，該項工作通常由獨立第三方進行，這有利于保證測試結(jié)果的客觀性，但也易造成測試與線路設(shè)計施工之間的脫節(jié)，給測試發(fā)現(xiàn)問題帶來一定的困難。

近年來，建筑信息模型(BIM)技術(shù)因其能為工程項目方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)，提高工程質(zhì)量、控制建設(shè)成本、保障運營安全等諸多優(yōu)勢在工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[2-3]。BIM技術(shù)能將工程項目的各元素和相關(guān)信息建立為一個統(tǒng)一信息模型，從而實現(xiàn)信息共享，這個特點為解決信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試與線路設(shè)計施工脫節(jié)問題提供了一種思路。但BIM技術(shù)主要面對工程建設(shè)領(lǐng)域，如何為高速鐵路信號這樣一個復(fù)雜控制系統(tǒng)進行BIM建模是一個技術(shù)難點。本文從聯(lián)調(diào)聯(lián)試的角度，利用BIM技術(shù)對高速鐵路信號系統(tǒng)進行建模，并研究如何將模型應(yīng)用于信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的工作中。

1 高速鐵路信號系統(tǒng)BIM建模

1.1 BIM技術(shù)簡介

建筑信息模型是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和各種特性進行綜合的數(shù)字化表達。BIM將建筑工程項目中各個單一的物體或構(gòu)件作為基本元素，并將描述這種基本元素的物理特性、幾何數(shù)據(jù)、施工要求等相關(guān)的信息有機地組織起來，建立一個數(shù)據(jù)化、信息化的三維建筑模型，作為整個項目的信息模型。這個信息模型可以為項目的不同階段、不同項目參與方之間搭建信息交流與共享的平臺，減少因信息交流不暢造成的損失。近年來，BIM技術(shù)已應(yīng)用于高速鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)管理中[4-6]。

高速鐵路信號系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，很難用BIM技術(shù)對系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理進行建模。實際上，信號系統(tǒng)內(nèi)部工作原理的建模對于聯(lián)調(diào)聯(lián)試的意義也并不是很大。信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的目的是驗證系統(tǒng)功能和設(shè)備狀態(tài)，而不是它的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。例如，對于某一限速區(qū)段，聯(lián)調(diào)聯(lián)試需驗證信號系統(tǒng)能否保證列車在該區(qū)段不會超速，而不是關(guān)注系統(tǒng)中車載設(shè)備在收到地面設(shè)備的數(shù)據(jù)后，內(nèi)部邏輯如何去實現(xiàn)?；谶@個思路，本章首先分析高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的關(guān)注點，然后將信號系統(tǒng)中測試相關(guān)信息進行數(shù)字化表達，建立用于聯(lián)調(diào)聯(lián)試的信號系統(tǒng)BIM模型。

1.2 高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試分析

高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的檢測項目包括列控系統(tǒng)功能，聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度集中(CTC)系統(tǒng)的相關(guān)功能，列車自動運行系統(tǒng)(ATO)的相關(guān)功能，信號軌旁設(shè)施狀態(tài)等[7-8]。本文以列控系統(tǒng)功能檢測為例，研究BIM技術(shù)在高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用。目前，對于新建線路，列控系統(tǒng)功能檢測主要是利用不同型號的車載設(shè)備作為標(biāo)尺，通過設(shè)置不同的測試條件(進路、臨時限速等)，然后根據(jù)車載設(shè)備的輸出結(jié)果來驗證系統(tǒng)功能的正確性，因此列控系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試可以看作是一種黑盒測試。根據(jù)這個特性，聯(lián)調(diào)聯(lián)試只需對列控系統(tǒng)的輸入和輸出進行BIM建模。

從聯(lián)調(diào)聯(lián)試的角度，列控系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)可以分為4層，分別為線路真實列控數(shù)據(jù)、線路設(shè)計列控數(shù)據(jù)、列控地面設(shè)備輸出數(shù)據(jù)和車載設(shè)備執(zhí)行結(jié)果，如圖1所示。根據(jù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的流程，測試方不可能實測得到真實的線路布置和信號設(shè)備數(shù)據(jù)，所以測試方是線路設(shè)計數(shù)據(jù)作為依據(jù)，其它數(shù)據(jù)(線路真實列控數(shù)據(jù)、列控地面設(shè)備輸出數(shù)據(jù)和列控車載設(shè)備執(zhí)行結(jié)果)均需在試驗過程中獲取。

圖1 從聯(lián)調(diào)聯(lián)試角度列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分層

線路設(shè)計列控數(shù)據(jù)來自集成商提供的列控工程數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括：車站信息表、正線信號數(shù)據(jù)表、應(yīng)答器位置表、列車進路數(shù)據(jù)表、線路坡度表、線路速度表、橋梁隧道信息表、過分相信息表、異物侵限信息表、道岔信息表、站臺側(cè)信息表等。

根據(jù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試的經(jīng)驗，并不是所有的問題都能通過車載設(shè)備的執(zhí)行結(jié)果反映出來，因此必須對每一層數(shù)據(jù)都要進行驗證。圖2例示了一種不能由車載設(shè)備反應(yīng)的地面數(shù)據(jù)錯誤類型。線路C點的實際限速為80 km/h，A點應(yīng)答器錯誤的描述了C點限速為120 km/h，B點應(yīng)答器則正確描述了該限速。在正常的走行過程中，由于列車收到B點應(yīng)答器后會替換A點應(yīng)答器的數(shù)據(jù)，所以在C點會執(zhí)行正確的80 km/h限速。但是，一旦運營過程中B點應(yīng)答器丟失，C點將錯誤的執(zhí)行120 km/h限速，這就存在著一個安全隱患。由于現(xiàn)場測試條件的限制，不可能對每一個應(yīng)答器都做丟失測試(故障試驗)，所以僅靠車載設(shè)備的執(zhí)行結(jié)果不能驗證所有地面數(shù)據(jù)的正確性。而且，這個示例只是描述了一種明顯的線路限速錯誤，而同樣影響行車安全的坡度、信號機類型等信息描述錯誤則更不易發(fā)現(xiàn)。

圖2 一種不能由車載設(shè)備執(zhí)行結(jié)果反映的地面數(shù)據(jù)錯誤類型

1.3 高速鐵路信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)BIM模型

BIM在列控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用，主要是利用BIM技術(shù)中的“碰撞檢測”。碰撞檢測是利用BIM模型可視化的特點，在設(shè)計階段可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計漏洞反饋給設(shè)計人員，提早解決實際問題。聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段列控系統(tǒng)的實際設(shè)備布置不存在碰撞的問題，但可以將列控系統(tǒng)不同層次數(shù)據(jù)的一致性比較，看作是一種“碰撞檢測”。

按照這個思想，測試方可建立列控系統(tǒng)的BIM基礎(chǔ)模型。在測試開始前，測試方以線路設(shè)計數(shù)據(jù)(列控工程數(shù)據(jù))作為依據(jù)，可以建立1個三維與現(xiàn)場完全相同的線路圖，各種列控數(shù)據(jù)都以立體的方式展示。在這里，為了簡化處理，可以將這個模型進行抽象，即將線路作為1個二維平面圖，將列控系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)放在第三維平面上，這樣就構(gòu)成1個與現(xiàn)實不同的“三維圖形”。具體步驟如下：

(1)根據(jù)工程數(shù)據(jù)，生成1個二維的車站和區(qū)間線路平面圖。

(2)在平面布置圖的基礎(chǔ)上，將列控工程數(shù)據(jù)中的線路速度、軌道區(qū)段、應(yīng)答器、信號點等信息作為第三維度信息，按照不同的高度分別描述在對應(yīng)線路的正上方，構(gòu)成三維的列控系統(tǒng)BIM基礎(chǔ)模型。

2 BIM模型在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的應(yīng)用

2.1 基于BIM模型的直觀驗證

BIM基礎(chǔ)模型可用于列控系統(tǒng)的直觀驗證。測試方將試驗得到的車載設(shè)備記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到BIM基礎(chǔ)模型，將記錄數(shù)據(jù)中的相關(guān)信息添加到線路的正上方，就可以直觀的與列控工程數(shù)據(jù)進行比較。

車載設(shè)備記錄數(shù)據(jù)可以析出線路真實信號數(shù)據(jù)、列控地面設(shè)備輸出數(shù)據(jù)和車載設(shè)備執(zhí)行結(jié)果，數(shù)據(jù)中包含的具體內(nèi)容如下：

(1)線路真實列控數(shù)據(jù)：應(yīng)答器的實際位置、軌道區(qū)段的長度和載頻。

(2)列控地面設(shè)備輸出數(shù)據(jù)：應(yīng)答器報文描述的線路限速、線路坡度、應(yīng)答器鏈接距離、軌道區(qū)段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等；無線閉塞中心(RBC)描述的線路限速、線路坡度、應(yīng)答器鏈接距離、軌道區(qū)段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等。

(3)列控車載設(shè)備執(zhí)行結(jié)果：車載設(shè)備計算的限速、輸出過分相命令的位置、DMI顯示的線路坡度、橋梁隧道位置等信息。

測試方將這些數(shù)據(jù)根據(jù)不同的類型，分層導(dǎo)入到BIM基礎(chǔ)模型中，可以從圖上直接進行數(shù)據(jù)比較。這種方式將車載記錄數(shù)據(jù)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型分成不同的高度，然后按列車走行路徑展開，這樣與工程數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，非常直觀，便于發(fā)現(xiàn)問題。

2.2 基于BIM模型的軟件實現(xiàn)

當(dāng)高速鐵路線路里程較長時，由于人工操作的不可靠性，通過BIM模型直接驗證數(shù)據(jù)可能存在一定的漏查情況。另一個不能忽略的現(xiàn)實問題是，目前高鐵四電系統(tǒng)集成階段大都沒有建立列控系統(tǒng)的BIM基礎(chǔ)模型，這種情況下，測試方需要專門開發(fā)BIM基礎(chǔ)模型，工作量比較大。

為此，本文基于BIM的思想，對2.1節(jié)描述的過程進行抽象，提出一種軟件設(shè)計思路。軟件流程如圖3所示，基本思路為：

圖3 基于BIM模型的軟件流程圖

(1)導(dǎo)入線路的列控工程數(shù)據(jù)，構(gòu)建列控系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)庫。

(2)根據(jù)進路排列情況、臨時限速設(shè)置等測試條件，生成列車所走行進路的線路數(shù)據(jù)表。

(3)導(dǎo)入車載設(shè)備的測試記錄數(shù)據(jù)，與線路數(shù)據(jù)表進行一致性比較。

(4)待所有測試序列比較完成后，進行完整性檢查，驗證測試序列是否覆蓋所有的進路、測試特征，并生成總測試報告。

3 總結(jié)

目前，我國信號系統(tǒng)和列控設(shè)備日漸成熟穩(wěn)定，信號系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試主要工作就是數(shù)據(jù)的驗證，而不再是信號設(shè)備本身的測試。BIM技術(shù)的引入，可以更好的為數(shù)據(jù)驗證工作提供技術(shù)支持。

隨著越來越多的鐵路工程建設(shè)項目開始引入BIM，若四電系統(tǒng)集成階段建立了信號系統(tǒng)的BIM模型，那么測試方只需在BIM模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)直接進行直觀的數(shù)據(jù)驗證即可，這也是BIM模型實現(xiàn)信息共享的初衷。