IFC鐵路通信系統(tǒng)分解及數(shù)據(jù)需求研究

李一凡，劉立海，周潔云，鐘 青

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

近年來，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)成為了鐵路工程全生命周期應(yīng)用及管理的主要技術(shù)發(fā)展方向之一，正在引領(lǐng)繼CAD之后建設(shè)領(lǐng)域的第二次革命。

通信工程作為鐵路工程中不可或缺的組成部分，如何應(yīng)用BIM技術(shù)改造傳統(tǒng)基因、適應(yīng)未來信息化發(fā)展是一項(xiàng)重要議題。與建筑行業(yè)相比，目前鐵路通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組成仍以CAD圖紙和文檔為主，信息化程度較低，難以適應(yīng)未來行業(yè)發(fā)展需要。例如，在武（漢）襄（陽）十（堰）鐵路BIM試點(diǎn)工程中應(yīng)用的通信專業(yè)模型可視為一種對(duì)于BIM技術(shù)如何應(yīng)用于鐵路通信領(lǐng)域的探討[1]，但由于缺乏完備的設(shè)備類型定義及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)描述等信息，限制了BIM模型在鐵路通信領(lǐng)域內(nèi)全生命周期的應(yīng)用。為解決這個(gè)問題，需要研究一種鐵路通信領(lǐng)域適用的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)信息以模型為載體的全生命周期集成與共享。

本文從鐵路通信領(lǐng)域?qū)嶋H需求出發(fā)，提出了工藝基礎(chǔ)類（IFC，Industrial Foundation Class）標(biāo)準(zhǔn)鐵路通信系統(tǒng)分解架構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)分解后的各對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)需求定義，是鐵路通信領(lǐng)域BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)制定工作中的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)概述及IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)概述

鐵路工程項(xiàng)目具有涵蓋專業(yè)多、數(shù)據(jù)體量大、專業(yè)接口多、關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，想依托同一個(gè)平臺(tái)或同一種BIM軟件同時(shí)滿足鐵路工程全專業(yè)的BIM應(yīng)用需求是非常困難的。另一種解決思路是以各專業(yè)信息模型數(shù)據(jù)交換與共享為核心，采用多平臺(tái)、多軟件的協(xié)同開發(fā)與管理模式，以實(shí)現(xiàn)鐵路工程開展全專業(yè)全生命周期BIM應(yīng)用的目標(biāo)。而統(tǒng)一的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)這一思路的技術(shù)基礎(chǔ)。侯黎明[2]對(duì)不同軟件平臺(tái)下動(dòng)車段所的BIM設(shè)計(jì)的探索正是應(yīng)用了IFC標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。

IFC標(biāo)準(zhǔn)是一種由building SMART（bSI）組織制定的BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，目前最新版本是2017年6月發(fā)布的IFC 4.1[3]，已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IFC標(biāo)準(zhǔn)作為一種公開的、結(jié)構(gòu)化的、面向?qū)ο蟮男畔⒔粨Q格式，具有成熟的技術(shù)架構(gòu)，提供了一種不依賴于具體系統(tǒng)的、適合于描述貫穿整個(gè)建筑項(xiàng)目生命周期內(nèi)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的中性機(jī)制[4]，在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，正在向基礎(chǔ)設(shè)施和其他領(lǐng)域擴(kuò)展。

1.2 IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目簡(jiǎn)介

目前，各國(guó)都在基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造中提出BIM及數(shù)字化的要求，鐵路亦不例外[5-6]。在此背景下，bSI組織決定成立IFC鐵路項(xiàng)目，基于既有IFC標(biāo)準(zhǔn)框架進(jìn)行擴(kuò)展，將標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)至5.0，在IFC標(biāo)準(zhǔn)中加入國(guó)際化的鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。bSI擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 bSI擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

本次擴(kuò)展主要包括軌道、通信、信號(hào)、能源等領(lǐng)域[7]。通信領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研究是IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)研究中的重要組成部分，如圖2所示。

圖2 IFC鐵路項(xiàng)目中各領(lǐng)域劃分

2 鐵路通信工程信息模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求

2.1 需求分析

鐵路通信工程信息模型是鐵路通信工程信息化管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)鐵路通信工程全生命周期內(nèi)多參與方協(xié)同工作，以及跨平臺(tái)、跨階段數(shù)據(jù)交付與再利用的技術(shù)支撐。鐵路通信工程信息模型本質(zhì)上是由各個(gè)構(gòu)件以及相互之間的連接關(guān)系組成的。構(gòu)件是重要的物理存在的實(shí)體，連接關(guān)系定義這些實(shí)體是如何相互關(guān)聯(lián)、共同作用以實(shí)現(xiàn)特定的功能、滿足實(shí)際工程需求。

構(gòu)件的擴(kuò)展是鐵路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中最重要的部分。完備的鐵路通信構(gòu)件類型定義及準(zhǔn)確的構(gòu)件數(shù)據(jù)描述等信息是鐵路通信工程信息模型在鐵路通信領(lǐng)域內(nèi)全生命周期的應(yīng)用基礎(chǔ)。構(gòu)件定義的粒度必須適當(dāng)。定義太粗難以反映工程中的實(shí)際需求，影響未來實(shí)施效果；反之定義太細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)將變得龐大而繁瑣，降低可用性[8]。

綜上，為了更好地描述鐵路通信工程信息模型，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下兩個(gè)要求：（1）通過對(duì)實(shí)際鐵路工程中應(yīng)用的通信設(shè)施設(shè)備進(jìn)行抽象和概括，定義完備的鐵路通信構(gòu)件類型；（2）以合適的精度準(zhǔn)確描述構(gòu)件屬性、表達(dá)構(gòu)件信息。

2.2 IFC 傳輸/配送系統(tǒng)及存在的問題

IFC標(biāo)準(zhǔn)采用抽象性、兼容性的思維方式，將水、氣、電等各類傳輸系統(tǒng)從本質(zhì)上抽象提煉為由各類控制設(shè)備、管線設(shè)施通過各類接口連接組成的網(wǎng)狀傳輸/配送系統(tǒng)。在IFC標(biāo)準(zhǔn)框架中，傳輸/配送系統(tǒng)相關(guān)對(duì)象定義分別位于共享層和領(lǐng)域?qū)又?。該系統(tǒng)采用傳輸/配送實(shí)體構(gòu)件對(duì)象（IfcDistributionElement）,傳輸/配送接口對(duì)象（IfcDistributionPort）以及傳輸/配送系統(tǒng)對(duì)象（IfcDistributionSystem）定義物理實(shí)體，各實(shí)體間連接關(guān)系及整個(gè)傳輸/配送系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系[9]。鐵路通信系統(tǒng)本質(zhì)上應(yīng)屬于傳輸/配送系統(tǒng)表達(dá)范圍。

由于IFC標(biāo)準(zhǔn)目前主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，可應(yīng)用于通信領(lǐng)域的構(gòu)件并不多。鐵路通信工程信息模型中需要使用到的各類線纜、設(shè)備等構(gòu)件主要在IfcElectricalDomain中的IfcCommunicationsAppliance定義，主要通信設(shè)備類型有天線、電腦終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。定義的設(shè)備屬性有電源狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、標(biāo)稱電壓/電流、設(shè)備生產(chǎn)廠家、裝配地點(diǎn)、保質(zhì)期等。

根據(jù)2.1節(jié)中鐵路通信工程信息模型對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的需求分析可知，目前IFC 4中定義的、主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域的通信設(shè)備，在種類和屬性描述兩方面并不能滿足鐵路通信工程信息模型全生命周期應(yīng)用的需求。因此，在IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目的背景下，對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展至鐵路通信領(lǐng)域的研究十分必要。

IFC鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)制定的核心內(nèi)容：IFC鐵路通信系統(tǒng)分解以及鐵路通信構(gòu)件數(shù)據(jù)需求的研究工作。IFC鐵路通信系統(tǒng)分解的目的是從鐵路通信工程的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)鐵路通信構(gòu)件進(jìn)行梳理，確認(rèn)哪些構(gòu)件已存在于既有IFC 4中，哪些需要作為新構(gòu)件類型補(bǔ)充；通信構(gòu)件數(shù)據(jù)需求的制定是在系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確各通信構(gòu)件需要攜帶哪些屬性信息以滿足鐵路通信工程信息模型在項(xiàng)目不同階段、不同參與方的需要。這兩部分內(nèi)容是制定鐵路通信工程BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

3 IFC鐵路通信系統(tǒng)分解

3.1 鐵路通信工程系統(tǒng)組成

鐵路通信工程屬于系統(tǒng)性工程，各個(gè)構(gòu)件以一定的方式連接在一起形成一個(gè)整體的系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)揮系統(tǒng)功能，因此與隧道、橋梁、建筑等側(cè)重于空間結(jié)構(gòu)分解的工程不同，鐵路通信工程更側(cè)重于邏輯結(jié)構(gòu)分解。

中國(guó)鐵路通信系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：傳輸系統(tǒng)、接入網(wǎng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)系統(tǒng)、電話交換系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)、時(shí)鐘同步系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)、綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、通信電源、電源及設(shè)備房屋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、通信線路等。考慮到IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目對(duì)于通信系統(tǒng)范圍的定義，客票系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)、自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等也納入廣義的通信系統(tǒng)研究范圍中。

3.2 IFC鐵路通信系統(tǒng)分解

根據(jù)IFC鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目主要研究基礎(chǔ)的、核心的、鐵路特有的通信系統(tǒng)的大原則，以及兼顧國(guó)際共識(shí)等因素，本次標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展無法包含所有廣義的通信子系統(tǒng)。通過對(duì)所有通信子系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和篩選，以及對(duì)各通信子系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理，經(jīng)中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟、歐洲各鐵路公司等各標(biāo)準(zhǔn)研究單位共同討論，確定了IFC鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)研究范圍，并采用自頂向下的方式對(duì)鐵路通信工程進(jìn)行系統(tǒng)分解如圖3所示。

在以上IFC鐵路通信系統(tǒng)分解架構(gòu)中，無源構(gòu)件可作為基礎(chǔ)模塊應(yīng)用于各個(gè)通信子系統(tǒng)的搭建，是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)；固定傳輸網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)應(yīng)，是鐵路通信系統(tǒng)中的核心部分、分別采用有線、無線的方式為各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供承載平臺(tái)；時(shí)間/時(shí)鐘同步系統(tǒng)確保全網(wǎng)各通信子系統(tǒng)時(shí)間、時(shí)鐘同步，為整個(gè)鐵路通信系統(tǒng)提供支撐；固定電話系統(tǒng)（重點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)/調(diào)度電話系統(tǒng)）、鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鐵路客票系統(tǒng)為鐵路特有的通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)，由無源構(gòu)件、固定傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間/時(shí)鐘同步系統(tǒng)共同搭建的傳輸平臺(tái)提供承載，為鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門、旅客等提供服務(wù)。該系統(tǒng)分解架構(gòu)清晰、易于擴(kuò)展。后期如有需要擴(kuò)展其他業(yè)務(wù)承載平臺(tái)或通信業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，可方便地找到其在系統(tǒng)分解架構(gòu)中的定位并補(bǔ)充擴(kuò)展相關(guān)內(nèi)容。

圖3 IFC鐵路通信系統(tǒng)分解

以鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，完整的系統(tǒng)分解展示如圖4所示。

圖4 鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分解

以合適粒度進(jìn)行詳盡的系統(tǒng)分解后，通過進(jìn)一步歸納、整合，可以得到所有IFC鐵路通信構(gòu)件的種類。接下來需要完善的是對(duì)每一類構(gòu)件進(jìn)行概念定義，并完成相關(guān)屬性描述，即制定各鐵路通信構(gòu)件的數(shù)據(jù)需求。

4 IFC鐵路通信構(gòu)件數(shù)據(jù)需求

IFC標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)描述，IFC鐵路通信構(gòu)件的數(shù)據(jù)需求主要由數(shù)據(jù)對(duì)象描述、屬性定義、預(yù)定義類型等內(nèi)容組成。

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)象描述

仍以鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，展示鐵路通信數(shù)據(jù)對(duì)象的定義：包含對(duì)象ID、對(duì)象類型、定義、功能描述及圖片解釋等內(nèi)容，如表1所示。

4.2 屬性定義

考慮到通信系統(tǒng)構(gòu)件有很大一部分屬性為通用屬性，如設(shè)備ID、與空間形態(tài)有關(guān)的信息（幾何尺寸、位置等）、對(duì)環(huán)境的要求（溫濕度等）、資產(chǎn)信息和運(yùn)維信息等，為避免重復(fù)定義且便于調(diào)用，提出定義一個(gè)鐵路通信構(gòu)件通用屬性集（General_Property_Family），供各通信系統(tǒng)構(gòu)件繼承使用。為支持鐵路通信構(gòu)件的全生命周期應(yīng)用，通用屬性集應(yīng)盡可能全面覆蓋各項(xiàng)目參與方的基本的、核心的信息需求，主要由以下部分組成，如圖5所示。

圖5 鐵路通信構(gòu)件通用屬性集

除繼承通用屬性集外，大多通信系統(tǒng)構(gòu)件還有自己的專有屬性。因此，每個(gè)通信系統(tǒng)構(gòu)件的完整數(shù)據(jù)描述由通用屬性集和專有屬性共同組成。

選取典型、有代表性的風(fēng)速風(fēng)向計(jì)（Anemometrograph）為例，展示通信系統(tǒng)構(gòu)件專有屬性定義。風(fēng)速風(fēng)向計(jì)除繼承通用屬性集以外，所具備的專有屬性定義如圖6所示。

除分辨力、最大允許誤差、啟動(dòng)風(fēng)速、時(shí)間常數(shù)等可被定義為Real的普通屬性外，IFC標(biāo)準(zhǔn)中有一種特殊的屬性類型：預(yù)定義類型，用以說明實(shí)體的詳細(xì)類型。預(yù)定義類型為枚舉型，如：風(fēng)速風(fēng)向計(jì)類型定義為由風(fēng)杯式、螺旋槳式、超聲波式、熱場(chǎng)式、其他類型等枚舉值組成的預(yù)定義類型；采集方式定義為由自動(dòng)連續(xù)、手動(dòng)單次、其他采集方式等枚舉值組成的預(yù)定義類型；接口類型定義為由RS-422、RS-485、其他接口類型等枚舉值組成的預(yù)定義類型。這種屬性定義方式結(jié)構(gòu)清晰，避免了冗余，且易于擴(kuò)展，提高了構(gòu)件屬性描述的精細(xì)度和準(zhǔn)確度，能夠滿足鐵路通信工程信息描述的專業(yè)需求。

表1 鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象描述

圖6 風(fēng)速風(fēng)向計(jì)專有屬性

5 結(jié)束語

本文在IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目背景下，對(duì)鐵路通信領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究。結(jié)合鐵路通信工程的實(shí)際需求，提出了IFC鐵路通信系統(tǒng)分解架構(gòu)，采用面向?qū)ο蠓椒▽?duì)系統(tǒng)分解后各鐵路通信領(lǐng)域特有構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)據(jù)需求定義，在現(xiàn)階段盡可能清晰完善地實(shí)現(xiàn)了鐵路通信工程信息模型的基本數(shù)據(jù)描述。本文研究成果從通信領(lǐng)域?qū)I(yè)需求出發(fā)，為鐵路通信工程全生命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，可為其他相關(guān)領(lǐng)域提供參考。下一步研究方向主要有：根據(jù)通信領(lǐng)域應(yīng)用IFC標(biāo)準(zhǔn)的具體數(shù)據(jù)交換場(chǎng)景（用例）反向檢查數(shù)據(jù)需求是否完整，如有必要可進(jìn)一步完善以保證所定義數(shù)據(jù)需求可應(yīng)用于通信工程項(xiàng)目全生命周期；準(zhǔn)確定義各對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)以及新增對(duì)象在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的位置，將通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展真正融入IFC架構(gòu)。