BIM技術(shù)在鐵路信號(hào)和安全系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用

0 引言

自2017年由德國(guó)聯(lián)邦運(yùn)輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部（BMVI）發(fā)起的13個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目啟動(dòng)以來，德國(guó)鐵路股份公司（DB）就引入了建筑信息模型（BIM）技術(shù)，作為其標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略以及未來的工作和設(shè)計(jì)方法。從那時(shí)起，BIM技術(shù)成為了DB基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中不可或缺的工具。同時(shí)，參與DB基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的各行業(yè)專家也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，即如何根據(jù)DB的BIM戰(zhàn)略制定出可行的措施。他們關(guān)心以下3個(gè)核心問題：

（1）可以通過哪些業(yè)務(wù)或規(guī)劃流程達(dá)到要求;

（2）應(yīng)該使用哪些軟件系統(tǒng)來支持所需流程并生成所需的專家數(shù)據(jù)或?qū)ο?

（3）應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)以及通過哪種接口格式實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨公司和跨流程的數(shù)據(jù)流。

WSP Infrastructure Engineering GmbH公司的ProSig規(guī)劃軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)這些問題，為鐵路信號(hào)和安全系統(tǒng)規(guī)劃提供了多種解決方案。下面將介紹這些解決方案。

1 ProSig 軟件系統(tǒng)概述

為使讀者更好地理解ProSig方案，本文先介紹該軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架。該軟件系統(tǒng)分為2部分。其中一部分作為“對(duì)象提供器”，負(fù)責(zé)提供專業(yè)對(duì)象相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，以支持各專業(yè)的規(guī)劃工作;另一部分作為“對(duì)象收集器”，負(fù)責(zé)在3D空間中對(duì)所有專業(yè)對(duì)象進(jìn)行同時(shí)且全面的描述，并成為后續(xù)系統(tǒng)（財(cái)務(wù)控制系統(tǒng)、維修系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)源。這些跨專業(yè)且通用的3D空間（如AutoDesk Navisworks）允許對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行結(jié)構(gòu)、數(shù)量和時(shí)間方面的評(píng)估。各專業(yè)規(guī)劃人員可以在“對(duì)象收集器”中對(duì)其所做的規(guī)劃進(jìn)行修改和調(diào)整。

這個(gè)基于BIM技術(shù)的全面“對(duì)象收集器”是鐵路網(wǎng)絡(luò)完整且真實(shí)圖像的“數(shù)字孿生”。從技術(shù)和組織的角度來看，這是一個(gè)雄心勃勃的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目。

為實(shí)現(xiàn)將不同系統(tǒng)組件連接起來并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，ProSig軟件系統(tǒng)還使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，以求在系統(tǒng)組件之間使用單一數(shù)據(jù)流。

2 從 2D 到 3D 的發(fā)展

基于上述方案，ProSig研發(fā)團(tuán)隊(duì)與DB Engineering&Consulting公司合作開發(fā)了一個(gè)名為“LST2BIM”的原型應(yīng)用程序，可將一些ProSig項(xiàng)目中的2D對(duì)象自動(dòng)轉(zhuǎn)換為“對(duì)象收集器”虛擬空間中的3D對(duì)象。

（1）首先，將ProSig規(guī)劃項(xiàng)目中的信息分為2種具有不同格式的基本數(shù)據(jù)流：①使用DB下屬線路網(wǎng)絡(luò)子公司（DB Netz AG）PlanPro數(shù)據(jù)接口的鐵路信號(hào)和安全系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù);②具有工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）3D交換格式的對(duì)象結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但內(nèi)容不一定與鐵路信號(hào)和安全技術(shù)相關(guān)。

（2）然后，對(duì)這些數(shù)據(jù)流進(jìn)行組合或鏈接，以滿足各個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)的信息需求。數(shù)據(jù)從ProSig中導(dǎo)出后，便生成了2個(gè)數(shù)據(jù)集：包含所規(guī)劃設(shè)備（如集中裝置）全部技術(shù)和邏輯信息的PlanPro-XML數(shù)據(jù)，以及包含線路設(shè)施相關(guān)3D對(duì)象的IFC文件。IFC文件可通過唯一編號(hào)（全局唯一標(biāo)識(shí)符 GUID）在PlanPro數(shù)據(jù)中被引用。

（3）最后，目標(biāo)系統(tǒng)導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行可視化和進(jìn)一步處理。

由于信息需求因應(yīng)用場(chǎng)景不同而各異，因此結(jié)構(gòu)性3D對(duì)象的細(xì)節(jié)級(jí)別（LOD）也不同。目前，ProSig和LST2BIM中對(duì)象的LOD分為3級(jí)（圖2）：①占位符，非常粗略的描述，僅用于標(biāo)記某物體的存在;②合格模擬品，具有標(biāo)準(zhǔn)圖的相應(yīng)編號(hào)，外觀與對(duì)象近似;③標(biāo)準(zhǔn)圖，對(duì)于對(duì)象的真實(shí)描述，體現(xiàn)其細(xì)節(jié)。

在一個(gè)上文提到的BIM早期試點(diǎn)項(xiàng)目中，規(guī)劃人員使用LST2BIM軟件在美茵河畔法蘭克福（Frankfurt am Main）樞紐站Gutheuthof支線已有的3D現(xiàn)狀圖中增加了數(shù)個(gè)信號(hào)機(jī)，如圖3所示。

目前，研究人員還以LST2BIM軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)出名為“LST2Unreal”的應(yīng)用程序。利用該程序，可將線路設(shè)備對(duì)象傳輸?shù)経nreal Engine的交互式3D空間中，供用戶查看和瀏覽。采用這種游戲開發(fā)的方法進(jìn)行專業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，可使用戶獲得3D可視化體驗(yàn)，并且迅速經(jīng)濟(jì)地檢查規(guī)劃結(jié)果（圖4）。

3 以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的 BIM 規(guī)劃

原始數(shù)據(jù)的可靠性問題始終是使用BIM技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃的大問題。沒有精確地形信息作為基礎(chǔ)，鐵路設(shè)施規(guī)劃便不能達(dá)到準(zhǔn)確合理的效果。

對(duì)于鐵路信號(hào)和安全系統(tǒng)的規(guī)劃，精確的軌道位置及相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)（線路里程、軸線、坡度、超高）是創(chuàng)建有效現(xiàn)狀圖的前提，而線路設(shè)施規(guī)劃以有效現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)。BIM技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了對(duì)此類數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的要求，因?yàn)樗?D對(duì)象必須在虛擬空間中具有準(zhǔn)確的位置和足夠精確的范圍，以便隨后對(duì)其進(jìn)行專業(yè)整合，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)評(píng)估（如碰撞檢測(cè)）。

因此，創(chuàng)建現(xiàn)狀圖時(shí)，除了優(yōu)化2D信息源以外，還建議使用準(zhǔn)確的3D信息。為此，使用激光掃描儀記錄點(diǎn)云是一種可靠且實(shí)用的方法。由此形成的規(guī)劃過程如下。

（1）利用ProSig軟件從3D點(diǎn)云中創(chuàng)建線路位置圖，并在必要時(shí)確定所有存在對(duì)象的位置。

（2）根據(jù)這些信息，在ProSig項(xiàng)目中創(chuàng)建現(xiàn)狀圖。

（3）在所需的施工條件下規(guī)劃線路設(shè)施。

（4）使用LST2BIM將ProSig項(xiàng)目中的對(duì)象導(dǎo)出并在3D點(diǎn)云中顯示，以便進(jìn)行規(guī)劃?rùn)z查。

4 總結(jié)和展望

將BIM技術(shù)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃還處于起步階段，但已取得不少成果。究竟BIM技術(shù)最終將發(fā)展到何種程度，是僅局限于個(gè)別解決方案，還是成為包羅萬象的行動(dòng)框架，這取決于德國(guó)鐵路行業(yè)愿意且允許做出多大程度的改變。但無論如何，這種標(biāo)準(zhǔn)化舉措都帶來了創(chuàng)新的壓力，這對(duì)傳統(tǒng)工程師的工作（如鐵路信號(hào)和安全技術(shù)領(lǐng)域）產(chǎn)生了明顯影響。ProSig軟件系統(tǒng)在這種改變中得到了發(fā)展和完善。目前，DB已經(jīng)引入了新版本“ProSig 7 EPU”。與傳統(tǒng)的“繪圖驅(qū)動(dòng)”版本相比，這種最新版本可以為有針對(duì)性的“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”流程提供更多支持。此外，基于BIM技術(shù)的鐵路設(shè)施規(guī)劃方式也得到了進(jìn)一步發(fā)展，具體表現(xiàn)為：①使用2個(gè)或多個(gè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃;②將這些軟件系統(tǒng)集成到綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)（CDE）中;③直接在數(shù)字孿生上進(jìn)行跨專業(yè)的協(xié)作。

參考文獻(xiàn)

[1] Silja Beck， TurgayTürker， Volker Uminski. Building Information Modeling in der Planung der Leit- und Sicherungstechnik[J]. Signal+Draht，2019（9）：6-11.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-01-04